专利名称：地下颗粒材料的传送的制作方法
技术领域：
本发明涉及地下至一个位置的颗粒材料的传送。一种重要的应用为一种对地下储层进行水力压裂并在压裂中放置支撑剂以保持压裂开放以作为流路的方法的一部分。然而，本发明还延伸至其他应用，其中需要在地下，特别是在地下储层中放置颗粒材料。据设想，本发明将与石油和天然气的勘探和生产相连。
背景技术：
在地下位置放置颗粒材料是水力压裂操作的非常重要的部分。这也可以通过各种在地下井上所进行的其他操作而完成，包括塞紧、转移、井漏的控制以及区域隔离。水力压裂是一种用于储层模拟的成熟技术。在压力下将流体泵入地层中，从而使地层的各部分开并在其中创建薄腔。当泵送中断时，在地层中的自然压力往往会使压裂关闭。为了防止压裂完全关闭，在表面将固体颗粒材料(称为支撑剂)与压裂液混合并使用流体以将支撑剂运至压裂中都是正常的做法。当允许压裂关闭时，其会在支撑剂上关闭且通至支撑剂颗粒间井筒的流路仍保持开放。然后，支撑剂会从压在其上的地层岩石获得相当大的压力。当在表面将支撑剂与压裂液混合并将支撑剂泵入井筒时，其会受到非常高的剪切。接着，支撑剂携带流体会在低剪切条件下沿井筒向下流动。随后，它会转动并流出井筒且流入地层中的压裂处。进入压裂处可能与剪切的增加相关，特别是如果对井筒套有套管时，流体会通过井筒中的穿孔从而进入压裂处。一旦流体进入压裂中，流体所受到的剪切会小的多且所漂浮的固体开始沉降出来。随后，中断泵送，这会允许压裂在压裂中充填的支撑剂上关闭。为了使流体能够传送悬浮液中的颗粒材料并使其跨置于压裂表面上，常规的做法是使流体包括增粘增稠剂。通常情况下，接着会配制流体，从而在100秒―1达到至少为100厘泊的粘度。瓜尔胶被广泛用于这一目的。也可使用瓜尔胶衍生物和粘弹性表面活性剂。然而，对于一些压裂操作而言，特别是岩石具有低渗透性从而使至岩石的漏泄为非显著问题时，优选的做法为泵送流体，其通常称为“滑溜水”，其为含有小百分比的减摩聚合物的水或盐，其中减摩聚合物无法像增稠剂如瓜尔胶一样提高粘度。这样，流体具有低粘度。这会大大地减少泵送所需的能量，但是保持悬浮液中的颗粒材料则会变得更加困难，且通常会使用更高的泵流量。如石油工程师学会论文SPE98005、SPE102956和SPE1125068中所认识到的那样，被泵入大压裂中的在滑溜水中悬浮的传统支撑剂颗粒将比所需速度更快地沉淀出来并形成接近于井筒的所谓的“岸”或“丘”。由于这种过早的沉淀，可能无法沿压裂运送支撑剂以支撑压裂的全长，且可能无法在压裂的整个垂直高度上放置支撑剂。当停止泵送且允许压裂关闭时，进一步从井筒获得的压裂的部分可能不含有足够的支撑剂以保持其具有足够的开度以达到所需的流动。其结果是，所支撑和有效的压裂尺寸可能小于压裂过程中所创建的尺寸。
改善颗粒支撑剂运输的一种方法为使用较低比重材料代替传统材料，即砂或其他相对较重的矿物(砂的比重大约为2.65)。SPE84308描述了一种轻质支撑剂，其比重仅为1.75且为涂有树脂的多孔陶瓷材料，从而可使陶瓷材料的细孔保持空气填充。此论文还描述了一种比重为1.25的更轻的支撑剂，其基于磨碎的核桃壳。这开始成为一种“经树脂浸溃和涂覆以及化学修饰的核桃壳”。这些轻质支撑剂更容易通过滑溜水进行悬浮和运输，在SPE90838和SPE98005中则进一步讨论了轻质支撑剂的使用，且后面的论文表明与砂相比，尽管不能完全避免沉淀，也减少了沉淀。还公开大量其他的涉及比砂更轻的支撑剂。美国专利4，493，875和7，491，444 以及美国专利申请 2005/096，207，2006/016, 598 以及 2008/277，115 提供了相关实例。轻质支撑剂所具有的一个公认的问题是他们经常不像砂子一样强硬且当允许水力压裂在压裂中放置的支撑剂上关闭时，其具有被部分压碎的风险。美国2007/015669以及 TO2009/009886 和 2010 年 I 月 /2 月出版的 “Lightening the LoacTNew TechnologyMagazine的43和44页都公开了寻求避免该问题的一种颗粒支撑剂悬浮的方法。根据这些文件的教义，传统的支撑剂(如砂等)需进行处理以具有表面疏水性并被添加至支撑剂和水的浆液中。气泡吸附至疏水性固体颗粒上，从而被吸附的气体可使颗粒具有更低的有效密度。描述这种方法的文献主张采用这种方法的理由是传统的砂既便宜，又比轻质支撑剂强硬。在压裂中使支撑剂的沉降速度减缓的另一种方法为在组成中包含纤维材料。SPE102956教导包含纤维会在压裂液中创建基于纤维的网络，其中压裂液可混有支撑剂并减少支撑剂的沉降。美国专利7，665，522公开了压裂液，其含有增粘剂、支撑剂、用于形成泡沫(因此该液体被称之为“增能液”)的气体以及用于改善支撑剂悬浮和运输的纤维。虽然疏水性纤维有可能是顺便提及的，但有人却指出疏水性纤维是优选材料。
发明概要根据本发明的一个方面，提供了一种井筒流体，其包括水性载液、悬浮在其中的疏水性纤维、同样悬浮在载液中的疏水性颗粒材料，以及用于湿润颗粒表面并将其绑定在一起用作附聚物的气体。在本发明的第二个方面，提供了 一种在地下传送颗粒材料的方法，其包括在地下供应流体组合物，该流体组合物包括其中悬浮有疏水性纤维和疏水性颗粒材料的水性载液，该流体还包括湿润颗粒和纤维表面并将其绑定在一起的气体，从而在地下通过气体将颗粒材料和纤维的附聚物结合在一起。使用疏水性颗粒材料、疏水性纤维和气体的结合可抑制所述颗粒材料从水性液体中沉淀出来。几种效果会共同起作用:由于气体会起作用以湿润材料和其附聚物的表面，所以颗粒材料可被粘附至纤维上；纤维会形成一个网络，其会阻碍附至网络的颗粒材料的沉降，且附聚物含有气体，因此其堆积密度小于附聚物中所含固体的比重。
特别地，颗粒材料有可能小于纤维长度。将其放置的更精确:颗粒材料的中值粒度有可能小于纤维的中值长度。事实上，90体积％的颗粒材料可能具有最大的粒度，其可能小于纤维中值长度的一半,且可能小于其1/5。优选地，可设想井筒流体为压裂液，且其中的疏水性颗粒材料被用作支撑剂。疏水性颗粒材料的粒度和粒度分布可满足以下条件:90%颗粒的粒度小于1_。疏水性纤维可能具有大于1_的中值长度，可能大于2_，且纤维直径不大于100微米。在本发明用于压裂地层的实施方案中，地层可以是气藏，且压裂步骤后可从地层通过压裂产生气体、气体凝析物或其组合，并使其进入与其流体连通的生产导管中。当组合物受到剪切时，可防止或逆转附聚。正如已经提及的那样，被泵入井下的组合物在井下的旅程中会受到不同量的剪切。因此，附聚可能发生在颗粒材料被传送至的地下位置。然而，在向地下位置流动的过程中可能发生或开始附聚，且材料在地下位置上会实现其目的。我们已经观察到在使用具有相同尺寸的疏水性颗粒材料的比较实验中疏水性颗粒材料仍保持悬浮，颗粒材料不在疏水性纤维中悬浮，反而从中沉降出来。抑制颗粒固体的沉淀使其可以更有效地被运输至其预定目的地。在水力压裂的背景下，在停止泵送后仍保持撑开的压裂(即压裂区域)长度和/或垂直高度大于仅使用颗粒材料无纤维的情况下可能达到的长度和/或垂直高度。颗粒材料和纤维必须具有疏水性表面，从而使其可进行附聚。他们可由固有疏水的材料而形成或为亲水但却在其表面具有疏水涂层的材料而形成。例如，通常用作支撑剂的普通二氧化硅为亲水的且在水存在的情况下无法通过油或气体而附聚。相反，我们已发现表面进行处理以使其更疏水的砂子在油、空气或氮气存在的情况下将自发附聚。用于本发明的颗粒材料可以是经疏水改性的砂子。同样地，玻璃纤维为疏水性的且无法通过油或气体附聚，但可对其进行表面处理从而使其具有疏水性。固体(其制有光滑且平坦表面)表面极性的定量指标为Zisman首倡的临界表面张力的概念(见 Fox 和 Zisman J.Colloid Science 第 5 卷(1950)第 514-531 页及第 529页)。其为表面张力值，从而使具有低于或等于该值的对空气表面张力的液体可在固体表面上传播，而具有较高表面张力的液体则会在表面上仍以液滴的形式存在，且其具有大于零的接触角。强疏水性固体具有较低的临界表面张力。例如，文献引用的聚四氟乙烯(PTFE)的临界表面张力为18.5mN/m,且涂有十七氟代-1，1，2，2-四氢-癸基-三氯硅烷的固体的临界表面张力的文献值为12mN/m。相反,钠钙玻璃和二氧化硅的临界表面张力的文献值分别为47和78mN/m。我们已发现可通过使用具有低表面张力的极疏水油(优选为硅油)以及逐步增加乙醇比例的乙醇和水的混合物摇动固体而对颗粒固体表面的疏水性进行模拟测量。这可以在室温20°C下完成。在CRC Handbook of Chemistry and Physics第86版第6部分的第131页有多种乙醇和水的混合物的表面张力的列表。也可对纤维进行该测量。在水相中(即，乙醇和水的混合物)增加乙醇的比例可降低其表面张力。最后，当水相的表面张力很低，以至于固体不能再通过油附聚时，可达到一个点。在通过油无法进行附聚时的边界值为固体疏水性的量度，且我们会将其称为“附聚极限表面张力”或ALST。我们已经观察到在与油接触时可从去离子水中的悬浮液进行自发聚集的颗粒固体的ALST值始终约为40mN/m或更小。该ALST测试覆盖实际利益的值的范围，但应理解如果未发生附聚，该测试不会给出以数字表示的ALST值，但会表明表面不具有40mN/m或更小值的ALST值。此外，如果表面的ALST值低于纯乙醇(20V为22.4mN/m)的表面张力，该测试将不给出以数字表示的ALST值，但将显示ALST值不高于22.4mN/m。当颗粒材料或纤维不具有固有的疏水性，可使用不同方法以改性颗粒或纤维的表面，以使其变得更疏水-这些方法包括下列方法，其中前三种方法提供了通过共价键合将涂层结合至基质上。有机娃烧可用于将疏水性有机基团附至轻基官能化的矿物基质，如_■氧化娃、娃酸盐和铝硅酸盐所组成的支撑剂。众所周知，可使用具有一个或多个功能集团(例如:氨基、环氧基、酸氧基、甲氧基、乙氧基或氣基)的有机娃烧以将疏水性有机层涂至_■氧化娃上。可在有机溶剂中或汽相中进行该反应(可参见实例Duchet等人，Langmuir (1997)第13 卷第 2271-78 页)。也可使用有机钛酸盐和有机锆酸盐，如美国专利4623783所公开的那些。文献表明有机钛酸盐可用于修改不含表面羟基基团的矿物，其可扩展材料的范围使其进行表面改性,例如包括碳酸盐和硫酸盐。缩聚工艺可用于涂覆含有通式为P-(CH2)3-X的有机官能化配体集团的聚硅氧烷涂层，其中P为三维二氧化硅类网络，且X为有机官能团。该工艺涉及四烷氧基硅烷Si (OR) 4和三烷氧基硅烷(RO)3Si(CH2)3X的水解缩聚。此类涂层的优点为可通过采用Si (OR)4和(RO) 3Si (CH2) 3X不同摩尔比而制备涂层，从而提供对所处理表面疏水性的“可调”控制。可使用一种流化床涂层工艺将疏水性涂层涂覆在颗粒固体基质上。涂层材料通常可以作为溶液而在有机溶剂中进行应用，然后则在流化床内蒸发溶剂。
可使用吸附方法将疏水涂层附至矿物基质上。单层表面活性剂可用于将矿物表面的润湿性从水湿改为油湿。也可通过吸附附加疏水改性的聚合物。在配制井筒流体前可作为单独的化学工艺进行上述表面改性工艺。并不一定要在井场进行这种使材料具有疏水性的预处理；事实上，可以在其他工业设施处完成预处理并将预处理材料运至井场。然而，也可在井场进行某些上述工艺，特别是吸附工艺，并将其作为混合程序的一部分，其中井筒流体则是在混合程序中制成的。本发明所用的固体颗粒材料的形状和大小可以有很大的不同。颗粒可以具有以砂粒为典型的形状，其中砂粒的形状可被粗略地描述成“更像球形而不是细长的”，其中最长尺寸与和其正交的最短尺寸之间的纵横比可能为5或更小甚或为2或更小。其它形状，如圆筒或立方体都是有可能的，特别是如果颗粒为所制造的陶瓷产品时。另一种可能性为固体颗粒可具有板状形式，如使用云母颗粒的情况一样。一般来说，中值粒度不可能大于5_且纵横比不可能超过25。中值粒度更可能为3mm或更小，且优选为1.6mm或更小。本发明的实施方案可以使用固体颗粒的混合物，其中中值粒度小于1_。可参考筛分粒度方便地指定粒度，如用于支撑剂材料的传统做法一样。美国石油协会推荐做法(API RP)标准56和60通过规定上下美国筛分粒度而指定了多个支撑剂尺寸。90%重量的样品应通过较大的筛，但却能保留在较小的筛上。因此，“20/40砂”意为具有粒度分布的砂，从而可使90%重量的砂通过20目(840微米)的筛，而却保留在40目(420微米)的筛上。相应地，90%重量的70/140砂样本可通过70目(210微米)筛，但却保留在140目(105微米)筛上，其中70/140砂为这些标准所识别的最小尺寸。应理解的是，对于通过上、下筛分粒度所指定的任何支撑剂而言，中值和平均粒度介于上、下筛分粒度之间。另一种用于确定颗粒尺寸的方法为常用的小角激光光散射技术，其更通常的叫法为激光衍射。用于实施此技术的仪器可从包括英国马尔文的Malvern Instruments Ltd.的多个供应商处获得。马尔文激光粒度仪为知名的用于确定单个颗粒体积的仪器，可使用仪器附带的计算机软件从马尔文激光粒度仪获得平均和中值粒度。当使用这种仪器确定粒度时，单个颗粒的尺寸被报告成相同体积的球形颗粒的直径，即所谓的“等效球体”。以DV，05或d5(l表示的体积中值直径为粒度值，从而使50体积％颗粒的体积大于直径为d5(l的球体的体积，且50%颗粒的体积小于直径为d5(l的球体的体积。如果颗粒大致为球球,则由小角激光光散射所确定的粒度与筛分所确定的粒度相类似。然后，以同样方式测得的d1(l和d9(l值则可方便的指出其粒度分布。样本中10%体积的颗粒具有小于d1(l的等效直径。90体积％的颗粒小于d9(l，因此10体积％的颗粒大于d9(l。d1(l和d9(l值越接近，粒度分布越窄。在本发明的第一颗粒材料为用于水力压裂的支撑剂的形式中，第一颗粒可具有上限尺寸，其类似于传统支撑剂的尺寸，如10目(2毫米)或20目(840微米)。其粒度特性可以如下:
权利要求
1.一种井筒流体，其包括水性载液、悬浮在其中的疏水性纤维、同样悬浮在所述载液中的疏水性颗粒材料，以及用于湿润所述颗粒的表面并将其绑定在一起用作附聚物的气体。
2.根据权利要求1所述的流体，其中所述悬浮颗粒材料的颗粒比重至少为1.8且其最大尺寸不大于1.0mm。
3.根据权利要求1或2所述的流体，其中90体积％的颗粒材料具有最大的粒度，所述最大粒度小于所述纤维的中值长度的1/5，且所述颗粒材料与纤维的比值以体积计位于30:1至3:1的范围中。
4.根据权利要求3所述的流体，其中所述疏水性颗粒材料的体积中值粒度d5(l不大于200微米，其被确定为等效体积的球体的中值直径，且所述纤维的长度为3mm或更长。
5.根据权利要求1至4任一项所述的流体，其中所述疏水性颗粒材料为具有疏水性表面涂层的颗粒材料，且所述纤维为具有疏水性表面涂层的玻璃纤维。
6.根据权利要求1所述的流体，其中所述水性载液基本上不含增粘聚合增稠剂，且当在20°C以100秒―1的剪切速率测量粘度时，其粘度小于15厘泊，且其中所述水性载液包含一种或多种减阻剂，其总量不大于I % (重量)。
7.—种在地下传送颗粒材料的方法，其包括在地下供应流体组合物，所述流体组合物包括其中悬浮有疏水性纤维和疏水性颗粒材料的水性载液，所述流体还包括湿润所述颗粒和纤维的表面并将其绑定在一起的气体，从而在地下通过所述气体将所述颗粒材料和纤维的附聚物结合在一起。
8.根据权利要求7所述的方法，其包括经井筒将所述组合物以这样的方式传送至地下位置:防止在所述井筒中产生附聚，却可允许在所述地下位置发生附聚。
9.根据权利要求8所述的方法，其包括经井筒将所述载液、所述疏水性纤维、所述颗粒材料和所述气体传送至地下位置，但在沿所述井筒向下运行的至少部分中，防止所述气体与所述纤维和颗粒的疏水性表面之间的接触。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述井筒定义了至少两个单独的导管，所述方法包括沿一个导管传送载液以及纤维和颗粒材料，且沿另一个单独导管传送气体。
11.根据权利要求7至10任一项所述的方法，其中90体积％的所述颗粒材料具有最大粒度，其小于所述纤维中值长度的1/5。
12.根据权利要求7至11任一项所述的方法，其中所述疏水性颗粒材料的体积中值粒度d5(l不大于200微米，其被确定为等效体积的球体的中值直径，且所述纤维的长度为3mm或更长。
13.根据权利要求7至12任一项所述的方法，其中所述颗粒材料与纤维的比值以体积计位于30:1至3:1的范围中。
14.根据权利要求7至13任一项所述的方法，其中所述第一颗粒材料具有疏水性表面涂层且所述纤维为具有疏水性表面涂层的玻璃纤维。
15.根据权利要求7至14任一项所述的方法，其为水力压裂的方法，在压力下将为压裂液的所述组合物向下泵入所述井筒以导致渗透性不超过10毫达西的地下储层压裂，且将所述第一颗粒材料作为支撑剂以在压裂中保持打开多孔流路。
全文摘要
一种井筒流体，其包括水性载液、悬浮在其中的疏水性纤维、同样悬浮在所述载液中的疏水性颗粒材料，以及用于湿润颗粒的表面并将其绑定在一起用作附聚物的气体。所述载液可为滑溜水压裂液且可用于压裂密集的气藏。使用疏水性颗粒材料、疏水性纤维和气体的组合可抑制所述颗粒材料从水性液体中沉淀出来。因为所述气体会起作用以湿润材料和其附聚物的表面，可将所述颗粒材料粘附在所述纤维上；所述纤维会形成一个网络，其会阻碍附至所述网络的所述颗粒材料的沉降，且所述附聚物含有气体，因此其堆积密度小于所述附聚物中所含固体的比重。
文档编号E21B43/26GK103180547SQ201180051165
公开日2013年6月26日 申请日期2011年8月15日 优先权日2010年8月25日
发明者特雷弗·休斯, 叶夫根尼·巴尔马托夫, 吉尔·格迪斯, 米歇尔·富勒, 布鲁诺·德罗肖恩, 谢尔盖·马卡雷切夫-米哈伊洛夫 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司