提高水力压裂作业效率的方法

提高水力压裂作业效率的方法
【专利摘要】通过多区域化完全的井穿过的地下地层的多个区域可以通过以处于或者高于地下地层的压裂压力向一个或多个区域中泵入酸化溶液来压裂。在裂缝在地层中产生或者扩大之后，将移置流体泵入地层中，来将酸化溶液进一步推入裂缝中。
【专利说明】提高水力压裂作业效率的方法 发明领域
[0001] 本发明涉及提高水力压裂处理多区域地下地层的作业效率的方法，所述方法通过 向地层中泵入酸化溶液来产生或者扩大地层中的裂缝的几何形状。
[0002] 发明背景
[0003] 压裂是用于增加从被油、气体或者地热井穿过的地下地层中生产烃的一种常用的 增产方法，并且特别适于从低透过性地层中生产流体和天然气。通常在水力压裂中，将含有 支撑剂的压裂流体以足以产生或者扩大地下地层内裂缝的压力注入井中。支撑剂在从压裂 的地层中回收烃的过程中保持裂缝打开。
[0004] 通常，地下地层具有所关注的多个不同的生产区域。在从井中生产流体的过程中， 通常令人期望的是建立与仅所关注的区域的连通，以使得增产处理不会无意中流入非生产 区域或者不关注的区域。随着井的寿命下降和井的生产率降低，选择性增产变得重要。
[0005] 就具有多个关注的生产区域的地下地层而言，所关注区域的套管在穿孔和增产之 后，在可以开采另一关注区域之前必须是水力隔离的。区域的隔离经常由在所关注区域下 插入机械塞来组成。塞将井的部分与井的较低部分（或者其余部分）水力隔离。较低区域 的隔离确保了泵入井中的压裂流体被导向所关注的区域。
[0006] 通常，在地层的那些区域进行了裂缝生长，所述区域表现出最小的应力量。当裂缝 延伸穿过地层时，裂缝变得偏离它的初始方向（即，引起裂缝时所产生的方向）并不寻常 的。
[0007] 近钻井孔曲折度是紧围钻井孔的复杂的裂缝几何形状的结果并且可以由不同因 素引起：包括（a)钻井孔或者穿孔与远场优选的裂缝平面的未对准造成近钻井孔区域中逐 步的或者尖锐的裂缝曲率；(b)引起了多个裂缝，其与裂缝宽度相竞争；（c)水力裂缝与天 然或者钻探导致的裂缝的交叉；或者（d)水泥套和套管或者水泥套和地层之间由于不充分 的胶合引起的裂缝生长。
[0008] 曲折度已是用于页岩和气密的水力压裂处理的最大挑战之一，导致高的近钻井孔 摩擦压力，过早的筛出，降低的处理速率和差的生产结果。已经应用了几个解决方案，取得 了不同程度的成功，但是经常除了挫败的努力之外还是导致失败。
[0009] 考虑到裂缝路径的曲折度，钻井孔流体需要更高的泵送速率和压力，以使得流体 可以克服路径产生的摩擦力。一种改进压裂处理之前注入压力的常规方法是将小体积（通 常小于lObbls)的盐酸（HC1)或者有机酸作为压力处理之前的"前锋（流体）"来泵送，目 的是溶解堵塞穿孔的碳酸盐材料和其他可溶性材料。
[0010] 高曲折度会严重影响多区域水力压裂处理的效率。在一些情况中，流体从区域的 回收受到与曲折度抗衡的花费和时间的限制。在这样的情况中，虽然所述区域具有返回流 体的希望，但是操作者不会尝试来从所述区域回收任何的流体。在其他情况中，在回收最大 量的流体之前，具有高的流体返回潜力的区域被密封和隔离。
[0011] 在裂缝处理过程中高的曲折度进一步增加了进行压裂处理所需的表面处理压力 和因此注入压力和水力马力。通常在原位条件即当应力重新定向裂缝的方向时，需要增加 压力来将流体泵入裂缝中。当所处理的井是密封的和/或可能表现出高曲折度的裂缝时更 是如此。在一些情况中，压裂所需的表面处理压力会超过表面装置的限度，这阻止了压裂处 理的进行。
[0012] 曲折度还增加了过早筛出（早期作业终止）的风险，这归因于支撑剂在近钻井孔 区中的桥连。为此原因，支撑剂的浓度可以降低到比所期望的低，来避免早期筛出、过早作 业终止和在接下来的区域可以进行压裂之前支撑剂从钻井孔中昂贵的清除作业。归因于近 钻井孔的复杂裂缝几何形状的扼流效应也会明显降低井的生产率。
[0013] 缓解预先存在的曲折度问题的传统方法已包括将支撑剂块（例如砂块）和/或粘 性流体泵入裂缝中，重新穿孔裂缝和注砂。最普遍的是使用支撑剂块来侵蚀裂缝系统或者 堵塞不太传导的裂缝和泵送高粘性流体来产生额外的裂缝宽度。使用这些技术两者，支撑 剂块或者粘性流体是在压裂速率和压力注入的，并且通过逐步降低的诊断注入/压力下降 测试进行，来测量剩余曲折度的量。筛出的风险经常是通过泵送支撑剂块而增加的。这会 导致在压裂作业可以重新开始之前，昂贵的和耗时的清除以从钻井孔中除去沙子。在其中 显示了很少的或者没有改进的严重的情况中，穿孔的间隔被隔离或者放弃，并且使用不同 方法穿孔的新间隔有望产生较低的曲折度。方法是逻辑上复杂的和需要极大的时间和引入 高体积的流体到待压裂的每个间隔中。
[0014] 因此，已经寻求用于在多个区域中压裂地下地层的替代方案，其中区域的至少一 个受到高曲折度的影响。令人期望的是所开发的替代方案不仅将改进压裂效率，而且通过 需要比目前提供的那些方法更少的时间和更少的花费来获得更大的作业效率。
[0015] 发明简述
[0016] 本发明的方法由以下组成：改进被多区域化完全的井穿过的地下地层的压裂作业 的效率，这通过以处于或高于地下地层的压裂压力将酸化溶液泵入一个或多个区域中，然 后将移置流体（displacement fluid)泵入该区域。酸化溶液被认为是一种预压裂流体，其 含义是它是在引入压裂流体之前引入地层的。对于每个待压裂的区域而言，将酸化溶液而 非压裂流体用于在引入压裂流体（或者前置流体）之前在地层中产生裂缝。
[0017] 在一个实施方案中，压裂地层的多个区域包括以处于或高于压裂压力将缓冲的酸 化溶液泵入地层的第一区域中，来产生或者扩大该区域中的裂缝，然后将流体泵入区域，所 述流体移置（displace)酸化溶液来进一步进入裂缝中。在回收了流体之后，将第一区域隔 离并然后在第二区域中重复。
[0018] 在另一实施方案中，压裂地层的多个区域包括在单个步骤中，以处于或高于地下 地层的压裂压力向地层的第一区域中泵入酸化溶液，然后将移置流体泵入区域。在回收了 流体之后，将第一区域隔离和将酸化溶液泵入第二区域，随后是移置流体。该移置流体可以 是前置流体、压裂流体或者前置流体和压裂流体的组合。
[0019] 在另一实施方案中，压裂地层的多个区域包括以处于或高于地下地层的压裂压力 使用一个或多个泵来将酸化溶液泵入地层的第一区域并产生或者扩大该区域中的裂缝，然 后将移置流体泵入该区域。在第一区域隔离之后，可以在第二区域重复该过程。泵可以在 该过程中连续运行。因为泵可以在酸化阶段和回收阶段之间连续运行，因此多区域处理可 以在非常短的时间内进行，这使得筛出的风险最小化。
[0020] 在另一实施方案中，在压裂被多区域化完全的（multi-zoned completed)井穿过 的多个区域地下地层中的作业效率通过以下进行：降低地层的一个或多个区域中的曲折 度一这通过以处于或高于地下地层的压裂压力将酸化溶液泵入所述区域来产生或者扩大 裂缝和然后将移置流体泵入该区域来实现。
[0021] 使用酸化溶液来在地层的区域中产生或者扩大裂缝降低了随后的压裂处理所需 的处理压力，改进了钻井孔/裂缝连接，和降低了近钻井孔摩擦压力。
[0022] 酸化溶液是HF、HC1、泥酸或者有机酸的酸性水溶液。在一个优选的实施方案中， 酸化溶液是HF的酸性水溶液。酸化溶液可以包括一种或多种膦酸或者其盐以及酯。
[0023] -种优选的酸化溶液是非沉淀制剂，S卩，其在与地层反应时不形成损害性沉淀物 的制剂，可以在单个阶段中泵送，无需酸预冲洗或者后冲洗。因为酸化溶液可以非沉淀的， 因此岩石基质和改进的裂缝体系二者保持清洁和处于非损害的条件中。不存在预冲洗和任 选的不存在后冲洗，使得与储集层岩石不期望的反应的风险最小化。此外，由于不需要使用 预冲洗溶液，因此该方法降低了铁基沉淀物的产生。
[0024] 优选实施方式的详述
[0025] 多区域化完全的井的区域可以根据本文所述的方法来分别处理。该方法解决了由 于近钻井孔曲折度引起的井处理中出现的复杂性。尽管注入压力会受阻于现有技术的方 法，但是注入压力非常可能通过本文所述的方法来改进（降低）。
[0026] 所述方法包括将酸化溶液泵入井中来产生和/或扩大裂缝的步骤。酸化溶液在引 入前置流体（通常不包含支撑剂的流体）和/或压裂流体（通常包含支撑剂的流体）之前 泵入井中。酸化溶液打开了和/或将由裂缝产生的路径加宽到更宽和用于降低从钻井孔到 裂缝的摩擦压力的下降。结果，前置流体和/或压裂流体可以更容易地以低压泵送。本文 所述的方法改进了注入速率和因此特别适用于其中多个窄的裂缝在地层的区域中产生的 那些情况。
[0027] 压裂作业的运行效率得以改进，这是因为压裂可以在比不使用酸化溶液来产生或 者扩大裂缝的压裂通常所需的更低的压力进行。因此可以快速处理地层的多个区域和延长 的裂缝长度。方法允许以快速连续的次序来进行单个的裂缝处理或者阶段。在大多数情况 中，在所述阶段之间不必需停泵。这进一步改进了压裂作业的作业效率。
[0028] 因为所述方法可以在低压进行，因此可以成功地压裂地层内表现出曲折度的区 域。这使得放弃区域的需要最大地最小化和在大多数情况中被消除，因为需要较少体积的 流体、较低的压力和较短的时间来成功地压裂所述区域。
[0029] 在传统的方法中，增加的压力阻止了压裂流体中支撑剂负载量的增加，因为支撑 剂浓度的增加需要更大的注入速率来将压裂流体置于所产生的或者扩大的裂缝中。不同于 常规的体系（其需要将压力增加到这样的程度，即泵送压裂流体变得困难或者不可能），这 里所述的方法特征在于较低的注入速率和因此允许在高曲折度区域中完成压裂作业。
[0030] 此外，因为本发明的方法需要比常规方法所需更低的注入速率，因此较高浓度的 支撑剂可以被进一步引入到显示出高曲折度或者增加的裂缝长度的区域中。
[0031] 因此，本文所述的方法可以使用比现有技术方法所用的那些更低的压力来赋予相 同的结果。在一些情况中，与常规的用相等的流体注入速率进入地层的压裂方法相比，本文 所述的方法将注入压力降低了 60%之多。当本文所述的压裂作业是在表面装置所允许的最 大压力进行时，可以引入地层中的流体注入速率是高得多的。（为了本文的目的，"最大压 力"指的是压裂作业可以进行，而不损坏表面装置的最高压力）。这进一步增强了压裂作业 的效率。此外，在一些情况中，在最大压力时，前置流体和/或压裂流体的注入的速率（注 入速率）相比于常规方法增加了两倍。因此，本发明的方法提供了用于完成压裂作业的改 进的注入性。
[0032] 此外，本发明的方法提供了高的经济可行性，因为增加数目的单个压裂阶段可以 在短时间内在所选择的区域中进行。不同于传统方法（其中高曲折度间隔被绕过或者其中 曲折度是通过耗时的多次注入支撑剂块、粘性流体和诊断测试来降低的），本文提供的方法 更简单和容易地解决完全多区域化井的区域中的曲折度问题。
[0033] 本文所述的方法可以用于被水平井或垂直井穿过的多区域地层。作为本文所使用 的，水平井指的是任何偏离的井。这些井可以包括例如任何偏离真垂线大于60度的井。该 方法特别有利的用于水平井中。
[0034] 不同于基质的酸化（其中酸化溶液在基质压力下（低于压裂压力）注入来改进地 层的近钻井孔基质透过性），本文所述方法的酸化溶液是以这样的压力注入地层的，该压力 大于压裂地层所需的压力。相反地，在基质酸化中，避免压裂地层，因为这将导致岩石基质 的低效增产。此外，因为基质酸化溶液与地层材料反应来形成不溶性沉淀物（其会堵塞基 质），因此在基质酸化中需要特别小心以通过使用酸预和后冲洗来除去这些地层材料来避 免这样的反应。因此，与基质酸化相反，本文所述的方法通过以下方式来提供改进的裂缝 连接性：在足以产生裂缝的高压下注入酸化溶液以使得该酸化溶液不需要预冲洗或者后冲 洗。
[0035] 在方法中，裂缝是在多区域完全的井的所关注的区域中通过注入（优选以单个步 骤）酸化溶液来引发的。
[0036] 裂缝的引发是在足以产生或者扩大在区域中的裂缝的压力下发生的。裂缝引发无 需使用酸预冲洗来发生。
[0037] 酸化溶液处理之后，可以紧随前置流体或者压裂流体的注入用于建立增加的裂缝 宽度和控制初始流体损失。用前置流体和/或压裂流体移置酸化溶液可以处于恒定的泵送 速率或者使用短的泵送脉冲。在压裂流体中的支撑剂在流体从地层回收过程中使裂缝保持 打开。在一些情况中，不必需使用前置流体，以使得可以将压裂流体引入地层，而没有前置 流体占先。
[0038] 用于注入酸化溶液和前置流体和/或压裂流体的泵送速率可以是大约0. 5-大约 lOObpm和可以进一步基于套管尺寸，井长度和地层力学性质来调整。受益于本发明的本 领域技术人员认识到存在着任何类型的计算机模型和方法，通过其可以确定合适的泵送速 率。
[0039] 合适的压裂流体是本领域已知那些的任何一种，包括线性和交联的流体。合适的 支撑剂包括任何常规的支撑剂，其包括相对轻重量的支撑剂（表观比重低到1.05)以及常 规的支撑剂例如沙、矾土、陶瓷等。
[0040] 在完成从所关注的区域中回收流体之后，该所关注的区域可以被密封，而无需停 止泵。该区域可以通过常规手段（例如通过滑动套筒和球座）相对于其他区域密封。因此 在作业过程中泵送可以持续进行，在一个区域密封时，在接下来所关注的区域中开始泵送。
[0041] 本文所述的方法的酸化溶液改进了钻井孔-裂缝连接和降低所关注的区域的地 层中的曲折度。酸化溶液的注入降低了压裂作业中的处理压力，这是因为酸化溶液蚀刻或 者溶解了部分的裂缝面或者裂缝壁，并由此产生了更大的空间用于前置流体或者压裂流体 通过和在低压下的注入。因此，使用本文所述的方法非常有益于特征为紧密的或者窄的裂 缝的那些地层，其通常难以通过常规方法来打开和扩大。此外，通过与裂缝表面反应，酸化 溶液清洁、扩大、简化和改进了多区域裂缝完全的井的所关注区域中近钻井孔裂缝体系的 连通性。避免了粘性流体和沙或者支撑剂块和诊断测试二者。这依次消除了筛出的可能性 和明显简化了作业的物流。
[0042] 方法进一步通过提供多个井裂缝处理来为多个区域化地层的压裂中提供更大的 效率。方法可以在具有多个区域的井中进行，在某些情况中具有2-100个区域。压裂进行时 的速度不允许使用标准诊断测试来确定曲折度。另外，方法使得将支撑剂块和粘性流体泵 入裂缝，重新穿孔裂缝或者喷砂成为不必需的。方法可以在无需在酸化阶段和压裂阶段之 间停止和无需在所关注的接下来的区域的压裂阶段、密封阶段和酸化之间停止而进行。因 此，方法提供了增加的运行效率，同时具有最小的延迟。此外，通过在每个间隔阶段中降低 近钻井孔曲折度，改进了随后的支撑水力裂缝处理的可行性和成功。
[0043] 酸化溶液通常是缓冲的和表现出大约1. 9-大约4. 8,更典型地为大约2. 5-大约 4. 5的pH。酸化溶液是氢氟酸（HF)、盐酸（HC1)或者泥酸（HF酸在HC1中的稀释物，通常通 过将二氟化铵溶解在HC1中来制备）的酸性水溶液。尽管HC1被认为是强酸，但是根据定 义，HF酸是弱酸，其仅仅部分溶解在水中，pKa = 3. 19。酸化溶液可以进一步包含弱有机酸 例如乙酸和甲酸或者其组合。在一个优选的实施方案中，酸化溶液包含HF的酸性水溶液。
[0044] 酸在酸化溶液中的量通常是大约0. 5-大约20. 0重量百分比，优选大约1. 5-大约 6. 0重量百分比。
[0045] 在一个优选的方式中，除了 HC1和/或HF之外，酸化溶液可以包含有机酸，其有助 于粘土矿物上的延迟反应，由此明显减慢了 HF酸反应速率。酸化溶液可以包含一种或多种 膦酸或者其盐以及酯。这样的体系可以包含下式的膦酸酯（盐）材料：
[0046]
【权利要求】
1. 压裂被井穿过的多区域地下地层的方法，其包括： (a) 在单个步骤中向地下地层的第一区域中注入酸化溶液，其中所述酸化溶液是以足 以产生或者扩大第一区域中的至少一个裂缝的压力注入的； (b) 注入前置流体、压裂流体或者前置流体和压裂流体二者，和移置酸化溶液来进一步 进入所产生的或者扩大的裂缝中， 其中： (i) 在步骤（a)前，预冲洗液不注入第一区域中；和 (ii) 在步骤（a)后，后冲洗液不注入第一区域中； (c) 在地层中相对于其他区域密封第一区域； (d) 在多区域地下地层的至少一个其他区域中重复步骤（a)、（b)和（c)。
2. 权利要求1的方法，其中所述酸化溶液是缓冲的HF-酸化溶液。
3. 权利要求2的方法，其中所述缓冲的酸化溶液的pH是大约1. 9-大约4. 8。
4. 权利要求3的方法，其中所述缓冲的酸化溶液的pH是大约2. 5-大约4. 5。
5. 权利要求2的方法，其中所述缓冲的酸化溶液进一步包含下式的膦酸酯（盐）：
其中Rl、R2和R3独立地选自氢、烷基、芳基、膦酸酯（盐）、磷酸酯（盐）、酰基、胺、羟 基和羧基，和R4和R5独立地选自氢、钠、钾、铵或者有机基团。
6. 权利要求5的方法，其中所述缓冲的酸化溶液进一步包含选自柠檬酸、乙酸、甲酸及 其混合物的酸。
7. 权利要求1的方法，其中所述酸化溶液是缓冲的HF-酸化砂岩。
8. 权利要求6的方法，其中所述缓冲的酸化溶液包含大约1-大约50重量百分比的柠 檬酸、高达大约20重量百分比的HF和大约0. 5-大约50重量百分比的膦酸酯（盐）化合 物。
9. 压裂被水平井或垂直井穿过的多区域地下地层的方法，其包括： (a) 向地下地层的第一区域中注入酸化溶液，其中所述酸化溶液是以足以产生或者扩 大第一区域中的至少一个裂缝的压力注入的，其中所述至少一个裂缝由裂缝面和裂缝壁限 定； (b) 用酸化溶液蚀刻或者溶解步骤（a)的至少一部分的裂缝面或者裂缝壁； (c) 注入前置流体、压裂流体或者前置流体和压裂流体二者到第一区域中，和移置至少 一部分的酸化溶液来进一步进入所产生的或者扩大的裂缝中； (d) 密封第一区域； (e) 在多区域地下地层的至少一个其他区域中重复步骤（a)、（b)、（c)和（d)。
10. 权利要求9的方法，其中所述酸化溶液是缓冲的HF-酸化溶液。
11. 权利要求10的方法，其中所述缓冲的酸化溶液的pH是大约1. 9-大约4. 8。
12. 权利要求10的方法，其中所述缓冲的酸化溶液进一步包含下式的膦酸酯（盐）：
其中Rl、R2和R3独立地选自氢、烷基、芳基、膦酸酯（盐）、磷酸酯（盐）、酰基、胺、羟 基和羧基，和R4和R5独立地选自氢、钠、钾、铵或者有机基团。
13. 权利要求12的方法，其中所述缓冲的酸化溶液进一步包含选自柠檬酸、甲酸、乙酸 及其混合物的有机酸。
14. 权利要求13的方法，其中所述缓冲的酸化溶液包含大约1-大约50重量百分比的 柠檬酸、高达大约20重量百分比的HF和大约0. 5-大约50重量百分比的膦酸酯（盐）化 合物。
15. 降低在被多区域化完全的井穿过的地下地层的多个区域中的曲折度的方法，其包 括： (a) 用一个或多个泵向地下地层的第一区域中泵入酸化溶液，其中所述酸化溶液以足 以产生或扩大第一区域中的至少一个裂缝的压力泵入，和进一步地，其中没有预冲洗液泵 入第一区域； (b) 通过用步骤（a)的一个或多个泵将前置流体、压裂流体或者前置流体和压裂流体 二者泵入第一区域中，来将酸化溶液进一步送入所产生的或者扩大的裂缝中； (c) 密封第一区域； (d) 在多区域地下地层的至少一个其他区域中重复步骤（a)、（b)和（c)， 其中每个区域中的曲折度通过酸化溶液产生或者扩大裂缝来降低。
16. 权利要求15的方法，其中所述酸化溶液是缓冲的HF-酸化溶液。
17. 权利要求16的方法，其中所述缓冲的HF-酸化溶液是砂岩酸。
18. 权利要求17的方法，其中所述砂岩酸包含大约1-大约50重量百分比的柠檬酸、高 达大约20重量百分比的HF和大约0. 5-大约50重量百分比的膦酸酯（盐）化合物。
19. 权利要求15的方法，其中在步骤（a)后，后冲洗液不注入第一区域中。
20. 权利要求15的方法，其中所述一个或多个泵贯穿步骤（a)至（c)中连续运行。
【文档编号】C09K8/72GK104053745SQ201380005736
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年1月25日 优先权日:2012年1月27日
【发明者】J·A·科蒂斯, J·R·戈梅兹卡萨诺瓦 申请人:贝克休斯公司