支撑剂和用于将支撑剂充填于水力压裂中的方法与流程

本公开涉及从地下地层开采流体，并且可以通过水力压裂应用于增产穿过地层的流量。更具体地说，本公开涉及创建具有可溶性涂层的支撑剂以应用于在水力压裂中不均匀充填、在其基础上创建用作地层压裂操作的填料的材料、以及改进在水力压裂中使用不均匀支撑剂充填的水力压裂方法。
背景技术：
：地下地层的水力压裂包括，作为几个阶段之一，将支撑剂与改变压裂流体性质的各种添加剂(诸如交联剂、活化剂、防乳化剂等)一起添加在压裂流体中。在不均匀支撑剂充填(HPP)技术的情况下，压裂流体包括含有支撑剂(脏脉冲)和没有支撑剂(清洁脉冲)的交替阶段(脉冲)的顺序。由于操作限制，压裂添加剂以恒定速率添加到浆液中，这使得它们在清洁脉冲与脏脉冲之间在压裂流体中的浓度发生变化。然而压裂流体的品质可能以以下方式对添加剂浓度相当敏感，该方式为在添加剂浓度偏离最佳值的情况下井底流体的长期高温稳定性可能受损；流体的流变性质可偏离最佳性质。与不均匀支撑剂充填(HPP)的操作相关的另一个问题为携带支撑剂流体的洗出稳定性。当向下泵送浆液至射孔时，在水力压裂中可以发生携带支撑剂区域的洗出及其与清洁脉冲的部分掺合，这最终使得裂缝宽度减小以及支撑剂区域的预定最佳充填发生变化。随后，此类变化可影响水力压裂导流率参数。在低粘度压裂流体(在低聚合物载量下的减阻水或线性凝胶或交联凝胶)的情况下，添加剂浓度变化(稀释)的影响变得更加明显。为了维持更好的支撑剂阶段稳定性并降低添加剂浓度变化的不利影响，本公开提出一种使用以胶凝剂涂覆的支撑剂的新想法，当支撑剂引入到流体时所述胶凝剂被释放。由于胶凝剂的此释放，脏脉冲阶段的粘度局部增加，并且它因此促进了携带支撑剂流体更好的洗出稳定性并减小了添加剂浓度变化对流体性质的影响。考虑到利用不均匀支撑剂充填的水力压裂导流率由通道的存在决定，过量的胶凝剂将不会影响裂缝导流率。存在的若干信息来源公开了水力压裂中的不均匀支撑剂充填的方式。一般来讲，它们可被分成包括井中支撑剂结块的各种概念的类别。1.通过在表面上交替的支撑剂输送诱导的不均匀充填。2.当以常规方式(无脉动的连续支撑剂输送)将支撑剂添加到表面的压裂流体中(基本上代表化学定向的和非设备相关的方法)时在地下条件下发生的支撑剂结块。本公开主要集中于通过替代性支撑剂输送至压裂流体来诱导的不均匀支撑剂充填，因此第一类别的分析来源是焦点。专利[US7581590B2,2009]要求保护一种通过注入包含支撑剂和制道剂(channelant)的压裂流体的更可靠的HPP方法，其中所述制道剂包括在裂缝中产生酸的固体酸前体。所述固体酸前体的存在使得HPP更可靠。以下讨论了集中于当以常规方式进行支撑剂输送而没有交替的支撑剂脉冲和无支撑剂脉冲时井筒中的支撑剂结块的专利。专利申请[US20130056213A1,2013]公开了支撑剂聚合的方法，所述方法通过引起或允许增加运载流体粘度的聚合物凝胶脱水收缩；由在运载流体中包含或创建的阳离子聚合物和阴离子聚合物形成聚电解质复合物；以及通过增加运载流体的温度高于聚合物在流体中的溶液温度。然而，本公开的目的在于使用基于现有设备的交替的携带支撑剂阶段和无支撑剂阶段输送方式完成不均匀支撑剂充填的改进。由于所述方法涉及先进的胶凝剂与支撑剂一起的输送，以下是胶凝剂改性的支撑剂的执行来源分析。值得提及的是存在若干关于化学改性的支撑剂的专利，其中申请[US2012227967A1,2012]要求保护一种包含涂覆到底材的组分的支撑剂颗粒，所述组分的量足以在所述颗粒与基础流体混合时产生能够悬浮所述底材的粘稠运载流体。其他权利要求包括增产地下地层的方法，其包括以下各项：提供基础流体和包含涂覆到底材的组分的颗粒，所述组分的量足以在所述颗粒与所述基础流体混合时产生能够悬浮所述底材的粘稠运载流体，其中所述组分包含足以增加基础流体的粘度到至少约50cP粘度的量的聚合物；以及使地下地层与基础流体和颗粒的混合物接触。然而没有关于使用这些涂覆颗粒用于HPP的参考文献，确切地说在所述HPP中涂覆在固体颗粒上的组分为胶凝剂。包含支撑剂颗粒和涂覆水凝胶的改性支撑剂从[US2014000891A1,2014]、[WO2013158308A1,2013]现有技术来源中获知，其中涂覆水凝胶定位在支撑剂颗粒的表面上。在上述溶液中，涂层不溶解于流体中。它附接在支撑剂颗粒上并且在流体中膨胀。使人感兴趣的是凝胶脱水收缩对其性质的影响。结果发现，在线性凝胶中负载的交联剂过量的情况下，一些额外的胶凝剂的添加增加了粘度并降低了脱水收缩的影响。本公开的目的在于通过使用现有油田设备在携带支撑剂阶段改进胶凝剂与支撑剂一起的运输来提高不均匀支撑剂充填的效率。为了避免携带支撑剂阶段的分散影响和化学添加剂浓度的减小，本公开提出了泵送具有包含胶凝剂的水溶性涂层的支撑剂颗粒。在胶凝剂从水溶性涂层释放后，在支撑剂颗粒周围的压裂流体的粘度增加，并且这提高了携带支撑剂阶段对抗耗散的稳定性并使添加剂浓度保持在稳定水平。由于具有不均匀支撑剂充填的裂缝的导流率通过存在的无支撑剂通道控制，所以过量的胶凝剂将不会影响整体的裂缝导流率。技术实现要素：在一些实施方案中，本公开涉及一种用于在裂缝压裂中不均匀支撑剂充填的支撑剂。支撑剂为微粒材料，其中每个颗粒包含支撑剂颗粒底材、所述支撑剂颗粒底材上的水溶性外涂层以及以某种方式至少部分嵌入所述水溶性外涂层的胶凝剂，所述方式使得当所述水溶性涂层由于在水力压裂中支撑剂引入到不均匀支撑剂充填期间的压裂流体阶段而溶解或降解时，所述试剂基本上从所述支撑剂颗粒底材中释放。在一些实施方案中，本公开涉及用于提高在地下地层的压裂层的至少一个裂缝中不均匀支撑剂充填方法的效率的微粒材料，所述微粒材料含有来自位于地下的颗粒的底材、所述地下颗粒底材上的水溶性外涂层以及以某种方式至少部分嵌入水溶性外涂层的胶凝剂，所述方式使得当水溶性涂层由于在水力压裂中支撑剂引入到不均匀支撑剂充填期间的压裂流体阶段而溶解或降解时，所述试剂基本上从地下颗粒中释放。在一些实施方案中，本公开涉及一种用于提高压裂层的至少一个裂缝中的不均匀支撑剂充填效率的方法，所述方法包括在超过压裂压力的压力下通过压裂层中的井筒中的多个射孔簇将交替的携带微粒材料的压裂流体阶段和没有微粒材料的压裂流体阶段注入到压裂层，其中携带微粒材料的压裂流体阶段在裂缝闭合后形成支撑。附图说明本公开的本质在图1-5中示出。图1示出了在无支撑剂阶段和携带支撑剂阶段的添加剂的不同浓度。图2示出了用胶凝剂涂覆的支撑剂的示意模型。图3示出了在添加到一加仑水中的携带有2.2磅(lbs)用瓜尔胶涂覆的支撑剂的浆液中所得的流体粘度。图4示出了线性凝胶在添加涂覆的支撑剂之前和之后的粘度变化。图5示出了在添加支撑剂之后线性凝胶的粘度相对于浆液搅拌时间的变化。具体实施方式在不均匀支撑剂充填(HPP)中，在浆液中以具有交替的清洁脉冲(不含支撑剂)和脏脉冲(含有支撑剂)的脉冲将用于水力压裂地层的支撑剂添加到压裂流体中。可选地，清洁脉冲也可被称为不含支撑剂阶段(或脉冲)或“清洁流体”，而“脏脉冲”可被称为携带支撑剂阶段(或脉冲)。包含交联凝胶的压裂流体通过实时计量相对于线性凝胶的水力压裂添加剂来制备。当添加剂与线性凝胶反应时，它们形成具有更高粘度的交联凝胶，并且在大多数情况下提供成功的水力压裂作业。在高温下，交联凝胶的粘度和长期稳定性对一些计量的添加剂的浓度敏感，所述敏感性依赖于所使用的混合水和化学添加剂的矿物组成。包含用于交联线性凝胶的化学剂的交联剂、活化剂和延迟剂代表一组添加剂，它们被非常彻底地计量以便维持良好的流体性能。如今，在HPP中，将压裂添加剂以恒定速率计量加入到流体中，基本上输送相同量的添加剂到给定体积的浆液中，不考虑浆液中支撑剂的浓度。但是考虑到交替的清洁脉冲阶段和脏脉冲阶段，清洁流体中的添加剂浓度是不同的，所述不同由等式(1)中所示的所谓的浆液产率定义。所述产率代表浆液体积相对于清洁流体体积的比率。此现象的表达在图1中示出。因此，如果清洁脉冲包含完全交联的流体，那么脏脉冲中的凝胶就含有过量(产率倍数较高)浓度的添加剂(诸如交联剂、活化剂、延迟剂等等)并因此可能过度交联，并且因此所述凝胶将会具有随时间而变得越来越差的粘度和流变稳定性。因为较低粘度的流体减小了裂缝宽度并因此增加了裂缝脱砂的风险，所以过度交联的程度朝向后来的支撑剂阶段增加(其中每加仑流体添加的支撑剂的量增加)，并且在作业结束时可能变得可见。除此之外，更差的流体稳定性导致更快速的支撑剂沉降和错误的支撑剂充填模式。此外，在“脏”脉冲中流体粘度降低可以导致阶段的分离和它们与清洁流体的掺合，这进而又导致支撑的裂缝宽度减小，并且可以使得支撑剂支柱之间裂缝壁尖灭。总之，这种影响可以导致地层增产后的井产量低于预期。本公开提出一种通过使用以胶凝剂涂覆的支撑剂获得脏脉冲中更好流变稳定性的流体和更高稳定性的支撑剂阶段的新方法。所述方法包括以下各项：·在水力压裂期间，将以胶凝剂涂覆的支撑剂添加至根据HPP处理设计的流体中；以及·一旦支撑剂浸入流体中，胶凝剂从支撑剂表面释放。因为添加至流体中的额外胶凝剂将会利用过量的水力压裂添加剂(交联剂/活化剂/延迟剂等等)，所以胶凝剂从支撑剂表面释放局部增加了携带支撑剂阶段的流体粘度，并且也减小了凝胶的过度交联作用。除此之外，本公开的一个附带优点为允许在无支撑剂阶段使用具有较低粘度的压裂流体，并且允许在促进通道形成的阶段使用较低聚合物负载的压裂流体，这使得裂缝更小以及由聚合物残留造成的地层损害更小。而且，因为在携带支撑剂阶段凝胶的局部水合将会降低支撑剂的沉降率，所以这种支撑剂在减阻水中的应用似乎也是有益的。在以下部分中描述了支撑剂的结构。作为支撑剂底材，可以取任何来源的颗粒。适合的颗粒包括用于水力压裂和砾石填充的任何已知的颗粒。适合的支撑剂的非限制性实例包括矿物质、砂、陶瓷支撑剂、以及选自极轻量(ultra-lightweight)支撑剂、超轻量(super-lightweight)支撑剂、轻量支撑剂、中强度、高强度和极高强度支撑剂的基于聚合物的支撑剂、用作水力压裂的支撑剂的复合颗粒。陶瓷支撑剂可在二氧化硅-氧化铝原料、镁-硅酸盐原料、玻璃-陶瓷、富含铝、镁、硅、锌、铁、钙和钛氧化物的天然矿物质(主要为铝土矿、蛇纹岩等)的基础上生产。此外，以下颗粒可用作支撑剂底材：坚果壳(包括压碎的胡桃壳)、砾石、尾矿、煤灰、岩石(包括铝土矿)、熔炼炉渣、硅藻土、压碎的木炭、云母、粘土(包括高岭土颗粒)、锯屑、木片、树脂颗粒(包括苯酚-甲醛颗粒)、聚合物颗粒以及其组合。应当理解本文未提及的其他颗粒也可以是适合的。胶凝剂可使用胶黏剂直接涂覆在支撑剂底材上，或者另选地被嵌入到水溶性聚合物基质中。由于水溶性聚合物保护胶凝剂使其免于在支撑剂被浸入流体中之前意外过早释放，所以第二个选项在这里起作用。支撑剂的结构示于图2中，其中所述支撑剂颗粒被具有嵌入涂层的胶凝剂的水溶性涂层涂覆。水溶性聚合物的候选物包括但不限于，具有各种聚乙酸乙烯酯基团含量的聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮共聚物、聚胺、聚乙胺、明胶、淀粉、酪蛋白、它们的衍生物以及其组合。使胶凝剂嵌入水溶性聚合物基质中的附带优点为基于给定聚合物在水中的溶解度调整流体粘度增加的条件(时间/温度)的机会。胶凝剂的候选材料包括瓜尔胶及其衍生物，包括但不限于多糖瓜尔胶、羟丙基瓜尔胶、羧甲基羟丙基瓜尔胶、纤维素及其衍生物，包括但不限于羧甲基羟丙基纤维素以及其组合。制备图2所示的支撑剂的方法在以下实施例中描述，并且包括以下阶段：1.将水溶性聚合物溶解于适量的水中；2.将胶凝剂添加并分散在水溶性聚合物溶液中；以及3.将水溶性聚合物和胶凝剂的溶液添加至支撑剂底材中，并且开始干燥过程，同时保证适当的搅拌和支撑剂中的溶液分布。干燥方法可包括利用流化床或成粒器。预期使用适于在支撑剂上形成树脂涂层的传统工厂设备来执行所述方法为可行的。实施例本公开可通过以下实施例来进一步理解。实施例1.以下实施例说明了建议用嵌入水溶性聚合物基质中的胶凝剂涂覆支撑剂的方法的可行性。表1.实施例1中的涂覆的支撑剂的组成。支撑剂CarboPROP以以下方式使用表1中列出的组分和量涂覆。1.将聚乙烯醇溶解于水中。2.然后，将多糖瓜尔胶缓慢添加至聚乙烯醇水溶液中。适当摇动混合物以保证瓜尔胶在溶液中的均匀分布。3.将获得的溶液添加至CarboPROP接着在烧杯中对流体和支撑剂进行适当搅拌直到支撑剂上的涂层变干为止。所得支撑剂显示出良好的涂层对表面的附着力以及非常有限量的彼此粘贴的颗粒，这表明涂覆的支撑剂潜在的良好流动性。为了获得所需均匀性和机械稳定性的支撑剂涂层，可调整聚乙烯醇的质量。同时，为了改进混合过程，可自由调整用于制备聚乙烯醇和瓜尔胶溶液的水的量。实施例2.以下实施例说明了当添加至水时使用以胶凝剂涂覆的支撑剂的可行性。为了评价涂覆的瓜尔胶如何影响粘度，将来自实施例1的支撑剂添加至DI水中。将涂覆的支撑剂以每1加仑流体2.2磅支撑剂的浓度添加至水中。搅拌5分钟后获得的所得流体粘度示出在图3中，并且结果接近于具有17磅/1,000加仑瓜尔胶聚合物载量的线性凝胶粘度。值得提及的是，为了调整所得粘度，可增加或减小参与混合的瓜尔胶的量。实施例3.以下实施例说明了当添加至线性凝胶时使用以胶凝剂涂覆的支撑剂的可行性。支撑剂CarboPROP以实施例1中所述的方式使用表2中列出的组分和量涂覆。表2.实施例3中涂覆的支撑剂的组成在涂覆完成后，为了评价添加至流体中的涂覆的瓜尔胶如何影响粘度，将所得的支撑剂以每1,000加仑DI水30磅聚合物的量添加至线性凝胶中。将涂覆的支撑剂以每1加仑流体3磅和5磅支撑剂的浓度添加至水中。与原始的线性凝胶(WF130)、每1,000加仑DI水35、40和50、30磅瓜尔胶相比，在搅拌5分钟后由每1加仑流体3磅和5磅支撑剂浆液获得的所得粘度示出在图4中。根据添加至原始支撑剂的瓜尔胶的质量平衡，3磅支撑剂浆液使得胶凝剂以每1,000加仑流体11磅瓜尔胶的量添加，而对于每1加仑流体5磅支撑剂的值为每1,000加仑流体18磅瓜尔胶。图4中的粘度图示出了使用涂覆的支撑剂输送的额外瓜尔胶量与相应的粘度增加的适当相关性。值得提及的是，因为任何水溶性聚合物都适于应用，所以用于嵌入胶凝剂的水溶性聚合物可不限于聚乙烯醇。此外，检测了WF130线性凝胶与自每1加仑流体3磅和每1加仑流体5磅的量的支撑剂浆液中分离的所得凝胶的交联。为了模拟真实情况，每固定体积的浆液添加相同量的交联剂，其中对于清洁支撑剂脉冲和脏支撑剂脉冲，交联剂的添加都以固定速率执行。具体地说，将具有2加仑/1,000加仑(2g/t)浓度的交联剂溶液添加至WF130线性凝胶，而对于每1加仑流体3磅和每1加仑流体5磅的量的支撑剂浆液，为了模拟支撑剂浆液产率，添加更大浓度的交联剂(参见等式(1))。交联剂浓度和交联流体性能示出在表3中，其中VCT和HLT分别为“旋涡闭合时间(Vortexclosuretime)”和“停留边缘时间(Hangliptime)”。表3.交联浆液性能流体产率交联剂浓度，g/tVCT，秒HLT，秒WF1301.02.021903PPA浆液1.112.214455PPA浆液1.192.41230可观察到，由于交联因输送至流体的额外胶凝剂而发生较早，当将支撑剂添加至流体时流体交联性能有所提高。这种现象具有若干优点，包括以下。1.如果流体的品质由于通过交替的清洁脉冲和脏脉冲的不均匀支撑剂充填期间的过度交联(它们可能主要在后面的支撑剂阶段发生)而受损，那么使用以聚合物涂覆的支撑剂可以是很好的缓解措施，因为它提高了携带支撑剂脉冲中的流体的品质。作为附带优点，它增加了支撑剂阶段的机械稳定性。2.水力压裂可在整个过程中通过泵送较低粘度流体(例如，具有较低聚合物载量的减阻水或聚合物流体)，因为它将会降低聚合物在岩石基质和支撑剂填充中的侵染。同时，从支撑剂释放的额外聚合物将会维持支撑剂阶段的机械稳定性。实施例4.以下实施例说明了一旦将胶凝剂涂覆的支撑剂浸入水中的粘度增加的速率。支撑剂CarboPROP以以下方式使用表4中列出的组分和量涂覆。表4.实施例4中涂覆的支撑剂的组成。1.将聚乙烯醇溶解于水中。2.然后，将羧甲基羟丙基瓜尔胶(CMHPG)缓慢添加至聚乙烯醇水溶液中。适当摇动混合物以保证瓜尔胶在溶液中的均匀分布。3.将获得的溶液添加至CarboPROP接着对流体和支撑剂进行适当搅拌直到支撑剂上的涂层变干为止。在涂覆完成后，将所得支撑剂以每1,000加仑DI水30磅CMHPG的量添加至线性凝胶。支撑剂在线性凝胶中的浓度为每1加仑流体3磅支撑剂。将所得浆液搅拌指定时间，接着将流体与支撑剂分离，并测量流体的粘度。图5示出了在添加支撑剂之后线性凝胶的粘度相对于浆液搅拌时间的变化。在搅拌约1.5分钟后，获得等于每1,000加仑去离子水具有35磅CMHPG载量的凝胶粘度的粘度，同时进一步搅拌不以任何方式影响粘度。图5使用星号标记示出每1,000加仑去离子水具有35磅CMHPG载量的凝胶在5111/s的粘度。总而言之，上述实施例证明，所述概念允许使用支撑剂将额外胶凝剂输送至压裂流体、使额外聚合物快速水合、以及改进携带涂覆的支撑剂的浆液的交联性能。尽管本文已经参照具体装置、材料和实施方案描述了前面的说明，但并不意图限制本文所公开的细节；相反，它延伸至所有功能等效的诸如在所附权利要求书范围内的结构、方法和用途。当前第1页1 2 3