РАСКЛИНИВАЮЩИЕ АГЕНТЫ С РАСТВОРИМЫМИ КОМПОЗИТНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
PROPPANTS WITH SOLUBLE COMPOSITE COATINGS

Уровень техники и сущность изобретения
Патент США №5422183 описывает расклинивающие агенты, в которых упрочняющий агент из микрочастиц создается в граничной области между внутренним и наружным покрытиями из смолы. Это осуществляется посредством добавления упрочняющего агента после того, как внутреннее покрытие из смолы наносится, но до того, как оно отверждается, при этом упрочняющий агент диспергируется на неотвержденном внутреннем покрытии из смолы и внутри него. Затем внутреннее покрытие из смолы отверждается, с последующим добавлением наружного покрытия из смолы, которая также отверждается. Упрочняющий агент усиливает связывание внутреннего и наружного покрытий из смолы друг с другом и, в дополнение к этому, увеличивает общую прочность и износостойкость полученного продукта расклинивающего агента.
В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается упрочняющий агент из микрочастиц в водорастворимом наружном покрытии на основе (субстрате, подложке) частиц расклинивающего агента В результате повышается не только общая прочность и износостойкость расклинивающего агента по настоящему изобретению, но, в дополнение к этому, повышается также проницаемость набивки из расклинивающего агента, образованной из расклинивающего агента по настоящему изобретению. Таким же путем другие технологии использования материала в форме частиц для улучшения работы и/или производительности буровой скважины в подземной формации также могут быть улучшены с помощью настоящего изобретения.
Соответственно, настоящее изобретение предусматривает новый материал в форме частиц для улучшения работы и/или производительности буровой скважины в подземной формации, новый материал в форме частиц содержит основу частицы из подземной формации, водорастворимое наружное покрытие на основе частицы из подземной формации и упрочняющий агент из микрочастиц, по меньшей мере частично погруженный в водорастворимом наружном покрытии таким способом, что упрочняющий агент из микрочастиц по существу высвобождается из основы частицы из подземной формации при растворении или разрушении водорастворимого покрытия.
В дополнение к этому, настоящее изобретение также обеспечивает новый способ улучшения работы и/или производительности буровой скважины в подземной формации, включающий введение этого нового материала в форме частиц в один или несколько объектов, выбранных из подземной формации, ствола скважины в этой формации или буровой скважины в этой формации.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение может быть понято легче со ссылками на чертежи, где
Фиг.1 схематически иллюстрирует отдельную частицу расклинивающего агента, изготовленную в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 схематически иллюстрирует набивку из расклинивающего агента, сформированную в нижней части скважины, из расклинивающего агента на фиг.1;
Фиг.3 схематически иллюстрирует другую модифицированную частицу расклинивающего агента по настоящему изобретению, которая содержит водонерастворимое внутреннее покрытие; и
Фиг.4 схематически иллюстрирует еще одну модифицированную частицу расклинивающего агента по настоящему изобретению, которая содержит водонерастворимое внутреннее покрытие, содержащее один или несколько упрочняющих агентов.
Подробное описание
В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается основа частицы расклинивающего агента с водорастворимым наружным покрытием, которое включает также упрочняющий агент из микрочастиц. Когда набивка из расклинивающего агента, образованная из такого расклинивающего агента, подвергается влиянию в протекающей водной текучей среде, часть водорастворимого покрытия в каналах и промежутках между расположенными вплотную друг к другу частицами расклинивающего агента легко растворяется из-за более сильного потока водной текучей среды в этих областях. Результатом является то, что водорастворимое покрытие в этих областях, включая захваченные микрочастицы упрочняющего агента, высвобождается из этих областей и выходит через набивку в ствол скважины. Это, в свою очередь, увеличивает пространство пор между гранулами, что увеличивает проницаемость набивки. Что также важно, в области контактов между расположенными вплотную друг к другу частицами расклинивающего агента, то есть в положениях, где они находятся в контакте друг с другом или вблизи них, поток водной текучей среды является малым или вообще отсутствует. Результатом является то, что водорастворимое покрытие в этих областях контактов, включая захваченные микрочастицы упрочняющего агента в этих областях, остается на месте. Это, в свою очередь, увеличивает общую прочность и износостойкость полученных частиц расклинивающего агента, поскольку микрочастицы упрочняющего агента остаются на месте в этих областях контактов, чтобы служить прокладкой и иным образом поддерживать расположенные вплотную друг к другу частицы расклинивающего агента по отношению друг к другу.
Это иллюстрируется на чертежах, среди которых фиг.1 показывает расклинивающий агент согласно настоящему изобретению, который в общем виде обозначается как 10 и который состоит из основы частицы расклинивающего агента 12, водорастворимого покрытия 14 и множества микрочастиц упрочняющего агента 16, погруженных в водорастворимое покрытие.
Когда набивка из расклинивающего агента, образованная в нижней части скважины из такого расклинивающего агента, вступает в контакт с водной текучей средой формации, как иллюстрируется на фиг.2, части 18 водорастворимого покрытия 14, удаленные от областей контактов между расположенными вплотную друг к другу частицами, растворяются в текучей среде. В дополнение к этому, микрочастицы упрочняющего агента 20 в этих частях водорастворимого покрытия также высвобождаются, как иллюстрируется с помощью стрелок 22. Когда водная текучая среда формации продолжает протекать через набивку, оба этих материала, то есть части 18 водорастворимого покрытия, а также микрочастицы упрочняющего агента 20 в этих частях, высвобождаются из набивки. Общий результат представляет собой то, что каналы и промежутки 24 между расположенными вплотную друг к другу частицами расклинивающего агента увеличиваются, что, в свою очередь, вызывает увеличение общей проницаемости набивки из расклинивающего агента.
В областях контакта между расположенными вплотную друг к другу частицами расклинивающего агента, которые в целом обозначаются 26 на фиг.2, поток водной текучей среды формации является очень слабым или вообще отсутствует. В результате, части водорастворимого покрытия 14 в этих областях растворяются очень медленно, если это вообще имеет место. По этой причине и из-за механических напряжений, действующих со стороны расположенных вплотную друг к другу частиц расклинивающего агента 12 на микрочастицы 28 в этих областях, эти микрочастицы упрочняющего агента остаются на месте. В результате общая прочность и износостойкость набивки из расклинивающего агента увеличиваются из-за эффекта создания прокладки и из-за дополнительного расстояния, обеспечиваемого этими микрочастицами в этих областях.
Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения иллюстрируются на фиг.3 и 4. В варианте осуществления на фиг.3 предусматривается внутреннее водонерастворимое покрытие 30 между частицей расклинивающего агента 12 и водорастворимым покрытием 14. В варианте осуществления на фиг.4 водонерастворимое покрытие 30 содержит упрочняющий агент из микрочастиц 32. В конкретном показанном варианте осуществления упрочняющий агент из микрочастиц 32 состоит из микросфер 34, а также из микроволокон или микропластинок 36. Как дополнительно обсуждается ниже, водонерастворимое покрытие 30 и необязательный упрочняющий агент из микрочастиц 32 могут формироваться из известных материалов с получением известных преимуществ.
Основа частицы расклинивающего агента
Расклинивающий агент по настоящему изобретению может формироваться из любой основы частицы расклинивающего агента, известной в настоящее время или которая будет известна в будущем как функционирующая в качестве расклинивающего агента при гидравлическом разрыве пласта. Эти материалы хорошо известны и описываются в многочисленных патентах и публикациях, известных из литературы, их примеры включают патент США №5422183, заявку на европейский патент 0562879А2, патент США №6114410, патент США №6528157, заявку на международный патент WO 2005/003514 А1, опубликованную заявку на патент США №2005/0194141 и опубликованную заявку на патент США №2006/0175059. Описания каждого из этих документов включаются сюда посредством ссылки.
Основа частицы расклинивающего агента, представляющая особенный интерес, включает обычный песок для гидроразрыва пласта (оксид кремния), искусственную керамику, такую как спеченный боксит, оксид алюминия и оксид циркония, синтетические расклинивающие агенты (то есть расклинивающие агенты, изготовленные из синтетических смол) и металлические расклинивающие агенты. Природные расклинивающие агенты, изготовленные, например, из скорлупы орехов и фруктовых косточек, также представляют интерес.
Вообще говоря, основа частицы расклинивающего агента будет иметь размер частицы примерно от 6 до 200 меш, что соответствует 3350-160 мкм. Размеры частиц примерно от 12 до 100 меш (1700-159 мкм) представляют больший интерес, в то время как размеры частиц примерно от 20 до 40 меш (850-425 мкм) представляют еще больший интерес.
Водорастворимое покрытие
Расклинивающий агент по настоящему изобретению можно приготовить из любого водорастворимого покрытия, известного в настоящее время или которое будет известно в будущем как функционирующее в качестве водорастворимого покрытия для расклинивающих агентов, используемых при гидравлическом разрыве пласта. Эти материалы хорошо известны и подробно описываются, например, в отмеченных выше документах, в частности в заявке на европейский патент 0562879 А2, патенте США №6114410, в заявке на международный патент WO 2005/003514 А1, опубликованной заявке на патент США №2005/0194141 и в опубликованной заявке на патент США №2006/0175059.
Вообще говоря, эти материалы можно описывать как любой природный или синтетический материал, который может формировать сплошное покрытие, которое не будет растворяться в условиях окружающей среды на поверхности, но которое будет растворяться или, по меньшей мере, разрушаться, когда вступает в контакт с текучей средой на водной основе в подземной окружающей среде, таким способом, что упрочняющий агент из микрочастиц, который несет на себе покрытие, по существу высвобождается. В этом контексте "по существу высвобождение" упрочняющего агента из микрочастиц означает, что, по меньшей мере, 50% упрочняющего агента из микрочастиц будет отсоединяться от расклинивающего агента после пропитки в воде, поддерживаемой при температуре подземной окружающей среды, представляющей интерес, в течение 24 часов.
Расклинивающие агенты по настоящему изобретению подобно другим расклинивающим агентам переносятся с поверхности к месту их подземного применения с помощью "жидкости-носителя", где они формируются в виде набивки из расклинивающего агента, которая обычно выдерживается в одной или нескольких "текучих средах формации". Когда расклинивающие агенты согласно настоящему изобретению должны переноситься с помощью жидкости-носителя на водной основе, растворимость в воде водорастворимого покрытия должна быть существенно ограниченной, так что оно по существу не будет растворяться или разрушаться, пока расклинивающий агент согласно настоящему изобретению не будет доставлен в желаемое место применения и сформирован в виде набивки из расклинивающего агента (далее "медленно растворяющееся в воде"). Когда используются жидкости-носители на органической основе, растворимость в воде водорастворимого покрытия может быть больше.
Примеры материалов, которые будут образовывать водорастворимые покрытия, включают различные типы коллагена и других животных белков, как сшитые, так и несшитые, полиэтиленоксид, полипропиленоксид, поликапролактоны, привитые сополимеры полиэтиленоксида, полипропиленоксида и/или поликапролактоны, восстанавливаемые в воде акриловые соединения, включая акриловые соединения, полученные из латексов, восстанавливаемые в воде феноксисмолы, сложные полиэфиры, поливиниловые спирты, поливинилацетаты, привитые сополимеры поливиниловых спиртов и поливинилацетатов, полилактиды, полигликолевую кислоту, полигликольмолочную кислоту, полимеры пшеницы и других растений, неорганические соли, покрытые этими и другими водорастворимыми полимерами и/или связанные с ними, другие низкомолекулярные белки и тому подобное. Как хорошо известно специалистам в данной области, растворимость в воде таких материалов (с точки зрения как скорости, так и уровня растворимости полимера) может регулироваться посредством смешивания, прививки и сополимеризации, а также изменений молекулярной массы и поперечной сшивки.
В этой связи пример 2 опубликованной заявки на патент США №2006/0175059 описывает аналитическое исследование для определения растворимости в воде различных материалов, которые могут использоваться для формирования водорастворимых покрытий на расклинивающих агентах. Это аналитическое исследование может использоваться здесь с преимуществами для выбора конкретных водорастворимых покрытий, для использования в конкретных применениях согласно настоящему изобретению, в этом аналитическом исследовании исследуемый расклинивающий агент, содержащий массу основы частицы расклинивающего агента, покрытой материалом, который должен исследоваться, нагревается в химическом стакане с водой определенное время и при определенной температуре. Полимер, удаленный с исследуемого расклинивающего агента в этих условиях, захватывается на куске фильтровальной бумаги, и количество удаленного полимера определяют посредством сравнения массы фильтровальной бумаги до и после исследования. Сравнение количества удаленного полимера с начальным количеством полимера на исследуемом расклинивающем агенте дает показатель растворимости в воде материала, исследуемого при конкретных условиях исследования. Повторение этого исследования при различных временах и температурах дает временной/температурный профиль материала в терминах скорости его растворения при различных температурных условиях. Этот временной/температурный профиль может затем использоваться для согласования конкретной выбранной водорастворимой смолы и подземной формации, которая должна обрабатываться, конкретным оборудованием для трассировки, которое должно использоваться.
Как показано выше, медленно растворяющиеся в воде материалы желательно использовать для того, чтобы получать расклинивающие агенты согласно настоящему изобретению, которые предназначены для доставки вместе с жидкостью-носителем на водной основе. Для этой цели является желательным, чтобы, когда он подвергается рассмотренному выше аналитическому исследованию, не более 5% материала растворялось при нагревании в течение 5 часов при 80°F (26,7°С), в то время как не более чем 40% материала растворяется при нагревании в течение 4 часов при 150°F (65,6°С). Материалы с такой растворимостью в воде, что не более чем 10% материала растворяется при нагревании в течение 5 часов при 80°F (26,7°С), в то время как не более чем 30% материала растворяется при нагревании в течение 4 часов при 150°F (65,6°С), являются более желательными.
Количество водорастворимого покрытия, которое должно использоваться, может изменяться в широких пределах, и, по существу, может использоваться любое количество. Обычно это количество будет достаточным для создания водорастворимого покрытия толщиной примерно от 1 до 60 мкм, чаще толщиной примерно 5-20 мкм или даже толщиной 6-15 мкм.
Упрочняющий агент из микрочастиц
Упрочняющие агенты из микрочастиц, которые могут использоваться для изготовления расклинивающих агентов согласно настоящему изобретению, также хорошо известны и описываются, например, в отмеченных выше документах, в частности в патенте США №5422183, патенте США №6528157 и в опубликованной заявке на патент США №2005/0194141.
Вообще говоря, их можно описать как любой нерастворимый материал в форме частиц, частицы которого малы по сравнению с частицами основы расклинивающего агента, на которую они наносятся. В этом контексте "нерастворимый" означает, что они по существу не будут растворяться, когда вступают в контакт с жидкостью-носителем и текучими средами формации, которые будут встречаться при применении. Конкретные примеры материалов, из которых можно изготовить упрочняющие агенты из микрочастиц, включают различные минеральные наполнители, такие как коллоидный оксид кремния, мука оксида кремния, тальк, глины, слюда, асбест, карбонат кальция, сульфат кальция, металлы и волластонит. Также включаются все типы керамических частиц и микросфер.
Как правило, упрочняющий агент из микрочастиц будет иметь размер частиц, который составляет 25% или менее от размера частицы основы расклинивающего агента, на которую они наносятся. Чаще упрочняющий агент из микрочастиц будет иметь размер частицы, который составляет 10% или меньше или даже 5% или меньше, от размера частицы основы расклинивающего агента.
Эти упрочняющие агенты из микрочастиц могут иметь любую форму, включая сферы, тороиды, пластинки, стружку, хлопья, ленты, стержни, полоски и тому подобное. Упрочняющие агенты из микрочастиц, имеющие в целом однородную форму (то есть соотношение геометрических размеров 2 или меньше), будут, как правило, иметь размер частиц примерно 300 меш или меньше (приблизительно 40 мкм или меньше). Упрочняющие агенты из микрочастиц этого типа, имеющие размеры частиц порядка 20-40 меш (1-25 мкм), представляют особенный интерес. Упрочняющие агенты из продолговатых микрочастиц (то есть с соотношением геометрических размеров, большим, чем 2) будут, как правило, иметь длину примерно 150 мкм или меньше, чаще примерно 100 мкм или меньше или даже 50 мкм или меньше.
Как указано выше, толщина водорастворимого покрытия частицы расклинивающего агента по настоящему изобретению может составлять самое меньшее 3 мкм. Это может быть значительно меньше, чем размер частицы используемого упрочняющего агента из микрочастиц, что означает, что эти микрочастицы упрочняющего агента могут не полностью погружаться в водорастворимое покрытие, как иллюстрируется на фиг.1-4. Более того, в некоторых случаях, отдаленные части этих микрочастиц упрочняющего агента вообще могут не быть погруженными в водорастворимое покрытие. В других случаях толщина водорастворимого покрытия может значительно различаться, от одного положения до другого, для того чтобы разместить микрочастицы упрочняющего агента с различной толщиной. Все эти варианты являются возможными в соответствии с настоящим изобретением, при условии что достаточное количество водорастворимого покрытия используется для прочного связывания упрочняющего агента из микрочастиц с основой частицы расклинивающего агента, то есть при условии что достаточное количество микрочастиц упрочняющего агента остается связанным с частицами продукта расклинивающего агента до тех пор, пока их не доставят в желаемое положение в нижней части скважины и не сформируют в виде набивки из расклинивающего агента.
Количество упрочняющего агента из микрочастиц, которое может использоваться при изготовлении расклинивающего агента по настоящему изобретению, может изменяться в широких пределах и по существу может использоваться любое количество. С практической точки зрения, должно использоваться достаточное количество упрочняющего агента из микрочастиц для заметного повышения прочности на раздавливание набивки из расклинивающего агента, полученной из этих расклинивающих агентов, но не настолько много, чтобы не реализовывались дополнительные (то есть побочные) преимущества. Как правило, это означает, что упрочняющие агенты из микрочастиц будут присутствовать в количествах примерно 1-50%, чаще примерно 5-45 мас.%, в пересчете на общую массу водорастворимого покрытия и упрочняющего агента из микрочастиц.
Водонерастворимое покрытие
В вариантах осуществления, иллюстрируемых на фиг.3 и 4, обеспечивается водонерастворимое покрытие 30 между наружными поверхностями основы частицы расклинивающего агента 12 и водорастворимым покрытием 14.
Водонерастворимое покрытие 30 можно изготовить из любого водонерастворимого материала, известного в настоящее время или который будет известен в будущем как полезный при создании водонерастворимых покрытий на расклинивающих агентах, используемых при гидравлическом разрыве пласта Такие материалы хорошо известны и широко описываются в указанных выше патентах и публикациях. Они могут использоваться в настоящем изобретении для тех же целей, что и описанные в этих документах. Также могут включаться необязательные ингредиенты, такие как агенты для поперечной сшивки, пластификаторы, эластомеры, поверхностно-активные вещества и тому подобное.
Водонерастворимые покрытия, представляющие особенный интерес, включают фенолальдегидные смолы как шипа резола, так и типа новолака, мочевиноальдегидные смолы, меламинальдегидные смолы, эпоксисмолы и смолы на основе фурфурилового спирта и сополимеры таких смол.
Такие водонерастворимые смолы могут быть неотвержденными, частично отвержденными или полностью отвержденными и могут включать один или несколько упрочняющих агентов такого типа, как описано выше в связи со смолами для водорастворимых покрытий.
Вообще говоря, эти водонерастворимые покрытия будут иметь, как правило, такую же толщину, как водорастворимые покрытия, описанные выше, а именно толщину примерно 3-60 мкм, чаще толщину примерно 5-20 мкм или даже 6-15 мкм.
Получение
Расклинивающие агенты по настоящему изобретению могут быть подходящим образом получены путем соединения упрочняющего агента из микрочастиц с водорастворимым покрытием перед его нанесением, а затем нанесения смеси, полученной таким образом, на основу частицы расклинивающего агента обычным способом, таким как иллюстрируется, например, в указанном выше патенте США №5422183 и в опубликованной заявке на патент США №2005/0194141. Может также использоваться любая другая технология, которая также обеспечит достаточное количество упрочняющего агента из микрочастиц в водорастворимом покрытии таким способом, что достаточное количество этого упрочняющего агента из микрочастиц высвобождается из частицы носителя расклинивающего агента, когда водорастворимое покрытие растворяется или разрушается.
Другие процессы обработки буровых скважин
Хотя настоящее изобретение описано выше в связи с расклинивающими агентами, пригодными для гидравлическом разрыве пласта, оно также может применяться в других методах обработки буровых скважин, в которых функционирование, производительность и/или другие рабочие характеристики буровых скважин в подземной формации улучшаются посредством введения материала из частиц в подземную формацию, в ствол скважины в этой подземной формации или в буровую скважину в этой подземной формации. Конкретные примеры включают обработку буровых скважин с целью избирательной закупорки с помощью закупоривающего агента, гравийной набивки с помощью набивки из частиц гравия, набивки для гидроразрыва, кислотную обработку, обработку растворителем и тому подобное.
В этом случае материал в форме частиц, обычно используемый для этих процессов ("основа частицы из подземной формации"), может обеспечиваться водорастворимым наружным покрытием, несущим упрочняющий агент из микрочастиц, таким же способом, как описано выше в отношении расклинивающего агента по настоящему изобретению.
Применение
Материалы из частиц по настоящему изобретению используются таким же образом, как и обычные материалы из частиц, для замены которых они предназначены. Например, расклинивающие агенты согласно настоящему изобретению применяются таким же путем, как и расклинивающие агенты, описанные в отмеченных выше патентах и опубликованных заявках, посредством гидравлической загрузки массы расклинивающих агентов в нижнюю часть скважины посредством жидкости-носителя, до тех пор пока они не достигнут желаемого положения, а затем предоставления возможности массе расклинивающих агентов для уплотнения в виде набивки из расклинивающего агента для укрепления открытых разломов, каналов и других пространств пор, обнаруживаемых или создаваемых в ней. Закупоривающие агенты, набивка гравием и другие типы материалов из частиц, полученных в соответствии с настоящим изобретением, используются таким же путем, как и обычные частицы, для замены которых они предназначены. Эти технологии хорошо известны в данной области.
Рабочие примеры
Для более подробного описания настоящего изобретения представлены следующие рабочие примеры.
В этих примерах проницаемость и проводимость трех различных набивок из расклинивающих агентов определяли с помощью определенного лабораторного оборудования, а именно API RP61. В каждом тесте расклинивающий агент загружали в тестовую ячейку в количестве 2 фунта (800 г) расклинивающего агента на квадратный фут (0,09 кв. м) тестовой ячейки. Затем тестовую ячейку закрывают и прикладывают напряжение сжатия для достижения различных давлений замыкания. Затем через тестовую ячейку пропускают солевой раствор в течение 50 часов при каждом давлении замыкания и измеряют проницаемость и проводимость расклинивающего агента при каждом из этих давлений замыкания. Результаты приводятся ниже в таблице 1, в которой проницаемости выражены в дарси (Д) и проводимости выражены в миллидарси-фут (3,28 мД-м).
Исследовали три различных расклинивающих агента. Сравнительный расклинивающий агент А состоял из 20/40 частиц бокситового расклинивающего агента, покрытых 3 мас.% полностью отвержденной смолы в пересчете на общую объединенную массу частиц расклинивающего агента и смолы.
Сравнительный расклиншшощий агент В был таким же, как сравнительный расклинивающий агент А, за исключением того, что поверх покрытия из полностью отвержденной смолы нанесена водорастворимая смола в количестве 1 мас.%, в пересчете на общую массу частиц расклинивающего агента, включая все покрытия.
Расклинивающий агент 1, который изготовили в соответствии с настоящим изобретением, был таким же, как и сравнительный расклинивающий агент В, за исключением того, что самое наружное покрытие состоит из 50 мас.% водорастворимой смолы и 50 мас.% микрочастиц, эти проценты вычисляются по отношению только к массе самого наружного покрытия.
Получены следующие результаты.
Из таблицы 1 можно увидеть, что расклинивающий агент 1 продемонстрировал улучшенные проницаемость и проводимость при всех давлениях замыкания, тем самым демонстрируя полезное воздействие, достигаемое за счет включения микрочастиц в его самое наружное водорастворимое покрытие. Хотя выше описано только несколько вариантов осуществления, необходимо понять, что множество модификаций может быть проделано без отклонения от духа и рамок настоящего изобретения. Все такие модификации, как предполагается, включаются в рамки настоящего изобретения, которые должны ограничиваться, только следующей далее формулой изобретения.