СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ОБРАБОТКИ ПОДЗЕМНОГО ПЛАСТА ЧЕРЕЗ СКВАЖИНУ И СПОСОБ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА ЧЕРЕЗ СКВАЖИНУ
METHOD FOR IMPROVEMENT OF TREATMENT OF UNDERGROUND FORMATION THROUGH WELL, AND METHOD FOR HYDRAULIC FRACTURING OF FORMATION THROUGH WELL

Изобретение относится к технике размещения жидкостей в подземных пластах нефтяных и газовых скважин, в частности, к размещению флюидов, применяемых при гидроразрыве пласта.
В некоторых подземных пластах нефтяных и газовых скважин межслоевые барьеры могут быть недостаточно прочными, чтобы удержать развитие трещины в пределах продуктивной зоны. Это приводит к неэффективному гидроразрыву, когда большая часть операции направлена на стимулирование непродуктивных зон. Для случаев гидроразрыва с низкой или нулевой разницей в уровне прочности между пластами, это может вызывать нежелательный негоризонтальный (вверх или вниз) рост трещины за пределы нефтеносной зоны пласта. В частности, проблемой нежелательного гидроразрыва пласта (ГРП) является стимулирование зон, которые приводят к увеличению добычи воды или нежелательного газа.
Нежелательные тенденции в развитии трещин обычно сдерживаются путем размещения искусственных барьеров вдоль границ трещины; барьеры должны остановить рост трещины за пределы продуктивной зоны. Удержание роста трещин достигалось путем размещения в трещине проппанта и жидкостей с различными плотностями. Однако, такие подходы остаются ненадежными из-за трудностей, возникающих при размещении искусственных барьеров.
Публикация SPE 25917 предлагает осуществлять контроль роста трещины в высоту трещины через селективное размещение искусственных барьеров выше и ниже продуктивной зоны. Эти барьеры размещаются перед самой обработкой; для этого закачивается низковязкая жидкость для переноса проппанта (жидкость-носитель), которая переносит смесь проппантов с различной плотностью и разными размерами так, чтобы проппанты осаждались на дне и/или всплывали вверх вдоль трещины-канала (или оба случая сразу). Обычно закачивается порция вязкой жидкости разрыва без проппанта для создания трещины-канала; после этого закачивается суспензия жидкости-носителя с вязкостью 5-10 мПа-с, которая несет смесь более плотного проппанта (проппант оседает на дне трещины) и легкого проппанта (поднимается в верхнюю часть трещины). Мостики из проппанта в верхней и/или нижней зоны трещины могут остановить вертикально-направленное распространение трещины. Однако, точное размещение двух видов проппанта с помощью контроля плотности и вязкости только одной жидкости-носителя кажется непростой задачей.
Известны примеры селективной обработки зон трещины. Например, в патенте US 5425421 описана инжекция состава для схватывающегося геля, такого как полимер полиакрил амида, сшитого ионами переходных металлов; такая смесь закачивается в ту часть трещины, которая проходит через обводненную зону. Размещение двух или более различных флюидов в процессе формирования трещины известно из литературы, хотя это делалось для целей, отличных от селективной обработки зон внутри трещины.
Патент US 5411091 описывает способ усовершенствованного гидроразрыва, который включает закачку жидкости для переноса проппанта, затем промежуточной порции низковязкой буферной жидкости, а затем идет этап закачки жидкости для переноса проппанта при скорости и давлении, достаточных для удержания трещины в открытом состоянии. Это позволяет получить более равномерное распределение проппанта за счет прохождения частиц проппанта сквозь слой буферной жидкости; в патенте утверждается, что это позволяет избежать в трещине конвекции проппанта, что приводит к значительному улучшению в закреплении трещины.
В патенте US 7207396 раскрывается применение частиц в жидкостях различной плотности для правильного размещения проппанта и предотвращения нежелательного роста трещины в непродуктивные зоны. В пласт после закачки жидкости разрыва (не несущей проппанта) водится суспензия жидкости-носителя с проппантом низкой плотности. При этом плотность жидкости разрыва выше, чем плотность суспензии с легковесным проппантом, или же вязкость жидкости разрыва выше, чем вязкость суспензии с легковесным проппантом.
Патент US 7213651 описывает инжекцию в пласт первой жидкости гидроразрыва, а затем второй жидкости гидроразрыва, что создает протяженные проводящие каналы в пласте. Жидкости гидроразрыва могут отличаться по плотности, вязкости, pH и другим относительным характеристикам; с помощью этого можно получить вариации в образованных проводящих каналах. Проппант может вводится в одну или обе закачиваемые жидкости. Способ направлен на усиление проводимости трещины при минимизации выноса проппанта, что обычно является проблемой при применении технологий гидроразрыва.
Известно изобретение RU 2322476 (прототип), содержащее жидкость для гидравлического разрыва пласта, включающую хлорид калия, сульфат алюминия и воду, и дополнительно содержащую сульфацелл (марка 800), поверхностно-активное вещество - дисолван. Недостатком указанного изобретения является высокая фильтрация и низкая пескоустойчивость, а также дорогостоящие химические реагенты.
Техническая задача, решаемая в заявленном изобретении - это увеличение продуктивности скважин после гидравлического разрыва пласта.
Задача решается за счет того, что способ включает введение в пласт первой жидкости, содержащей первый агент-загуститель, введение в пласт второй жидкости, содержащей второй агент-загуститель, и обеспечение контакта между первой и второй жидкостями, причем первый и второй агенты-загустители могут быть одинаковыми или разными, отличающийся тем, что первая и вторая жидкость вступают в химическую реакцию и создают слой скольжения на границе контакта жидкостей, причем слой скольжения имеет вязкость ниже, чем вязкость первой и второй жидкости; низковязкий слой способствует проникновению второй жидкости через первую жидкость.
Введение первой жидкости означает закачивание жидкости разрыва не содержащей проппанта, которая инициирует образование трещины во время операции гидроразрыва пласта. Введение второй жидкости означает закачивание жидкости-носителя, включающей суспензию твердых частиц во время операции гидроразрыва пласта.
Суспензия может включать частицы, выбранные из группы частиц с задержанным набуханием в воде, барьеро-образующие материалы, материалы для контроля фильтрации, и их комбинации.
Суспензия частиц может включать водопоглощающий состав, который представлен частицами с сердцевиной из водонабухающего материала и покрытия, частично покрывающего сердцевину, которое временно предотвращает контакт водонабухающего материла с водой, и покрытие образовано из по меньшей мере одного из двух: (1) слоя или слоев вододеградирующего материала, или (2) слоя или слоев капсулирующего материала, которые не деградируют в воде и не поглощают воду.
Агенты-загустители для жидкости разрыва и жидкости-носителя выбирают из группы линейных полимеров, сшитых полимеров и систем на основе вязкоупругих сурфактантов.
Первая и вторая жидкость имеют вязкость в процессе закачивания не менее чем 35 мПа·с, предпочтительно не менее чем 50 мПа·с, а слой скольжения имеет вязкость меньше чем 15 мПа·с, предпочтительно менее чем 10 мПа-с. Первая и вторая жидкость имеют различную плотность.
Слой скольжения образуется в результате реакции между по меньшей мере одним реагентом из жидкости разрыва и по меньшей мере одним реагентом из жидкости-носителя. Реагенты включают деструктор геля для по меньшей мере одного из агентов-загустителей, в по меньшей мере одной из жидкостей. По меньшей мере один из агентов-загустителей для жидкостей выбирается из группы линейных или сшитых полисахаридов, а деструктор геля выбирается среди неорганических или органических кислот или их предшественников.
Полисахаридный гелеобразующий агент помещают в жидкость разрыва, а соответствующий разрушитель геля помещают в жидкость-носитель. Жидкость-носитель имеет кислый pH-фактор, и агент загуститель жидкости-носителя является аминосодержащим полимером, гидратированным при pH жидкости-носителя. Жидкость разрыва включает активируемый деструктор геля, который активируется в условиях кислого раствора. Активируемый деструктор геля включает соль оксигалогеновой кислоты.
Жидкость-носитель и жидкость разрыва включают в состав агент-загуститель, выбранный из группы линейных или сшитых полисахаридов, причем агенты-загустители для жидкости-носителя и жидкости разрыва могут быть одинаковыми или различными, причем деструктор геля присутствует в одной из жидкостей (жидкости-носителе или жидкости разрыва), а усилитель (вспомогательное средство) действия деструктора геля присутствует в другой жидкости. Деструктор геля включает соль перокисдисернокислой кислоты с аммонием или щелочным металлом. Усилитель деструктора геля выбран из группы аминов, производных алифатических аминов и их смесей.
Агент-загуститель для по меньшей мере одной из жидкости разрыва или жидкости-носителя включает боратно-сшитый полисахарид, а вторая жидкость включает гидратированный аминосодержащий полимер. Жидкость на основе гидратированного аминосодержащего полимера включает агент, образующий комплексы с боратным ионом, причем слой скольжения между двумя жидкостями создают с помощью снижения концентрации боратных ионов на границе между жидкостями.
Агент, образующий комплексы с боратным ионом, может включать полиол.
Способ гидроразрыва пласта через скважину, включает закачивание в пласт жидкости разрыва, содержащей агент-загуститель; закачивание в пласт загущенной жидкости-носителя, содержащей суспензию проппанта, так что жидкость-носитель и жидкость разрыва после закачивания контактируют на поверхности раздела двух жидкостей, причем агенты-загустители для жидкости-носителя и жидкости разрыва могут быть одинаковыми или различными и выбранными из группы линейных полимеров, сшитых полимеров и систем на основе вязкоупругих сурфактантов; жидкость-носитель и жидкость разрыва вступают в химическую реакцию и образуют слой скольжения; располагающийся на границе контакта двух жидкостей и имеющий вязкость существенно ниже, чем вязкости соседних жидкостей; слой с низкой вязкостью способствует проникновению жидкости-носителя через жидкость разрыва, причем по меньшей мере одна из жидкостей (жидкость-носитель или жидкость разрыва) включает деструктор геля для по меньше мере одного из гелеобразующеих агентов жидкости-носителя или жидкости разрыва).
С способе используют жидкость разрыва тяжелее жидкости-носителя, и используют проппант, обладающий свойством плавучести. В ином варианте используют жидкость разрыва легче жидкости-носителя, и проппант, обладающий отрицательную плавучесть.
Жидкость разрыва и жидкость-носитель имеют вязкость выше 35 мПа·с, предпочтительно выше 50 мПа·с, а слой скольжения имеет вязкость меньше 15 мПа·с, предпочтительно ниже 10 мПа·с.
В существующем уровне техники известно применение двух или более флюидов, которые вводятся в подземный пласт для различных целей, среди которых может быть изменение проводимости пласта, контроль над размещением проппанта, предотварщение выноса проппанта и прочее. Вместе с тем, практика реализации таких способов обнаруживает трудности с быстрым и точным размещением флюидов со специальными функциями и/или для доставки специальных материалов в нужные сегменты трещины. В частности, подвижность специализированных флюидов внутри трещины может быть ограничена высокими сдвиговыми напряжениями, которые возникают на границе раздела между одним специализированным флюидом и другими рабочими флюидами, особенно когда вязкости контактирующих жидкостей высоки.
Предлагаемый способ относится к сфере химического улучшения при размещении жидкости в трещине гидроразрыва, образованной в подземном пласте. В соответствии с ним обработка пласта вокруг скважины может включать стадию закачки жидкости разрыва, загущенной с помощью линейного полимера, сшитого полимера или системы вязкоупругого сурфактанта (ВУС) или подобных жидкостей; далее проводится закачивание суспензии частиц в виде дискретной стадии в ствол скважины (эта порция обеспечивает задержанное водное набухание, запирание канала, подавление фильтрации). Таким образом, операция гидроразрыва может включать дополнительные стадии в виде закачки жидкости разрыва или жидкости с проппантом.
Жидкость в виде дискретной стадии закачивается в скважину во время или после начальной стадии обработки (обычно эта порция называется жидкостью гидроразрыва и она не переносит проппант) с целью доставить и распределить материалы вдоль одной или обоих границ (нижней и верхней) трещины, которые приостанавливают вертикальный рост трещины и/или создают водонепроницамый барьер. Для размещения барьера на нижней границе трещины используется дискретная стадия с плотностью выше, чем предыдущая стадия или выше, чем плотность основной жидкости гидроразрыва в последующих стадиях жидкости разрыва или жидкости-носителе, что обеспечивает гравитационно-обусловленное сползание жидкости-носителя в нижнюю часть трещины и перемещение вдоль ее нижней границы. И наоборот, при другой реализации способа, доставка и распределение материала с нужными функциями вблизи верхней части трещины требует жидкости-носителя с меньшей плотностью, и такая жидкость может включать плавучие частицы, такие как полимерные частицы, полые шарики, пористые частицы, волокна, пенистые агенты и прочие легкие агенты.
-1
Характерной чертой заявленного способа является ускоренное сползание или выравнивание жидкости-носителя (жидкости для переноса проппанта) путем создания относительно тонкого слоя с низкой вязкостью в месте контакта между основной жидкостью гидроразрыва и жидкостью-носителем. Такой слой может образоваться за счет существенного понижения вязкости на границе или на границе раздела между указанными двумя жидкостями, что в частности, достигается через химическую деструкцию геля для гидроразрыва на границе раздела жидкостей. Например, жидкость-носитель и основная жидкость гидроразрыва могут иметь вязкость на уровне 35 мПа·с (при 100 с) при температуре контакта, но при этом промежуточный слой скольжения имеет вязкость менее 15 мПа·с (при тех же условиях). В одном случае этот процесс развивается немедленно при контакте двух жидкостей и может запускаться и поддерживаться с помощью реагентов, помещенных в одну или обе жидкости на границе раздела. В других случаях химически активные реагенты могут быть представлены неорганическим кислотами, такими как хлористоводородная кислота, фосфорная кислота, серная кислота, и органическими кислотами, например, муравьиная, уксусная, щавелевая кислота; указанные реагенты присутствуют в жидкости для переноса проппанта и приводятся в контакт с гуаровым гелем или другим гелевым агентом (загустителем рабочего раствора), в котором разрушающая кислота способна производить быструю дефрагментацию полимерной цепи и, следовательно, быстрое понижение вязкости.
При реализации способа может использоваться добавка химических агентов для деструкции вязкого геля (например, соль перокисдисульфурной кислоты) в жидкость-носитель и добавление ускорителя деструктора геля, к примеру, таких катализаторов как триэтаноламин, соли переходных металлов, частицы металла и подобные добавки к гелю гидроразрыва; такой ускоритель будет активировать деструктор геля в пограничном слое жидкости и он будет разжижать гуаровый гель в тонком слое между двумя рабочими жидкостями.
Один из вариантов осуществления изобретения раскрывает способ обработки пласта, окружающего скважину. Способ включает введение в пласт первого флюида (жидкости), содержащего первый гелеобразующий агент; и введение в пласт второго флюида (жидкости), содержащего второй гелеобразующий агент; закаченные жидкости имеют контакт на поверхности раздела между первой и второй жидкостью, при этом первый и второй гелеобразующий агент могут быть различными или идентичными. Первая и вторая жидкость могут вступать в химическую реакцию и создавать слой скольжения с вязкостью, ниже чем у первой и второй рабочей жидкости; тонкий слой на границе раздела двух жидкостей способствует проникновению первой жидкости сквозь вторую жидкость.
В одном варианте осуществления изобретения, введение первой жидкости (флюида) заключается в закачке жидкости гидроразрыва (не несущей проппант) во время операции гидроразрыва. Введение второй жидкости может заключаться в закачке жидкости-носителя (жидкость для переноса проппанта) в виде суспензии твердых частиц во время операции гидроразрыва. Суспензия в этом варианте может включать такие частицы, как частицы с задержанным водонабуханием, блокирующие материалы, материалы для борьбы с фильтрацией и их комбинации. В предпочтительном варианте суспензия может включать водопоглощающий состав в виде частиц с сердцевиной из водонабухающего материала и оболочкой, которая существенным образом покрывает сердцевину и временно защищает водонабухающий материал от контакта с водой, и данная оболочка образована по меньшей мере из (1) слоя или слоев материала, деградирующего в воде; (2) слоя (слоев) капсулирующего материала, который не подвержен деградации или набуханию в воде.
Агенты гелеобразования для жидкости разрыва и жидкости-носителя выбираются из групп линейных полимеров, сшитых полимеров и систем вязкоупругого сурфактанта. Например, первая и вторая жидкость во время закачивания имеют вязкость выше чем 35 мПа·с, предпочтительно по меньшей мере 50 мПа·с, а вязкость образованного тонкого слоя скольжения составляет менее 15 мПа·с, предпочтительно менее 10 мПа·с. В этом случае первая и вторая жидкости (флюиды) имеют различные плотности.
Требуемый слой скольжения между двумя жидкостями может получаться в результате реакции по меньшей мере одного реагента из жидкости разрыва и по меньшей мере одного реагента из жидкости-носителя. Например, реагенты могут включать разжижитель, реагирующий с агентами гелеобразования, присутствующими в одной из жидкостей (жидкости разрыва или жидкости-носителя). Агенты гелеобразования для буферной жидкости или жидкости-носителя выбираются из класса линейных или сшитых полисахаридов, а соответствующий анти-агент (называемый деструктор геля или брейкер геля) выбирается из класса минеральных или органических кислот и их предшественников. Полисахаридный загущающий агент может присутствовать в жидкости разрыва, а деструктор геля присутствовать в жидкости-носителе. Жидкость-носитель может иметь кислый pH, а агент, обеспечивающий загущение жидкости-носителя включает амино-полимер, который гидратируется при pH указанной жидкости. Стадия жидкости разрыва может нести активируемый деструктор геля, который активируется при кислотных условиях; в одном из вариантов это соль оксигалогеновой кислоты, такая как соль щелочного металла и броматной, йодатной, хлоратной или гипохлоратной кислоты. Действие некоторых солей оксигалогеновых кислот, добавленных в стадию жидкости разрыва, может дополнительно (или альтернативно) катализироваться солями переходных металлов или коллоидными частицами металлов, присутствующими в жидкости для переноса проппанта.
Жидкость разрыва и жидкость-носитель (жидкость для переноса проппанта) могут иметь в составе гелирующий агент (загуститель), выбранный из группы линейных или сшитых полисахаридов, причем этот гелирующий агент может быть одним и тем же или различным для жидкости разрыва и жидкости-носителя, при этом в одной из указанных жидкостей присутствует деструктор (брейкер) геля, а усилитель деструктора присутствует в другой жидкости (жидкости разрыва или жидкости-носителе). Например, деструктор геля может включать аммониевые или щелочно-металлические соли пероксидисульфурной кислоты, а усилитель деструктора может быть выбран из аминов, производных алифатичесокого амина и подобных соединений, а также их смесей.
В другом случае, по меньшей мере одна из жидкостей (жидкость разрыва или жидкость-носитель) может включать полисахарид, сшитый боратным сшивателем, а другая жидкость (жидкость разрыва или жидкость-носитель) включает гидрированный аминополимер. В этом варианте, гидрированный аминополимерный гель может включать комплексообразующий агент для боратных ионов, такой как полиол, при этом слой скольжения образуется путем истощения доступности боратного иона на границе флюида с, боратным сшивателем.
Предлагаемый способ гидроразрыва пласта вокруг скважины включает этапы: (1) закачивание в пласт жидкости разрыва, которая включает агент образования геля для жидкости разрыва; (2) закачивание в пласт жидкости-носителя, которая включает суспензию твердых частиц, включая агенты-загустители, причем жидкость-носитель входит в контакт с жидкостью разрыва на границе раздела между двумя указанными жидкостями, при этом агенты-загустители для жидкости разрыва и жидкости-носителя могут быть идентичными или различными, и выбираются из класса линейных полимеров, сшитых полимеров и вязкоупругих сурфактантов; и далее (3) жидкость разрыва и жидкость-носитель могут вступать в химическую реакцию и создавать слой скольжения, имеющий низкую вязкость по сравнению с указанными выше жидкостями; этот тонкий слой невязкой жидкости способствует проникновению жидкости-носителя через жидкость разрыва, при этом одна из жидкостей (жидкость разрыва или жидкость-носитель) включает деструктор геля для одного из агентов гелеобразования.
Жидкость разрыва может быть более плотной, чем жидкость-носитель, а проппант может быть плавучим (легче, чем жидкость). Способ может включать также стадию жидкости разрыва, где буферная жидкость легче, чем жидкость-носитель, а сам проппант имеет отрицательную плавучесть.
На фиг.1 схематически показано размещение жидкости на ранних стадиях гидроразрыва при реализации предложенного способа.
На фиг.2 схематически показано размещение жидкости на поздних стадиях гидроразрыва при реализации предложенного способа.
Фиг.3 схематически иллюстрирует тестовую щель для гравитационно-обусловленного сползания жидкости для нижеприведенных примеров, позволяющих оценить способность жидкости-носителя проникать сквозь жидкость разрыва; показан начальный момент эксперимента после удаления разделяющей перегородки.
Фиг.4 схематически иллюстрирует тестовую щель для гравитационного сползания (см. фиг.3); показана ранняя стадия развития придонного слоя, получающегося в результате сползания жидкости.
Фиг.5 схематически иллюстрирует тестовую щель для гравитационного сползания (см. фиг.3 и 4); показана поздняя стадия развития придонного слоя.
На Фиг.6 отложена высота придонного слоя жидкости; жидкость-носитель соседствует с основной жидкостью гидроразрыва, загущенную сшитым гуаровым гелем. Приводится сравнение для случая, когда жидкость-носитель включает кислотный деструктор геля (HCl) согласно изобретению (и контрольный случая той же жидкости без деструктора геля).
На Фиг.7 отложена высота придонного слоя жидкости-носителя против жидкости гидроразрыва, содержащую гуаровый гель и песок; проводится сравнение системы жидкость-носитель и основная жидкость гидроразрыва. В систему введены агенты: персульфат аммония в жидкости-носителе и триэтиламин в основной жидкости гидроразрыва образуют пару «деструктор геля - активатор деструктора» согласно одному варианту осуществления изобретения. Эта система сравнивается с аналогичной системой без пары «деструктор геля - активатор деструктора».
Настоящее изобретение представляет собой надежный механизм доставки материалов, необходимых для подавления роста трещины в вертикальном направлении, а также для подавления водопроявлений, причем без серьезного ухудшения проводимости трещины гидроразрыва. При реализации заявленного способа частицы с функциями создания барьера или контроля притока воды (это частицы, известные из уровня техники) могут быть количественно и аккуратно размещены вдоль нижней и/или верхней части трещины во время определенной стадии обработки трещины.
Для того, чтобы выполнить строгие требования к применимости данного изобретения, жидкость для переноса проппанта (жидкость-носитель), которая используется для переноса и размещения нужного твердого материала, должна удовлетворять одному или более из следующих критериев: (1) жидкость-носитель должна отличаться от жидкости разрыва и может дестабилизировать последнюю жидкость на границе раздела фаз; (2) жидкость-носитель может химически отличаться от жидкости разрыва и содержать агент для деструкции геля, агент для подстройки pH или комплексообразующий агент, который способен дестабилизировать буферную жидкость на границе раздела фаз; (3) жидкость-носитель может иметь аналогичный (или похожий) состав, что и буферная жидкость, но одна из жидкостей содержит агент деструкции геля (брейкер геля), а другая жидкость содержит активатор этого агента, которые вместе, благодаря контакту на поверхности раздела жидкостей, могут запустить реакцию понижения вязкости на границе между данными жидкостями; (4) жидкость-носитель может нести суспензию твердых частиц, таких как утяжелители жидкости или частицы с другими функциями, работающими на период, достаточный для размещения суспензии в нужной части трещины; и/или (5) жидкость-носитель не реагирует на добавки, которые вызывают химическую деградацию полимеров на гуаровой основе или другие загустители, присутствующие в жидкости разрыва. Кроме того, добавки, введенные или представленные в различных стадиях общей операции, например, стадии жидкости разрыва и последующей стадии образования барьера, должны быть совместимы с другими компонентами, используемыми при гидроразрыве, например, со стадиями жидкости разрыва или жидкости-носителя, а также с другими стадиями закачки, которые обычно закачиваются в пласт до или после описанной операции.
На фиг.1 показана начальная стадия роста трещины в продуктивной зоне 1, которая отделена от водоносной зоны 2 прилегающими породами 3. Верхняя жидкость 5 отвечает за постоянный рост трещины, что является результатом традиционной техники гидроразрыва пласта. Нижняя жидкость 6 есть тяжелый гель или жидкость-носитель, которая закачивается для выполнения особых операций в нижней части трещины. Обе жидкости 5 и 6 инжектируются через совокупность перфорационных отверстий в скважине 8. Если действовать согласно известной технологии, то тяжелая жидкость 6 с высокой вязкостью очень медленно проникает к месту назначения из-за взаимодействия типа жидкость-жидкость; однако, согласно данному изобретению, создание слоя проскальзывания между жидкостями способствует быстрому перемещению жидкости 6. На фиг.2, где одинаковые цифры обозначают одинаковые компоненты, схематически показан конечный результат развития трещины и размещения жидкости-носителя. Жидкость-носитель (плотный гель) 6 достигает нужного места, чтобы доставить водозапирающий агент или другие рабочие добавки.
Жидкость-носитель - это любая жидкость, которая позволяет переносить материал в виде частиц. Эта может быть та же жидкость, которая используется как жидкость разрыва или как основная жидкость ГРП. Примерами подходящих жидкостей-носителей могут быть вода, нефть, загущенная вода (гуар в воде; модифицированный гуаровый гель, сшитый боратными или органометаллическими веществами, вода, загущенная вязкоупругим сурфактантом, образующим мицеллы), загущенная нефть, эмульсии, и аэрированные флюиды (например, насыщенные азотом или газом CO2). В некоторых приложениях, в жидкости-носителе могут присутствовать другие добавки, такие как ксантановая камедь, камедь рожкового дерева, склероглюкан и т.д., взятых в качестве загустителя, а также бентонит в водных растворах. Если применяются неводные жидкости-носители, среди загустителей могут выбираться органофильные глины или эфиры фосфатов.
Жидкость разрыва на водной основе, жидкость-носитель или другие рабочие жидкости могут загущаться жидкостью на основе полимера (такие как полисахариды, гуар и его производные, линейные или сшитые; акриламид и т.д.); или могут применяться флюиды на основе сурфактанта (жидкие системы на основе вязкоупругого сурфактанта). Типичными полимерами, которые широко используются в нефтегазовой индустрии, являются полисахариды (крахмал), галакатоманнаны (гуар), производные гуара (гидроксипропил-гуар, карбоксиметил-гуар, карбоксиметил-гидроксипропил-гуар, гидрофобно модифицированные галакатоманнаны, ксантановая камедь, гидроксиэтилцеллюлоза, а также полимеры, сополимеры, терполимеры, содержащие акриламидный мономер, и подобные соединения. Полимеры могут быть сшиты с помощью, например, ионов металлы, таких как бор, цирконий, титан, включая комплексные металлы, и т.д.
Другими вариантами полимерных загустителей являются поливиниловые полимеры, полиметактриламиды, эфиры целлюлозы, лигносульфонаты, а также их аммониевые, щелочные и щелочноземельные соли. Более конкретными примерами этих типичных водорастворимых полимеров являются амино-полимеры, такие как сополимеры акриловая кислота-акриламид, сополимеры акриловая кислота - метаакриламид, полиакриламиды, частично гидролизованные полиакриламиды, частично гидролизованные полиметаакриламиды, а также другие анионные или катионные полиакриламидные сополимеры; поливиниловый спирт; поливинилацетат; полиалкиленоксиды; карбоксицеллюлозы; карбоксиалкилгидроксиэтил целлюлозы; другие галактомананны; гетерополисахариды, полученные ферментацией Сахаров из крахмала (например, ксантановая камедь); а также амониевые и щелочнометальные соли этих соединений. Могут также применяться производные целлюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ) или гидроксипропилцеллюлоза (ГПЦ), карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлоза (КМОЭЦ) и карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), вместе или без сшивателей (кросс-линкеров). Три биополимера, ксантан, диутан и склероглюкан, продемонстрировали отличные свойства по удержанию взвеси проппанта, хотя эти соединения оказались более дорогими по сравнению с производными гуара, и потому эти загустители используются реже (хотя их можно применять при низких концентрациях).
Системы с линейными (несшитыми) полимерами могут применяться в другом варианте осуществления изобретения, но обычно они требуют более высокой загрузки полимера для достижения того же уровня загущения. Могут применяться все системы со сшитыми полимерами, включая полимеры с отложенным процессом сшивки цепей, оптимизированные для высокой температуры, оптимизированные для применения с морской водой, забуференные при различных pH, или оптимизированные для низкой температуры. Могут применяться все типы агентов-сшивателей, например, на основе бора, титана и циркония. Подходящие полимерные системы сшитые на основе бора включают, но не ограничиваются такими примерами как гуар и производные гуара со сшивкой с помощью борной кислоты, тетрабората натрия, капсулированные бораты; эти боратные агенты сшивания могут использоваться вместе с буферами и агентами для контроля pH, такими как гидроокись натрия, окись магния, смесь карбоната и гидрокарбоната натрия, карбонат натрия, амины (такие как гидрокисалкил амины, анилины, пиридины, пиримидины, хинолы и пирролидины) и карбоксилаты (такие как ацетаты и оксилаты) и агенты для отложенного действия, такие как сорбит (сорбитол), альдегиды или глюконат натрия. Подходящие полимерные системы, сшитые на основе циркония представлены, но не ограничены следующими примерами: лактаты, сшитые цирконием (например, натрий цирконий лактат), триэтаноламины, 2,2'-иминодиэтанол, а также смеси с этими лигандами, включая подстройку с помощью бикарбоната. Подходящие титанаты представлены, в качестве неограничивающего примера, лактатами и триэтаноламинаим и их смесями, например, с задерживающим агентом в виде гидроксиацетатной кислоты.
Как уже указывалось выше, системы вязкоупругих сурфактантов (например, катионные, амфотерные, анионные, неионные, смешанные, цвиттер-ионные вязкоупругие сурфактантные системы, особенно бетаиновые цвиттер-ионные вязкоупругие сурфактантные системы или сурфактантные жидкие системы на основе окисла амидоамина) могут применяться в данном изобретении. Неограничивающие примеры таких систем указаны в патентах US 5551516, US 5964295, US 5979555, US 5979557, US 6140277, US 6258859, US 6509301. В целом, подходящие цвиттер-ионные сурфактанты имеют формулу:
2
a
2
2
m
2
b
3
2
+
RCONH-(CH)(CHCHO)(CH)-N(CH)-
2
a'
2
2
m'
2
b'
-
(CH)(CHCHO)(CH)COO
2
2
2
2
где R обозначает алкильную группу, содержащую от 17 до приблизительно 23 атомов углерода, которые образуют разветвленную или прямую структуру, и которая может быть насыщенной или ненасыщенной; a, b, а', b' - числа от 0 до 10, и m и m' - от 0 до 13; а и b - каждое 1 или 2, если m не равно 0, и (а+b) от 2 до 10, если m равно 0; параметры а' и b' равны 1 или 2, когда m' не равно 0; и параметр (а'+b') от 1 до 5, если m равно 0; параметр (m+m') от 0 до 14; и CHCHO может быть ориентирован как OCHCH. Предпочтительным сурфактантом является бетаин.
6
16
8
16
В качестве двух примеров коммерчески доступных бетаиновых концентратов можно назвать продукты BET-О-30 и BET-Е-40. Вязкоупругим сурфактаном в продукте ВЕТ-О-30 является олейламидопропил бетаин, полученный от поставщика (Rhodia, Inc. Cranbury, New Jersey, U.S.А.) под маркой MIRATAINE ВЕТ-О-30; он поставляется в виде 30% активного сурфактанта, а остаток раствора приходится на воду, хлорид натрия, глицерол и пропан-1,2-диол. ВЕТ-Е-40 - это марка для эруциламидопропил бетаина. Сурфактанты категории BET и другие подходящие сурфактанты описаны в патенте US 6258859. Для увеличения совместимости с солевыми растворами могут быть полезными определенные косурфактаты, которые также способствуют увеличению стабильности геля и уменьшению чувствительности вязкоупругих систем к деформации сдвига, особенно для сурфактантов с маркой BET-О. Примером такого косурфактанта является сульфонат додецилбензола (СДБ). Системы вязкоупругих сурфактанов (ВУС) могут применяться вместе или без этого типа косурфактанта, например, если у них имеется структура, подобная СДБ, включая насыщенные или ненасыщенные, разветвленные или прямые, углеродные цепи от С до C; другим примером могут быть косурфактанты, имеющие насыщенные или ненасыщенные, разветвленные или прямые, углеродные цепи от С до С. Другим примером подходящего косурфактанта, особенно для ВЕТ-О-30, являются хелатные агенты, напоминающие тринатрий гйдроксиэтилэтилендиамин триацетата.
Для улучшения поддержания проппанта в жидкости-носителе (или других жидкостей ГРП) могут также использоваться волокна. Системы с применением волокон и загущенного флюида (полимер, сшитый агентом на основе металла) или системы на основе вязкоупругого сурфактанта хорошо известны в этой области; они известны также как система «транспорта проппанта, усиленная волокнами», «полимерный загуститель с волокнами (FPV)», или системы «волокна-сурфактант». Обычно волокна примешиваются в суспензии проппанта в сшитой полимерной жидкости; это делается с применением тех же приемов и оборудования, что при добавке волокон для борьбы с выносом песка, например (без ограничений), как описано в патенте US 5667012. В практике проведения гидроразрыва пласта, добавки в виде волокон часто используются для улучшения транспортировки и размещения проппанта; волокна обычно добавляются в суспензию частиц, но не в порции жидкости разрыва или продавочной жидкости.
В рабочую жидкость могут добавляться любые добавки, обычно используемые в промышленности, при условии их совместимости с другими компонентами. Такие добавки включают, без ограничения, деструкторы геля, антиокисданты, загустители, агенты сшивания, ингибиторы коррозии, агенты задержки, биоциды, буферы, компоненты для понижения фильтрации жидкости, вещества для контроля pH, твердые кислоты, предшественники твердых кислот, и т.д. Скважины для обработки могут быть вертикальными, наклонными или горизонтальными. Скважины могут быть обсажены обсадными колоннами, иметь перфорации, или быть необсаженными.
В зависимости от места размещения частиц, свойства частиц и жидкости-носителя могут варьироваться. Жидкость-носитель может быть смешиваемой или несмешиваемой с порцией жидкости разрыва. Жидкость-носитель может иметь плотность одинаковую или близкую к плотности жидкости разрыва или иной рабочей жидкости, используемых в операциях обработки скважин. Плотность жидкости-носителя можно отрегулировать до уровня выше или ниже плотности жидкости разрыва или иной рабочей жидкости. Таким образом, частицы, взвешанные в жидкости-носителе, могут доставляться ближе к верхней или нижней границы трещины. Если плотность жидкости-носителя выше, чем плотность жидкости разрыва, то благодаря образованию слоя скольжения на границе раздела такая жидкость из-за силы тяжести будет стремиться (вместе со взвешенными в жидкости твердыми частицами) проникнуть через жидкость разрыва и разместиться в нижней части образованной трещины. Свойства жидкости-носителя можно изменять через добавки загустителя, агентов деструкции геля и их активаторов, чтобы обеспечить нужные параметры жидкости. Например, для некоторых разновидностей сшивателей геля (загустителей), кислое значение pH облегчает проникновение языков жидкости через жидкость разрыва. Плотность также можно подбирать, используя утяжелители раствора.
3
Аналогичным образом, могут применяться жидкости-носители с плотностью ниже, чем у жидкости разрыва. Жидкости с низкой плотностью могут включать легкие фракции нефти. Жидкости с низкой плотностью могут получаться путем добавления облегченных материалов или частиц. Среди таких добавок могут быть керамические материалы с низкой плотностью, пустотелые шарики, пористые частицы, волокна и/или вспенивающие агенты, коммерчески доступные полимерные частицы с плотностью меньше чем 1 г/см и т.д. Благодаря разности в плотности, жидкость-носитель может нести водонабухающие частицы, частицы проппанта, набухающие в неводных жидкостях и их комбинации, причем такая жидкость всплывает в жидкости разрыва и она поднимается в верхнюю часть трещины ГРП.
Частицы с задержанным набуханием в водных или ненабухающие частицы (проппант) с одинаковым или различным распределением по размерам могут размещаться в нижней и верхней части трещины. Такая смесь закачивается во время или сразу после стадии жидкости разрыва. Жидкость-носитель / смесь частиц может закачиваться в виде отдельных стадий, причем смесь на основе тяжелой жидкости-носителя закачивается раньше или позже порции с низкой плотностью. Частицы могут размещаться за счет радиального потока, который облегчается созданием слоя скольжения на границе раздела, который образуется на ранних стадиях операции; этот поток переносит частицы как в верхнем, так и в нижнем направлении. Частицы скапливаются в виде мостика в верхней и нижней оконечности трещины. Проплаты или ненабухающие частицы создают плотный механически-стабильный барьер. Когда жидкость-носитель на водной основе достигла нужного места (вместо нее может работать пластовая вода), то взаимодействие с водонабухающим материалом или водонабухающими частицами может обеспечить дальнейшее снижение проницаемости и усиление изоляционных свойств. Поскольку набухание водонабухающих частиц может иметь задержку по времени (отложенное набухание), то это помогает избежать слишком раннего набухания и достичь размещения смеси частиц в нужных местах пласта.
Вслед за обработкой пласта с помощью материала для искусственного закупоривания концов трещины (экранирование концов трещины), можно проводить закачку порции жидкости разрыва, чтобы продолжить рост трещины в нужном направлении, пр этом барьерный материал не позволяет трещине распространяться с непродуктивные интервалы. Дополнительно операция может включать доставку проппанта обычным способом. Образование слоя проскальзывания между жидкостью-носителем и следующей порцией жидкости является дополнительным фактором, но присутствие такого слоя может облегчить закачивание следующей порции жидкости за счет снижения трения на границе раздела жидкостей. Применение слоя скольжения и водонабухающих частиц с отложенным действием в целом не требуют существенных изменений в проектировании операции гидроразрыва, и эта операция проводится обычным образом.
Одно конкретное осуществление изобретения может включать закачивание жидкости-носителя с низким pH, чтобы дестабилизировать на поверхности раздела двух жидкостей гуаровый полимер (или другой загуститель, чувствительный к низким pH), с которым кислота входит в контакт. Чтобы у жидкости-носителя при низких pH сохранялась достаточно высокая вязкость, может применяться специальный агент-загуститель. Агенты-загустители, работающие при низких pH включают, например, производные полимеров полиакриламида и другие подобные полимеры. Выбор и концентрация кислоты в жидкости-носителе определяются типом и концентрацией агента-загустителя, применяемого в основной жидкости для гидроразрыва на первой стадии обработки, а также типом, количеством и химическим составом утяжеляющего агента, добавленных к жидкости-носителю, а также техническими и экономическими соображениями.
a
Например, в одном из конкретных осуществлений данного изобретения, концентрация соляной кислоты в основной жидкости, т.е. добавки агентов-загустителей, нечувствительных к низким pH, а также концентрация добавок-утяжелителей и иных добавок может варьироваться от 1 до 20% от веса общей жидкой фазы в основной жидкости, в частности, от 2 до 15 вес.%, или, в частности, между 4 и 10 вес.%. Если кислоты имеют низкие константы кислотности K, такие как уксусная, муравьиная, щавелевая кислота, то эти кислоты могут применяться в более высоких концентрациях. Например, основная жидкость может содержать уксусную кислоту в концентрации от 1 до 40 вес.%, более конкретно от 4 до 30 вес.% и более конкретно от 6 до 20 вес.%.
В другом варианте осуществления изобретения, дефрагментация цепей гуарового полимера и соответствующее снижение вязкости геля может быть достигнута с помощьюобычных реагентов, которые обычно используются в нефтегазовой промышленности как деструкторы геля. Такие деструкторы геля становятся активными либо при повышенной температуре или в присутствии усилителя деструктора. Благодаря процессу охлаждения, температура скважинной жидкости на начальной стадии операции может быть существенно ниже температуры породы и только слегка выше, чем температура жидкости на поверхности. Последняя температура подбирается ниже, чем предпочтительный температурный интервал для срабатывания типичных разрушителей геля. Таким образом, усилители деструктора могут применяться для быстрого воздействия деструктора на гель.
В системе жидкостей согласно данному изобретению, сам деструктор и его усилитель могут добавляться в жидкости на различных стадиях обработки; их смешение происходит только на границе раздела двух жидкостей, в пограничном слое, образуемом при проникновении жидкости-носителя в ранее закаченную жидкость, которая требуется для создания трещины или в жидкость разрыва. Например, вслед за стадией жидкости разрыва, несущей усилитель деструктора, идет стадия жидкости-носителя, в которую добавлен деструктор геля, или наоборот.
Одним представительным примером пары деструктор-усилитель деструктора является пара персульфата аммоний (деструктор) и смесь из аминов и/или производных аминов алифатической кислоты (усилитель деструктора). Персульфат аммония является обычным деструктором геля, который активен в температурном интервале от 52° до 107°C (125° до 225°F), который остается неактивным в период закачки жидкости (в одном из вариантов изобретения). Однако, в комбинации с усилителем деструктора, персульфат аммония может начитать работать при температурах жидкости ниже чем 52°C (125°F). Например, амины и/или их производные могут усиливать производство сульфатных радикалов, что превращает сульфат аммония в активный деструктор даже при более низких температурах проведения операции гидроразрыва.
Другими примерами системы деструктор-усилитель деструктора являются соли щелочных металлов с сульфидами металлов; соли оксигалогенной кислоты, в частности, соли, содержащие хлоратные, броматные, иодатные, гипохлоритные ионы, особенно соли металлов, предпочтительно, соли щелочных металлов. Согласно этому варианту осуществления изобретения, соли оксигалогенной кислоты в присутствии кислот претерпевают быстрое разложение с образованием свободных радикалов. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, вместе с солями оксигалогенной кислоты используются катализаторы, такие как металлические частицы или соединения переходных металлов, например, система реагентов Фентона.
При выборе химического состава для жидкости-носителя следует учитывать совместимость материалов, свойства пласта, а также операционные и экономические аспекты проведения операции. Выбор агента-загустителя для жидкости-носителя должен осуществляться с учетом природы реагентов, используемых для размещения жидкостей в скважине и трещине. Например, если кислота добавляется в жидкость-носитель, то может применятся агент-загуститель на основе аминополимера, которые совместим с низким pH. С другой стороны, для приготовления жидкости-носителя могут использоваться системы деструктор геля - усилитель деструктора (без участия кислоты); тогда свободно можно использовать обычные гуаровые гели, которые широко используются в нефтегазовой промышленности.
В одном из вариантов изобретения, сшитый полимер на основе гуара может быть основной рабочей жидкостью используемой в качестве жидкости разрыва. Тот же самый полимер, но без сшивки полимерных цепей, может применяться для удержания твердых частиц в жидкости-носителе, а в следующих стадиях (с проппантом) снова используется сшитый гуаровый гель.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, слой скольжения образуется за счет эксплуатации свойства обратимости процесса сшивки цепочек гурового полимерного геля боратными ионами - обратный процесс дестабилизирует гуаровый гель или другие полисахаридные гели. В этом варианте осуществления изобретения, полимерный загуститель, ранее сшитый боратными ионами, на границе раздела сред входит в контакт с агентом, который также образует боратные комплексы, что создает конкурирующие реакции для боратного иона и часть боратных ионов, доступных для сшивки полимерных цепей, уходят из геля, что затрудняет или даже обращает реакцию сшивки в обратную сторону, а это, в свою очередь, уменьшает вязкость полимера в пределах слоя скольжения.
Борат-комплексообразующие агенты описаны, например, в патенте US 6060436. Такие комплексообразующие агенты могут быть выбраны из группы природных или искусственных полиолов. Термин «полиол» здесь используется для обозначения органических соединений, имеющих соседние спиртовые функциональные группы. Таким образом, в одном из вариантов изобретения, группа полиолов включает гликоли, глицерин, поливиниловый спирт, сахариды, такие как глюкоза, сорбитол, дестроза, манноза, маннитол и им подобные, а также другие углеводороды и полисахариды, включая природную и синтетическую камедь, и т.д. Под термин «полиол» также попадают кислоты, соли кислот, эфиры и аминопроизводные полиола.
Применение агента, образующего боратные комплексы, относится к введению жидкости разрыва на основе гуарового или полисахаридного геля в скважину, после чего закачивается жидкость-носитель, которая переносит необходимый барьерный или/и водопоглощающий материал и содержащий полиол или иной агент(ы), образующий боратные комплексы. После осуществления доставки стадии жидкости-носителя далее проводится обычная операция гидроразрыва, хорошо понятная квалифицированному персоналу.
Концентрация полиола в жидкости-носителе для различных воплощений изобретения может зависеть от относительного сродства конкретного полиола к боратному иону, а также от природы и массовой концентрации сшиваемого гуарового полимера. Например, исследование задержки в сшивке геля для боратных флюидов показало, что применение сорбитола создает большую задержку в реакции сшивания, чем применение глюконата натрия при одинаковых концентрациях реагентов. Поэтому можно использовать сорбитол при более низких концентрациях. Таким образом, каждый комплексообразующий агент в комбинации с конкретным видом гуарового загустителя образует систему, которая имеет индивидуально подобранную концентрацию комплексообразующего агента.
3
3
3
3
В качестве конкретного примера можно привести следующую систему: жидкость гидроразрыва, включающая от 13,6 до 22,7 кг (то есть 30-50 фунтов) гуарового полимера на 3,8 м (1000 галлонов) основной жидкости, которая смешивается с боратным сшивателем так, чтобы конечная концентрация борной кислоты находилась в интервале от 2,27 до 4,54 кг (5-10 фунтов) на объем 3,8 м (1000 галлонов) и смешивается с гидроокисью натрия в количестве от 3,63 до 6,8 кг (8-15 фунтов) на 3,8 м (1000 галлонов). Такая жидкость вводится в скважину в качестве жидкости разрыва, и затем следует стадия жидкости-носителя. Жидкость-носитель содержит в качестве загустителя соль полиакриламидной кислоты, а также агенты-утяжелители или агенты-«облегчители», необходимые барьерообразующие и водоудерживающие агенты, а также сорбитол в концентрации от 13,6 до 22,7 кг (30-50 фунтов) на объем гуарового полимера 3,8 м (1000 галлонов).
Согласно изобретению могут применяться обычные (без водонабухания) проппанты (гравий) в качестве мостикообразующего агента в жидкости для переноса проппанта с или без водонабухающих частиц, или проппант присутствует в жидкости гидроразрыва с целью удержания трещины гидроразрыва в открытом состоянии или с целью образования канала с высокой гидравлической проводимостью после операции ГРП. Такие проппанты (гравий) выбираются из классов природных или искусственных материалов (включая, без ограничения, стеклянные шарики, керамические шарики, песок, бокситы), проппанты с покрытием или содержащие реагенты; более чем один класс проппантов может использоваться в различных стадиях, а также смеси частиц различного размера и различного материала. Проппант может иметь смоляное (полимерное) покрытие, предпочтительно предварительно отвержденное покрытие. Проппанты и гравии в одной или различных скважинах или различных операциях обработки могут представлять частицы их одного материала или одного размера, при этом более общий термин «проппант» в данном тексте включает в себя и понятие «гравий». В целом, используемый проппант будет иметь средний размер частиц в интервале от 0,15 мм до 2,39 мм (от приблизительно 8 до приблизительно 20 меш), в частности, но без ограничений, размеры частиц от 0,25 до 0,43 мм (40/60 меш); 0,43 до 0.84 мм (20/40 меш); 0.84 до 1.19 мм (16/20 меш); 0,84 до 1,68 мм (12/20 меш) и от 0,84 до 2,39 мм (8/20 меш). Обычно проппант закачивают в виде суспензии с концентрацией от 0,12 до 0,96 кг/л, предпочтительно от 0,12 до 0,72 кг/л (приблизительно 1 фунт проппанта, добавленного на 1 галлон жидкости (в неметрической системе единиц измерения обозначен как единицы РРА) до 8 РРА), например, в интервале от 0,12 до 0,54 кг/л (то есть от 1 до 6 РРА).
Барьерообразующие или водоудерживающие частицы в одном из вариантов осуществления изобретения раскрыты в патентом документе US Patent Application 11/557756 (от 28 ноября 2006). В целом, водонабухающие материалы с отложенным действием могут быть приготовлены следующим образом: сердцевина, содержащей водонабухающий материал окружена покрытием, способным временно изолировать водонабухающий материал от контактов с водой. Водонабухающий материал способен поглощать воду в количестве от одной единицы до 600 раз более веса самого материала, в частности, коэффициент поглощения воды составляет от 10 до 400 от веса водонабухающего материала или, в частности, от 40 до 200 от веса водонабухающего материала.
В частности, среди успешно применяемых водонабухающих материалов можно назвать суперабсорбирующие материалы, образованные из первоначально водорастворимых полимеров, но которые благодаря внутренним сшивкам превращаются в полимерную сеть, которая уже не является водорастворимой, так как описано в патентных документах US 4548847; US 4725628; US 6841229; US 2002/0039869 A1; and US 2006/0086501 A1. Неограничивающими примерами материалов-суперабсорбентов являются сшитые полимеры и сополимеры акрилата, акриловой кислоты, амидов, акриламидов, сахаридов, винилового спирта, водопоглощающей целлюлозы, уретана и комбинации этих материалов. Могут альтернативно или дополнительно применяться другие водопоглощающие материалы, помимо суперабсорбирующих материалов, включая природные водонабухающие материалы, такие как водонабухающие глины, например, бентонит, монтмориллонит, смектит, нонтронит, биедилит, перлитовые и вермикулитные глины и их сочетания. Частицы водонабухающего материала в исходном состоянии имеют размеры от приблизительно 50 микрон до 1 мм или более.
Водонабухающие материалы могут применяться для формирования составного ядра, когда водонабухающие материалы сочетаются с другими материалами. Среди добавочных материалов могут быть агенты-утяжелители в количестве от 0 до 70% по весу от композитной частицы (чтобы подобрать плотность закачиваемого материала). Неограничивающими примерами агентов-утяжелителей могут быть силикаты, алюмосиликаты, бариты, гематиты, ильменит, тетраокись марганца, манганозит, железо, свинец, алюминий и другие металлы. В частности, в качестве водонабухающего материала особенно полезен бентонит, когда он используется в комбинации с материалами для утяжеления. В некоторых приложениях наряду с агентами-утяжелителями используются связующие агенты. Примерами связующих материалов могут быть термопластичные материалы, такие как полистирен, полиэтилен, полиметилметакрилат, поликарбонат, поливинилхлорид, и т.д. Связующие материалы могут включать термореактивные материалы, такие как фенол-формальдегид, полиэфир, эпоксидная смола, карбамид и другие смолы. В качестве связующего материала могут использоваться различные типы воска. Количество связующего материала должно быть достаточным, чтобы обеспечить прочный контакт между материалом и оболочкой.
Другой вариант материала для сердцевины частиц может быть проппант, причем проппант является внутренним ядром, а водонабухающий материал образует внешнюю оболочку, которая окружает проппант. Такой проппант с покрытием имеет достаточную механическую прочность и способность к набуханию в водной среде. Примеры проппантных материалов включают керамику, стекло, песок, бокситы, неорганические окислы (например, окись алюминия, окись циркония, двуокись кремния, бокситы), и т.д. проппант с покрытием может получен окунанием частиц проппанта в раствор или эмульсию материала-суперабсорбента с последующим испарением растворителя. Для испарения растворителя может использоваться нагрев. Типичные температуры сушки обычно лежат в интервале от приблизительно 110°C до приблизительно 150°C. Среди растворителей могут быть апротонные органические растворители, такие как гексан, гептан и другие предельные и непредельные углеводороды. Толщина покрытия может варьироваться за счет изменения продолжительности процесса нанесения покрытия и/или концентрации растворенного суперабсорбента.
Описанный выше способ покрытия проппанта может иметь конкретные применения для проппантых материалов малого размера, например, с размерами от 0,3 мм до приблизительно 1 мм. Частицы проппанта с размерами около и выше 1 мм могут покрываться суперабсорбентом в сухой форме. В таких случаях частицы погружаются в раствор связующего материала и затем влажные частицы обваливают в размолотом (обычно размеры меньше 200 микрон) порошке суперабсорбента, так чтобы частицы порошка прилипали к поверхности проппанта. Далее частицы высушиваются и получаются частицы проппанта с покрытием из суперабсорбента. Что касается водонабухающих частиц не из класса суперабсорбентов, то покрытие для таких частиц может достигаться путем техники обработке частиц в кипящем слое.
Чтобы обеспечить задержанное набухание водонабухающего материала в частицах, сердцевина частиц из водонабухающего материала, включая вариант многокомпонентной сердцевины, например с участием агентов-утяжелителей и/или проппантного материала, может быть покрыта дополнительной оболочкой (или оболочками), которая временно препятствует контакту содержимого частицы с водой или водными жидкостями. Такая оболочка может быть образована из вододеградируемого материала, который со временем распадается в присутствии воды. Выражение «вододеградируемый» относится к характеристике материла претерпевать деградацию, например, растворение, гидролиз, деполимеризацию, разрыв химических связей и прочее при контакте с водой при выбранных условиях, причем барьерный слой допускает фильтрацию сквозь барьер воды к водонабухающему материалу.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, материалы, разлагаемые водой могут выбираться среди твердых полимеров - предшественников кислот. Эти полимеры (твердые при комнатной температуре) или олигомеры определенных органических кислот, которые гидролизуются или деполимеризуются при известных и контролируемых условиях (температуре, времени и pH) с образованием мономерных органических кислот. Одним из примером является твердый циклический димер молочной кислоты (известный как лактид), который имеет точку плавления между 95°C и 125°C, в зависимости от оптической активности. Другим примером является полимер молочной кислоты, иногда называемый полимолочная кислота (PLA), или полилактат, или полилактид. Другим примером является полимер гликолевой кислоты (гидроксиуксусная кислота), известный как полигликолевая кислота (PGA), или полигликолид. Другой пример - это твердый циклический димер гликолевой кислоты, называемый гликолид, который имеет точку плавления около 86°C. Среди других материалов, пригодных в качестве твердых предшественников кислот, можно назвать многие полимеры гликолевой кислоты с собой или другими гидрокси-кислотами, такие как описано в патентах US 4848467; US 4957165; US 4986355. Многие из указанных полимеров являются существенно линейными, то также могут включать циклические структуры, включая циклические димеры, и могут быть гомополимерами, сополимерами и блок-сополимерами.
Другими примерами твердых предшественников кислот применимых для частиц могут быть полиэфиры следующих соединений: гидроксикарбоксильных кислот, такие как гидроксивалериановой (полигидроксивалерат), гидроксибутановой кислоты (полигидроксибутират) и их сополимеры с другими гидроксикарбоксильными кислотами. Так же могут применяться полиэфиры, полученные при полимеризации с размыканием колец для случая лактонов, таких как эпсилон капролактон (полиэпсилонкарболактон) ил сополимеры гидрокси кислот и лактонов; а также полиэфиры, полученные эстерификацией мономеров-кислот, содержащих карбоксильную группу, таких как гидроксиаминокислоты, например, L-аминокислоты, включая L-серин, L-теонин, L-тирозин, при реакции их спиртовых и карбоксильных групп.
Скорость реакций гидролиза и/или растворения всех таких материалов в виде частиц зависит от молекулярного веса соединения, степени кристалличности (отношение кристаллической фазы к аморфной фазе), физической формы (размеры и формы твердых частиц), а в случае полилактидов, и количества двух оптических изомеров. Некоторые из полимеров растворяются в воде очень медленно до процесса гидролиза.
Чтобы создать оболочку для частицы из водонабухающего материала, твердый полимерный предшественник кислоты можно физически растворить в органических растворителях, таких как спирты, кетоны, эфиры, и их смеси, а в качестве представительного примера можно назвать ацетон, этилацетат, бутилацетат, толуол, двухосновные эфиры, легкие нефтяные дистилляты, этанол, изопропанол, ацетонитрил и их смеси. Если погрузить ядра частиц из водонабухающего материала в раствор, несущий твердый полимер - предшественник кислоты и затем дать растворителю испариться, то на поверхности частицы создается оболочка из растворенного полимера, которая полностью окружает ядро частицы. Толщина оболочки может подбираться через выбор нужной концентрации покрывающего агента в растворе для погружения. Оболочка также может наносится по технологии кипящего слоя, и тогда толщина оболочки варьируется через подбор времени пребывания частиц в слое и концентрации агента.
Кроме того, по этой технологии может наноситься несколько слоев покрытия из твердого полимера - предшественника кислоты. Это можно обеспечить, если на нанесенный слой полимера нанести дополнительный защитный слой, который предотвратит растворение уже нанесенного покрытия при погружении в очередной раствор твердого полимера - предшественника кислоты. Защитный материал может быть представлен маслом, пластификатором или вязким растворителем, который не растворяет материал оболочки или растворение происходит очень медленно. Примерами таких материалов для защитного слоя могут служить глицерин, этиленгликоль, органические масла, силиконы, эфиры фталевой кислоты и комбинации этих веществ. Для защиты предварительно нанесенного покрытия, достаточно обработать частицы защитным материалом между повторными погружениями частиц в раствор, как описано выше. Такая операция может повторяться многократно, пока не будет получена нужная толщина покрытия (оболочки).
Степень задержки для процесса набухания, которая обеспечивается оболочкой частицы, может определяться из лабораторных испытаний с использованием воды или иных флюидов при условиях, сходных с полевыми условиями или при операциях, в которых такие частицы будут применяться. Частицы с задержанным водонабуханием могут получаться с покрытием нужной толщины или нужной обработкой, чтобы достичь нужной задержки набухания в предварительных испытаниях.
Частицы могут включать также капсулирующий (герметизирующий) слой, то есть материал, который не деградирует в воде (или подвержен только частичной деградации), так что это защитное покрытие должно быть разрушено механически или удалено с частицы; в качестве варианта, такое защитное покрытие подвергается деградации обычно в нефтяной (неводной) среде, так чтобы разрушение покрытия приводило к контакту между водой и водонабухающим материалом; предпочтительно, такой защитный материал не относится к классу минеральных окислов (такие как окись кремния или окись алюминия) или смолы или иные материалы, разрушаемые в результате воздействия скважинных температурных условий. Такие защитные материалы могут разрушаться при закрытии трещины или по иным механизмам, которые вызывают разрыв оболочки. Примерами подходящих материалов для капсулирования могут быть соединения из класса природных камедей (камедь акации, гуммиарабик, камедь плодов рожкового дерева); полисахариды, такие как модифицированные крахмалы (например, эфиры крахмала, эфиры, крахмалы после обработки энзимами) или целлюлозные соединения (например, гидрооксиметилцеллюлоза или карбоксиметилцеллюлоза); полисахариды; белки, такие как казеин, желатин, белок и клейковина сои, и искусственные пленкообразующие агенты, такие как поливиниловый спирт, поливиниловый пирролидон, карбоксилированный стирен, безводные варианты поливинилового спирта, поливиниловый пирролидон, поливинилдиенхлорид и их смеси. Наряду с этими капсулирующими материалами, могут применяться капсулирующие материалы, описанные в патентах US 3952741; US 3983254; US 4506734; US 4658861; US 4670166; US 4713251; US 4741401; US 4770796; US 4772477; US 4933190; US 4978537; US 5110486; US 5164099; US 5373901; US 5505740; US 5716923; US 5910322; US 5948735.
В другом варианте осуществления изобретения, частицы с задержанным водонабуханием могут получаться путем наложения ограничений на подвижность полимерных цепочек, доступных на поверхности суперабсорбирующих частиц, например, путем сшивания полимера с помощью сшивающего агента, такого как слои металлов или их комплексы, особенно соединения металлов переходной группы; и/или промывкой частиц суперабсорбирующих частиц в спиртовом (например, изопропанол) растворе комплекса переходного металла; в частности, в спиртовом растворе комплексов циркония или титана. Сшивание полимера на поверхности частицы задерживает проникновение воды внутрь водонабухающей частицы.
В некоторых случаях частицы с отложенным набуханием в воде могут получаться с помощью методов обработки поверхности или нанесения покрытия. Это включает методы, использующие неводные флюиды или эмульсии, причем водонабухающие частицы переносятся масляной фазой водомаслянной эмульсии (например, случаи эмульсии «вода в масле» и эмульсии «масло в воде»). Кроме того, известно, что применение водных растворов солей металлов, галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов (например, хлорид натрия) могут вызывать задержку в действии водонабухающих материалов.
Также может применяться комбинация вышеописанных способов достижения задержки для водонабухающих материалов. Например, материалы-суперасорбенты после поверхностного сшивания цепочек могут дополнительно покрываться оболочкой из вододеградируемого материала или капсулирующего (устойчивого в воде) материала, или комбинации этих покрытий. Частицы из водонабухающих материалов могут иметь оба слоя - из вододегардируюещго материала и из материала, устойчивого в воде (капсулирующий материал). Эти материалы могут применяться в неводной фазе или в нефтяной фазе водонефтяной эмульсии.
Описанные выше частицы с задержанным водонабуханием могут применяться отдельно или в сочетании с другими материалами для различных приложений. Частицы с задержанным водонабуханием могут иметь различные размеры и формы, в зависимости от случая применения. Частицы с задержанным водонабуханием могут применяться в комбинации с другими видами частиц. Среди них могут быть инертные, ненабухающие частицы, среди которых могут быть нековкие частицы из керамики, стекла, песка, бокситов, неорганических окислов, например, окись алюминия, окись циркония, двуокись кремния, боксит и т.д.
В конкретных применениях, частицы с отложенным набуханием в воде могут применяться в комбинации с обычными (не набухающими) частицами, имеющих различное распределение по размерам. Применение таких частиц с распределением по размерам для уменьшения проницаемости пласта описано в патенте US 7004255. В этом варианте, ненабухающие частицы с распределением по размерам имеют размеры в интервале от приблизительно 0,035 мм до приблизительно 2,35 мм или выше. Ненабухающие частицы могут иметь распределение по размерам, когда средний размер ненабухающих частицы по меньшей мере в 1,5 раза больше, чем размер водонабухающих частиц. Ненабухающие частицы различных размеров в этом варианте воплощения изобретения могут включать комбинацию двух и более классов: сравнительно крупные частицы с размерами в интервале от приблизительно 0,2 мм до приблизительно 2,35 мм; сравнительно средние частицы с размерами в интервале от приблизительно 0,1 мм до меньше чем 0,2 мм; и сравнительно мелкие частицы с размерами частиц менее 0,1 мм.
Частицы с отложенным набуханием в воде могут применятся в смеси с частицами, ненабухающими в воде, в количестве от приблизительно 0,5% до приблизительно 50% или больше от общего веса частиц. Частицы с отложенным набуханием в воде могут предварительно примешиваться с ненабухающими частицами или добавляться отдельно. В одном из вариантов изобретения, смесь ненабухающих в воде частиц в количестве от 30 до 95% от общего веса ненабухающих частицы в виде крупных частиц, 0 до 30% от общего веса ненабухающих частицы в виде средних частиц, и 0 до 20% от общего веса ненабухающих частицы в виде мелких частиц могут быть смесью, пригодных для многих приложений. Такие ориентиры в целом применимы для нормальной ситуации, когда частицы не являются совершенными сферами, не однородны по размеру и не образуют совершенной упаковки.
В некоторых приложениях при использовании капсулированных частицы с водонабухающим материалом, размер частиц до набухания может быть близким или порядка размера самых крупных ненабухающих частиц. Это способствует самому эффективному механическому высвобождению материала из капсул, поскольку более мелкие водонабухающие частицы будут иметь тенденцию заполнять промужуточное пространство между более крупными ненабухающими частицами, и тогда капсулирующий внешний слой не будет разрушен. В других приложениях, в таких как операции бурения, где капсулирующий слой не применяется, водонабухающие частицы могут выбираться с размерами меньше, чем самые крупные ненабухающие частицы.
При операциях гидроразрыва пласта через нефтяные или газовые скважины частицы с отложенным набуханием в воде могут применяться сами по себе или в комбинации с ненабухающими частицами для обработки верхней и/или нижней границы трещины, где недостаточно высокие барьеры по напряжению приводят к вертикальному росту трещины с нежелательными водоносными или газоносными зонами. Ненабухающие частицы проппанта в сочетании с водонабухающими частицами создают механически крепкий барьер, который помогает изолировать верхнюю и нижнюю зону от нарастания давления в трещине во время обработки, причем водонабухающий материал эффективно закупоривает поровое пространство между ненабухающими частицами, что создает искусственный непроницаемый барьер.
Чтобы создать искусственные барьеры для распространения трещины в нежелательные зоны, частицы добавляются в жидкость гидроразрыва и закачиваются в трещину при операции ГРП. При одном из вариантов применения, смесь может закачиваться в начале операции ГРП сразу после стадии жидкости разрыва или же перед главными стадиями доставки проппанта. Частицы добавляются в жидкость-носитель до образования суспензии. Плотность частиц может быть равной, выше или ниже плотности жидкости-носителя. Поскольку применяются частицы с отложенным набуханием в воде, то в качестве жидкости-носителя могут выбираться водные флюиды.
Жидкость-носитель и/или иная жидкость гидроразрыва может, при желании, иметь суспензию из волокон. Такие волокна могут быть получены на основе углеродных или кремневых полимеров. Такие волокна могут способствовать поддержанию частиц в жидкости-носителе и не иметь заметного эффекта на проницаемость проппантной упаковки после закрытия трещины. Концентрация и виды волокон могут подбираться для стабилизации суспензии частиц и для получения менее проницаемого барьера на верхней и/или нижней границе трещины.
ПРИМЕРЫ
Экспериментальная установка: эксперименты были выполнены на щелевой установке для демонстрации гравитационного проскальзывания, чтобы провести качественное сравнение способности жидкости-носителя проникать сквозь стандартную жидкость гидроразрыва. Вертикальная щель 10 со стенками из оргстекла с размерами 45,7×96,5×0,76 см (18×38×0.3 дюймов) с удлиненной нижней стороной была разделена на два герметично разделенных отдела 12 и 14 с одинаковыми объемами. При типичной постановке экспериментов, отделение 12 заполнялось жидкостью-носителем, а отделение 14 наполнялось стандартной жидкостью гидроразрыва (гелем), как схематически показано на Фиг.3. Стандартный гель для гидроразрыва подкрашивался нейтральным красителем для лучшей визуализации потоков. Разделительная пластина 16 (Фиг.3) убиралась и жидкости могли взаимодействовать, как показано на Фиг.4 и Фиг.5. Скорость проникновения жидкости-носителя в гель измерялась по высоте его зоны 18, накопленной в противоположном отделении вертикальной цели. Отметим, что хотя состав и свойства жидкости-носителя варьировались в ходе экспериментов, но гель для гидроразрыва оставался неизменным по составу и приготовлялся по единообразной процедуре.
Жидкости: гель для гидроразрыва, использованный во всех экспериментах, состоял из гуарового полимера, растворенного в воде и сшитого с помощью боратной соли. Концентрация полимера и рецептура агента-сшивателя были одинаковыми во всех экспериментах, хотя состав базовой жидкости мог меняться. В частности, деструктор геля и усилитель деструктора геля были контролируемыми переменными.
Один из видов жидкости-носителя, проверенных в данных тестах, был составлен из линейного аминосодержащего полимера (загустителя), органической или неорганической кислоты, твердых частиц (барит мелкого помола или песок) добавленных в качестве агента-утяжелителя. Другой тип жидкости-носителя был составлен из агента-загустителя, деструктора геля и его усилителя, и порошка агента-утяжелителя.
ПРИМЕР 1: В этом эксперименте, основной жидкостью для образования геля гидроразрыва был водный 2% раствор KCl, к которому был добавлен фенолфталеиновый pH-индикатор. Гелирующий агент (гуаровый полимер) постепенно добавлялся в основной раствор при помешивании, чтобы достичь концентрации 2,64 г/л (22 фунт/1000 галлон). Полимерный раствор был оставлен для полного гидратирования на 30 минут и затем в смесь был добавлен раствор сшивателя. Гель мгновенно приобрел темно-малиновый цвет и достиг равновесной вязкости через 5 минут.
Основным раствором для жидкости-носителя был выбран также 2% раствор KCl (по весу). Агент-загуститель из группы аминосодержащих полимеров в виде концентрированного раствора постепенно добавлялся до конечной концентрации 20 мл/л. Смесь перемешивалась в течении 30 минут до достижения полного гидратирования полимера и затем постепенно добавлялся барит; конечное отношение барит/чистая жидкость составляло 1,06 кг/1 л (8,8 PPA в нефтегазовых единицах); окончательная плотность суспензии составляла 1,78 г/мл.
Подкрашенный гель и жидкость-носитель загружались в оба отделения щелевой установки, которая закреплена в вертикальном положении, разделительная перегородка удалялась и накопление жидкости-носителя в отсеке для геля регистрировалось как функция времени. Эксперимент прекращался, когда накопление жидкости прекращалось.
Экспериментальная установка и состав жидкостей в следующем эксперименте того же примера были идентичными, за исключением небольшого изменения в составе жидкости-носителя: в основной раствор было добавлено 4 вес.% соляной кислоты (HCl). Скорость проскальзывания двух похожих жидкостей-носителей через густой гель выражается в виде зависимости высоты накопленной зоны от времени и отложена на фиг.6 для обоих жидкостей. Тот же уровень (15-20 см) языка жидкости-носителя, проникающего в отделение для легкой жидкости (гель-буфер) достигался в 4-5 раз быстрее благодаря низковязкому слою скольжения, который образуется на границе раздела двух различных жидкостей благодаря кислоте. Что касается вязкости двух различных жидкостей, она остается неизменной в объеме вдали от области контакта. В этом качественном эксперименте, ускоряющий эффект слоя скольжения является существенным для производительности процесса.
-1
-1
ПРИМЕР 2: Жидкость (гель) для гидроразрыва для этой серии экспериментов была идентична жидкости, описанной в ПРИМЕРЕ 1, и приготовлялась по единой процедуре. Основным раствором для жидкости-носителя был 2 вес.% раствор KCl. Агентом-загустителем для жидкости-носителя был гуаровый полимер в виде порошка, который постепенно добавлялся в основной раствор до конечной концентрации полимера 3,6 г/л (30 фунтов/1000 галлонов). Смесь продолжали перемешивать в течении 30 минут до полного гидратирования полимера, и затем в полимерный раствор добавлялся мелкий песок со средним размером частиц около 63 микрон, чтобы конечное отношение песка к чистой жидкости составило 1,44 кг/л (12 PPA в полевых единицах измерения). Плотность окончательной взвеси составляла 1,48 г/мл и данные по вязкости были 57 мПа·с (при 170 с) и 37 мПа·с (при 510 с).
Две жидкости помещались в установку-щель с пластиковыми стенками и тест проводился, как указано в разделе Экспериментальная установка. Кривая нарастания слоя жидкости-носителя в соседнем отсеке служила в качестве опорной кривой для описания динамики системы жидкость-носитель-жидкость гидроразрыва.
-1
-1
Второй эксперимент в этой серии тестов был направлен на исследование влияния пары деструктор геля-усилитель деструктора на скорость проскальзывания языка жидкости-носителя сквозь гель. Во втором эксперименте, концентрация гуарового полимера в жидкости-носителе поддерживалась на уровне 7.2 г/л (60 фунтов на 1000 галлонов), чтобы заметить падение вязкости, возникающее благодаря персульфату аммония (деструктор), присутствующего в основной жидкости в концентрации 3.6 г/л (30 фунтов на 1000 галлонов). Агент-утяжелитель и его концентрация были такими же, как и предыдущем эксперименте: 1,44 кг/л (12 PPA в полевых единицах) песка с размером зерна 63 микрон. Плотность взвеси была 1,52 г/мл; данные по вязкости в объеме составляли 52 мПа·с (при 170 с) и 34 мПа·с (при 510 с).
Жидкость (гель) гидроразрыва: Единственное отличие в составе жидкости гидроразрыва было в добавке 20 мл/л раствора триэтаноламина сразу перед сшиванием полимера, и эта добавка служила усилителем деструктора геля.
Кривые проникновения одной жидкости в другую для стандартной пары жидкостей и для пары, содержащей деструктор и усилитель деструктора, показаны на фиг.6, где очевидно усиление проскальзывания жидкостей в несколько раз для последней системы.
Следует понимать, что в данном описании изобретения, когда указана определенная концентрация или интервал концентраций в качестве приемлемого интервала, то под этим следует понимать явно заявленные все концентрации или количества в этом интервале, включая крайние точки интервала. Другими словами, при указании интервала данных, даже если только отдельные точки явно указаны из этого интервала, либо никаких конкретных точек не указано из этого интервала, все же изобретение относится ко всем точкам из указанного интервала, и изобретатели имели в виду все точки указанного интервала.