Проппантовый материал и способ гидравлического разрыва пласта (варианты)

Проппантовый материал и способ гидравлического разрыва пласта (варианты)

Реферат

Изобретение относится к нефтегазовой области, в частности к улучшению гидравлической проводимости песка, который закачивается в трещину во время гидроразрыва пласта при добыче нефти.

Известен способ гидроразрыва подземной формации (US 6725930, 2004), где по крайней мере часть трещины заполняется проппантовым материалом в форме удлиненных частиц, имеющих форму с соотношением максимального размера к минимальному больше 5, предпочтительно таких как сегменты металлической проволоки. Оставшаяся часть трещины заполняется стандартным неметаллическим проппантом. Проводимость трещины при этом улучшается.

Известен способ обработки подземной формации путем наполнения трещины проппантовым материалом и деформируемыми частицами (патент US 6059034). Деформируемые частицы могут комбинироваться с проппантом для увеличения проводимости трещины, понижения образования тонкоизмельченных частиц и/или понижения обратного выхода проппанта. Материалом, используемым для гидроразрыва, может быть песок, а в качестве деформируемых частиц используют полистирол дивинилбензоловые шарики.

Известен способ расклинивания трещин в подземной формации, в котором одновременно производится предотвращение обратного выхода проппанта из трещины (патент US 5908073). Способ основан на использовании смеси пучков волокон и проппанта для наполнения трещины, когда она сохраняется открытой, и затем трещине позволяют закрыться на смеси проппанта с волокнами. Согласно патенту обратный выход проппанта предотвращается через использование пучков волокон, состоящих из 5 до 200 отдельных волокон, имеющих длину в диапазоне от 0.8 до 2.5 мм и диаметр в диапазоне от 10 до 1000 микрон.

Добавление волокон или волокно-подобных структур в продукт может давать вклад в понижение обратного выхода проппанта и одновременно приводить к более плотной упаковке проппанта в трещине. Также волокна позволяют уменьшить миграцию тонкоизмельченного проппанта и таким образом предотвратить понижение проводимости упаковки проппанта в трещине, но не полностью.

Известен способ контроля выноса проппанта из подземной формации (US 5330005), где добавление волоконных материалов в смесь, используемую для гидроразрыва, и в скважинный гравийный фильтр понижает обратный выход проппанта и/или формирование тонкоизмельченной крошки в упаковке, что стабилизирует упаковку и снижает потребность в высокополимерных жидкостях. Предпочтительный материал для волокон - стекло, арамид, нейлон и другие натуральные и синтетические органические и неорганические волокна и металлические нити.

Известен способ, где подземная формация обрабатывается путем закачки смеси обычного проппанта и деформируемых частиц материала в формацию. Деформируемые частицы материала могут комбинироваться с обычным проппантом для увеличения проводимости, понижения образования тонкоизмельченной крошки проппанта и/или понижения обратного выхода проппанта. Расклинивающий агент может быть материалом, таким как песок, и деформируемые частицы материалом, таким как полистирол дивинилбензоловые шарики (US 6330926). Также в этом патенте утверждается о возможности использования природных материалов, таких как скорлупа орехов, семян, косточек фруктов и обработанная древесина. Но натуральные материалы внесут добавочное количество мелкоизмельченного материала в упаковку и тем самым понизят проводимость.

Настоящее изобретение направлено на разработку нового типа расклинивающего наполнителя и улучшение расклинивания трещины или, по крайней мере, ее части, например конечной части трещины, которая находится близко к скважине, для повышения проводимости и производительности скважины.

Положительный эффект, планируемый при использовании нового проппантового материала, - это практически полное предотвращение выноса песка, значительное повышение проницаемости упаковки песка и предотвращение образования мелкоизмельченного проппанта.

Этот эффект достигается благодаря тому, что проппантовый материал представляет собой жесткие упругие частицы в форме пластинок, где пластины имеют размер 2-4×6-10 мм и разную или одинаковую толщину в диапазоне 100-300 мкм.

Пластинки должны быть еще и недеформируемыми. Проппантовый материал может представлять собой жесткие упругие пластины в форме решеток, где пластины имеют размер 2-4×6-10 мм и разную или одинаковую толщину в диапазоне 100-300 мкм.

Решетки должны быть еще и недеформируемыми. Материалом может быть нержавеющая сталь или низкоуглеродистая сталь с антикоррозийным покрытием.

Способ гидравлического разрыва, где, по крайней мере, часть трещины заполняется проппантовым материалом в форме жестких упругих пластинок или пластинок из решеток, где пластины имеют размер 2-4×6-10 мм и разную или одинаковую толщину в диапазоне 100-300 мкм, выполненных предпочтительно из нержавеющей стали или низкоуглеродистой стали, обеспечивает получение заявленного положительного эффекта. Остальная часть трещины может быть заполнена стандартным неметаллическим проппантом/песком. Проводимость трещины при этом оптимизируется.

Предложенный тип частиц улучшает проводимость упаковки путем использования пристенного эффекта.

Известен тот факт, что около стенок реактора с неподвижным слоем катализатора существует зона повышенной пористости. Эта область распространяется на глубину порядка 2-3-х диаметров частицы. По причине существования этой области с высокой пористостью профиль скорости реакции искажается и высокие скорости движения реагентов наблюдаются рядом со стенками реактора. Этот процесс, как правило, плохо влияет на режим работы реактора в целом. Центральная идея настоящего изобретения - это использование так называемого пристеночного эффекта для повышения проводимости слоя проппанта/песка путем добавления дополнительной поверхности в упаковку. Частицы с высоким отношением геометрических размеров играют роль дополнительной поверхности в упаковке проппанта/песка. Этот эффект продемонстрирован на Фиг.1, где показан механизм повышения проводимости: а - для потока в стандартной упаковке проппанта/песка; b - для потока в упаковке проппанта с частицей с высоким отношением геометрических размеров. Предпочтительная форма частиц - это тонкие пластинки твердого упругого материала с размерами около 2-4×6-10 мм. Плоские поверхности повышают пористость упаковки и создают область высокой проницаемости рядом с поверхностью частиц. Другие типы частиц, которые дают еще большую проводимость, - это пластинки из стальной решетки. Следует также заметить, что пластинки из решеток работают лучше, чем пластинки при низких давлениях (до 4000 psi), благодаря их пористой структуре.

Результаты показаны на Фиг.2, где представлены результаты измерений проницаемости и бета-фактора в упаковке песка 20/40+10%, 30% пластинок из нержавеющей сетки.

Легко заметить, что 10% частиц в упаковке песка дают приблизительно 30% прирост проницаемости при 7000 psi. Бета-фактор при этом на 10% ниже, чем в обычном песке. Подобные эксперименты были проведены для 30% кусков стальных нержавеющих решеток из пластинок в песке. Это привело к повышению проницаемости упаковки песка на 200% и понижению бета-фактора в 6 раз при 7000 psi. Такое значительное снижение бета-фактора может оказаться очень полезным для формаций, где наблюдается высокий бета-фактор (например, скважины с сжатым газом).

Материал, который следует использовать для предлагаемых пластин - это антикоррозийные материалы, такие как нержавеющая сталь или покрытая антикоррозийным покрытием низкоуглеродистая сталь. Это позволит избежать коррозионных процессов в условиях скважины. Толщина частиц должна быть в диапазоне 100-300 микрон, причем 100 микрон предпочтительнее. Так как эффект зависит от количества поверхности в песке или проппанте, то очевидно, что при использовании более тонких частиц, при одной и той же массе, площадь поверхности для них будет выше. Но слишком тонкие частицы не выдержат большого давления в условиях скважины, что приведет к искривлению поверхности и нарушению наблюдаемого эффекта. Также следует упомянуть о важности геометрической ориентации частиц в упаковке песка для наблюдения эффекта. Так, ориентация частиц плоскостями вдоль движения потока приведет с росту проницаемости, в то время как их поперечное расположение, наоборот, скорее всего ухудшит проницаемость.

Настоящее изобретение предотвращает образование мелкоизмельченного проппанта, что является проблемой любого типа природных материалов. Другие типы материалов, такие как деформируемые материалы [US 6330916; US 5330005; US 6059034], предотвращают обратный выход проппанта и миграцию мелкоизмельченного проппанта, но могут понизить проницаемость и пористость упаковки проппанта. Настоящее изобретение направлено на повышение проницаемости упаковки проппанта, а этот эффект проявляется только при использовании частиц из твердых, упругих материалов, таких как сталь.

В патентах [US 5908073; US 5330005], имеющих отношение к волокнам, функция волокон в основном заключается в предотвращении обратного выхода проппанта после гидроразрыва путем заполнения каналов и пустого пространства в упаковке проппанта волокнами и соответственно предотвращении передвижения проппанта по трещине. С другой стороны, проппант и волокна, вытекающие наружу, создают проблемы для нормального функционирования добывающего оборудования. В настоящем изобретении механизм совершенно отличен от применяемого. Также следует заметить, что добавки предложенных частиц делают упаковку проппанта устойчивее и стабильнее и тем самым позволяют улучшить характеристики упаковки.

Таким образом, добавление нового проппантового материала в песок позволяет значительно повысить проницаемость упаковки песка (в 2-7 раз), существенно понизить (в 3-6 раз) бета-фактор по сравнению с упаковкой чистого песка и позволяет практически предотвратить нежелательный вынос песка в скважину.

1. Проппантовый материал, представляющий собой жесткие, упругие частицы в форме пластинок, выполненные из антикоррозийного материала, где пластинки имеют размер 2-4×6-10 мм и разную или одинаковую толщину в диапазоне 100-300 мкм.

2. Проппантовый материал по п.1, где пластинки являются недеформируемыми.

3. Проппантовый материал по п.1, где антикоррозийным материалом является нержавеющая сталь.

4. Проппантовый материал по п.1, где антикоррозийным материалом является низкоуглеродистая сталь с антикоррозийным покрытием.

5. Проппантовый материал по п.2, где антикоррозийным материалом является нержавеющая сталь.

6. Проппантовый материал по п.2, где антикоррозийным материалом является низкоуглеродистая сталь с антикоррозийным покрытием.

7. Проппантовый материал по одному из пп.1-6, где частицы имеют толщину 100 мкм.

8. Проппантовый материал, представляющий собой жесткие, упругие частицы в форме пластинок из решеток, выполненные из антикоррозийного материала, где частицы имеют размер 2-4×6-10 мм и разную или одинаковую толщину в диапазоне 100-300 мкм.

9. Проппантовый материал по п.8, где пластинки из решеток являются недеформируемыми.

10. Проппантовый материал по п.8, где антикоррозийным материалом является нержавеющая сталь.

11. Проппантовый материал по п.8, где антикоррозийным материалом является низкоуглеродистая сталь с антикоррозийным покрытием.

12. Проппантовый материал по п.9, где антикоррозийным материалом является нержавеющая сталь.

13. Проппантовый материал по п.9, где антикоррозийным материалом является низкоуглеродистая сталь с антикоррозийным покрытием.

14. Проппантовый материал по одному из пп.8-13, где частицы имеют толщину 100 мкм.

15. Способ гидравлического разрыва пласта, где, по крайней мере, часть трещины заполняют проппантовым материалом в форме жестких упругих пластинок и пластинок из решеток, выполненных из антикоррозийного материала, где пластинки имеют размер 2-4×6-10 мм и разную или одинаковую толщину в диапазоне 100-300 мкм.

16. Способ гидравлического разрыва пласта по п.15, где пластинки из решеток являются недеформируемыми.

17. Способ гидравлического разрыва пласта по п.16, где антикоррозийным материалом является нержавеющая сталь.

18. Способ гидравлического разрыва пласта по п.16, где антикоррозийным материалом является низкоуглеродистая сталь с антикоррозийным покрытием.

19. Способ гидравлического разрыва пласта по одному из пп.15-18, где пластинки имеют толщину 100 мкм.

20. Способ гидравлического разрыва пласта, где, по крайней мере, часть трещины заполняют проппантовым материалом в форме жестких упругих пластинок или пластинок из решеток, выполненных из антикоррозийного материала, где пластинки имеют размер 2-4×6-10 мм и разную или одинаковую толщину в диапазоне 100-300 мкм.

21. Способ гидравлического разрыва пласта по п.20, где пластинки из решеток являются недеформируемыми.

22. Способ гидравлического разрыва пласта по п.20, где антикоррозийным материалом является нержавеющая сталь.

23. Способ гидравлического разрыва пласта по п.20, где антикоррозийным материалом является низкоуглеродистая сталь с антикоррозийным покрытием.

24. Способ гидравлического разрыва пласта по одному из пп.20-23, где пластинки имеют толщину 100 мкм.