完善固結差的地層的方法
2023-05-01 07:25:06 1
專利名稱：完善固結差的地層的方法
技術領域：
本發明涉及地下井的完善方法，具體地涉及完善固結差的地層(porlyconsolidated formation)，由此消除或減少出砂(sand production)的方法和裝置。
背景技術：
如石油和天然氣等油氣流體(hydrocarbon fluid)是通過鑽井穿透含油氣層段，從地下地質層，即油藏(reservoir)獲得的。一旦井筒已經被鑽探，就必須完井；完井包括設計、選擇和安裝井筒內或周圍的設備和材料，以於輸送、泵送或控制流體的生產或注入。在完井後，就可以開始石油和天然氣的開採。
水力壓裂法是通過從井筒到油藏設置或延伸通道來提高井產量的主要方法。該作業主要如下進行用將壓裂液水力注入到穿透地下地層的井筒中，通過壓力迫使壓裂液緊壓地層。地層或巖石被壓裂並破碎。將支撐劑填充到裂縫中，以防止裂縫閉合，並因此增加可採流體(即石油，天然氣或水)的流量。
在地層是「鬆軟」或固結差的情形下，地層中存在的微粒，通常是砂的細小顆粒，會隨油氣移動。這種出砂是非常不受歡迎的，因為它侵蝕表面和地下設備，因此在可以對油氣進行加工之前需要除沙步驟，最終這將抵消增產技術(例如酸增產)的所需效果。
將細小顆粒的流動減到最小的最常用手段，是使採出液過濾通過保留在篩板(screen)上的礫石充填物。在進入井筒之前，採出液經過礫石充填物和篩板，而沒有顯著減少產量，同時更小的顆粒被阻止。然而，該方法相當複雜並費時，沙礫和篩板也會被積垢堵塞或被砂子侵蝕。
這解釋了所謂的無篩完井工藝(screenless completion techniques)的發展。典型地，這些技術包括固結液(consolidating fluid)的注入，所述固結液包括樹脂，硬化劑，催化劑和油溼潤劑。樹脂在地層中凝固，從而使地層固結，並減少了游離的細小顆粒的濃度。固結液和其使用方法的實例，例如報導於美國專利US5806593、US5199492、US4669543、US4427069和US4291766中。
傳統固結液的凝固時間往往相對長。因此，流體往往會持續流進阻力最小的區域，而導致其它區域未被處理。這嚴格限制了井筒的長度，單次操作中能夠處理的長度不超過大約6米(20英尺)。此外，由於由例如具有不同滲透性的層構成的不均勻地層的原因，獲得了較差的結果。已經知道基於樹脂的固結系統使用時十分複雜，例如要求高達五個處理步驟，而且還經常產生環境問題。
為了避免常規流體的這種缺陷，已經提出了多步井處理法。它們中的大多數要麼包括乳液，要麼包括泡沫。美國專利US5363917教導了一種發泡的固結液，其能夠支持油氣在地層中的燃燒。油氣燃燒的產物使地層固結。美國專利US5010953和US5567088公開了一種固結液，其為蒸汽中的氣溶膠。前一專利的教導是在可聚合化合物(例如糠醇)的凝固期間，蒸汽維持地層中的空隙空間。美國專利6364020教導了包含至少兩個非連續相的乳液，其中一相包括膠凝聚合物，例如多糖，其它相包括無機或有機交聯劑。
其它採用或不採用固結處理來完善未固結地層的方法是已知的。美國專利US5551514提出了多步固結處理，然後進行水力壓裂處理，其中採用了支撐劑回流控制技術。美國專利US6450260描述了採用撓性凝膠系統而完成美國專利US5551514中的專利技術的技術的方法。
其它使出砂最少化的方法包括確定裂縫延伸的方向，以及取向或定型穿孔(orienting or shaping perforations)(見美國專利US5386875和US6283214)。美國專利US6431278限定了使流經不同相位穿孔(out-of-phaseperforations)的流量百分比和裂縫導流能力(fracture conductivity)對地層滲透率的比率相關的曲線。給定所需的產品流量，便可以限定地層傳導率(formation conductivity)。這就允許井操作人員去設計並執行壓裂操作，以獲得在低於出砂的臨界生產壓降(critical drawdown pressure)的條件下開採油井所必須的傳導率。
儘管前面提及工藝的多數已經獲得一定成功，但是沒有一個已經獲得了大規模商業認可，特別是從技術和成本限制上看。
因此本發明的一個目的是提供一種完善未固結區域的改進方法。
發明內容
一方面，本發明涉及完善地下地層中易於產生細粒(例如砂)的未固結區域的方法，該方法包括向所述區域注入水溶液，以形成將微粒結合在一起(hold together)的硬凝膠，從而固結所述區域的步驟，所述水溶液含有膠體微粒和pH調節劑和/或離子強度調節劑，以及水壓壓裂該固結區域的步驟。
另一方面，本發明涉及完善地下地層中易於產生細粒(例如砂)的未固結區域的方法，該方法包括向所述區域注入水溶液和導向劑(diverting agent)，以形成將顆粒結合在一起的硬凝膠，從而固結所述區域的步驟，所述水溶液為膠體微粒、pH調節劑和/或離子強度調節劑的混合物，所述導向劑用來提高水溶液流向滲透率不同區域的均勻流率，以及水力壓裂該固結區域的步驟。
參考以下的詳細描述和附圖，將會更好地理解本發明上述和其它目的，特徵和優點。其中圖1是室溫下膠體二氧化矽溶液的膠凝時間隨鹽酸濃度的變化。
圖2是用於評價膠體二氧化矽進入滲透率不同的沙粒充填物(sand pack)的注入能力(injectivity)的設備的示意圖。
圖3顯示了對通過形成膠體二氧化矽顆粒的凝膠，對滲透率不同的砂粒充填物的無側限抗壓強度(unconfined compressive strength，UCS)的測量結果。
圖4顯示了用於完成滲透率不同的砂粒充填物的固砂(sandconsolidation)測試，以模擬滲透率不同區域的同時固結操作的裝置的基本配置。
圖5顯示了在使用如圖4描述的裝置進行的實驗中，液體流經低滲透率(50-70mD)和高滲透率(750mD)砂粒充填物後，所收集的液體體積，和砂粒充填物的入口壓力(inlet pressure)。在實驗中，觀察到低滲透率砂粒充填物被堵塞，接下來高滲透率砂粒充填物被擇優流過。
圖6顯示了在使用如圖4描述的設備進行的實驗中，在將微米顆粒組合物添加到膠體二氧化矽溶液中以提高流體流向低滲透率砂粒充填物的導向性時，流體的平均流速(6-A)和容器出口處所收集的液體體積(6-B)。
圖7顯示了類似於圖6中顯示的結果，但使用另一微米顆粒組合物。
圖8顯示了類似於圖6中顯示的結果，其時將沉澱二氧化矽顆粒添加至膠體二氧化矽溶液中，以提高流體流向低滲透率的砂粒充填物的導向性。
圖9顯示了類似於圖6中顯示的結果，其時將雲母顆粒和圖6所示實驗的澱粉添加至膠體二氧化矽溶液中，以提高流體流向低滲透率砂粒充填物的導向性，並且該系統用緩衝液來預衝洗以預調節砂粒充填物的pH。
具體實施例方式
根據本發明，完善固結差的地層的方法的第一步是注入包括膠態懸浮液的液體，從而固結所述地層。
膠態懸浮液是離散的微細顆粒(球狀或細長形狀，帶電的)的典型分散體，因而類似帶電的顆粒之間的排斥力使分散體變穩定。例如，除去水、改變pH或添加鹽或水混溶性有機溶劑而引起的電荷平衡紊亂，使得膠體顆粒聚集，從而最終形成凝膠。
預先充填液體形式的分散體，在顆粒濃度相對較低時是透明的，而在更高的顆粒濃度時變成乳白色或乳狀。無論如何，分散體能夠以液體形式處理，這樣使配料大大簡化。
商業化的膠體顆粒溶液一般包括二氧化矽(也稱作矽膠)和鋁、銻、錫、鈰、釔和鋯的氧化物。這些顆粒主要為球狀，其粒度(particle size)通常為約4nm到約250nm，但是長度高達300nm的細長顆粒(elongated particle)也是可用的，並且相信對於本發明也是可接受的。這些顆粒可以帶正電荷或負電荷。已經發現膠體二氧化矽顆粒的粒度在約4nm到約100nm的水溶液在滲透率低至50mD的砂粒充填物中具有優異的注入能力。優選的膠體顆粒的尺寸在4到22nm之間。這種獨特的性質使得能夠對深達數英尺的基巖(matrix)進行完整處理。不拘泥於理論，但認為當添加pH調節劑和/或離子強度調節劑時，顆粒間碰撞得以增加，並且形成了矽氧烷鍵(Si-O-Si)。這導致形成硬凝膠(hard gel)，硬凝膠將未固結地層中的鬆散顆粒(沙粒)結合在一起。實際上，在進行本發明的固結處理之後，處理前絕對不具備結合力的砂粒充填物(沙子象在沙漏中那樣流動)，呈現出不小於1.72MPa的耐壓強度，而且變得象堅硬的巖石。
濃度在15到50wt％的商業矽溶膠也是適用的。這些商業溶液可以原樣使用或者稀釋至較低二氧化矽含量。例如，含25到50wt％二氧化矽的溶膠通常用於本發明的目的，但也可以稀釋降低到2wt％。需要注意的是，當使用稀釋的溶液時，注入的溶液的體積一般保持不變，但形成的凝膠耐壓強度變低。
冷凝溫度會在膠體二氧化矽溶液中導致冰晶的出現，這會在未凍部分中導致二氧化矽濃度的增加，並加速富矽部分的凝膠化。在解凍時，膠凝的二氧化矽不會重新分散，而是保留在融化的冰中成為沉澱。結果，融化材料中二氧化矽分散顆粒的濃度也降低，並且該材料一般不再適合使用。通過將所述膠體二氧化矽溶液與濃度為0.1到10wt％，優選0.1到5wt％的乙二醇、丙二醇或甲醇混合，可以防止膠體二氧化矽在低於0℃時的不可逆凝膠化。
凝膠的形成由pH調節劑和/或離子強度調節劑引發。根據本發明的一個實施方式，所述離子強度調節劑可以是鹽。在本例中，膠體二氧化矽懸浮液(例如Ludox)與鹽水(鹽水含有的鹽優選是氯化鉀，氯化鈉，或氯化鈣，但也可以是任何礦物鹽或有機鹽或適合調節膠體溶液離子強度的化合物)混合。當加入鹽以後，反離子(在無鹽溶膠中，平衡正/負表面電荷的正/負反離子在顆粒周圍擴散定向)更加向顆粒表面靠近，從而導致排斥力作用的距離縮短。通過增加顆粒間碰撞概率，引起溶膠穩定性降低，並且這導致硬凝膠的形成。膠凝期可以通過鹽水濃度或溫度來調整。粒度分布和顆粒濃度也會影響膠凝期。
根據本發明的另一實施方案，所述pH調節劑是酸或鹼。用於固砂的膠態二氧化矽分散體的pH通常在8到11之間，但也可以呈酸性(pH大約為4)。通過加入酸性溶液/鹼性溶液，膠態分散體的pH可以降低/增加。這樣，二氧化矽顆粒表面上的電荷得以降低，並且顆粒可以得到接觸並形成矽氧烷鍵。在pH為5-6時，多數二氧化矽膠體形成凝膠的趨勢最明顯。對於給定的二氧化矽粒度和濃度，膠凝期可以通過溶液的pH和/或溫度來調整。
pH調節劑的濃度和離子強度調節劑的濃度在0.1到5wt％之間，優選在0.1到1.5wt％之間。
注入的固結液的體積優選等於待固結地層區域中孔體積至少的兩倍。所述地層區域一般不超過待固結區域孔體積的10倍。通常，待固結區域的深度在約15和約90cm之間，一般為約30cm。
在待固結地層為非均質的地方，固結步驟可以通過暫停技術(hesitationtechnique)來完成，由此泵送部分固結液，接著停止泵送一段時間，從而高滲透率區域-也就是高注入能力區域-被固結。重複該分段工序直至所有的固結液都被泵送。
根據本發明的另一實施方案，固結液不僅包括膠體顆粒，還包括微米顆粒，例如沉澱二氧化矽顆粒。微米顆粒是指約0.5到約100μm的顆粒，更優選為至少80％的顆粒具有約1到約60μm的粒度的系統。微米顆粒易於進入高滲透率區域，並在油藏壁上形成低滲透率濾餅，從而將固結液導向到低滲透率區域，並且促進流體以均勻速率流過滲透率不同的固結區域。所述微米顆粒例如可以是雲母，沉澱二氧化矽，熱解二氧化矽，非膨脹粘土或澱粉。
實施例1懸浮液的選擇對10種含水膠體二氧化矽的商業懸浮液進行測試。懸浮液的一些特徵列於下表1，包括電荷(N負，P正)，平均粒度，二氧化矽含量，比表面(Ssp)和pH。懸浮液的凝膠化通過添加鹽(2ml的4M NaCl添加到14ml膠體懸浮液中，結果見表2)來實現，或者通過添加鹽酸(15wt％的酸水溶液添加到15ml膠體懸浮液中，結果見表3)來實現。在66℃下經過2天之後，通過施加低應力(凝膠耐力1)或高應力(凝膠耐力5)，用刮板來估算凝膠耐力(gelresistance)。根據凝膠耐力(1為非常低的凝膠強度，5為高凝膠強度)，估計值在1到5之間。
表1
表2
表3
上述初步測試表明，膠體顆粒粒度最小(低於10納米)的懸浮液具有較高的凝膠強度。顆粒的濃度越高，凝膠強度越大。該測試還發現，較小的顆粒和較高的濃度在實驗室中均導致更快速的凝膠生成。
實施例2最優pH選擇實施例1中的懸浮液#3。向15ml的懸浮液中，加入不同量的鹽酸。附圖1給出了室溫下懸浮液中的總HCl濃度和膠凝時間(單位為小時)的關係。當酸濃度為0.32wt％時，相當於pH在大約6到大約7之間，膠凝時間最短。
使用實施例1中的懸浮液#1進行相同的測試時，發現在pH為大約5到大約6時，膠凝時間最短。這表明當用酸來引起膠凝作用時，濃度優選調整到懸浮液的pH剛剛呈現弱酸性(pH在約5到約7之間)，以此來獲得最短膠凝時間。
實施例3注入測試附圖2是用於評價膠體二氧化矽進入滲透率不同的沙粒充填物的注入能力的設備示意圖。該設備包括管狀容器(tabular cell)1，其一端用上端蓋2封閉，另一端用下端蓋3封閉。砂粒充填物4放置在容器1內，位於兩個網篩5之間。活塞6包括流體入口7，其用於注入處理流體和預處理流體。容器還連接有氣源8，例如氮氣，這樣通過推動活塞，可以壓緊砂粒充填物。下端蓋包括流體出口9，其用於收集流過砂粒充填物4的流體。
在注入實施例1中的膠體二氧化矽懸浮液#1前，用2wt％的KCl鹽水預衝洗滲透率為750mD的砂粒充填物，其中鹽酸濃度約為0.45wt％(pH在6和7之間)。在環境溫度下，注入壓力僅為0.04MPa。容器在93℃下在烘箱中放置一夜。返回的滲透率小於1mD。
用pH為4的HCl溶液預衝洗50mD的砂粒充填物。實驗在82℃下進行。在約0.34MPa的注入壓力下，注入與高滲透率充填物相同的處理流體。砂粒充填物在93℃下於烘箱中處理3天。返回的滲透率小於1mD。
實施例4抗壓測試在65℃下固化幾周以後，測量固結充填物的無側限抗壓強度。初始滲透率為約50-70mD、約750mD和約3mD的三個砂粒充填物被檢測(每個砂粒充填物測試2次)。上述砂粒充填物用實施例1中的膠體二氧化矽#3固結，其中使用KCl作為離子強度調節劑。實驗結果如附圖3所示。在所有的實施例中，凝膠的形成導致固結充填物的抗壓強度達到1.72至3.45MPa。
實施例5無導向劑條件下的注入能力和導向性待固結地層通常是不均勻的，其包含低滲透率區域和高滲透率區域。當向所述地層注入固結液時，流體優先流入高滲透率區域。如果固結液的膠凝時間大於注入時間，那麼低滲透率區域很可能沒被固結。
為了評價對沿著待固結的整個區域進行處理的可行性，使用附圖4所描述的實驗裝置。該裝置包括平行連接的兩個Hassler容器(11和12)，其中固載有滲透率不同的砂粒充填物(13和14)。使用容積式泵(positivedisplacement pump)A和B泵送流體，並在容器的出口(15和16)收集流體。用泵C液壓設定側限壓力，並用電加熱系統與容器結合從而獲得預期的測試溫度。
容器11充滿滲透率為約50mD的砂粒充填物13。容器12充滿滲透率為約750mD的砂粒充填物14。每個砂粒充填物的直徑為2.5cm，長度為30cm。在93℃和6.9MPa的側限壓力下進行處理。用2倍於孔體積的2wt％KCl和2倍於孔體積的pH為4的HCl預衝洗砂粒充填物。固結處理步驟包括使用實施例1的膠體二氧化矽#3，並將pH調整到8。附圖5給出了在容器11和12的出口15和16處，分別收集的液體體積，以及注入壓力。在大約25分鐘內，出口15處未收集到流體；只有高滲透率的砂粒充填物被固結。在第一階段的後期，開始導向並在出口16處收集到液體。大約103分鐘以後，低滲透率充填物13被堵塞。並觀察到低滲透率充填物的堵塞和隨後的高滲透率充填物的優先流過。
實施例6導向劑條件下的注入能力和導向性實施例5證明不均勻區域的完全處理可以用僅基於膠體二氧化矽的固結液來實現；添加粒度為約0.5到約100μm的較大微米顆粒，可以顯著的降低處理步驟的持續時間，以及減少所需泵送的容積。對三種較大顆粒進行測試。這些顆粒的粒度分布列於下表4中。粒度分布就是，例如，80％的類型A的顆粒具有約4.7到約51.8μm的粒度。
表4
使用附圖4所示的實驗裝置。在93℃和6.9MPa的側限壓力下注入固結液。固結液的pH用15wt％的HCl溶液調整到7到8。向例5的固結液中，加入濃度為0.1wt％到0.5wt％的微米顆粒A、B和C的溶液。
圖6給出了實驗中的平均流速(6-A)和容器出口處收集的液體體積(6-B)，該實驗使用附圖4所示的裝備進行，其時將雲母顆粒和澱粉的組合物(顆粒粒度為0.5μm到100μm，平均直徑為14.5μm)加入膠體二氧化矽溶液中，以為提高當第二充填物為高滲透率充填物(750mD)時流向低滲透率砂粒充填物(50-70mD)的導向性。
當類型A顆粒佔0.25wt％時，在僅僅10分鐘以後，就觀察到低滲透率充填物開始出現固結，並且流速比(高滲透率低滲透率)變為4∶1。未添加導向劑時，該比值預期為10∶1到15∶1。因此，較大的微米顆粒的添加，導致低滲透率充填物相關流速的增加。在大約40分鐘之後，兩砂粒充填物都被堵塞。
圖7給出了隨時間函數變化的平均流速(附圖7-A)，該平均流速為含有類型B顆粒(在該實施例中為0.5wt％)的固結液流過高滲透率充填物(750mD)和低滲透率充填物(50mD)時的平均流速。附圖7-B給出了每個砂粒充填物出口處收集的液體體積。類型B顆粒的效果要比類型A顆粒的效果略差，其在20分鐘之後開始出現低滲透率充填物的固結，而且高滲透率充填物和低滲透率充填物的流速的平均比變為約6∶1。
圖8顯示類似於圖6中所示的結果，其時將沉澱二氧化矽顆粒(粒度為0.5μm到100μm，平均直徑為3.4μm)組合物添加至膠體二氧化矽溶液中，以提高流向低滲透率砂粒充填物(50-70mD)的導向性。使用該導向劑後，流速比(高滲透率低滲透率)變為接近1∶1。
圖8-A給出了隨時間函數變化的平均流速(附圖7-A)，該平均流速為含有類型C顆粒(在該實施例中為0.1wt％)的固結液流過高滲透率充填物(750mD)和低滲透率充填物(50mD)時的平均流速。附圖8-B給出了每個砂粒充填物出口處收集的液體體積。兩個砂粒充填物幾乎同時被固結，高滲透率充填物和低滲透率充填物的流速的平均比約為1∶1，這表明膠體顆粒和與類型C顆粒類似的微米顆粒的結合，導致非均勻地層的均勻化處理。
圖9給出了類似於圖6所示的結果，其時將圖6所述雲母顆粒和澱粉的組合物添加至膠體二氧化矽溶液中，以提高流向低滲透率砂粒充填物(50-70mD)的導向性，並且測試系統用緩衝液預衝洗以預處理砂粒充填物的pH值。該測試使用類型A顆粒(在該實施例中為0.5wt％)，並在注入膠體二氧化矽溶液前，用pH值為9.3的緩衝液進行預衝洗，這也包含用緩衝劑將其pH值調整至9.3。附圖9-B給出了每個砂粒充填物出口處收集的液體體積。兩個砂粒充填物幾乎同時被固結，高滲透率充填物和低滲透率充填物的平均流速比約為3∶1，這表明更多的液體被注入，並且通過控制系統的pH值導流效果得到提高。
權利要求
1.一種完善地下地層中未固結區域的方法，包括注入膠體顆粒水溶液和至少一種選自pH調節劑和/或離子強度調節劑的成分，用以形成將顆粒結合在一起的硬凝膠從而固結所述區域的步驟，和隨後的水力壓裂所述固結區域的步驟。
2.如權利要求1所述方法，所述膠體顆粒平均直徑為4到100nm。
3.如權利要求1或2所述方法，所述膠體顆粒是二氧化矽顆粒。
4.如權利要求3所述方法，所述膠體二氧化矽顆粒以二氧化矽濃度為2到50wt％的溶液形式存在，且所述溶液可以含有濃度為0.1到10wt％的乙二醇、丙二醇或甲醇。
5.如上述權利要求任一項的方法，所述固結區域抗壓強度大於1.72MPa，待固結區域的深度為約15到90cm。
6.如上述權利要求任一項的方法，所述離子強度調節劑為鹽水，pH調節劑是酸或鹼，且pH調節劑和/或離子強度調節劑的濃度為0.1到5wt％。
7.如上述權利要求任一項的方法，在水力壓裂步驟中，裂縫的長度要大於固結區域深度的2倍，注入的固結液的體積為待固結地層孔體積的約2到10倍。
8.如上述權利要求任一項的方法，還包括使用暫停方案(hesitationscheme)注入固結處理物。
9.如上述權利要求任一項的方法，所述膠體顆粒是帶電的。
10.一種完善地下地層中未固結區域的方法，包括向所述區域注入膠體二氧化矽、微米顆粒、pH調節劑和/或離子強度調節劑的水溶液來形成將顆粒結合在一起的硬凝膠從而固結所述區域的步驟，和隨後的水力壓裂所述固結區域的步驟。
11.如權利要求10所述方法，所述微米顆粒選自下組，該組包括雲母、沉澱二氧化矽、熱解二氧化矽、非膨脹粘土和澱粉，所述微米顆粒的80％粒度為約1到60μm。
全文摘要
一種完善地下地層中未固結區域的方法，該方法包括固結步驟。該固結步驟通過注入含有pH調節劑和/或離子強度調節劑的膠體顆粒水溶液來實現。形成的硬凝膠將顆結合在一起。固結後緊接著進行水力壓裂。流向低滲透率區域的導向性可以通過微米顆粒的使用來改善。
文檔編號E21B43/26GK1878927SQ200480033270
公開日2006年12月13日 申請日期2004年11月9日 優先權日2003年11月11日
發明者塞繆爾·達尼坎, 戈爾切裡·薩拉馬特, 亞歷詹德羅·佩納, 埃裡克·尼爾森 申請人:施藍姆伯格技術公司