УЛУЧШЕННЫЙ ПУЗЫРЬКАМИ ПРОППАНТ ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА В СКВАЖИНАХ
PROPPANT WITH IMPROVED BUBBLES FOR HYDRAULIC FRACTURING IN WELLS

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Данная заявка претендует на приоритет согласно предварительной заявке США с серийным номером 61/715351, поданной 18 октября 2012 года.
Уровень техники, предшествующий изобретению
На данный момент созданы различные способы создания газонаполненных пузырьков различных размеров, включая пузырьки нано- и/или микроразмера, на твердых поверхностях. Например, к микропузырькам, заключенным в жидкости, применяют физическое воздействие таким образом, что микропузырьки резко сжимаются с образованием нанопузырьков. Кроме того, нанопузырьки были получены с помощью сопла для создания нанопузырьков, способного образовывать нанопузырьки путем пропускания газа через текущую жидкость без устройства разделения для перемешивания пузырьков. Нанопузырьки также были созданы с использованием фильтрации через пористую среду.
В добыче природного газа из сланцев и других образований плотных пород гидравлический разрыв пласта (или «ГРП») используется для того, чтобы разрушить породу вокруг ствола скважины и уменьшить сопротивление для потока газа. Технология ГРП, как правило, требует введения в скважину больших количеств жидкостей, которые являются более сжимаемыми, как пены на основе азота, или менее сжимаемыми, как пены на основе двуокиси углерода или других жидкостей на основе воды и углеводородов (например, жидкость сжиженного нефтяного газа). Жидкости закачиваются в скважину при высоких давлениях для того, чтобы создать большие силы сжатия вокруг ствола скважины, что разрушит породу и создаст трещины, а также для того, чтобы эффективно доставлять проппант (маленькие и прочные твердые частицы, например, песок) внутрь таких трещин для предотвращения их смыкания после сброса давления. Жидкости могут быть закачаны на глубину от 3048 до 6096 м ниже поверхности земли с использованием традиционных (по вертикали) и нетрадиционных (по горизонтали) технологий бурения. Идеальная жидкость для гидроразрыва должна быть способна переносить проппант (обычно от 0,024 до 0,06 килограмма в литре) на большое расстояние во взвешенном состоянии для обеспечения оптимального размещения и создания эффективных сетей трещин для того, чтобы нефть и/или газ вытекали в ствол скважины, а затем на поверхность. Это может быть сложным, так как удельная плотность проппанта превышает удельную плотность жидкости для гидроразрыва.
Одним из параметров, влияющих на добычу нефти и газа из скважины, является проводимость окружения проппанта, после его размещения в трещинах. От этого напрямую зависит загрузка проппанта и его распределение в жидкости для гидроразрыва, а также способность такой смеси проникать в трещины с малыми размерами и, в частности, в сети вторичных трещин, характеризующиеся субмиллиметровыми шириной и высотой и зачастую весьма значительной длиной. Открытие доступа к таким вторичным сетям трещин может привести к увеличению добычи углеводородов на величину до 15%. Неравномерное распределение проппанта приводит к неконтролируемому размещению проппанта, которое может просто блокировать проходы.
Идеальная смесь жидкость/проппант будет содержать, например, уменьшенные количества равномерно распределенного проппанта для обеспечения равномерного размещения проппанта внутри трещин. Одного слоя частиц проппанта может быть достаточно для поддержания трещины открытой, обеспечивая, таким образом, оптимальную проводимость. Это требует меньшей удельной плотности проппанта для обеспечения равномерного распределения, доставки и размещения и высокой прочности/сопротивления разрушению для противостояния высоким давлениям пласта/напряжениям смыкания.
В настоящее время мировой рынок проппантов составляет около 7,71 миллиардов килограммов в год, 99% из которых состоит из песка, покрытого полимерами песка и керамических проппантов. Для очень глубоких скважин используются суперпрочные проппанты (например, боксит), но они являются более дорогостоящими и обладают даже большей удельной плотностью, что делает взвешивание их в жидкости для гидроразрыва гораздо более трудным. Несмотря на то, что существует ряд попыток по разработке легких и ультралегких прочных проппантов, большинство из них имеют ограниченное применение и остаются чрезмерно дорогостоящими. Меньший диаметр сферических частиц песка, таким образом, остается наиболее предпочтительным и экономически эффективным решением.
В связи с этим желательно обеспечить более однородное распределение, доставку и размещение сниженных загрузок проппанта с использованием традиционных и нетрадиционных жидкостей для гидроразрыва, таких как «скользкая вода» и эмульсии/пены диоксида углерода/азота соответственно.
Настоящее изобретение относится к способу производства улучшенного проппанта и его суспензии в жидкости для гидроразрыва. Стабильные газонаполненные пузырьки, включая нанопузырьки и/или микропузырьки, которые образуются in situ на поверхности частиц проппанта, и эти модифицированные частицы проппанта могут быть использованы с традиционными жидкостями для гидроразрыва на водной основе (например, «скользкой водой»), на основе углеводородов, таких как сжиженный природный газ (СПГ) или сжиженный нефтяной газ (СНГ), и/или активированными жидкостями для гидроразрыва (эмульсиями и/или пенами диоксида углерода/азота). Газонаполненные пузырьки могут уменьшить эффективную удельную плотность частиц проппанта и обеспечить более однородное распределение проппанта в жидкости для гидроразрыва и доставку в трещины с малым размером, в частности в сети вторичных трещин.
Сущность изобретения
Данная задача может быть выполнена с помощью способа формирования газонаполненных пузырьков на поверхности частицы проппанта, содержащего этапы помещения частицы проппанта в воду при рабочем давлении, создание избыточного давления газа в воде, равного или большего, чем рабочее давление, для создания насыщения вокруг или в непосредственной близости от частицы проппанта и сброса избыточного давления из воды до уровня рабочего давления.
Рабочее давление обычно составляет от 55158056 до 82737084 паскалей (Па).
Частицу проппанта, которая может быть использована, выбирают из группы, состоящей из песка, покрытого полимерами песка, керамики, полой керамики и боксита, и их смеси.
Газ, используемый для создания избыточного давления в воде и/или в смеси органических растворителей, выбирают из группы, состоящей из азота, аргона, метана, диоксида углерода, водорода и гелия, и их смеси.
Размер образующихся газонаполненных пузырьков, как правило, находится в диапазоне от микро- до нано-. Газонаполненные пузырьки будут снижать эффективную удельную плотность частиц проппанта.
В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения частица проппанта может быть добавлена к органическому растворителю, обладающему более высокой растворяющей способностью по отношению к газу, чем вода, и смесь органического растворителя и частицы проппанта может быть добавлена к воде. Это поможет более эффективно достигать насыщения вокруг или на поверхности частицы проппанта. Способ продолжается добавлением воды для вытеснения органического растворителя до сброса избыточного давления из воды.
Органический растворитель, как правило, представляет собой смесь спирт/вода, где спирты выбирают из группы, содержащей метанол, этанол, пропанол, и их смеси.
Полученный газонаполненный пузырек на поверхности частицы проппанта может быть добавлен в скважину, в которой производится добыча нефти и/или газа, которая должна быть подвергнута гидроразрыву. Полученную частицу проппанта, как правило, добавляют в скважину в среде, выбранной из группы, состоящей из жидкостей на водной основе и/или на основе углеводородов, активированной пены и эмульсии.
Фиг. 1 представляет собой схему способа формирования пузырьков на поверхности проппанта и объединения обработанного проппанта с жидкостью для гидроразрыва для добавления в скважину добычи газа или нефти.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к способу получения улучшенного проппанта для использования в операции гидроразрыва. При создании газонаполненных пузырьков на поверхности частиц проппанта сам проппант не изменяется. Это приведет к лучшему распределению проппанта в жидкости для гидроразрыва, лучшей доставке проппанта и более однородному размещению проппанта в трещинах скважины для обеспечения высокой проводимости. В связи с этим может быть использован традиционный, недорогой проппант путем создания пузырьков, в том числе нано- и/или микропузырьков, на поверхности проппанта вместо использования более дорогого материала проппанта самого по себе или прямого изменения материала проппанта. Настоящее изобретение будет дополнительно обеспечивать снижение удельной плотности проппанта, используемого в операции гидроразрыва.
Обращаясь к фиг. 1, на этапе 1 растворитель (например, этанол) и проппант (например, песок с размером 0,297 мм) добавляют в контейнер А. На этапе 2 в данном контейнере создают избыточное давление газа (например, азота), равное или большее, чем рабочее давление для достижения насыщения. На этапе 3 в контейнер добавляют воду для того, чтобы вытеснить присутствующий в нем органический растворитель. После того, как вода замещает органический растворитель и давление в системе снижается до уровня рабочего давления (в случае необходимости), происходит перенасыщение на границе раздела фаз твердое тело/жидкость, что приводит к образованию пузырьков на поверхности частиц проппанта. Затем находящуюся при избыточном давлении смесь воды и частиц проппанта, окруженных пузырьками, подают в смеситель, где она смешивается с соответствующей жидкостью для гидроразрыва (например, «скользкой водой» с добавками), и данную смесь подают в устье скважины.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения вода на первом этапе не смешивается с поверхностно-активным веществом или пенообразующим агентом и подается в контейнер А, предварительно не заполненный органическим растворителем, но предварительно заполненный водой. Вода, которая затем используется для вытеснения органического растворителя, будет только лишь вытеснять воду, уже присутствующую в контейнере А, в то время как давление в системе снижается, если необходимо, до уровня рабочего давления.
Газы, которые могут быть использованы в жидкости для гидроразрыва, выбирают из группы, состоящей из азота, аргона, метана, диоксида углерода, гелия и водорода.
Жидкости для гидроразрыва представляют собой традиционные виды жидкостей, часто используемых в гидроразрывах газовых и нефтяных скважин, такие как смеси на водной основе (например, «скользкая вода»), на основе углеводородов, таких как сжиженный природный газ и сжиженный нефтяной газ, эмульсии/пены диоксида углерода и/или азота, включая пены, стабилизированные наночастицами, а также смеси сжиженный нефтяной газ/сжиженный природный газ в виде геля/пены.
Смесь окруженный пузырьками проппант/жидкость для гидроразрыва может содержать два или более различных газа, как например, смесь диоксида углерода и азота.
Хотя настоящее изобретение описано относительно конкретных вариантов его осуществления, не вызывает сомнений, что другие многочисленные формы и модификации настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники. Прилагаемая в данном изобретении формула изобретения в целом должна быть истолкована так, чтобы охватить все такие очевидные формы и модификации, которые находятся в пределах истинной сущности и объема настоящего изобретения.