支撐劑和用於將支撐劑充填於水力壓裂中的方法與流程
2023-09-10 16:40:05 1
本公開涉及從地下地層開採流體，並且可以通過水力壓裂應用於增產穿過地層的流量。更具體地說，本公開涉及創建具有可溶性塗層的支撐劑以應用於在水力壓裂中不均勻充填、在其基礎上創建用作地層壓裂操作的填料的材料、以及改進在水力壓裂中使用不均勻支撐劑充填的水力壓裂方法。
背景技術：
：地下地層的水力壓裂包括，作為幾個階段之一，將支撐劑與改變壓裂流體性質的各種添加劑(諸如交聯劑、活化劑、防乳化劑等)一起添加在壓裂流體中。在不均勻支撐劑充填(HPP)技術的情況下，壓裂流體包括含有支撐劑(髒脈衝)和沒有支撐劑(清潔脈衝)的交替階段(脈衝)的順序。由於操作限制，壓裂添加劑以恆定速率添加到漿液中，這使得它們在清潔脈衝與髒脈衝之間在壓裂流體中的濃度發生變化。然而壓裂流體的品質可能以以下方式對添加劑濃度相當敏感，該方式為在添加劑濃度偏離最佳值的情況下井底流體的長期高溫穩定性可能受損；流體的流變性質可偏離最佳性質。與不均勻支撐劑充填(HPP)的操作相關的另一個問題為攜帶支撐劑流體的洗出穩定性。當向下泵送漿液至射孔時，在水力壓裂中可以發生攜帶支撐劑區域的洗出及其與清潔脈衝的部分摻合，這最終使得裂縫寬度減小以及支撐劑區域的預定最佳充填發生變化。隨後，此類變化可影響水力壓裂導流率參數。在低粘度壓裂流體(在低聚合物載量下的減阻水或線性凝膠或交聯凝膠)的情況下，添加劑濃度變化(稀釋)的影響變得更加明顯。為了維持更好的支撐劑階段穩定性並降低添加劑濃度變化的不利影響，本公開提出一種使用以膠凝劑塗覆的支撐劑的新想法，當支撐劑引入到流體時所述膠凝劑被釋放。由於膠凝劑的此釋放，髒脈衝階段的粘度局部增加，並且它因此促進了攜帶支撐劑流體更好的洗出穩定性並減小了添加劑濃度變化對流體性質的影響。考慮到利用不均勻支撐劑充填的水力壓裂導流率由通道的存在決定，過量的膠凝劑將不會影響裂縫導流率。存在的若干信息來源公開了水力壓裂中的不均勻支撐劑充填的方式。一般來講，它們可被分成包括井中支撐劑結塊的各種概念的類別。1.通過在表面上交替的支撐劑輸送誘導的不均勻充填。2.當以常規方式(無脈動的連續支撐劑輸送)將支撐劑添加到表面的壓裂流體中(基本上代表化學定向的和非設備相關的方法)時在地下條件下發生的支撐劑結塊。本公開主要集中於通過替代性支撐劑輸送至壓裂流體來誘導的不均勻支撐劑充填，因此第一類別的分析來源是焦點。專利[US7581590B2,2009]要求保護一種通過注入包含支撐劑和制道劑(channelant)的壓裂流體的更可靠的HPP方法，其中所述制道劑包括在裂縫中產生酸的固體酸前體。所述固體酸前體的存在使得HPP更可靠。以下討論了集中於當以常規方式進行支撐劑輸送而沒有交替的支撐劑脈衝和無支撐劑脈衝時井筒中的支撐劑結塊的專利。專利申請[US20130056213A1,2013]公開了支撐劑聚合的方法，所述方法通過引起或允許增加運載流體粘度的聚合物凝膠脫水收縮；由在運載流體中包含或創建的陽離子聚合物和陰離子聚合物形成聚電解質複合物；以及通過增加運載流體的溫度高於聚合物在流體中的溶液溫度。然而，本公開的目的在於使用基於現有設備的交替的攜帶支撐劑階段和無支撐劑階段輸送方式完成不均勻支撐劑充填的改進。由於所述方法涉及先進的膠凝劑與支撐劑一起的輸送，以下是膠凝劑改性的支撐劑的執行來源分析。值得提及的是存在若干關於化學改性的支撐劑的專利，其中申請[US2012227967A1,2012]要求保護一種包含塗覆到底材的組分的支撐劑顆粒，所述組分的量足以在所述顆粒與基礎流體混合時產生能夠懸浮所述底材的粘稠運載流體。其他權利要求包括增產地下地層的方法，其包括以下各項：提供基礎流體和包含塗覆到底材的組分的顆粒，所述組分的量足以在所述顆粒與所述基礎流體混合時產生能夠懸浮所述底材的粘稠運載流體，其中所述組分包含足以增加基礎流體的粘度到至少約50cP粘度的量的聚合物；以及使地下地層與基礎流體和顆粒的混合物接觸。然而沒有關於使用這些塗覆顆粒用於HPP的參考文獻，確切地說在所述HPP中塗覆在固體顆粒上的組分為膠凝劑。包含支撐劑顆粒和塗覆水凝膠的改性支撐劑從[US2014000891A1,2014]、[WO2013158308A1,2013]現有技術來源中獲知，其中塗覆水凝膠定位在支撐劑顆粒的表面上。在上述溶液中，塗層不溶解於流體中。它附接在支撐劑顆粒上並且在流體中膨脹。使人感興趣的是凝膠脫水收縮對其性質的影響。結果發現，在線性凝膠中負載的交聯劑過量的情況下，一些額外的膠凝劑的添加增加了粘度並降低了脫水收縮的影響。本公開的目的在於通過使用現有油田設備在攜帶支撐劑階段改進膠凝劑與支撐劑一起的運輸來提高不均勻支撐劑充填的效率。為了避免攜帶支撐劑階段的分散影響和化學添加劑濃度的減小，本公開提出了泵送具有包含膠凝劑的水溶性塗層的支撐劑顆粒。在膠凝劑從水溶性塗層釋放後，在支撐劑顆粒周圍的壓裂流體的粘度增加，並且這提高了攜帶支撐劑階段對抗耗散的穩定性並使添加劑濃度保持在穩定水平。由於具有不均勻支撐劑充填的裂縫的導流率通過存在的無支撐劑通道控制，所以過量的膠凝劑將不會影響整體的裂縫導流率。技術實現要素：在一些實施方案中，本公開涉及一種用於在裂縫壓裂中不均勻支撐劑充填的支撐劑。支撐劑為微粒材料，其中每個顆粒包含支撐劑顆粒底材、所述支撐劑顆粒底材上的水溶性外塗層以及以某種方式至少部分嵌入所述水溶性外塗層的膠凝劑，所述方式使得當所述水溶性塗層由於在水力壓裂中支撐劑引入到不均勻支撐劑充填期間的壓裂流體階段而溶解或降解時，所述試劑基本上從所述支撐劑顆粒底材中釋放。在一些實施方案中，本公開涉及用於提高在地下地層的壓裂層的至少一個裂縫中不均勻支撐劑充填方法的效率的微粒材料，所述微粒材料含有來自位於地下的顆粒的底材、所述地下顆粒底材上的水溶性外塗層以及以某種方式至少部分嵌入水溶性外塗層的膠凝劑，所述方式使得當水溶性塗層由於在水力壓裂中支撐劑引入到不均勻支撐劑充填期間的壓裂流體階段而溶解或降解時，所述試劑基本上從地下顆粒中釋放。在一些實施方案中，本公開涉及一種用於提高壓裂層的至少一個裂縫中的不均勻支撐劑充填效率的方法，所述方法包括在超過壓裂壓力的壓力下通過壓裂層中的井筒中的多個射孔簇將交替的攜帶微粒材料的壓裂流體階段和沒有微粒材料的壓裂流體階段注入到壓裂層，其中攜帶微粒材料的壓裂流體階段在裂縫閉合後形成支撐。附圖說明本公開的本質在圖1-5中示出。圖1示出了在無支撐劑階段和攜帶支撐劑階段的添加劑的不同濃度。圖2示出了用膠凝劑塗覆的支撐劑的示意模型。圖3示出了在添加到一加侖水中的攜帶有2.2磅(lbs)用瓜爾膠塗覆的支撐劑的漿液中所得的流體粘度。圖4示出了線性凝膠在添加塗覆的支撐劑之前和之後的粘度變化。圖5示出了在添加支撐劑之後線性凝膠的粘度相對於漿液攪拌時間的變化。具體實施方式在不均勻支撐劑充填(HPP)中，在漿液中以具有交替的清潔脈衝(不含支撐劑)和髒脈衝(含有支撐劑)的脈衝將用於水力壓裂地層的支撐劑添加到壓裂流體中。可選地，清潔脈衝也可被稱為不含支撐劑階段(或脈衝)或「清潔流體」，而「髒脈衝」可被稱為攜帶支撐劑階段(或脈衝)。包含交聯凝膠的壓裂流體通過實時計量相對於線性凝膠的水力壓裂添加劑來製備。當添加劑與線性凝膠反應時，它們形成具有更高粘度的交聯凝膠，並且在大多數情況下提供成功的水力壓裂作業。在高溫下，交聯凝膠的粘度和長期穩定性對一些計量的添加劑的濃度敏感，所述敏感性依賴於所使用的混合水和化學添加劑的礦物組成。包含用於交聯線性凝膠的化學劑的交聯劑、活化劑和延遲劑代表一組添加劑，它們被非常徹底地計量以便維持良好的流體性能。如今，在HPP中，將壓裂添加劑以恆定速率計量加入到流體中，基本上輸送相同量的添加劑到給定體積的漿液中，不考慮漿液中支撐劑的濃度。但是考慮到交替的清潔脈衝階段和髒脈衝階段，清潔流體中的添加劑濃度是不同的，所述不同由等式(1)中所示的所謂的漿液產率定義。所述產率代表漿液體積相對於清潔流體體積的比率。此現象的表達在圖1中示出。因此，如果清潔脈衝包含完全交聯的流體，那麼髒脈衝中的凝膠就含有過量(產率倍數較高)濃度的添加劑(諸如交聯劑、活化劑、延遲劑等等)並因此可能過度交聯，並且因此所述凝膠將會具有隨時間而變得越來越差的粘度和流變穩定性。因為較低粘度的流體減小了裂縫寬度並因此增加了裂縫脫砂的風險，所以過度交聯的程度朝向後來的支撐劑階段增加(其中每加侖流體添加的支撐劑的量增加)，並且在作業結束時可能變得可見。除此之外，更差的流體穩定性導致更快速的支撐劑沉降和錯誤的支撐劑充填模式。此外，在「髒」脈衝中流體粘度降低可以導致階段的分離和它們與清潔流體的摻合，這進而又導致支撐的裂縫寬度減小，並且可以使得支撐劑支柱之間裂縫壁尖滅。總之，這種影響可以導致地層增產後的井產量低於預期。本公開提出一種通過使用以膠凝劑塗覆的支撐劑獲得髒脈衝中更好流變穩定性的流體和更高穩定性的支撐劑階段的新方法。所述方法包括以下各項：·在水力壓裂期間，將以膠凝劑塗覆的支撐劑添加至根據HPP處理設計的流體中；以及·一旦支撐劑浸入流體中，膠凝劑從支撐劑表面釋放。因為添加至流體中的額外膠凝劑將會利用過量的水力壓裂添加劑(交聯劑/活化劑/延遲劑等等)，所以膠凝劑從支撐劑表面釋放局部增加了攜帶支撐劑階段的流體粘度，並且也減小了凝膠的過度交聯作用。除此之外，本公開的一個附帶優點為允許在無支撐劑階段使用具有較低粘度的壓裂流體，並且允許在促進通道形成的階段使用較低聚合物負載的壓裂流體，這使得裂縫更小以及由聚合物殘留造成的地層損害更小。而且，因為在攜帶支撐劑階段凝膠的局部水合將會降低支撐劑的沉降率，所以這種支撐劑在減阻水中的應用似乎也是有益的。在以下部分中描述了支撐劑的結構。作為支撐劑底材，可以取任何來源的顆粒。適合的顆粒包括用於水力壓裂和礫石填充的任何已知的顆粒。適合的支撐劑的非限制性實例包括礦物質、砂、陶瓷支撐劑、以及選自極輕量(ultra-lightweight)支撐劑、超輕量(super-lightweight)支撐劑、輕量支撐劑、中強度、高強度和極高強度支撐劑的基於聚合物的支撐劑、用作水力壓裂的支撐劑的複合顆粒。陶瓷支撐劑可在二氧化矽-氧化鋁原料、鎂-矽酸鹽原料、玻璃-陶瓷、富含鋁、鎂、矽、鋅、鐵、鈣和鈦氧化物的天然礦物質(主要為鋁土礦、蛇紋巖等)的基礎上生產。此外，以下顆粒可用作支撐劑底材：堅果殼(包括壓碎的胡桃殼)、礫石、尾礦、煤灰、巖石(包括鋁土礦)、熔煉爐渣、硅藻土、壓碎的木炭、雲母、粘土(包括高嶺土顆粒)、鋸屑、木片、樹脂顆粒(包括苯酚-甲醛顆粒)、聚合物顆粒以及其組合。應當理解本文未提及的其他顆粒也可以是適合的。膠凝劑可使用膠黏劑直接塗覆在支撐劑底材上，或者另選地被嵌入到水溶性聚合物基質中。由於水溶性聚合物保護膠凝劑使其免於在支撐劑被浸入流體中之前意外過早釋放，所以第二個選項在這裡起作用。支撐劑的結構示於圖2中，其中所述支撐劑顆粒被具有嵌入塗層的膠凝劑的水溶性塗層塗覆。水溶性聚合物的候選物包括但不限於，具有各種聚乙酸乙烯酯基團含量的聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮共聚物、聚胺、聚乙胺、明膠、澱粉、酪蛋白、它們的衍生物以及其組合。使膠凝劑嵌入水溶性聚合物基質中的附帶優點為基於給定聚合物在水中的溶解度調整流體粘度增加的條件(時間/溫度)的機會。膠凝劑的候選材料包括瓜爾膠及其衍生物，包括但不限於多糖瓜爾膠、羥丙基瓜爾膠、羧甲基羥丙基瓜爾膠、纖維素及其衍生物，包括但不限於羧甲基羥丙基纖維素以及其組合。製備圖2所示的支撐劑的方法在以下實施例中描述，並且包括以下階段：1.將水溶性聚合物溶解於適量的水中；2.將膠凝劑添加並分散在水溶性聚合物溶液中；以及3.將水溶性聚合物和膠凝劑的溶液添加至支撐劑底材中，並且開始乾燥過程，同時保證適當的攪拌和支撐劑中的溶液分布。乾燥方法可包括利用流化床或成粒器。預期使用適於在支撐劑上形成樹脂塗層的傳統工廠設備來執行所述方法為可行的。實施例本公開可通過以下實施例來進一步理解。實施例1.以下實施例說明了建議用嵌入水溶性聚合物基質中的膠凝劑塗覆支撐劑的方法的可行性。表1.實施例1中的塗覆的支撐劑的組成。支撐劑CarboPROP以以下方式使用表1中列出的組分和量塗覆。1.將聚乙烯醇溶解於水中。2.然後，將多糖瓜爾膠緩慢添加至聚乙烯醇水溶液中。適當搖動混合物以保證瓜爾膠在溶液中的均勻分布。3.將獲得的溶液添加至CarboPROP接著在燒杯中對流體和支撐劑進行適當攪拌直到支撐劑上的塗層變幹為止。所得支撐劑顯示出良好的塗層對表面的附著力以及非常有限量的彼此粘貼的顆粒，這表明塗覆的支撐劑潛在的良好流動性。為了獲得所需均勻性和機械穩定性的支撐劑塗層，可調整聚乙烯醇的質量。同時，為了改進混合過程，可自由調整用於製備聚乙烯醇和瓜爾膠溶液的水的量。實施例2.以下實施例說明了當添加至水時使用以膠凝劑塗覆的支撐劑的可行性。為了評價塗覆的瓜爾膠如何影響粘度，將來自實施例1的支撐劑添加至DI水中。將塗覆的支撐劑以每1加侖流體2.2磅支撐劑的濃度添加至水中。攪拌5分鐘後獲得的所得流體粘度示出在圖3中，並且結果接近於具有17磅/1,000加侖瓜爾膠聚合物載量的線性凝膠粘度。值得提及的是，為了調整所得粘度，可增加或減小參與混合的瓜爾膠的量。實施例3.以下實施例說明了當添加至線性凝膠時使用以膠凝劑塗覆的支撐劑的可行性。支撐劑CarboPROP以實施例1中所述的方式使用表2中列出的組分和量塗覆。表2.實施例3中塗覆的支撐劑的組成在塗覆完成後，為了評價添加至流體中的塗覆的瓜爾膠如何影響粘度，將所得的支撐劑以每1,000加侖DI水30磅聚合物的量添加至線性凝膠中。將塗覆的支撐劑以每1加侖流體3磅和5磅支撐劑的濃度添加至水中。與原始的線性凝膠(WF130)、每1,000加侖DI水35、40和50、30磅瓜爾膠相比，在攪拌5分鐘後由每1加侖流體3磅和5磅支撐劑漿液獲得的所得粘度示出在圖4中。根據添加至原始支撐劑的瓜爾膠的質量平衡，3磅支撐劑漿液使得膠凝劑以每1,000加侖流體11磅瓜爾膠的量添加，而對於每1加侖流體5磅支撐劑的值為每1,000加侖流體18磅瓜爾膠。圖4中的粘度圖示出了使用塗覆的支撐劑輸送的額外瓜爾膠量與相應的粘度增加的適當相關性。值得提及的是，因為任何水溶性聚合物都適於應用，所以用於嵌入膠凝劑的水溶性聚合物可不限於聚乙烯醇。此外，檢測了WF130線性凝膠與自每1加侖流體3磅和每1加侖流體5磅的量的支撐劑漿液中分離的所得凝膠的交聯。為了模擬真實情況，每固定體積的漿液添加相同量的交聯劑，其中對於清潔支撐劑脈衝和髒支撐劑脈衝，交聯劑的添加都以固定速率執行。具體地說，將具有2加侖/1,000加侖(2g/t)濃度的交聯劑溶液添加至WF130線性凝膠，而對於每1加侖流體3磅和每1加侖流體5磅的量的支撐劑漿液，為了模擬支撐劑漿液產率，添加更大濃度的交聯劑(參見等式(1))。交聯劑濃度和交聯流體性能示出在表3中，其中VCT和HLT分別為「旋渦閉合時間(Vortexclosuretime)」和「停留邊緣時間(Hangliptime)」。表3.交聯漿液性能流體產率交聯劑濃度，g/tVCT，秒HLT，秒WF1301.02.021903PPA漿液1.112.214455PPA漿液1.192.41230可觀察到，由於交聯因輸送至流體的額外膠凝劑而發生較早，當將支撐劑添加至流體時流體交聯性能有所提高。這種現象具有若干優點，包括以下。1.如果流體的品質由於通過交替的清潔脈衝和髒脈衝的不均勻支撐劑充填期間的過度交聯(它們可能主要在後面的支撐劑階段發生)而受損，那麼使用以聚合物塗覆的支撐劑可以是很好的緩解措施，因為它提高了攜帶支撐劑脈衝中的流體的品質。作為附帶優點，它增加了支撐劑階段的機械穩定性。2.水力壓裂可在整個過程中通過泵送較低粘度流體(例如，具有較低聚合物載量的減阻水或聚合物流體)，因為它將會降低聚合物在巖石基質和支撐劑填充中的侵染。同時，從支撐劑釋放的額外聚合物將會維持支撐劑階段的機械穩定性。實施例4.以下實施例說明了一旦將膠凝劑塗覆的支撐劑浸入水中的粘度增加的速率。支撐劑CarboPROP以以下方式使用表4中列出的組分和量塗覆。表4.實施例4中塗覆的支撐劑的組成。1.將聚乙烯醇溶解於水中。2.然後，將羧甲基羥丙基瓜爾膠(CMHPG)緩慢添加至聚乙烯醇水溶液中。適當搖動混合物以保證瓜爾膠在溶液中的均勻分布。3.將獲得的溶液添加至CarboPROP接著對流體和支撐劑進行適當攪拌直到支撐劑上的塗層變幹為止。在塗覆完成後，將所得支撐劑以每1,000加侖DI水30磅CMHPG的量添加至線性凝膠。支撐劑在線性凝膠中的濃度為每1加侖流體3磅支撐劑。將所得漿液攪拌指定時間，接著將流體與支撐劑分離，並測量流體的粘度。圖5示出了在添加支撐劑之後線性凝膠的粘度相對於漿液攪拌時間的變化。在攪拌約1.5分鐘後，獲得等於每1,000加侖去離子水具有35磅CMHPG載量的凝膠粘度的粘度，同時進一步攪拌不以任何方式影響粘度。圖5使用星號標記示出每1,000加侖去離子水具有35磅CMHPG載量的凝膠在5111/s的粘度。總而言之，上述實施例證明，所述概念允許使用支撐劑將額外膠凝劑輸送至壓裂流體、使額外聚合物快速水合、以及改進攜帶塗覆的支撐劑的漿液的交聯性能。儘管本文已經參照具體裝置、材料和實施方案描述了前面的說明，但並不意圖限制本文所公開的細節；相反，它延伸至所有功能等效的諸如在所附權利要求書範圍內的結構、方法和用途。當前第1頁1 2 3