СПОСОБ ЗАМЕДЛЕНИЯ ОСАЖДЕНИЯ ПРОППАНТА В ГИДРАВЛИЧЕСКОМ РАЗРЫВЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2013 года по МПК E21B43/267 C09K8/80 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу замедления осаждения проппанта в вертикальных разрывах посредством добавления материала с низкой плотностью в суспензию для гидроразрыва, состоящую из текучей среды для гидроразрыва и проппанта.

2. Основные предпосылки создания изобретения

Гидравлический разрыв включает в себя образование разлома в нефтеносном пласте для увеличения добычи углеводородов. Текучая среда с высокой вязкостью, смешанная с проппантом или песком, закачивается в разлом. Когда разрыв закрывается, оставшийся в разрыве проппант создает зону с большим притоком пластовой текучей среды и путь с высокой проницаемостью для течения углеводородов в ствол скважины. Проппант или песок используют для поддержания разрыва в открытом состоянии. Текучие среды с высокой вязкостью используют для перемещения, удерживания во взвешенном состоянии и, в конечном счете, для удерживания проппанта внутри разрыва, причем текучие среды обычно подчиняются степенной зависимости в диапазоне скоростей сдвига, используемых при гидроразрыве пласта.

Обычно объем текучей среды при применении гидроразрыва может достигать от нескольких тысяч до нескольких миллионов галлонов. Объем проппанта может достигать нескольких тысяч кубических футов. Целью является получение однородного распределения проппанта и, как следствие, разрыва с однородной проницаемостью вдоль всей высоты ствола скважины и половины длины разрыва. Однако сложная природа осаждения проппанта в неньютоновских текучих средах зачастую приводит к более высокому содержанию проппанта, осажденного в нижней части разрыва. Это часто приводит к недостаточному распределению проппанта в верхней части разрыва и стволе скважины. Образование скоплений проппанта, герметизация, закупоривание и затвердение проппанта - вот только несколько явлений, которые снижают возможную проницаемость проппантного уплотнения.

Перемещение проппанта внутри гидроразрыва в момент его образования имеет две составляющих. Горизонтальная составляющая обусловлена скоростью и направлением перемещения текучей среды, за счет чего проппант перемещается к самой вершине образующегося разрыва. Вертикальная составляющая обусловлена установившейся скоростью осаждения частиц и является функцией диаметра проппанта и его плотности, также как вязкости и плотности текучей среды. Установившаяся скорость осаждения усложняется различными явлениями, упомянутыми ранее.

В процессе образования разрыва распределение проппанта достигает равновесной геометрии, над местом образования которой весь введенный проппант перемещается далее в разрыв. Это ограничивает эффективную высоту трещины гидроразрыва, заполненной проппантом, а также сильно увеличивает вероятность ее закупоривания.

Когда закачка прекращается, разрыв, в конце концов, закрывается проппантным уплотнением. Текучая среда содержит присадки, снижающие ее кажущуюся вязкость и ускоряющие закрытие разрыва благодаря быстрому оттоку текучей среды. Это уменьшение вязкости текучей среды в статичных условиях приводит к увеличению скорости осаждения проппанта, вызывая попадание большего количества проппанта на дно разрыва. Возможность создания пустот и неоднородного заполнения разрыва снижает эффективную площадь истечения пластовой текучей среды и, следовательно, приводит к значительному уменьшению эффективного радиуса ствола скважины при закрытии разрыва.

Другие изобретения, направленные на предотвращение осаждения проппанта в вертикальных разрывах, нацелены на создание проппанта с плотностью, равной плотности несущей его текучей среды. Таким образом, проппант в текучей среде будет нейтрально плавучим в разрыве и будет находиться на своем исходном месте при закрытии разрыва. Способы создания проппанта с нейтральной плавучестью включают в себя герметизацию поверхности пористых керамических частиц для изоляции воздушных полостей внутри частиц, создание композиций из твердых материалов и полых керамических сфер или создание полых сфер с достаточной прочностью стенок для противостояния силам сжатия.

Все вышеуказанные способы имеют недостатки, связанные малой долговечностью проппанта и высокой ценой его производства.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание способа замедления осаждения проппанта в гидравлическом разрыве, свободного от указанных недостатков известных способов и обеспечивающего более равномерную набивку проппанта.

Согласно изобретению создан способ замедления осаждения проппанта в гидравлическом разрыве, содержащий следующие стадии:

создание суспензии несущей текучей среды и проппанта, имеющего удельную плотность, превышающую удельную плотность несущей текучей среды;

введение в указанную суспензию добавки в виде частиц материала с низкой плотностью с концентрацией, составляющей, по меньшей мере, 1% веса. от веса проппанта, причем добавка имеет удельную плотность, меньшую, чем удельная плотность несущей текучей среды;

нагнетание полученной суспензии в гидравлический разрыв;

поднятие частиц добавки в несущей текучей среде и опускание частиц проппанта в несущей текучей среде из-за наличия градиента удельной плотности добавки, несущей текучей среды и проппанта; и

замедление скорости осаждения проппанта из-за противодействия от столкновений перемещающихся вверх частиц добавки и перемещающихся вниз частиц проппанта для более равномерного вертикального распределения проппанта при закрытии разрыва.

Частицы добавки могут не иметь достаточной прочности для действия в качестве проппанта.

Добавка может разрушаться при закрытии разрыва.

Добавка может растворяться со временем для исключения разрушения набивки проппанта.

Добавка может содержать сложные полиэфиры, которые гидролизуются и вымываются со временем из проппантного слоя.

Добавка может содержать частицы полимолочной кислоты.

Добавка может содержать стеклянные гранулы.

Сложные полиэфиры могут содержать полимолочную кислоту.

Согласно второму варианту выполнения способ замедления осаждения проппанта в гидравлическом разрыве содержит следующие стадии:

создание суспензии несущей текучей среды и проппанта, имеющего удельную плотность, превышающую удельную плотность несущей текучей среды;

введение в указанную суспензию добавки в виде частиц материала с низкой плотностью с концентрацией, составляющей, от 1% веса до 2% веса от веса проппанта, причем добавка имеет удельную плотность, меньшую, чем удельная плотность несущей текучей среды;

нагнетание полученной суспензии в гидравлический разрыв;

поднятие частиц добавки в несущей текучей среде и опускание частиц проппанта в несущей текучей среде из-за наличия градиента удельной плотности добавки, несущей текучей среды и проппанта; и

замедление скорости осаждения проппанта из-за противодействия от столкновений перемещающихся вверх частиц добавки и перемещающихся вниз частиц проппанта для более равномерного вертикального распределения проппанта при закрытии разрыва.

Согласно третьему варианты выполнения способ замедления осаждения проппанта в гидравлическом разрыве содержит следующие стадии:

создание суспензии несущей текучей среды и проппанта, имеющего удельную плотность, превышающую удельную плотность несущей текучей среды;

введение в указанную суспензию добавки в виде частиц полимолочной кислоты с концентрацией, составляющей от 1% веса до 2% веса от веса проппанта в суспензии, причем добавка имеет удельную плотность, меньшую, чем удельная плотность несущей текучей среды;

нагнетание полученной суспензии в гидравлический разрыв;

поднятие частиц добавки в несущей текучей среде и опускание частиц проппанта в несущей текучей среде из-за наличия градиента удельной плотности добавки, несущей текучей среды и проппанта; и

замедление скорости осаждения проппанта из-за противодействия от столкновений перемещающихся вверх частиц добавки и перемещающихся вниз частиц проппанта для более равномерного вертикального распределения проппанта при закрытии разрыва.

Вышеописанные способы обеспечивают более эффективное распределение проппанта в разрыве и заполнение им половины длины разрыва посредством введения в суспензию определенного количества добавки в виде частиц материала с низкой плотностью, имеющей прочностные свойства, аналогичные свойствам проппанта.

Высокая скорость сдвига на поверхности, наличие системы труб и перфорационных каналов в пласте гарантирует относительно однородное смешивание проппанта и добавки. По мере вхождения суспензии в разрыв резкое снижение скорости сдвига позволит проппанту и добавке перемещаться с текучей средой. В момент остановки закачки за счет градиента плотности проппант начнет перемещаться на дно разрыва с одновременным перемещением добавки вверх. Таким образом, возникает процесс бимодального замедления осаждения проппанта, за счет чего значительно уменьшаются скорости его осаждения. По мере закрытия разрыва большее количество проппанта удерживается в верхней части разрыва.

Предполагается, что количество добавки, введенной в суспензию, является функцией от времени закрытия разрыва. Большее количество добавки может понадобиться для пород с низким коэффициентом фильтрации, где время закрытия разрыва может занимать несколько часов.

Этот процесс гарантирует более равномерное распределение проппанта по всей высоте разрыва, что способствует увеличению эффективности применения способа. Вследствие того, что добавка имеет похожее распределение частиц по размеру и похожие характеристики сопротивления силе сжатия, проницаемость набивки проппанта не ухудшается. В действительности, за счет лучшей округлости ожидается, что общая проницаемость разрыва будет больше, чем при использовании обычной суспензии, содержащей только проппант.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Количество используемой добавки в суспензии для гидроразрыва должно быть точно рассчитано. Большинство полевых измерительных приборов, которые измеряют твердые добавки в растворе, в принципе могут быть модернизированы для работы с добавками. Частицы с низкой плотностью могут соответствовать или не соответствовать требованиям по прочности, либо превышать эти требования для обеспечения минимального внедрения и разрушения внутри разрыва.

Как уже упоминалось ранее, время закрытия разрыва обусловлено процентным содержанием добавки, используемой в суспензии для гидроразрыва. Большее время закрытия, типичное для пород с низким коэффициентом фильтрации, потребует большего объема добавки. Кроме того, проппанты с более высокой прочностью имеют более высокую скорость осаждения. Это может также потребовать использования добавки с большим количеством фракции с низкой плотностью для создания больших препятствий осаждению. В качестве модели для различных пород, текучих сред для гидроразрыва и проппанта с различными характеристиками могут быть разработаны диаграммы.

Следующие экспериментальные данные подтверждают применимость и новизну способа согласно изобретению.

Эксперимент 1: Тест на скорость осаждения проппанта в связанном геле

Тесты на осаждение проппанта в статичных условиях были проведены в стеклянной трубке диаметром 1 дюйм и длиной 5 футов. Трубка с закупоренным дном была установлена вертикально. По всей длине трубки через 1 дюйм были нанесены деления измерительной шкалы. Для тестов использовалась текучая среда с концентрацией 25 фунт/Мгал (0,00299 грамм/мл). В качестве текучей среды использовалась текучая среда на основе гуара с боратным связывателем. Базовая текучая среда имела концентрацию 4 фунта проппанта на галлон (0,4793 грамм/мл) несущей текучей среды с проппантом размером 20/40. После перемешивания суспензия была помещен в трубку, и был включен секундомер. Тест проводился в статичных условиях при комнатной температуре. Производился замер границы раздела геля и проппанта в процессе осаждения проппанта с верха до низа. Были проведены два дополнительных теста при тех же условиях. Добавка с удельной плотностью 0,9 в виде сферических частиц была введена в суспензию связанного геля и проппанта в концентрации 1% и 2% от веса проппанта. Снова производился замер границы раздела геля и проппанта с течением времени. Результаты трех тестов сведены в приведенной ниже таблице №1.

Таблица 1 Сводные данные эксперимента 1 Номер теста Количество добавки с низкой плотностью, в % от веса проппанта Время, при котором высота слоя осевшего проппанта составила 45,7 см (часы : минуты) Время, при котором высота слоя осевшего проппанта составила 58,4 см (часы : минуты) Время, при котором высота слоя осевшего проппанта составила 64,8 см (часы : минуты) 1 0 2:30 4:00 5:50 2 1 3:30 6:50 8+ 3 2 22:00 22:00+ 22:00+

Результаты теста показывают, что добавка с низкой плотностью успешно замедляет осаждение проппанта, в результате чего время осаждения проппанта увеличивается.

Эксперимент 2: Тест на осаждение проппанта в полимерном несвязанном геле в большом пространстве

Тест на осаждение проппанта был проведен в окне из оргстекла со сторонами 243,8 см на 61 см и расстоянием между листами 1,27 см. Окно имело деревянную раму, усиленную стальным каркасом, с четырьмя входными и выходными отверстиями диаметром 1,11 см с установленными в них шариковыми клапанами. Поперек окна были прикреплены металлические опоры с шагом 30,48 см, которые использовались в качестве мерной шкалы. Всего было проведено четыре теста.

Тесты 1 и 2 проводились в полимерном несвязанном геле на основе гуара с концентрацией 15 фунт/Мгал. Кажущаяся вязкость геля составляла 8 сП при 511 с^-1. Несвязанный гель для теста содержал проппант в концентрации 2 фунта проппанта на галлон несущей текучей среды и с размером 30/50. В первом тесте добавка с низкой плотностью отсутствовала. Во втором тесте использовалась добавка с низкой плотностью в количестве 5% от веса проппанта. Эта добавка была просеяна до размера 30/50 и имела удельную плотность 0,8. Был приготовлен несвязанный гель, в который был добавлен проппант до окончательной концентрации 2 фунта проппанта на галлон несущей текучей среды. Добавка с низкой плотностью была примешана для теста 2, и полученная суспензия была перемешана до однородной массы. Затем суспензия была прокачана через окно при помощи насоса с диафрагмой 1 дюйм до его заполнения. При заполнении окна насос был выключен, и все клапаны закрыты. Через промежутки времени измерялась граница раздела геля и проппанта для определения скорости осаждения проппанта. Полученные данные сведены в таблице 2.

Таблица 2 Эксперимент 2, данные теста 1 и 2 Высота слоя осевшего проппанта (см) Время на осаждение при содержании добавки с низкой плотностью 0% Время на осаждение при содержании добавки с низкой плотностью 5% Увеличение времени осаждения, (%) 30,5 8 сек 11 сек 38 61 22 сек 42 сек 91 91,4 47 сек 61 сек 30 122,9 56 сек 77 сек 38

Результаты теста показывают, что внесение добавки с низкой плотностью успешно замедляет осаждение проппанта, что приводит к увеличению времени осаждения проппанта.

Тесты 3 и 4 проводились в несвязанном геле на основе гуара с концентрацией 25 фунт/МГал (0,00299 грамм/мл). Вязкость геля составляла 16 сП при 511 с^-1. Несвязанный гель для теста содержал проппант размером 30/50 в концентрации 2 фунта проппанта на галлон несущей текучей среды. Тест 3 проводился без добавки, а тест 4 проводился с внесением добавки с низкой плотностью в количестве 5% от веса проппанта. Добавка была просеяна до размера 30/50 и имела удельную плотность 0,8. Был приготовлен несвязанный гель, в который был добавлен проппант до окончательной концентрации 2 фунта проппанта на галлон несущей текучей среды. При проведении теста 4 была введена добавка с низкой плотностью, и полученная суспензия перемешана до однородной массы. Далее суспензия была прокачана через окно при помощи насоса с диафрагмой 1 дюйм до его заполнения. Затем насос был выключен, и все клапана закрыты. Через промежутки времени измерялась граница раздела геля и проппанта для определения скорости осаждения проппанта. Полученные данные сведены в таблице 3.

Таблица 3 Эксперимент 2, данные теста 3 и 4 Высота слоя осевшего проппанта (см) Время на осаждение при содержании добавки с низкой плотностью 0% Время на осаждение при содержании добавки с низкой плотностью 5% Увеличение времени осаждения, % 30,5 15 сек 24 сек 60 61 28 сек 44 сек 57 91,4 48 сек 67 сек 40 122,9 65 сек 79 сек 22

Результаты теста показывают, что введение добавки с низкой плотностью успешно замедляет осаждение проппанта, что приводит к увеличению времени осаждения проппанта.

Предварительная заявка на патент США №60/832994 от 25 июля 2006 г. включена в настоящее описание посредством ссылки.

Все измерения, представленные в данном описании, проведены при комнатной температуре и давлении, соответствующем уровню моря, если не указаны другие условия.

Вышеизложенные варианты реализации конструкций представлены только для примера, и объем патентных притязаний данного изобретения ограничен только формулой изобретения.

Изобретения относятся к области добычи углеводородов с помощью разрыва пласта. Технический результат - обеспечение более равномерной прослойки проппанта с одновременным улучшением удерживания проппанта в разрыве. Способ замедления осаждения проппанта в гидравлическом разрыве по первому варианту содержит следующие стадии: создание суспензии несущей текучей среды и проппанта, имеющего удельную плотность, превышающую удельную плотность несущей текучей среды; введение в указанную суспензию добавки в виде частиц материала с низкой плотностью с концентрацией, составляющей, по меньшей мере, 1% веса от веса проппанта, причем добавка имеет удельную плотность, меньшую, чем удельная плотность несущей текучей среды; нагнетание полученной суспензии в гидравлический разрыв; поднятие частиц добавки в несущей текучей среде и опускание частиц проппанта в несущей текучей среде из-за наличия градиента удельной плотности добавки, несущей текучей среды и проппанта; и замедление скорости осаждения проппанта из-за противодействия от столкновений перемещающихся вверх частиц добавки и перемещающихся частиц проппанта для более равномерного вертикального распределения проппанта при закрытии разрыва. Изобретение развито в зависимых пунктах. По второму и третьему варианту добавку используют с концентрацией, составляющей от 1% веса до 2% веса от веса проппанта. По третьему варианту в качестве добавки используют частицы полимолочной кислоты. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ замедления осаждения проппанта в гидравлическом разрыве, содержащий следующие стадии:
создание суспензии несущей текучей среды и проппанта, имеющего удельную плотность, превышающую удельную плотность несущей текучей среды;
введение в указанную суспензию добавки в виде частиц материала с низкой плотностью с концентрацией, составляющей, по меньшей мере, 1% веса от веса проппанта, причем добавка имеет удельную плотность, меньшую, чем удельная плотность несущей текучей среды;
нагнетание полученной суспензии в гидравлический разрыв;
поднятие частиц добавки в несущей текучей среде и опускание частиц проппанта в несущей текучей среде из-за наличия градиента удельной плотности добавки, несущей текучей среды и проппанта; и
замедление скорости осаждения проппанта из-за противодействия от столкновений перемещающихся вверх частиц добавки и перемещающихся частиц проппанта для более равномерного вертикального распределения проппанта при закрытии разрыва.

2. Способ по п.1, в котором частицы добавки не имеют достаточной прочности, чтобы действовать как проппант.

3. Способ по п.1, в котором добавка может разрушаться при закрытии разрыва.

4. Способ по п.1, в котором добавка способна растворяться со временем для исключения разрушения набивки проппанта.

5. Способ по п.1, в котором добавка содержит сложные полиэфиры, которые гидролизуются и вымываются со временем из проппантного слоя.

6. Способ по п.1, в котором добавка содержит частицы полимолочной кислоты.

7. Способ по п.1, в котором добавка содержит стеклянные гранулы.

8. Способ по п.5, в котором сложные полиэфиры содержат полимолочную кислоту.

9. Способ замедления осаждения проппанта в гидравлическом разрыве, содержащий следующие стадии:
создание суспензии несущей текучей среды и проппанта, имеющего удельную плотность, превышающую удельную плотность несущей текучей среды;
введение в указанную суспензию добавки в виде частиц материала с низкой плотностью с концентрацией, составляющей от 1% веса до 2% веса от веса проппанта, причем добавка имеет удельную плотность, меньшую, чем удельная плотность несущей текучей среды;
нагнетание полученной суспензии в гидравлический разрыв;
поднятие частиц добавки в несущей текучей среде и опускание частиц проппанта в несущей текучей среде из-за наличия градиента удельной плотности добавки, несущей текучей среды и проппанта; и
замедление скорости осаждения проппанта из-за противодействия от столкновений перемещающихся вверх частиц добавки и перемещающихся частиц проппанта для более равномерного вертикального распределения проппанта при закрытии разрыва.

10. Способ замедления осаждения проппанта в гидравлическом разрыве, содержащий следующие стадии:
создание суспензии несущей текучей среды и проппанта, имеющего удельную плотность, превышающую удельную плотность несущей текучей среды;
введение в указанную суспензию добавки в виде частиц полимолочной кислоты с концентрацией, составляющей от 1% веса до 2% веса от веса проппанта, причем добавка имеет удельную плотность, меньшую, чем удельная плотность несущей текучей среды;
нагнетание полученной суспензии в гидравлический разрыв;
поднятие частиц добавки в несущей текучей среде и опускание частиц проппанта в несущей текучей среде из-за наличия градиента удельной плотности добавки, несущей текучей среды и проппанта; и
замедление скорости осаждения проппанта из-за противодействия от столкновений перемещающихся вверх частиц добавки и перемещающихся частиц проппанта для более равномерного вертикального распределения проппанта при закрытии разрыва.