利用地聚合物前体液的脉冲水力压裂的制作方法

优先权要求

本申请要求2017年9月21日提交的美国专利申请号15/711,889的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

本发明涉及利用地聚合物(geopolymer)前体液将储层脉冲水力压裂以得到在储层中的分离的地聚合物支撑剂柱(pillar)。

背景技术：

压裂增产处理的成功至少部分地取决于用于防止所产生的裂缝在处理之后闭合的支撑剂的强度和分布。即使是对于在整个裂缝几何结构上具有高支撑剂布置效率的简单且普遍的特征来说，当前的数学和工程概念仍将裂缝的流动能力高估了几个数量级。支撑剂填充层(pack)渗透率可能由于多种因素的组合而降低，如来自差的凝胶回收的残留损害、细粒迁移、多相流、流体动量损失、曳力、毛细管力以及支撑剂破碎和嵌入。在一些情况下，常规支撑剂填充层由于凝胶损害、细粒迁移、多相流和非达西渗流而损失多达99％的初始导通性。

技术实现要素：

在第一总体方面，将储层压裂包括：通过在井中的井眼向储层提供前置液以在储层中产生裂缝，通过井眼向裂缝提供压裂液，通过井眼向裂缝提供地聚合物前体液，和在井眼压力下对井眼进行关井，从而使地聚合物前体液在裂缝中硬化并且形成地聚合物支撑剂柱(pillar)。

向裂缝提供地聚合物前体液包括将一定量的地聚合物前体液脉冲加入(pulsing)到压裂液的连续流中，或交替地脉冲加入一定量的地聚合物前体液和压裂液。在脉冲加入一定量的地聚合物前体液之间经过的时间为2秒至20分钟。

第一总体方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

前置液可以包括滑溜水(slickwater)、线性凝胶、交联凝胶或粘弹性表面活性剂液。压裂液可以包括滑溜水、线性凝胶、交联凝胶或粘弹性表面活性剂液。在一些情况下，压裂液包括最大12磅/加入加仑的支撑剂负荷。

地聚合物前体液一般包含铝硅酸盐、碱性试剂和增渗剂。铝硅酸盐可以包括以下各项中的至少一种：煅烧粘土、高岭石粘土、红粘土、火山岩、尾矿、高炉渣和煤飞灰。碱性试剂可以包括硅酸钠和硅酸钾中的至少一种。增渗剂可以包括聚乳酸，如珠、纤维或织物形式的聚乳酸。增渗剂可以包括以下各项中的至少一种：树脂、盐、苯甲酸和蜡珠。盐可以包括酸式盐。地聚合物前体还可以包含促进剂或缓聚剂。在一些情况下，地聚合物前体液为第一地聚合物前体液，压裂液为第二地聚合物前体液，并且第一地聚合物前体液和第二地聚合物前体液在组成方面不同。

在一些实施方案中，在脉冲加入一定量的地聚合物前体液之间经过的时间为10秒至1分钟。在一些实施方案中，脉冲加入一定量的地聚合物前体液包括将离散量的地聚合物前体液脉冲加入到压裂液的连续流中，或交替地脉冲加入离散量的地聚合物前体液和离散量的压裂液。离散量的地聚合物前体液通常彼此间隔开。脉冲加入一定量的地聚合物前体液可以包括以1桶/分钟至120桶/分钟的速率注入地聚合物前体液，或以5桶/分钟至50桶/分钟的速率注入地聚合物前体液。

第一总体方面的实施方式可以包括：在向裂缝提供压裂液和地聚合物前体液之后，向裂缝提供额外流体的连续流。在一些情况下，地聚合物前体液为第一地聚合物前体液，并且额外流体为第二地聚合物前体液。在某些情况下，压裂液为第一压裂液，并且额外流体为第二压裂液。第二压裂液可以包括最大12磅/加入加仑的支撑剂负荷。

在一些实施方案中，地聚合物支撑剂柱的抗压强度超过储层的上覆岩层压力。地聚合物支撑剂柱的抗压强度可以在500磅/平方英寸至20,000磅/平方英寸的范围内。地聚合物支撑剂柱的渗透率可以在0.00001达西至20,000达西的范围内。

利用地聚合物前体液的脉冲水力压裂得到提高的生产率。此外，因为地聚合物前体液在储层中硬化而形成支撑剂柱，所以减少或消除了对支撑剂的需求。当与常规处理相比时，本文中描述的方法和系统有利地降低了支撑剂成本、泵送马力和凝胶损害。本文中描述的方法和系统还减少了支撑剂在泵送过程中筛出的机会。

附图说明

图1示出了一种用于井的示例性水力压裂处理。

图2是一种利用地聚合物前体液的脉冲水力压裂的方法的流程图。

图3a示出了在压裂液的连续流中的脉冲量的地聚合物前体液之间经过的时间。图3b-3d示出了在脉冲量的地聚合物前体液和压裂液之间经过的时间。

图4示出了在裂缝中的地聚合物支撑剂柱的横截面图。

具体实施方式

为了避免储层中支撑剂填充层的导通性的损失，形成分离的支撑剂柱以支撑裂缝并且保持其开放。分离的支撑剂柱形成导通通道，所述导通通道提供对烃流具有高导通性的路径。如本文中所述，通过以下方式产生稳定的支撑剂柱：在相容的压裂液内提供地聚合物前体液的脉冲，或在裂缝压力下使地聚合物前体液的脉冲与相容的压裂液的脉冲交替通过井眼进入到储层中。地聚合物前体液包含铝硅酸盐、碱性试剂和增渗剂。脉冲注入模式使地聚合物前体液以分离的分布形状填充裂缝，在裂缝中产生支撑剂柱。地聚合物前体液在储层中硬化而在裂缝中形成地聚合物支撑剂柱。

图1示出了用于井12的压裂处理10的一个实例。井12可以是储层或地层14，例如，其中实施除了常规回收操作以外的回收操作来回收圈闭烃的非常规储层。非常规储层的实例包括致密气砂、油气页岩、煤层甲烷、重油和焦油砂以及气体水合物沉积物。在一些实施方式中，地层14包括含有烃(例如，油、气体或两者)的天然破裂岩石的地下地层。例如，地层14可以包括破裂页岩。在一些实施方式中，井12可以贯穿其他合适类型的地层14，包括不以任何显著量天然破裂的储层。

井12可以包括井眼20、套管22和井口24。井眼20可以是垂直的或斜的井眼。套管22可以注水泥或以其他方式适当地紧固在井眼12中。可以在套管22中在地层14的水平处形成射孔26以使油、气体和副产物流动到井12中并且采出到地面25。射孔26可以使用射孔弹(shapecharge)、射孔枪或以其他方式形成。

对于压裂处理10，可以将工作管柱30设置在井眼20中。工作管柱30可以是连续油管、分段管或其他合适的油管。压裂工具32可以与工作管柱30的端部连接。封隔器36可以在地层14的上方和下方将井眼20的环空38密封。封隔器36可以是机械的、流体可膨胀的或其他合适的封隔器。

可以将一个或多个泵车40连接至在地面25处的工作管柱30。泵车40将流体58沿工作管柱30向下泵送以进行压裂处理10并且产生裂缝60。流体58可以包括前置液、压裂液、地聚合物前体液、其他适当的流体或它们的任意组合。泵车40可以包括移动车辆、设备如滑橇或其他合适的结构。

还可以在地面25处提供一个或多个仪器车44。仪器车44可以包括压裂控制系统46和压裂模拟器47。压裂控制系统46监测并且控制压裂处理10。压裂控制系统46可以控制泵车40和流体阀以停止和开始压裂处理10，以及停止和开始压裂处理10的前置液阶段、支撑剂阶段和/或冲洗液阶段。压裂控制系统46与地面和/或地下仪器通信以监测和控制压裂处理10。在一些实施方式中，地面和地下仪器可以包括地面传感器48、井下传感器50和泵控制器52。

为了在储层或地层14中产生裂缝60而由压裂控制系统46施加的能量的量可能不仅受地层中的储层岩石的性质影响，而且受在岩石基体内交织的有机质(例如，干酪根75)影响。

图2是示出在用于利用地聚合物前体液将储层压裂的过程200中的操作的流程图。地聚合物前体液一般为包含铝硅酸盐、碱性试剂和增渗剂的液体包固体型(solid-in-liquid)分散体，所述铝硅酸盐、碱性试剂和增渗剂可以分别以0.1体积％至95体积％、0.1体积％至60体积％和0体积％至95体积％的范围存在。地聚合物前体液中的固体组分的平均粒径一般为最大0.1μm或最大1cm。地聚合物前体液具有使其能够在裂缝内部流动并且使漏失最小化的粘度。在储层温度，粘度可以在0.01cp至10000cp的范围内。这样，地聚合物前体液可以用于在储层中产生裂缝。

地聚合物前体液的聚合生成地聚合物。如本文中使用的，“地聚合物”通常是指具有通过铝硅酸盐的聚合形成的si-o-al骨架的非晶聚合物。在一些实施方案中，地聚合物是完全无机的。在其他实施方案中，地聚合物包括有机部分。可以选择地聚合物前体液的组分以生成硅(si)与铝(al)的比率(si/al比)为约0.5:1至约2:1、约1:1至约2:1、约1:1至约1.5:1或约0.5:1至约1:1的地聚合物。

地聚合物前体液中的铝硅酸盐包括以下各项中的至少一种：煅烧粘土、高岭石、红土、火山岩、尾矿、高炉渣和煤飞灰。在一些实施方案中，铝硅酸盐包括偏高岭土(metakaolin)，其为高岭石的脱羟基形式。在一些实施方案中，铝硅酸盐包括低钙飞灰(astmf类飞灰)。在某些实施方案中，至少部分地由于大量钙干扰聚合过程以及随后的固化地聚合物的微观结构改变，钙飞灰相对于高钙飞灰(astmc类飞灰)是优选的。然而，至少部分地由于钙-铝-水合物和其他钙化合物的形成，具有较大量的钙的铝硅酸盐可以产生具有较高抗压强度的地聚合物。在一些实施方案中，铝硅酸盐包括飞灰。飞灰至少部分地由于其细的粒度而可以有利地用作铝硅酸盐。铝硅酸盐可以至少部分地基于源材料的颜色、粒度和纯度进行选择。

碱性试剂可以包括与铝硅酸盐反应生成地聚合物的任何碱性试剂。示例性的碱性试剂包括以下各项的水溶液：硅酸钠、硅酸钾、硅酸钙、硅酸铯、氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙。其他合适的碱性试剂包括缓冲剂，如氢氧化物、碳酸盐、碳酸氢盐、胺或它们的组合。

增渗剂包括在由地聚合物前体液形成的支撑剂柱内产生导通空隙空间的组分。增渗剂包括在储层中在环境条件下分解的组分，在储层中存在的水中溶解的水溶性组分，在地聚合物前体液中释放气体或泡沫的反应物，以及植物油。增渗剂的实例包括聚乳酸(例如，珠、纤维或织物的形式)、树脂、盐、苯甲酸和蜡珠。合适的盐包括氯化钠、氯化钙、氯化钾等。

在一些实施方案中，地聚合物前体液包含促进剂以加速地聚合物在储层中的形成。合适的促进剂的实例包括提高流体的ph的试剂，如氢氧化物、碳酸盐、碳酸氢盐、胺或它们的组合。

在一些实施方案中，地聚合物前体液包含缓聚剂以延缓地聚合物在储层中的形成。合适的缓聚剂包括产生酸的酯。合适的缓聚剂的实例包括聚乳酸、乙酸乙酯、丙酸乙酯、甲酸丙酯、丁酸甲酯和乙酸丙酯。

参照图2，在202中，通过井眼向储层提供前置液以在储层中产生裂缝。合适的前置液包括滑溜水、线性凝胶、交联凝胶或粘弹性表面活性剂液。“滑溜水”通常是指以高速率泵送以用低浓度的支撑剂产生窄的复杂裂缝的低粘度流体。“线性凝胶”通常是指在地面温度的粘度为最大约100cp的多糖如瓜尔胶、衍生化瓜尔胶、hec或黄原胶的未交联溶液。“交联凝胶”通常是指用交联剂如硼、锆、钛或铝交联并且在地面温度的粘度为约100cp至约1000cp的多糖如瓜尔胶、衍生化瓜尔胶、hec或黄原胶。“粘弹性表面活性剂液”通常是指在不使用聚合物添加剂的情况下产生适合于压裂操作的粘度的无聚合物流体。在一些实施方案中，前置液为地聚合物前体液。

在204中，通过井眼向裂缝提供压裂液。合适的压裂液包括滑溜水、线性凝胶、交联凝胶或粘弹性表面活性剂液。在一些实施方案中，压裂液为地聚合物前体液。压裂液可以包括最大约12磅/加入加仑的支撑剂负荷。

支撑剂可以是树脂涂覆的支撑剂、包封的树脂或它们的组合。支撑剂是在压裂处理期间或之后保持所引起的水力裂缝至少部分地开放的材料。可以使用流体如压裂液或其他流体将支撑剂输送到储层中和输送至裂缝。通过更有效地保持支撑剂在流体内处于悬浮状态，较高粘度的流体可以更有效地将支撑剂输送至裂缝中的所需位置，尤其是较大的支撑剂。支撑剂的实例包括：砂、砾石、玻璃珠、聚合物珠、来自贝壳和种子(如胡桃壳)的研磨产品、和人造材料(如陶瓷支撑剂、铝土矿、四氟乙烯材料(例如，teflon^tm，可由dupont得到))、果核材料、加工木材、由粘合剂和微细等级颗粒(如二氧化硅、氧化铝、煅制二氧化硅、炭黑、石墨、云母、二氧化钛、偏硅酸盐、硅酸钙、高岭土、滑石、氧化锆、硼、飞灰、空心玻璃微球、实心玻璃)制备的复合颗粒，以及它们的混合物。在一些实施方案中，支撑剂的平均粒度(其中粒度为颗粒的最大尺寸)可以为：约0.001mm至约3mm、约0.15mm至约2.5mm、约0.25mm至约0.43mm、约0.43mm至约0.85mm、约0.85mm至约1.18mm、约1.18mm至约1.70mm或约1.70至约2.36mm。在一些实施方案中，支撑剂可以具有在多个平均值如一、二、三或四个不同的平均粒度周围聚集的粒度分布。组合物或混合物可以包含任何合适量的支撑剂，如约0.000,1重量％至约99.9重量％，约0.1重量％至约80重量％，或约10重量％至约60重量％，或约0.000,000,01重量％以下，或约0.000001重量％，0.0001、0.001、0.01、0.1、1、2、3、4、5、10、15、20、30、40、50、60、70、80、85、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、99.9重量％、或约99.99重量％以上。

在206中，通过井眼向裂缝提供地聚合物前体液。在一些实施方案中，向裂缝提供地聚合物前体液包括将一定量的地聚合物前体液脉冲加入到压裂液的连续流中。一定量的地聚合物前体液可以是彼此间隔开的离散量。将一定量的地聚合物前体液脉冲加入到压裂液的连续流中可以通过压裂泵来实现。在一些实施方案中，向裂缝提供地聚合物前体液包括交替地脉冲加入一定量的地聚合物前体液和压裂液。一定量的地聚合物前体液可以是被一定量的压裂液彼此间隔开的离散量，反之亦然。

脉冲加入一定量的地聚合物前体液可以包括以1桶/分钟至120桶/分钟的速率或5桶/分钟至50桶/分钟的速率将地聚合物前体液注入2秒至10分钟或10秒至1分钟的泵送时间。脉冲加入一定量的压裂液可以包括以1桶/分钟至120桶/分钟的速率或5桶/分钟至50桶/分钟的速率将压裂液注入2秒至10分钟或10秒至1分钟的泵送时间。

在一些实施方案中，204中的压裂液为与206中的地聚合物前体液在组成方面不同的地聚合物前体液。在某些实施方案中，204中的压裂液包含与206中的地聚合物前体液不同的化学组分。在某些实施方案中，204中的压裂液包含不同浓度的与206中的地聚合物前体液相同的组分。

在208中，任选地通过井眼向裂缝提供额外流体。额外流体一般连续地提供(不是脉冲的)。额外流体一般为压裂液。压裂液可以包含支撑剂。在一个实例中，支撑剂负荷为最大约12磅/加仑。在一些实施方案中，额外流体为地聚合物前体液。该地聚合物前体液可以与206中的地聚合物前体液在组成方面不同。在某些实施方案中，208中的额外流体包含与206中的地聚合物前体液不同的化学组分。在某些实施方案中，208中的额外流体包含不同浓度的与206中的地聚合物前体液相同的组分。

在210中，在井眼压力下对井眼进行关井，从而使地聚合物前体液在裂缝中硬化并且形成地聚合物支撑剂柱。

图3a示出了在压裂液的连续流中的脉冲量的地聚合物前体液之间经过的时间(作为时间的函数)。波形300表示地聚合物前体液的脉冲流，并且波形310表示压裂液的连续流。波形300的地聚合物注入段302对应于注入地聚合物前体液的泵的运行(“泵打开”)。地聚合物注入段302的持续时间tg1一般在2秒至10分钟的范围内，或为10秒至1分钟，并且对于一个或多个地聚合物注入段来说可以相同或不同。地聚合物注入段302在时间上被地聚合物非注入段304间隔开。地聚合物非注入段304对应于注入地聚合物前体液的泵的停止(“泵关闭”)。地聚合物非注入段304的持续时间tg0一般在2秒至20分钟的范围内。

图3b示出了在脉冲量的地聚合物前体液和压裂液之间经过的时间。波形300表示地聚合物前体液的脉冲流，并且波形310表示压裂液的脉冲流。波形300的地聚合物注入段302对应于注入地聚合物前体液的泵的运行(“泵打开”)。地聚合物注入段302的持续时间tg1一般在2秒至10分钟或10秒至1分钟的范围内，并且对于一个或多个地聚合物注入段来说可以相同或不同。地聚合物注入段302在时间上被地聚合物非注入段304间隔开。地聚合物非注入段304对应于注入地聚合物前体液的泵的停止(“泵关闭”)。地聚合物非注入段304的持续时间tg0一般在2秒至20分钟的范围内。波形310的压裂液注入段312对应于注入压裂液的泵的运行(“泵打开”)。压裂液注入段312的持续时间tf1一般在2秒至10分钟或10秒至1分钟的范围内，并且对于一个或多个压裂液注入段来说可以相同或不同。压裂液注入段312在时间上被压裂液非注入段314间隔开。压裂液非注入段314对应于注入压裂液的泵的停止(“泵关闭”)。压裂液非注入段314的持续时间tf0一般在2秒至15分钟的范围内。如图3b所示，地聚合物注入段302对应于压裂液非注入段314，并且地聚合物非注入段304对应于压裂液注入段312。

在一些实施方案中，地聚合物注入段302和压裂液注入段312可以在时间上被持续时间tfg间隔开。图3c示出了在脉冲量的地聚合物前体液和压裂液之间经过的时间。波形300表示地聚合物前体液的脉冲流，并且波形310表示压裂液的脉冲流。在地聚合物注入段302和压裂液注入段312之间经过的时间tfg可以相同或不同，并且一般在2秒至15分钟的范围内。

在一些实施方案中，地聚合物注入段302和压裂液注入段312可以在时间上重叠持续时间tfg。图3d示出了在脉冲量的地聚合物前体液和压裂液之间经过的时间。波形300表示地聚合物前体液的脉冲流，并且波形310表示地聚合物前体液的脉冲流。在地聚合物注入段302和压裂液注入段312之间的重叠的持续时间tfg可以相同或不同，并且一般在2秒至20分钟的范围内。

在某些实施方案中，地聚合物注入段和压裂液注入段可以在时间上间隔开，在时间上重叠，或者是它们的任意组合。

图4示出了具有地聚合物支撑剂柱402和在柱之间的导通通道404的裂缝400。在一些实施方案中，地聚合物前体液中包含促进剂以缩短使地聚合物前体液聚合生成地聚合物所需的时长。在一些实施方案中，地聚合物前体液中包含缓聚剂以增加使地聚合物前体液聚合生成地聚合物所需的时长。合适的固化和关井时间在小于1小时(例如，半小时)至数天(例如，20天)的范围内。

地聚合物支撑剂柱的抗压强度可以超过储层的上覆岩层压力。在一些实施方案中，地聚合物支撑剂柱的抗压强度在约500psi至约20,000psi的范围内。在一些实施方案中，地聚合物柱的渗透率在约0.01md至约20,000d的范围内。

应理解，尽管已经结合其详述描述了本发明，但是之前的描述旨在举例说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的范围限定。其他方面、优点和改进在所附权利要求的范围内。