ПРОППАНТ СО СМОЛИСТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ И СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЫНОСА ПРОППАНТА ИЗ ТРЕЩИНЫ ГИДРОРАЗРЫВА
PROPPING AGENT WITH RESINOUS SURFACE AND METHOD OF ITS BACKFLOW PREVENTION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для повышения производительности промысловых скважин путем предотвращения смыкания трещин с применением расклинивающих гранул - проппантов при проведении гидравлического разрыва продуктивных нефтяных пластов.
Серьезной проблемой нефтедобычи является вынос проппанта из трещины в скважину после проведения гидроразрыва пласта как во время первичной очистки, так и в ряде случаев даже после полного освоения скважины. Практика показывает, что в скважину может быть вынесено до 20% проппанта, что приводит к ряду негативных последствий, среди которых можно выделить следующие. В низкодебетных скважинах проппант оседает в обсадной колонне, что требует периодичных промывок и приводит к удорожанию ремонтных операций. Другим следствием выноса незакрепленного проппанта или твердых частиц породы является преждевременный износ и выход из строя электроцентробежных погружных насосов. Также отмечено сокращение добычи углеводородов вследствие существенной потери приствольной проводимости из-за уменьшения толщины трещины или перекрывания продуктивной зоны.
В настоящее время известен ряд способов, позволяющих значительно уменьшить вынос проппанта или других расклинивающих наполнителей из трещины.
Наиболее распространенный подход основан на применении проппанта с затвердевающим смоляным покрытием (US, патент 3492147, US, патент 3929191, US, патент 5218038, US, патент 5639806), который закачивают в трещину в конце обработки. Однако применение этого проппанта имеет ряд существенных ограничений, вызванных побочными химическими реакциями смоляного покрытия с жидкостью гидроразрыва. С одной стороны, такое взаимодействие приводит к частичной деградации и нарушению целостности покрытия, снижая прочность контактов между частицами проппанта и соответственно снижая прочность упаковки проппанта. С другой стороны, взаимодействие между компонентами смоляного покрытия и компонентами жидкости гидроразрыва приводит к неконтролируемому изменению реологических характеристик жидкости, что также снижает эффективность гидроразрыва. Перечисленные выше факторы, а также периодические циклические нагрузки, связанные с закрытием и освоением скважины и длительный период закрытия скважины, могут значительно снизить прочность проппантной набивки.
Химические соединения, входящие в состав смоляных проппантов, взаимодействуют с разрушителями геля (например, персульфатом аммония), уменьшая концентрацию разрушителей в жидкости гидроразрыва. Это влияет на эффективность очистки трещины от остатков неразложившегося полимерного геля и значительно уменьшает проницаемость трещины.
В ряде случаев, например при ускоренном закрытии трещины, смоляной проппант не успевает затвердеть и приобрести расчетную прочность. Это приводит к увеличению доли раскрошенного проппанта и уменьшению проводимость трещины.
Способ частичного решения этой проблемы состоит в создании двухслойных смоляных проппантов (US, патент 4585064, US, патент 4717594). При этом внутреннее смоляное покрытие, непосредственно примыкающее к поверхности проппанта, полностью отверждено, а внешний слой состоит из неотвержденного смоляного материала. Таким образом, первый слой отвержденной смолы обеспечивает высокую прочность проппанта в условиях внешней нагрузки, а внешний слой способен к затвердеванию (сшиванию) с соседними частицами проппанта с образованием прочной упаковки.
Известен способ (US, патент 4888240, US, патент 5422183, US, патент 5597784), при реализации которого с целью упрочнения смоляного покрытия и усиления сцепления между слоями смоляного покрытия, а также с субстратом (проппантом) внутренний смоляной слой опудривают укрепляющими соединениями или композитами:
тальком, кварцевой мукой, глиной, а также другими минералами или полиизобутиленом, сополимерами этилена и винилацетата или этилена и пропилена. Укрепляющие соединения наносят поверх первого слоя и далее проводят процедуру его отверждения с последующим нанесением второго плавкого смоляного слоя.
Как было отмечено выше, серьезный недостаток смоляных проппантов - недостаточная совместимость с жидкостями гидроразрыва и полимерными деструкторами. Известен способ (US, патент 5837656, US, патент 5955144), направленный на улучшения совместимости смоляного проппанта с химическими компонентами, входящими в состав жидкости гидроразрыва, при котором используют ту же концепцию двухслойного смоляного покрытия, но меняют порядок чередования сшитого и несшитого покрытий. В качестве первого покрытия, нанесенного непосредственно на частицу проппанта, используют плавкий, способный к отверждению состав, представляющий собой, преимущественно, новолачную смолу. Второе покрытие, выполняющее защитную функцию по отношению к жидкости гидроразрыва, представляет собой преимущественно отвержденную резольную смолу. Лабораторные тесты показали хорошую совместимость описанного проппанта с жидкостями гидроразрыва при сохранении способности к образованию консолидированной упаковки в скважинных условиях.
Дальнейшее развитие концепции смоляного проппанта описано в патенте US 7153575, отличающегося от патентов US 5837656, US 5955144 тем, что проппант покрыт двумя или более способными к отверждению слоями смолы.
Развитием известного способа можно признать подход (US, патент 7135231, US, заявка 2007/0036977) к изготовлению многослойного проппанта (состоящего из взаимно пересекающихся n-слоев), заключающийся в последовательном нанесении ряда частично перекрывающихся смоляных покрытий таким способом, что результирующее покрытие полностью покрывает поверхность субстрата. Патент также описывает способ получения проппанта, состоящий в основном в применении особой технологии напыления. Технология состоит в нанесении смоляного покрытия без какого-либо применения химических растворов путем распыления порошка требуемого химического состава в воздухе или других средах с применением особых насадок.
Изобретения, раскрытые в патентах US 6114410 и US 6328105, характеризуют усовершенствованный расклинивающий наполнитель, а также метод увеличения проницаемости трещин в пластах месторождения. Этот расклинивающий наполнитель содержит смесь частиц, способных к склеиванию (сшиванию) друг с другом, а также удаляемых (способных к растворению в нефти или воде) частиц.
Частицы, способные к склеиванию, могут быть покрыты отверждающейся полимерной смолой. Находящиеся в пласте частицы, покрытые полимерным материалом, прилипают к находящимся рядом с ними аналогичным частицам, образуя постоянную самонесущую матрицу, из которой в зависимости от действующих в трещине условий могут выходить удаляемые частицы. Это увеличивает проницаемость трещин, а также общую производительность скважины.
Известны способы (US 7244492, US 2006/0035790), при котором для ограничения выноса проппанта используют частицы смоляного проппанта, покрытые дополнительным слоем, состоящим из эластомерных материалов, а также их комбинации полимеров с волокнами.
Известен способ, при котором для ограничения выноса проппанта, помещенного в пласт, добавляют волокнистый материал, смешенный с материалом расклинивающего наполнителя (US, патент 5330005), при этом волокна переплетаются между частицами проппанта, придавая им повышенную прочность и ограничивая тем самым обратный вынос проппанта. Помимо этого добавление волокна позволяет более эффективно перераспределять нагрузки, добавляя перемычки на значительной площади проппантной набивки. Волоконная структура более гибка по сравнению с вулканизованным смоляным проппантом, допуская подвижки проппантно-волоконной набивки без потери ее прочности.
Известен способ смешивания проппанта с деформируемым материалом в виде частиц бисерной формы (US, патент 6059034). Деформируемые частицы при этом выполнены из полимерного материала. Деформируемые частицы могут также представлять собой сферические пластиковые шарики или композитные частицы, содержащие недеформируемое ядро и деформируемое покрытие. Обычно объем недеформируемого ядра составляет приблизительно от 50 до 95 об. % от общего объема частицы и может представлять из себя кварц, кристобалит, графит, гипс или тальк. В другом варианте (US, патент 6330916) ядро состоит из деформируемых материалов и может включать размолотые или дробленые материалы, например ореховую скорлупу, скорлупу семян, косточки фруктов и обработанную древесину.
Для закрепления расклинивающего наполнителя и ограничения его выноса может быть использована смесь проппанта с адгезивными полимерными материалами (US, патент 5582249). Адгезивные соединения вступают в механический контакт с частицами расклинивающего наполнителя, обволакивают и покрывают их тонким липким слоем. Это приводит к склеиванию частиц друг с другом, а также с песком или раздробленными фрагментами расклинивающего наполнителя, что приводит к значительному или полному прекращению выноса твердых частиц из трещины. Характерной особенностью клейких соединений является способность сохранять липкость в течение длительного времени и при повышенных скважинных температурах, не приводя к их сшиванию или отверждению.
Известен способ расклинивания трещины с использованием клейких соединений и смоляных проппантов (US, патент 7032667). В патенте US 6742590 раскрыт способ защиты трещины от выноса расклинивающего наполнителя в смеси клейких материалов с деформируемыми частицами, которые сами по себе являются эффективными добавками, предотвращающими вынос проппанта.
Другой разновидностью материалов, используемых для борьбы с выносом проппанта, являются термопластичные материалы (US, патент 5501274, ЕР, заявка 0735235). Термопластичные материалы, находящиеся в смеси с расклинивающим агентом, обладают способностью размягчаться под действием высокой температуры горной породы и далее с ним слипаться с образованием склеенных агрегатов, включающих множественное число проппанта.
Известен способ применения термопластичных материалов в смеси со смоляным проппантом (US, патент 5697440). В ряде способов термопластичный материал смешивается с проппантом в жидком состоянии или в виде раствора в подходящем растворителе (US, патент 6830105). При этом эластомеробразующее соединение может самостоятельно или под действием специальных дополнительных реагентов отверждаться с образованием термопластичного материала.
Известен способ применения жидкости гидроразрыва, представляющей из себя самодеградируемый цемент (заявка на патент US 2006/0169448), состоящий из кислотного и основного компонентов, взаимодействие между которыми приводит к образованию цементного материала, а также деградируемого компонента, способного к разложению в условиях трещины и обеспечивающего образование пустот внутри цемента.
Известен способ проведения гидроразрыва пласта с использованием нового типа расклинивающих частиц, а также состав нового материала для создания гравийных фильтров с использованием частиц гидратируемого цемента, имеющих средний размер, лежащий в интервале от приблизительно 5 микрометров до приблизительно 2,5 сантиметров (заявки на патенты US 2006/0162926, US 2006/0166834).
Техническая задача, решаемая посредством разработанного изобретения, состоит в повышении эффективности метода гидроразрыва продуктивного пласта.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в улучшении совместимости смоляного проппанта с жидкостью гидроразрыва и предотвращении деградации полимерного разрушителя и поверхности смоляного проппанта, что приводит к сохранению требуемой вязкости полимерного флюида на протяжении всей процедуры гидроразрыва пласта, предотвращению преждевременного оседания проппанта в трещине, повышению прочности консолидированной проппантной пачки, а также более полной очистке трещины от остатков полимерного геля.
Перечисленные выше факторы приводят к уменьшению выноса проппанта на стадии промывки, освоения скважины, а также в ходе добычи при одновременном сохранении проницаемости упаковки проппантной набивки на стадии добычи и длительной эксплуатации скважины.
Для достижения указанного технического результата предложено на внешнюю смоляную поверхность 2 субстрата 1 наносить как минимум один дополнительный слой 3 (фиг.1), который выполняет защитные функции, путем частичного и/или полного предотвращения побочных реакций смоляного покрытия с химическими соединениями, входящими в состав жидкости гидроразрыва и разрушителя полимера.
Разработанный способ состоит в создании защитного слоя 3 на внешней поверхности смоляного проппанта, преимущественно на основе полимеров, поверхностно-активных соединений, восков, парафинов и их смесей.
Достоинства предложенного подхода сформулированы ниже:
1. Предложенный подход позволяет существенно упростить и удешевить процесс производства смоляных проппантов по сравнению с классическими подходами, заключающимися в создании дополнительных слоев из отвержденной смолы, описанных, например, в патентах US 5837656, US 5955144, US 7135231, US 7153575.
2. Смоляной проппант, содержащий дополнительный защитный слой, не взаимодействует с жидкостью гидроразрыва на стадии проведения операции гидроразрыва и в ходе закрытия трещины и не ухудшает реологические характеристики жидкости гидроразрыва пласта и ее транспортные свойства. Это положительным образом сказывается на эффективности процедуры закачки проппанта, уменьшает вероятность преждевременной остановки работы (стоп-проппанта), а также обеспечивает более равномерное распределение проппанта по высоте трещины.
3. Смоляной проппант, содержащий дополнительный защитный слой 3, не взаимодействует с химическими веществами, входящими в состав деструкторов геля. Это повышает их эффективность, способствует более полной очистке трещины от остатков геля, повышая тем самым проводимость и нефтеотдачу пласта.
4. Перечисленные выше факторы 2, 3 обеспечивают сохранение качества смоляного покрытия. Отвержденное покрытие характеризуется более высокой прочностью по сравнению с проппантами, описанными в патентах US 5218038, US 4585064, US 4717594.
5. Дополнительное покрытие, нанесенное на поверхность смоляного проппанта, способно к растворение в воде или нефтесодержащих жидкостях и газоконденсате, и, следовательно, не понижает проницаемость проппантной пачки, как это имеет место в случае проппантов, покрытых дополнительным защитным слоем из отвержденной смолы (US, патент 4585064, US, патент 4717594).
Разработан способ проведения гидроразрыва пласта, согласно которому в трещину закачивается сшивающийся расклинивающий наполнитель на основе известного смоляного проппанта, отличающего наличием как минимум одного дополнительного слоя, который выполняет защитные функции путем частичного и/или полного предотвращения побочных реакций смоляного покрытия с химическими соединениями, входящими в состав жидкости гидроразрыва и разрушителя полимера.
Разработан способ получения сшивающегося расклинивающего наполнителя, состоящий в создании как минимум одного защитного слоя 3 на внешней поверхности смоляного проппанта.
В качестве защитного слоя 3 могут быть использованы частично и/или полностью водо- и/или органорастворимые и/или деградируемые в скважинных условиях соединения, преимущественно полимеры, поверхностно-активные соединения, воски, парафины и их смеси.
В качестве защитного слоя 3 могут быть использованы также и нерастворимые в скважинных условиях соединения.
В качестве защитного слоя 3 могут быть использованы полиолефины, полисахариды, полилактиды, полигликоли, поликислоты, полиакриламиды, полиаминокислоты, фторполимеры, полиакрилаты, полиамиды, поливинилы, полиимиды, полиуретаны, поликарбонаты, полисульфоны, полиэфиры, воски, парафины, поверхностно-активные соединения и их смеси, за исключением способных к отверждению смол.
В качестве защитного слоя 3 могут быть использованы неорганические соединения.
Толщина защитного слоя 3 находится в интервале от 10 нм до 1 мм.
В качестве смоляного покрытия 2 могут быть использованы соединения, способные к частичному и/или полному отверждению в скважинных условиях.
Смоляное покрытие 2 может состоять как минимум из одного слоя.
Смоляное покрытие 2 может быть совокупностью двух и более чередующихся субслоев, состоящих как из отвержденного, так и способных к отверждению смоляных субслоев.
В качестве материала субстрата 1 применимы все известные типы проппантов, преимущественно сферической, эллипсоидной, угловатой, вытянутой форм, имеющих минимальный линейный размер, проходящий в ячейку с размером, лежащем в интервале 1-100 меш.
Субстрат 1 может быть выполнен из песка, керамических, полимерных, композитных материалов, металла, стекла, а также их комбинации.
Субстрат 1 может быть выполнен из древесных материалов.
Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 методом погружения проппанта в раствор материала защитного слоя в подходящем растворителе (метод макания) и последующем высушивании проппанта в условиях (температура и продолжительность высушивания), при которых не происходит полного отверждения смоляного покрытия 2.
Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 механоактивационным методом, представляющим собой механическую обработку проппанта тонко измельченным порошком материала защитного слоя, с использованием планетарных мельниц.
Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 газодинамическим методом, при котором наносимый материал защитного слоя вводят в воздушный поток, ударяющийся о покрываемую поверхность. Температуру воздушного потока подбираются таким образом, чтобы не происходило полного отверждения смоляного покрытия 2.
2
Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 из сверхкритического диоксида углерода. Несомненными преимуществами этого подхода являются возможность формирования ультратонких покрытий с высокой степенью однородности и низкой шероховатостью; возможность реализации оптимальной динамики процесса осаждения защитного слоя, преимущественно полимера; отсутствие жидкой фазы при атмосферном давлении, что исключает переорганизацию осажденных на подложку молекул из-за влияния сил поверхностного натяжения; отсутствие у СO жидкой фазы при атмосферном давлении позволяет решить проблему остаточного растворителя в полученных поверхностных пленках; высокая растворимость большинства материалов защитного слоя 3 в сверхкритическом диоксиде углерода; отсутствие нежелательного отверждения смоляного покрытия 2 в выбранных условиях нанесения защитного покрытия 3.
Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 с использованием жидких растворов теломеров тетрафторэтилена. Сущность метода состоит в растворении газообразного тетрафторэтилена в подходящем растворителе, нанесение раствора на проппант и дальнейшей радиационной обработке гамма-квантами. Удаление растворителя и высушивания проппанта сопровождается агломерацией олигомеров на поверхности с образованием прочной пленки, прочно связанной с поверхностью.
Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 методом газофазной поверхностной полимеризации из циклического ди-n-ксилилена. Метод состоит в том, что в вакууме молекулы n-циклофана или его производных, проходя через пиролизную зону ~600°С, превращаются в активный интермедиат, который конденсируется и полимеризуется на холодной подложке (проппанте). Подробное описание метода было описано в работе Gorham W.F., J. Polymer ScL, A-1, 1966. V.4. №12. Р.3027. Варьируя параметры процессов сублимации, пиролиза, испарения и полимеризации, можно регулировать толщину и состав защитного слоя 3.
Под воздействием пластовой температуры и давления происходит отверждение сшивающегося расклинивающего наполнителя, который образует однородную прочную массу, препятствующую смыканию трещины и предотвращающую вынос проппанта. При этом защитный слой 3 не оказывает заметного влияния на процесс сшивания соседних гранул расклинивающего материала.
В предлагаемом способе сшивающийся расклинивающий наполнитель может быть использован на протяжении всей стадии гидроразрыва пласта или только на конечном этапе.
Промышленная применимость разработанного способа была проверена в экспериментах, показывающих влияние жидкости гидроразрыва и разрушителя полимера на прочность образцов в условиях одноосного сжатия, а также совместимость проппанта с разрушителем полимера. Исследовались два образца смоляных проппантов.
Образец 1 (образец сравнения) - коммерчески доступный смоляной проппант, состоящий из одного способного к сшиванию слоя смолы. Масса смоляного покрытия по данным теста на сжигание составила 3,8%. Размер проппанта - 16/20 меш.
Образец 2 - представляет собой тот же проппант, что и образец сравнения, на который методом макания нанесен защитный слой, состоящий из смеси полиэтилена низкой плотности и парафина в массовом соотношении 7:3. Толщина защитного слоя составляла 20±5 мкм.
Эксперимент 1: определение прочности упаковки проппанта со смоляным покрытием при сшивании в смоделированных скважинных условиях в условиях одноосного сжатия.
Навеску 100 г проппанта (образцы 1 и 2) добавили в 500 мл пластиковый стакан, содержащий 100 мл линейного геля на основе гуаровой смолы (5 г/л), 0,1 г персульфата аммония (разрушитель полимера) и далее тщательно перемешивали на механической мешалке при комнатной температуре в течение 1 минуты при скорости вращения 500 оборотов в минуту. Далее гель сшивали с использованием щелочного раствора борной кислоты и продолжали перемешивание в течении 30 секунд, рН сшитого геля составляет 12,3. Полученную суспензию поместили в стальную форму для сшивания, которая представляет собой полый цилиндр и два поршня. Форма для сшивания снабжена системой поддержания температуры с точностью ±1°С. Сшивание смоляного проппанта проходило при давлении 6895 кПа и температуре 100°С. Время сшивания составляло 1 час. Во время сшивания необходимо поддерживать температуру и давление на упаковку проппанта. Давление закрытия поддерживалось с точностью ±5%. Полученные образцы высушивали на воздухе при комнатной температуре в течение 24 часов. Определение прочности упаковки проппанта в условиях одноосного сжатия проводили на установке "Instron" согласно стандарту ГОСТ 21153.2-84, ASTM D 3148-02.
Показано, что прочность сшитой проппантной пачки образца 2 составляет 170±10% от прочности образца сравнения 1. Данный результат демонстрирует отсутствие влияние сшитой жидкости гидроразрыва, а также разрушителей полимера на качество смоляного покрытия, имеющего защитный слой.
Эксперимент 2: исследование совместимости проппанта с разрушителем полимера.
В стеклянную банку объемом 500 мл добавили навеску 100 г проппанта (образцы 1 и 2) и 100 мл дистиллированной воды, содержащей 0,1 г персульфата аммония (разрушитель полимера). Образцы 1 и 2 тщательно перемешивались с использованием электромеханического встряхивателя при комнатной температуре в течение 4 часов. Каждые 30 мин отбирались пробы на определение содержания персульфата аммония. Концентрацию разрушителя полимера определяли методом УФ-видимой спектроскопии с использованием методики, детально описанной в литературе (Lo S., Miller M.J., Li J., "Encapsulated breaker release at hydrostatic pressure and elevated temperatures", SPE 77744). Температуру эксперимента выбрали с таким расчетом, чтобы естественное термическое разрушение персульфата аммония отсутствовало. Эксперимент показал, что через 4 часа в образцах 1 и 2 содержание персульфата аммония составляет 0,015 и 0,097% соответственно. Другими словами, образец коммерчески доступного проппанта 1 поглотил (разрушил) 84,5% разрушителя полимера. При этом образец смоляного проппанта с дополнительным покрытием практически не взаимодействует с персульфатом аммония.