СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОДЗЕМНОГО ПЛАСТА
PROCESSING OF UNDERGROUND SEAM

Уровень техники
Изобретение относится к стимуляции скважин, проникающих в подземные пласты. Более конкретно, оно относится к использованию пластинчатых материалов, например, расклинивающих наполнителей, при гидроразрывах пласта. Более конкретно, оно касается размещения материалов, таких как слюда, в качестве расклинивающих наполнителей в разломах с очень низкой проводимостью.
Гидроразрыв пласта остается основным методом стимуляции пластов, обеспечивающим значительное повышение нефте- и газоотдачи. В настоящее время значительные усилия затрачиваются на разработку методик обработки скважин, в частности методом разрывов пласта и разрывов с применением расклинивающих агентов, с целью достижения и поддержания высокой проводимости трещин. В настоящее время проводится стимулирование настолько разнообразных пластов и пород, что существуют широкие возможности для применения специальных приемов стимулирования трещин. Хотя в настоящее время имеются многочисленные жидкости и расклинивающие наполнители, их применение во многих нетрадиционных пластах ограничено рядом проблем, связанных с еще более современными материалами.
Традиционный подход к высокопрочным расклинивающим агентам состоит в создании частиц, которые обычно имеют форму, близкую к сферической, и в использовании частиц, относительно равномерных по размеру. Общее допущение состоит в том, что зернистый материал в произвольном порядке распределяется в трещине. Сферическая форма обладает относительной прочностью при анизотропных нагрузках при таком неупорядоченном расположении, а узкое монодисперсное распределение частиц обеспечивает высокую проводимость. Однако применение расклинивающих наполнителей сферической формы и песков (в некоторых случаях) нежелательно по причине недостаточного сопротивления раздавливанию и/или вдавливания расклинивающего наполнителя в породу. Оба этих фактора снижают проводимость пачки расклинивающего агента, и оба они могут быть следствием его сферической формы. Более того, высокопрочные расклинивающие агенты обычно обладают высоким удельным весом, что существенно снижает мобильность расклинивающего агента. Для надлежащего размещения тяжелого расклинивающего агента необходимо использовать более вязкие жидкости, что влияет на экономику стимуляции.
Было бы выгодным получить расклинивающие агенты, характеризующиеся одновременно высоким сопротивлением раздавливанию, низким вдавливанием, высокой мобильностью и обеспечивающие возможность увеличения высоты трещины гидроразрыва.
Краткое изложение сути изобретения
Одно из воплощений изобретения состоит в методе обработки подземного пласта, в который проникает ствол скважины, и включает в себя подготовку суспензии расклинивающего агента и нагнетание суспензии в ствол скважины; в данном методе расклинивающий агент включает примерно 20-100% масс. пластинчатых частиц толщиной от 1 до ок. 500 микрон. При содержании пластинчатых частиц 40-100% масс. отмечено увеличение высоты трещины.
Расклинивающий агент может содержать не менее ок. 50% масс. пластинчатых частиц, желательно не менее ок. 75% масс. пластинчатых частиц, наиболее желательно не менее ок. 90% масс. пластинчатых частиц. В состав пластинчатых частиц может входить слюда, тальк или смесь этих материалов. Концентрация пластинчатых частиц в суспензии - желательно от ок. 0,0012 до ок. 2,4 кг/л, лучше от ок. 0,0012 до ок. 0,06 кг/л. В состав суспензии могут также входить добавки по снижению водоотдачи. Пластинчатые частицы могут быть покрыты, например, смолой или смачивающим агентом. Перед использованием из пластинчатых частиц может быть получен композитный материал, а композитный материал может быть измельчен.
Другое воплощение изобретения состоит в методе обработки подземного пласта, в который проникает ствол скважины, включающем шаги (a) нагнетания загущенной буровой жидкости, (b) нагнетания загущенной суспензии, содержащей расклинивающий агент, в состав которого входят пластинчатые частицы, (c) нагнетание отклоняющего материала и (d) повтор шагов (a)-(c) еще как минимум один раз. В данном методе в состав расклинивающего агента входит от ок. 20 до ок. 100% масс, пластинчатых частиц толщиной от ок. 1 до ок. 500 микрон. Расклинивающий агент может содержать не менее ок. 50% масс. пластинчатых частиц, желательно не менее ок. 75% масс. пластинчатых частиц, лучше всего не менее ок. 90% масс. пластинчатых частиц. В состав пластинчатых частиц может входить слюда, тальк или смесь этих материалов. Концентрация пластинчатых частиц в суспензии желательно от ок. 0,0012 до ок. 0,12 кг/л. В состав суспензии могут также входить добавки по снижению водоотдачи. В состав отклоняющего материала могут входить волокна. Загущенная жидкость также может содержать добавки, понижающие трение. В качестве варианта в последовательности действий от (a) до (c) концентрация пластинчатого расклинивающего агента в суспензии в шаге (b) варьируется. В качестве варианта в последовательности действий от (a) до (c) концентрация пластинчатого расклинивающего агента в расклинивающем агенте в шаге (b) варьируется. В качестве варианта после шагов данного воплощения следуют шаги нагнетания загущенной буровой жидкости, нагнетания загущенной суспензии, содержащей расклинивающий агент, в состав которого входят пластинчатые частицы, и нагнетание загущенной жидкости, содержащей традиционный расклинивающий агент. В качестве варианта пластинчатые частицы могут быть покрыты, например, смолой или смачивающим агентом. Перед использованием из пластинчатых частиц может быть получен композитный материал, а композитный материал может быть измельчен.
Еще одно воплощение изобретения состоит в методе обработки подземного пласта, в который проникает ствол скважины, включающем шаги (a) нагнетания загущенной буровой жидкости, (b) нагнетания первой загущенной суспензии жидкости, содержащей расклинивающий агент, в состав которого входят пластинчатые частицы, (c) нагнетания второй загущенной жидкости и (d) повторения шагов от (a) до (c) как минимум еще один раз. В данном методе пластинчатые частицы составляют от ок. 20 до ок. 100% масс. расклинивающего агента и имеют толщину от ок. 1 до ок. 500 микрон. Расклинивающий агент содержит как минимум ок. 50% масс. пластинчатых частиц, желательно  не менее ок. 75% масс. пластинчатых частиц, наиболее желательно не менее ок. 90% масс. пластинчатых частиц. В состав пластинчатых частиц может входить слюда, тальк или смесь этих материалов. Концентрация пластинчатых частиц в суспензии желательно от ок. 0,06 до ок. 2,4 кг/л. В качестве варианта в последовательности шагов от (a) до (c) концентрация пластинчатого расклинивающего агента в шаге (b) варьируется. В качестве опции в последовательность шагов (a)-(c) концентрация пластинчатого расклинивающего агента в расклинивающем агенте в шаге (b) варьируется. В качестве варианта в некоторых или во всех шагах (c) вторая загущенная жидкость также содержит традиционный расклинивающий агент. В качестве варианта пластинчатые частицы могут быть покрыты, например, смолой или смачивающим агентом. Перед использованием из пластинчатых частиц может быть получен композитный материал, а композитный материал может быть измельчен.
Еще одно воплощение изобретения состоит в методе обработки подземного пласта, в который проникает ствол скважины, включающем шаги (a) нагнетания загущенной буровой жидкости, (b) нагнетания первой загущенной суспензии жидкости, содержащей расклинивающий агент, в состав которого входят пластинчатые частицы, и (c) нагнетания второй загущенной жидкости. Еще одно воплощение изобретения состоит в методе обработки подземного пласта, в который проникает ствол скважины, включающем шаги (a) нагнетания загущенной буровой жидкости, (b) нагнетания первой загущенной суспензии жидкости, содержащей расклинивающий агент, в состав которого входят пластинчатые частицы, (c) нагнетания второй загущенной жидкости и (d) повторения шагов (b) и (c) как минимум еще раз. В этих двух методах пластинчатые частицы составляют от ок. 20 до ок. 100% масс. расклинивающего агента и имеют толщину от ок. 1 до ок. 500 микрон. Расклинивающий агент содержит не менее 50% масс. пластинчатых частиц, желательно не менее ок. 75% масс, пластинчатых частиц, наиболее желательно не менее ок. 90% масс. пластинчатых частиц. В состав пластинчатых частиц может входить слюда, тальк или смесь этих материалов. Концентрация пластинчатых частиц в суспензии желательно от ок. 0,06 до ок. 2,4 кг/л. В качестве варианта в последовательности шагов от (a) до (c) концентрация пластинчатого расклинивающего агента в суспензии в шаге (b) варьируется. В качестве варианта в последовательности шагов от (a) до (c) концентрация пластинчатого расклинивающего агента в расклинивающем агенте в шаге (b) варьируется. В качестве варианта в некоторых или во всех шагах (c) в состав второй загущенной жидкости также входит традиционный расклинивающий агент. В качестве варианта пластинчатые частицы могут быть покрыты, например, смолой или смачивающим агентом. Перед использованием из пластинчатых частиц может быть получен композитный материал, а композитный материал может быть измельчен.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 изображена зависимость пористости от коэффициента сжатия, рассчитанного для цилиндров различных размеров.
На Фиг.2 приведены значения проводимости пачки экспериментального пластинчатого расклинивающего агента Изобретения при различных значениях давлений закрытия.
На Фиг.3 приведены экспериментальные значения скорости осаждения песка и пластинчатых расклинивающих агентов Изобретения в реагенте на водной основе для снижения поверхностного натяжения.
На Фиг.4 приведены значения скорости осаждения песка и пластинчатых расклинивающих агентов Изобретения в реагенте на водной основе для снижения поверхностного натяжения, рассчитанные в соответствии с Законом Стокса.
На Фиг.5 приведена схема аппаратуры, используемой для изучения мобильности частиц.
На Фиг.6 изображена сеть сложного разлома.
На Фиг.7 изображено, как метод Изобретения участвует в формировании сети сложного разлома.
Подробное описание Изобретения
Необходимо понять, что во всей данной спецификации при указании концентрации или количества как полезного, или соответствующего, или им подобного, цель состоит в том, чтобы всякая и любая концентрация или количество в пределах этого количества, включая конечные точки, считалась указанной. Более того, каждое численное значение следует читать как уточненное словом "около" (если это уже явно не содержится в тексте), а затем читать еще раз как не уточненное таким образом, если иное не указано в контексте. Например, "диапазон от 1 до 10" следует читать как указание на каждое и любое возможное число в интервале от ок. 1 до ок. 10. Другими словами, при выражении определенного диапазона, даже если лишь несколько конкретных значений явно идентифицировано или указано в пределах диапазона, или даже когда в пределах данного диапазона не указано никаких значений, понимается, что изобретатели надеются и понимают, что любые и все значения в пределах диапазона считаются указанными и что изобретатели оперируют всем диапазоном и всеми значениями в пределах этого диапазона.
Хотя последующая дискуссия посвящена применению гидроразрыва с применением расклинивающего агента, пластинчатые частицы и методы Изобретения могут использоваться при гравийной набивке, кислотном разрыве, проведении гидроразрыва с применением реагента на водной основе, предназначенного для снижения поверхностного натяжения, и других видах обработки нефтяных месторождений, при которых используются материалы, традиционно именуемые гравием, песком и расклинивающим агентом. Изобретение можно описать с точки зрения обработки вертикальных скважин, но оно одинаково применимо к скважинам любой ориентации. Изобретение можно описать, главным образом, для применения на сланцах, но его можно использовать на пластах, состоящих из любого материала, например карбонатах, песчаниках и углях. Изобретение можно использовать в трещинах любой ориентации. Изобретение можно описать для углеводородных скважин, но следует понимать, что Изобретение может использоваться применительно к скважинам для добычи любых жидкостей, например, воды или двуокиси углерода или, например, для скважин нагнетания или хранения. Можно описать Изобретение с применением водных флюидов в качестве транспортных флюидов для расклинивающего агента, и любая жидкость может быть использована, например, реагент на водной основе, предназначенный для снижения поверхностного натяжения, водных флюидов, загущенных синтетическими или натуральными полимерами, водных флюидов, загущенных неполимерными загустителями, например вязкоупругими поверхностно-активными веществами, огелившейся нефтью или любыми из указанных веществ во вспененном или возбужденном состоянии.
Мы установили, что при определенных видах обработки с целью стимуляции пластинчатые материалы могут использоваться в качестве всех расклинивающих агентов или в качестве значительной части расклинивающего агента. Пластинчатая форма расклинивающего агента обладает двумя основными преимуществами и рядом других преимуществ перед традиционной сфероидной формой особенно для использования в очень узких, например, разветвленных трещинах. Пластинчатые расклинивающие агенты демонстрируют (a) повышенное сопротивление раздавливанию в силу лучшего распределения напряжений среди частиц расклинивающего агента и (b) уменьшение вдавливания расклинивающего агента в кромки разлома пласта в силу большей площади соприкосновения частиц расклинивающего агента с пластом. В число других преимуществ входят (c) улучшение мобильности расклинивающего агента в силу снижения скорости осаждения расклинивающего агента, (d) увеличение глубины проникновения в сети разветвленных и узких трещин, (e) предотвращение выноса расклинивающего агента и (f) снижение неламинарного потока в трещинах (о чем свидетельствует снижение бета-фактора). Более того, пластинчатые частицы не только отличаются более низкими скоростями осаждения по сравнению с почти сферическими частицами, например, песка, но ожидается, что смеси пластинчатых и сферических частиц также имеют более низкую скорость осаждения, чем только сферические частицы.
Пластинчатый материал (иногда здесь называемый листовым материалом) определяется как частица, имеющая толщину намного меньшую остальных ее размеров, например длины и ширины. Коэффициенты сжатия частиц (диаметр/толщина, длина/толщина или ширина/толщина) могут находиться в диапазоне от 5 до 50 и более. (Мы определяем коэффициент сжатия как отношение длины или ширины к толщине.) Отношение длины к ширине может быть любым. Материал можно выбрать из целой группы материалов, в том числе, например, из естественных и синтетических минералов, слоистых пород (например, слоистый сланец, шиферный сланец, аспидный сланец, алеврито-глинистые породы, окаменелые глины, тальковые камни, милониты, аргиллит, обсидиан, филлит, антрацит, брекчии, конгломераты, ракушечный известняк, кремень и другие), минералов, пластиков и полимеров, металлов, керамики, стекла и биоматериалов. Отдельные частицы могут состоять из нескольких слоев; в горных породах и минералах их иногда называют "листоватыми породами". Материал частиц может быть как деформируемым, так и недеформируемым. Как минимум одна поверхность является относительно плоской (например, имеющей отклонение по высоте поверхности менее максимального размера частицы).
Пластинчатые расклинивающие агенты особенно применимы к сетям сложных трещин, например, в пластах сланцевого газа, в которых показатель проводимости может составлять всего ок. 0,01 миллидарси-фут (ок. 0,003 миллидарси-метр). Они в особенности пригодны в качестве расклинивающих агентов в мягких породах, имеющих низкую проводимость.
Пластинчатые материалы применялись на нефтепромысловых флюидах и ранее, но при использовании в качестве расклинивающих агентов они подвергались деградации или деформации (в холодном состоянии, пластичности, эластичности, сжатию), и/или использовались для образования частичного монослоя, и/или имели коэффициенты сжатия менее ок. 5 (см., например, публикацию заявку на патент США №20070193745 и патенты США №№6059034, 6330916 и 7228904). Пластинчатые материалы также использовались для усиления синтетических расклинивающих агентов, например композитов, изготовленных из пластиков или других материалов (см. публикацию заявку на патент США №20070209795 и патенты США №№6632527, 7228904, 7281580 и 7237609). Пластинчатые материалы добавлялись в суспензии расклинивающих агентов с целью содействия перемещению суспензии и/или воспрепятствованию обратного тока расклинивающего агента (см. например, патенты США №№5782300 и 6830105). В более общем случае они использовались в качестве утяжелителей, тампонирующих материалов, пластозакупоривающих материалов, и добавки снижающие водоотдачу (см. например, публикацию заявки на патент США №20060065398 и патенты США №№5929002, 7255169 и 7004255).
Усовершенствования и преимущества Изобретения связаны с формой частиц расклинивающего агента. Плоские частицы спрессовываются в слоистую структуру, в которой частицы имеют значительно большую площадь контакта друг с другом по сравнению с пачкой сферических частиц. Слоистая пачка обеспечивает лучшее распределение напряжений среди частиц под воздействием напряжения, вызывающего смыкание трещины; это приводит к повышению сопротивления раздавливанию частиц расклинивающего агента. Увеличение площади контакта частиц расклинивающего агента со стенками трещины снижает вдавливание частиц в породу. Следовательно, важно, чтобы форма желательно сокращала точечную нагрузку, когда частица зажата между двумя стенками трещины. Пластинчатые частицы продемонстрировали значительно меньшую скорость осаждения во флюиде, чем сферические частицы, что является преимуществом с точки зрения мобильности расклинивающего агента. Более того, небольшая толщина плоских частиц (например, десятки микрон) позволяет им глубоко проникать в сети микротрещин; они могут достигать мест, недоступных для сферических частиц расклинивающего агента. Как известно из достигнутого уровня исследований, листовые материалы, содержащие пластинчатые частицы могут сокращать или предотвращать вынос расклинивающего агента, что является дополнительным преимуществом. Кроме того, поток по плоским пластинам в многослойной пачке приводит к меньшим потерям на инерцию, чем поток в пачке, состоящей из сферических частиц. Следовательно, турбулентные (неламинарные) потоки в пачках листового расклинивающего агента сокращаются и бета-фактор уменьшается.
Молотые слюдяные минералы, например мусковит, представляют собой особенно подходящий пример пластинчатых расклинивающих агентов. Слюдяные минералы представляют собой хорошее сочетание физических и химических свойств, например средний удельный вес, низкую объемную плотность, среднюю твердость, умеренную смачиваемость водой и высокую химическую и термическую стабильность.
3
3
В предпочтительном воплощении Изобретения расклинивающий агент изготавливается из или включает в себя слои или пластины проклеенного натурального или синтетического слоистого минерала или содержащего минерал композитного материала. Желательно использовать слюду, лучше - мусковит. Последний характеризуется удельным весом 2,8 г/см, объемной плотностью менее 0,5 г/см, обычной толщиной листа или пластины ок. 20 микрон, твердостью ок. 2,5-3,0 (по шкале Мооса) или ок. 100 (по шкале твердости Shore D) и углом контакта с водой около 23°. Одним из качеств слюды и аналогичных материалов является то, что кристаллическая структура их такова, что один слой одной пластинки может полностью состоять из одного кристалла. Это придает таким материалам высокий предел прочности на разрыв по сравнению с материалами, содержащими поликристаллический расклинивающий агент. Мусковит также известен как "бесцветный мусковит" или "калиевая слюда". Мусковит выдерживает температуры до ок. 800°C, обладает высокой химической устойчивостью и не подвержен диагенезу в условиях, в которых он используется в данном Изобретении. Неисчерпывающий список других пород и минералов, которые могут встречаться в слоистой форме, включает аспидный сланец, глинистый сланец, филлосиликаты (листовые силикаты), другие виды слюды, такие как фуксит, гидромусковит, серицит, фтористую слюду, парагонит ("натриевую слюду"), глауконит, флогопит ("магниевую слюду"), биотит ("магниевую железную слюду"), цинвальдит ("железнолитиевую слюду"), лепидолит ("литиевую слюду"), лепидомелан ("железистую слюду"), клинтонит и Маргарит, некоторые формы некоторых глинистых минералов, таких как каолинит, смектит, пирофиллит, фенгит, монтмориллонит, сапонит, вермикулит, гекторит, сепиолит, палыгорскит (аттапульгит), лапонит и иллит, гидраты силиката натрия, такие как канемит, грумантит, ревдит, макатит, магадиит, кениаит, и октосиликат, офитные минералы, такие как антигорит, хризотил, лизардит и хризолит, хлорит, тальк, иносиликаты, пироксиноидные минералы, такие как, волластонит и родонит, амфиболы, такие как антрофиллит, тремолит, актинолит, грунерит, амозит, роговая обманка и диопсид, кремний, кремень (кремнистый известняк), новакулит, кианит, цеолиты (алюмосиликаты), гидроталькит, минералы шергенитно-гидроталькитной группы (карбонаты), вульфенит (сульфаты), асфальты (например, асфальтовые мезофазы) и графит. Некоторые из пригодных материалов являются минералами; некоторые - простыми породами. Важным фактором является, чтобы они имели форму, которая характеризуется как расслоенная, чешуйчатая, пластинчатая, хлопьевидная, хрящеватая, сланцеватая, слоистая, листовидная, плоская, "в виде книги", обладающая трещенноватостью и т.д. Мы будем использовать для обозначения этой формы термин "пластинчатая". Некоторые из этих материалов являются хрупкими, некоторые - гибкими. Виды слюды на кальциевой основе, а не на натриевой или калиевой - хрупкие, например клинтонит и Маргарит.
4
2
2
3
2
2
2
3
3
m
2
n
2
3
В число других пригодных материалов входят слоистые двойные гидроксиды, фосфаты и фосфонаты циркония (IV), например, α-Zr(HPO)-HO и α-Zr(OPR)·nHO; слоистые магниевые оксиды, такие как фейткнехтит и пирохроит, бирнессит и бусерит, столбчатые слоистые материалы на марганцевой основе, мезопорные материалы на марганцевой основе и пористые смешанные оксиды на марганцевой основе; слоистые халькогениды металлов, такие как дихалькогениды металлов MX (где M=Sn, Cr, Hf, Ta, Ti, Zr, Nb, Mo, W или V; а X=S, Se или Te), трихалькогениды металлов MX (где M=Nb или Zr; X=S, Se или Te), фосфорные трихалькогениды металлов MPX (где M=Cd, Fe, Mg, Ca, Mn, Ni, V, Sn, Pb или Zn; X=S или Se), несовмещенные слоистые соединения (RX)(MX) (где R=редкоземельные металлы, Pb или Sn; M=Ta, Nb, V, Ti или Cr; X=S или Se), и трехкомпонентные сульфиды металлов переходной валентности AMX (где A=Li, Na, К, Rb или Cs; M=Cr, Ti, V, Zr, Nb или Ta; X=S or Se) и другие слоистые соединения, такие как h-BN, Pbl, и Bil.
Материалы из пластинчатого расклинивающего агента, например натуральные или синтетические минералы или породы, могут подвергаться химической или физической обработке поверхности с целью изменения свойств, например смачиваемости, трения между частицами или адгезии и т.д. Например, пластинчатый расклинивающий агент может обрабатываться поверхностно-активным веществом, например органосиланом, который делает частицы гидрофобными. Пластинчатый расклинивающий агент, например натуральный или синтетический слоистый минерал или порода, могут быть покрытыми одной или несколькими смолами, известными в данной отрасли. Пластинчатый материал, например слюду, можно сначала поместить в композитную бумагу, лист или картон, например, при помощи смолы, которую затем можно вулканизировать или частично вулканизировать. Композитный лист можно затем размолоть и просеять так, чтобы получилась слюда или другие частицы нужного размера, пригодные для гидроразрыва. Этот процесс позволяет приготовить материал, имеющий покрытие поверхности с высокой степенью управляемости. Листы пластинчатого материала, например слюды, можно обрабатывать разнородными покрытиями с разных сторон частицы. Например, одну сторону можно обработать смолой, а другую - гидрофильным или гидрофобным материалом, или не обрабатывать вообще.
Пластинчатый или листовой расклинивающий агент в качестве варианта можно доставлять на место обработки в виде суспензии в жидкости. Жидкость может содержать загустители, например, полимеры, вязкоэластичные поверхностно-активные вещества, лапонит и т.д., способствующие снижению осаждения расклинивающего агента и способствующие поддержанию суспензии в жидкой (перекачиваемой) форме.
Пластинчатые расклинивающие агенты и методы Изобретения могут использоваться для гидроразрыва в тех же концентрациях и в тех же жидкостях, что и традиционные расклинивающие агенты. Однако их можно использовать при более низких концентрациях, чем у традиционного расклинивающего агента, особенно при использовании реагента на водной основе для снижения поверхностного натяжения. Концентрации расклинивающего агента, измеренные на поверхности, таким образом, могут существенно варьироваться, например, от ок. 0,0012 кг/л (0,01 фунт на галлон (также называемый "фунтов добавленного расклинивающего агента" или рра)) жидкости до 2,4 кг/л (20 рра), в зависимости от определенных параметров пласта, например проницаемости пласта, поглощения пластом жидкости разрыва и т.д. Предпочтительное применение пластинчатого расклинивающего агента Изобретения - в очень малых концентрациях, в пробках, для расклинивания боковых трещин в глинистых сланцах. Концентрация расклинивающего агента может варьироваться в пределах одного гидроразрыва пласта во многом так же, как при обычных видах применения. Концентрация может варьироваться непрерывно или изменяться дискретно через определенные интервалы времени или объема, обычно именуемые стадиями. В начале обычного гидроразрыва пласта, например, концентрация расклинивающего агента может составлять всего 0,06 кг/л (0,5 рра), а затем - постепенно повышаться, например, до 2,4 кг/л (20 рра) в конце обработки. Большинство традиционных видов применения требуют более узкого диапазона концентрации расклинивающего агента во время обработки, например, от 0,24 кг/л (2 рра) до 1,8 кг/л (15 рра).
Пластинчатый расклинивающий агент часто используется при концентрациях ниже концентраций традиционного расклинивающего агента при традиционных видах обработки и в качестве варианта добавляется с концентрацией, при которой площадь поверхности, охватываемой расклинивающим агентом в трещине, меньше монослоя материала. Такая обработка считается обработкой реагентом на водной основе для снижения поверхностного натяжения, хотя, безусловно, термин "реагент на водной основе для снижения поверхностного натяжения" не ограничивается вариантами с частичным применением монослоев. Концентрация пластинчатого расклинивающего агента при таких вариантах применения обычно аналогична или ниже концентрации традиционного расклинивающего агента при традиционных применениях реагента на водной основе для снижения поверхностного натяжения (около 0,06 кг/л (ок. 0,5 рра)).
Пластинчатые расклинивающие агенты и методы Изобретения могут использоваться в смесях с традиционными расклинивающими агентами, например с песком и керамическими гранулами. Концентрация пластинчатого расклинивающего агента в таких смесях составляет от ок. 20% масс. пластинчатого расклинивающего агента и выше (до 100%).
Пластинчатый расклинивающий агент может нагнетаться в пробки, например, стадиями пластинчатого расклинивающего агента, чередующимися со стадиями традиционного расклинивающего агента и/или чередующимися со стадиями, не содержащими расклинивающего агента, и/или чередующимися со стадиями вещества, изменяющего направление потока. Некоторые из этих стадий могут в качестве варианта содержать смеси пластинчатого расклинивающего агента и традиционного расклинивающего агента; концентрации каждого из них могут варьироваться от одной стадии к другой.
Жидкостью-носителем может быть любая жидкость, используемая для транспортировки твердых частиц в суспензии. Чаще всего при добыче нефти жидкостью-носителем является водная жидкость, загущенная натуральными или синтетическими полимерами или неполимерными загустителями, например, вязкоупругими поверхностно-активными веществами; при обработке реагентом на водной основе для снижения поверхностного натяжения жидкостью-носителем может быть водная жидкость, содержащая добавки, понижающие трение. Можно использовать другие жидкости, такие как газы, сжиженные газы, пены, возбужденные жидкости и огелившиеся масла. Ввиду желательности медленного осаждения пластинчатых материалов в жидкостях вязкость (и, следовательно, концентрации загустителей) могут быть ниже, чем необходимо для традиционных расклинивающих агентов.
Важным аспектом пластинчатого расклинивающего агента Изобретения является то, что его можно доставить в трещины, не доступные для традиционных синтетических расклинивающих агентов и песков. Трещины во многих пластах, например в глинистых сланцах, могут представлять собой не просто два плоских прямых "крыла", как это обычно представляют себе. По сути это могут быть трещины очень сложной траектории, множественные трещины и разветвленные трещины; они могут быть вблизи ствола скважины, в дальней зоне или и там, и там. Важными с точки зрения геометрии являются сетчатые трещины, которые могут возникнуть в результате соединения гидроразрыва с естественным разрывом или трещиной, или при встрече с ослабленной плоскостью, не параллельной, а по сути даже, возможно, перпендикулярной, растущей трещине. В этой точке разветвления начинается новая трещина. Если определить первоначальную трещину как первичную, то трещину, растущую от первичной трещины, можно определить как вторичную. Если, как это обычно бывает, вторичная трещина открывается при большем напряжении, чем первичная трещина, то вторичная трещина может быть уже первичной. Растущая вторичная трещина, вероятно, будет неустойчивой, т.к. она открывается при большем напряжении. Следовательно, при непрерывном закачивании трещина может найти возможность еще раз изменить свое направление и может положить начало третичной трещине, которая опять-таки открывается при еще меньшем напряжении смыкания или минимальном напряжении смыкания; третичная трещина может быть шире вторичной. Распространение трещины в точке разветвления может прекратиться, а может продолжиться. В любом случае траектория потока полностью или частично поворачивает за угол, иногда в более узкую трещину. Пример такой сложной сетчатой структуры изображен на Фиг.6, который будет рассматриваться ниже, в Примере 4.
Таким образом, точки разветвления являются переходными точками, в которых расклинивающий агент с большей долей вероятности может изменить свое направление; они предотвращают более глубокое проникновение расклинивающего агента в сложную сетчатую трещину. Особая ценность пластинчатого расклинивающего агента Изобретения состоит в том, что пластины могут легко транспортироваться и могут образовывать в потоке линию так, что они смогут поворачивать и легко транспортироваться в сложные сети трещин, например в разветвленные трещины, даже при снижении скорости потока, увеличении времени и повышении извилистости путей потока. Это может быть особенно ценным вблизи ствола, в дальней зоне или в обоих случаях. При многих вариантах обработки точки перехода могут определять оптимальные качества суспензии расклинивающего агента, например оптимальный размер и форму расклинивающего агента. Проводимость, необходимая для успешного расклинивания таких разветвленных, сложных и, возможно, удаленных трещин и/или микротрещин может составлять всего ок. 0,01 миллидарси-фут (ок. 0,003 миллидарси-метр).
Пластинчатые частицы Изобретения, как единственный компонент расклинивающего агента или в соединении с традиционным расклинивающим агентом, особенно пригодны для методик гидроразрыва, предусматривающих использование агентов по отклонению потока. Примером наиболее применимых агентов по отклонению потока являются волокна. Неисчерпывающие примеры разлагаемых и неразлагаемых волокон, образующих пробки в подземных пластах и действующих в качестве агентов по отклонению потока, описаны, например, в патентах США №№7350572 и 7380600 и опубликованных заявках на выдачу патента США №№2008/0000639 и 2008/0093073, которые в полном объеме включены в настоящий документ. Жидкости, которые можно использовать в воплощениях данного Изобретения, включают жидкости, не содержащие расклинивающего агента, пластинчатых частиц или агентов по отклонению потока, например буровые жидкости; жидкости, содержащие пластинчатые частицы Изобретения; жидкости, содержащие традиционный расклинивающий агент; жидкости, содержащие агенты по отклонению потока; жидкости, содержащие любые два из расклинивающих агентов, пластинчатые частицы и агенты по отклонению потока; и жидкости, содержащие все три компонента. Эти различные жидкости могут нагнетаться в любом порядке, хотя буровая жидкость обычно нагнетается первой. Каждая жидкость может нагнетаться многократно. Концентрации компонентов и размеры стадий могут варьироваться. Обычным, не исчерпывающим примером является (a) буровая жидкость, затем (b) пластинчатые частицы, затем (c) агент по отклонению потока, затем повторить шаги (b) и (c) один или несколько раз, затем (d) традиционный расклинивающий агент. В других воплощениях шаги (a), (b) и (с) могут последовательно повторяться несколько раз или шаги (a) и (b) могут последовательно повторяться несколько раз. В буровой жидкости могут содержаться небольшие концентрации любых твердых компонентов (относительно последующих стадий), они могут быть относительно загущенными (т.е. могут быть жидким реагентом на водной основе для снижения поверхностного натяжения). Обычно в последней стадии содержится больше традиционного расклинивающего агента, чем пластинчатых частиц, что обеспечивает путь потока с высокой проводимостью из сети трещин до ствола скважины. Обычно жидкость на всех стадиях загущена. Цель состоит в создании сети трещин максимально возможного и практически осуществимого размера с пластинчатыми частицами, помещенными на максимально возможную и практически достижимую глубину. Работникам, имеющим навыки работы по данному направлению, ясно, что при выполнении указаний, содержащихся в данном документе, решение поставленных задач обеспечивается несколькими путями, и все эти пути находятся в пределах области Изобретения.
Возможно образование расклиненных трещин, в которых существуют области, в которых кромки трещин "поддерживаются", в любом направлении, расклинивающим агентом (расклинены с раскрытием), и области, в которых отсутствует расклинивающий агент. Это может иметь место, когда пробки жидкости-носителя, содержащей расклинивающий агент, чередуются (либо по времени, либо по различным перфорациям) с пробками без расклинивающего агента, образуя, таким образом, "камерно-столбовую" схему. Это также может иметь место, когда концентрация расклинивающего агента меньше необходимой для образования монослоя расклинивающего агента в трещине. После снятия давления нагнетания и закрытия трещины может иметь место ряд явлений в зависимости от давления, геометрии, а также формы и характера расклинивающего агента. Расклинивающий агент может быть раздавлен (что, безусловно, может иметь место и в полностью забитых трещинах). Если расклинивающий агент тверже породы, отдельные частицы расклинивающего агента могут вдавливаться в кромку трещины (вдавливание). Пластинчатый расклинивающий агент вдавливается менее легко, т.к. снижается концентрация напряжения, либо для обеспечения той же степени вдавливания можно использовать более мягкий пластинчатый расклинивающий агент. (Тем не менее, если расклинивающий агент слишком мягок, он может чрезмерно деформироваться и позволить кромкам трещины приблизиться друг к другу.) При камерно-столбовой схеме столб может вдавливаться в породу, что называется "продавливанием", либо не имеющие опоры области могут наползать друг на друга, что называется "сжатием", либо может иметь место и то, и другое. Любое из этих явлений сокращает проводимость трещины. Использование пластинчатого расклинивающего агента снижает частоту возникновения или тяжесть некоторых из этих разрушительных явлений; правильный выбор материала с необходимыми характеристиками также может помочь снизить частоту возникновения или тяжесть некоторых из этих явлений.
Мусковит является особенно пригодным пластинчатым расклинивающим агентом в силу сочетания его физических и химических характеристик, но особенно по причине своей формы. Имеется ряд преимуществ, объясняемых формой. На Фиг.1 (адаптировано из Sherwood, J. D., J. Phys. A: Math. Gen. 30 (1997) L839-L843) изображен коэффициент пористости цилиндрических частиц в пачке как функция коэффициента сжатия; пористость пачки пластин может быть существенно выше, чем у пачки частиц сферической формы (обратите внимание, тем не менее, что эти показатели пористости не учитывают напряжение смыкания). Мусковит находится в районе левого края кривой, изображенной на Фиг.1; частицы сферической формы находятся в середине, а цилиндры - на правом краю. Скорость осаждения пластин намного меньше по сравнению со скоростью осаждения сфер того же размера (см. данные в Экспериментальном раздел (ниже)) в силу большего коэффициента торможения и постепенного осаждения пластин. Ввиду того, что пористость пачки больше, слюда и аналогичные материалы обладают значительно меньшей объемной плотностью в суспензии жидкости, чем песок и аналогичные гранулы традиционного расклинивающего агента. Следовательно, данная масса пластинчатого расклинивающего агента занимает больший объем, чем аналогичная масса песка, даже после полного осаждения, следовательно, высота трещины, расклиненной данной массой пластинчатого расклинивающего агента, также будет намного больше. Более того, считается, что пластины помещены в микротрещину с большим измерением параллельно кромке трещины, а меньшим измерением - перпендикулярно кромке трещины. При такой ориентации отдельные частицы расклинивающего агента и пачки расклинивающего агента пластинчатых расклинивающих агентов в меньшей степени подвержены вдавливанию, а пачки таких пластин менее подвержены обратному притоку расклинивающего агента по причине распределения напряжений в пачках.
Подходящие значения толщины пластинчатых расклинивающих агентов Изобретения варьируются в пределах от ок. 1 до ок. 500 микрон. Предпочтительная толщина составляет от ок. 10 до ок. 300 микрон; наиболее предпочтительной является толщина от ок. 20 до ок. 200 микрон.
В число других пригодных материалов входят полиэтилен низкой плотности, фенольные смолы, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, чешуйчатая окалина, измельченные раковины или яичная скорлупа, металлы, керамика и новолоидные фенолальдегидные материалы, вулканизированные кислотно-катализированной сшивающей новолачной смолой. Особенно пригодны некоторые металлы и сшитые полимеры, подвергшиеся нагартовыванию, т.е. в которых деформация ползучести и длительная деформация были заблокированы, что сделало их недеформируемыми и не ползучими; из полимеров - это, прежде всего, термоосаждающиеся пластмассы.
Полезные пластинчатые расклинивающие агенты можно приготовить из композитных материалов, например резанной слюдяно-смолистой бумаги и из резанной слюдяно-эпоксидной бумаги. Эти материалы содержат, как минимум, один неэластичный компонент, например слюду, кремень и прочие слоистые минералы. Имеющиеся на рынке листы слюды и бумаги изготавливаются, например, с применением силиконов, эпоксидов, шеллаков и прочих материалов. Они могут быть жесткими или гибкими. На рынке имеются слюдяные ленты с основой, изготовленной из стекла, волокон, полиэстровых волокон, полиэтилена, полипропилена и прочих материалов. Пластинчатые расклинивающие агенты Изобретения могут изготавливаться из любого из этих или аналогичных материалов известными методами, например рубкой, резкой, перемалыванием, расслоением и т.п.
Пластинчатые материалы могут подвергаться химической или физической модификации другими способами. Например, их можно покрыть проклеивающими агентами, которые содействуют их растворению в воде, и/или их можно покрыть свободно сыпучими присадками, помогающими им течь как сухому насыпному материалу. Также можно применить другие виды обработки гранулированных материалов с большой площадью поверхности, известные в данной области.
Пластинчатые расклинивающие агенты Изобретения лучше использовать в сочетании с мероприятиями по изменению направления потока. Особенно удобной является методика изменения направления, при которой образуются временные, разлагаемые пробки, например, из разлагающихся волокон, с целью стимулирования отделения от основной трещины некоторых областей. Такие пробки можно установить, например, вблизи ствола или глубоко в сети трещин. Если целевой породой является плотная сланцевая глина, обычно применяется обработка реагентом на водной основе для снижения поверхностного натяжения. Обычная обработка может состоять из следующих этапов обработки: буровой жидкостью с реагентом на водной основе для снижения поверхностного натяжения, реагентом на водной основе для снижения поверхностного натяжения плюс пластинчатым расклинивающим агентом для расклинивания сети трещин, изменение направления потока с целью блокировки каналов с расклиненной стороны и увеличение полезного давления с целью раскрытия новых боковых каналов, с последующим повторением (буровой жидкостью, пластинчатым расклинивающим агентом, изменением потока), как правило, несколько раз, после чего следует обычная обработка реагентом на водной основе для снижения поверхностного натяжения в сочетании с традиционным расклинивающим агентом (обычно размером ячейки 100 или песком, содержащимся в сланцевой глине) для расклинивания первичной трещины и соединения всех сетей вторичных или третичных трещин, в частности трещин, расклиненных пластинчатым расклинивающим агентом, до ствола скважины. Таким образом, повторяющаяся последовательность буровой жидкости, пластинчатого расклинивающего агента и изменения направления движения создают значительную площадь поверхности трещины в сланцевых породах (которые при других обстоятельствах были бы не проводимыми в отсутствие материала, изготовленного из пластинчатого расклинивающего агента), которые гидравлически соединяются со стволом скважины через основной канал трещины.
Настоящее Изобретение можно лучше понять на следующих примерах.
В некоторых экспериментах использовались образцы мусковита, измельченные и просеянные в лаборатории, размер полосок в диапазоне 20/40, 40/70 и 70/140 (примерно соответствует ячейке 100). Также использовались имеющиеся на рынке образцы мусковита компании Minelco Specialties Limited, Дерби, Великобритания. Их обозначили MD150 и MD250; число в коде соответствует среднему размеру диаметра частиц в микронах. Толщина этих частиц слюды составляла ок. 20-25 микрон. Изготовитель описал материал как сухой, размолотый, сильно деламинированный калиево-алюминиево-силикатный мусковит в гранулах с температурой плавления ок. 1300°C, удельным весом ок. 2,8, и рН ок. 9 в 10% водной суспензии, а также как гибкий, эластичный, жесткий и имеющий высокий коэффициент сжатия. 99,9% образца MD150 имеет размер менее 250 микрон, 75-90% - менее 106 микрон, и 30-65% - менее 53 микрон; 99,9% образца MD250 имеет размер менее 250 микрон, 10-50% - менее 125 микрон, и 0-15% - менее 63 микрон.
Пример 1
2
На Фиг.2 изображена проводимость пачки расклинивающего агента размолотого мусковита при загрузке 2,45 кг/м (0,5 фунт/фут) песчаниками огайской формации при 82°C (180°F), при напряжениях смыкания 6,9, 13,8, 20,7, 27,6, и 34,5 МПа (1000, 2000, 3000, 4000 и 5000 psi). Результаты были получены в лаборатории при краткосрочных испытаниях по методу API RP-61.
Пример 2
На Фиг.3 изображена экспериментальная скорость осаждения песка (концентрацией 0,06 кг/л (0,5 фунт/галлон)) и частиц мусковита (концентрацией 0,036 кг/л (0,3 фунт/галлон)) различных размеров в реагенте на водной основе для снижения поверхностного натяжения, содержащих 1 л/тыс.л (1 галлон/1000 галлонов) агента, понижающего трение, содержания ок. 50% полиакриламида. На Фиг.4 приведены скорости осаждения тех же типов частиц, рассчитанные в соответствии с законом Стокса, с использованием удельного веса 2,80 для слюды и 2,65 для песка, предполагается, что вязкость жидкости равна 10 сантипуаз. Пластинчатые частицы осаждаются при скорости до 20 раз меньшей теоретически спрогнозированной для сферических частиц.
Пример 3
Изучение мобильных свойств песка и слюды проводилось в динамических условиях в системе коллектора, изображенной на Фиг.5. Система состояла из горизонтального коллектора с четырьмя выходами [1-4], изготовленных из арматуры производства компании Swagelok с наружными диаметрами от 6,35 до 25,4 мм (0,25 - 1 дюйм), оборудованных баком для суспензии [5] и насосом [6] (Moyno), обеспечивающим скорость потока до 100 л/мин. Данный коллектор имитирует сеть сложных трещин, например, в глинистом сланце. Боковой контур [7] позволяет снизить скорость потока суспензии до 10 л/мин без осаждения расклинивающего агента в насосе. Исходная суспензия состояла либо из линейного геля, содержащего 2,4 г/л (20 фунтов на 1000 галлонов) гуара, либо из реагента на водной основе для снижения поверхностного натяжения, содержащего 1 л/тыс.л (1 галлон/1000 галлонов) полиакриламидного понизителя трения; каждая жидкость содержала 0,06 кг/л (0,5 фунт/галлон) расклинивающего агента. Из выходов были отобраны пробы суспензии, которые были проанализированы на содержание расклинивающего агента. Процентные значения, приведенные в Таблице ниже, показывают относительные количества расклинивающего агента, транспортированные до соответствующих выходов. Значения на выходе показывают общее количество транспортированного расклинивающего агента относительно общего количества расклинивающего агента, поданного в коллектор. Использовалась слюда типа MD250. Была взвешена масса расклинивающего агента, выходящего из коллектора через различные выходы. До выхода №1 содержащиеся в суспензии твердые вещества доходят легче всего; следующим по легкости достижения является выход №2, далее следует выход №3; до выхода №4 содержащимся в суспензии твердым веществам дойти труднее всего, и он является наиболее репрезентативной частью сложной трещины. Обычные результаты приведены в Таблице 1. В линейном геле или в реагенте на водной основе для снижения поверхностного натяжения почти ничего из песка фракцией 20/40 не дошло до выхода 4; около половины от количества песка фракции 50/140 дошло до того выхода, до которого должно было дойти, и почти все прогнозируемое количество слюды дошло до выхода. В этих экспериментах слюда оказалась наиболее показательным в количественном отношении веществом как в линейном геле, так и в реагенте на водной основе для снижения поверхностного натяжения.
Таблица 1
ВЫХОД
ЛИНЕЙНЫЙ ГЕЛЬ
РЕАГЕНТ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
20/40 Песок
50/140 Песок
MD250 Слюда
Чистый гель
50/140 Песок
MD250 Слюда
Чистый реагент на водной основе
% 1
38.4
36.8
39.2
38.1
36.3
40.7
38.4
% 2
35.4
33.8
33.2
31.9
34.0
31.1
31.3
% 3
25.6
24.1
18.5
20.2
24.5
19.3
20.0
% 4
0.6
5.3
9.1
9.7
5.2
8.9
10.4
% извлечения
62
81
94
-
54
87
-
Пример 4
Ни Фиг.6 приведен пример сети трещин, которая могла бы образовать гидроразрыв сланцевого пласта. Ствол скважины, проникающий в породу, изображен поз. [8]. Два крыла первичной трещины образуются перекачиванием жидкости через ствол в пласт. Эти крылья обычно образуются в направлении наименьшего напряжения смыкания. Одно крыло изображено поз. [9]. Если растущая трещина наталкивается на новую плоскость, характеризующуюся слабостью, может образоваться новая вторичная трещина, пример которой изображен поз. [10]. Если она возможна, третичная трещина, изображенная поз. [11], может образоваться в направлении первоначального разрыва. (Эта схема приведена исключительно в иллюстративных целях; в сложной сети трещин возможны многие другие варианты и ориентации.)
На Фиг.7 изображен один из способов использования метода Изобретения. На Фрагменте I Фиг.7 изображена жидкость, протекающая вдоль первичной трещины [9], образующей более узкую вторичную трещину [10], а затем образующая третичную трещину [11], которая шире вторичной трещины. (Поток жидкости изображен сплошными стрелками.) Эта сеть может быть образована нагнетанием буровой жидкости. На Фрагменте II изображено нагнетание жидкости [13], содержащей пластинчатые частицы Изобретения, текущие в сеть трещины; пластинчатые частицы способны обтекать углы по траектории потока и могут проходить через более узкую трещину. Затем нагнетается пробка из отклоняющего материала, например волокна; суспензия этого материала изображена поз. [14]. На Фрагменте III изображен этот материал, из которого образовалась пробка [15] в точке поворота, где более узкая вторичная трещина вырастает из третичной трещины. Поток ингибируется вдоль траектории первоначального потока, таким образом, образуется новая трещина [16]. По мере продолжения нагнетания пластинчатых частиц они перетекают в новую трещину; в том месте, где поток может продолжиться в направлении первичной трещины, образуется еще одна новая трещина [17]. Этот процесс может повторяться много раз за счет нагнетания последующих пробок отклоняющего агента. Пробка из отклоняющего агента может содержать пластинчатые частицы. В качестве альтернативы или в дополнение жидкость, содержащая пластинчатый материал, может содержать отклоняющий агент, например, в небольшой концентрации; отклоняющий агент медленно аккумулируется в точке поворота до тех пор, пока не произойдет поворот.