Проппант со смолистой поверхностью и способ предотвращения выноса проппанта из трещины гидроразрыва

Проппант со смолистой поверхностью и способ предотвращения выноса проппанта из трещины гидроразрыва

Реферат

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для повышения производительности промысловых скважин путем предотвращения смыкания трещин с применением расклинивающих гранул - проппантов при проведении гидравлического разрыва продуктивных нефтяных пластов.

Серьезной проблемой нефтедобычи является вынос проппанта из трещины в скважину после проведения гидроразрыва пласта как во время первичной очистки, так и в ряде случаев даже после полного освоения скважины. Практика показывает, что в скважину может быть вынесено до 20% проппанта, что приводит к ряду негативных последствий, среди которых можно выделить следующие. В низкодебетных скважинах проппант оседает в обсадной колонне, что требует периодичных промывок и приводит к удорожанию ремонтных операций. Другим следствием выноса незакрепленного проппанта или твердых частиц породы является преждевременный износ и выход из строя электроцентробежных погружных насосов. Также отмечено сокращение добычи углеводородов вследствие существенной потери приствольной проводимости из-за уменьшения толщины трещины или перекрывания продуктивной зоны.

В настоящее время известен ряд способов, позволяющих значительно уменьшить вынос проппанта или других расклинивающих наполнителей из трещины.

Наиболее распространенный подход основан на применении проппанта с затвердевающим смоляным покрытием (US, патент 3492147, US, патент 3929191, US, патент 5218038, US, патент 5639806), который закачивают в трещину в конце обработки. Однако применение этого проппанта имеет ряд существенных ограничений, вызванных побочными химическими реакциями смоляного покрытия с жидкостью гидроразрыва. С одной стороны, такое взаимодействие приводит к частичной деградации и нарушению целостности покрытия, снижая прочность контактов между частицами проппанта и соответственно снижая прочность упаковки проппанта. С другой стороны, взаимодействие между компонентами смоляного покрытия и компонентами жидкости гидроразрыва приводит к неконтролируемому изменению реологических характеристик жидкости, что также снижает эффективность гидроразрыва. Перечисленные выше факторы, а также периодические циклические нагрузки, связанные с закрытием и освоением скважины и длительный период закрытия скважины, могут значительно снизить прочность проппантной набивки.

Химические соединения, входящие в состав смоляных проппантов, взаимодействуют с разрушителями геля (например, персульфатом аммония), уменьшая концентрацию разрушителей в жидкости гидроразрыва. Это влияет на эффективность очистки трещины от остатков неразложившегося полимерного геля и значительно уменьшает проницаемость трещины.

В ряде случаев, например при ускоренном закрытии трещины, смоляной проппант не успевает затвердеть и приобрести расчетную прочность. Это приводит к увеличению доли раскрошенного проппанта и уменьшению проводимость трещины.

Способ частичного решения этой проблемы состоит в создании двухслойных смоляных проппантов (US, патент 4585064, US, патент 4717594). При этом внутреннее смоляное покрытие, непосредственно примыкающее к поверхности проппанта, полностью отверждено, а внешний слой состоит из неотвержденного смоляного материала. Таким образом, первый слой отвержденной смолы обеспечивает высокую прочность проппанта в условиях внешней нагрузки, а внешний слой способен к затвердеванию (сшиванию) с соседними частицами проппанта с образованием прочной упаковки.

Известен способ (US, патент 4888240, US, патент 5422183, US, патент 5597784), при реализации которого с целью упрочнения смоляного покрытия и усиления сцепления между слоями смоляного покрытия, а также с субстратом (проппантом) внутренний смоляной слой опудривают укрепляющими соединениями или композитами:

тальком, кварцевой мукой, глиной, а также другими минералами или полиизобутиленом, сополимерами этилена и винилацетата или этилена и пропилена. Укрепляющие соединения наносят поверх первого слоя и далее проводят процедуру его отверждения с последующим нанесением второго плавкого смоляного слоя.

Как было отмечено выше, серьезный недостаток смоляных проппантов - недостаточная совместимость с жидкостями гидроразрыва и полимерными деструкторами. Известен способ (US, патент 5837656, US, патент 5955144), направленный на улучшения совместимости смоляного проппанта с химическими компонентами, входящими в состав жидкости гидроразрыва, при котором используют ту же концепцию двухслойного смоляного покрытия, но меняют порядок чередования сшитого и несшитого покрытий. В качестве первого покрытия, нанесенного непосредственно на частицу проппанта, используют плавкий, способный к отверждению состав, представляющий собой, преимущественно, новолачную смолу. Второе покрытие, выполняющее защитную функцию по отношению к жидкости гидроразрыва, представляет собой преимущественно отвержденную резольную смолу. Лабораторные тесты показали хорошую совместимость описанного проппанта с жидкостями гидроразрыва при сохранении способности к образованию консолидированной упаковки в скважинных условиях.

Дальнейшее развитие концепции смоляного проппанта описано в патенте US 7153575, отличающегося от патентов US 5837656, US 5955144 тем, что проппант покрыт двумя или более способными к отверждению слоями смолы.

Развитием известного способа можно признать подход (US, патент 7135231, US, заявка 2007/0036977) к изготовлению многослойного проппанта (состоящего из взаимно пересекающихся n-слоев), заключающийся в последовательном нанесении ряда частично перекрывающихся смоляных покрытий таким способом, что результирующее покрытие полностью покрывает поверхность субстрата. Патент также описывает способ получения проппанта, состоящий в основном в применении особой технологии напыления. Технология состоит в нанесении смоляного покрытия без какого-либо применения химических растворов путем распыления порошка требуемого химического состава в воздухе или других средах с применением особых насадок.

Изобретения, раскрытые в патентах US 6114410 и US 6328105, характеризуют усовершенствованный расклинивающий наполнитель, а также метод увеличения проницаемости трещин в пластах месторождения. Этот расклинивающий наполнитель содержит смесь частиц, способных к склеиванию (сшиванию) друг с другом, а также удаляемых (способных к растворению в нефти или воде) частиц.

Частицы, способные к склеиванию, могут быть покрыты отверждающейся полимерной смолой. Находящиеся в пласте частицы, покрытые полимерным материалом, прилипают к находящимся рядом с ними аналогичным частицам, образуя постоянную самонесущую матрицу, из которой в зависимости от действующих в трещине условий могут выходить удаляемые частицы. Это увеличивает проницаемость трещин, а также общую производительность скважины.

Известны способы (US 7244492, US 2006/0035790), при котором для ограничения выноса проппанта используют частицы смоляного проппанта, покрытые дополнительным слоем, состоящим из эластомерных материалов, а также их комбинации полимеров с волокнами.

Известен способ, при котором для ограничения выноса проппанта, помещенного в пласт, добавляют волокнистый материал, смешенный с материалом расклинивающего наполнителя (US, патент 5330005), при этом волокна переплетаются между частицами проппанта, придавая им повышенную прочность и ограничивая тем самым обратный вынос проппанта. Помимо этого добавление волокна позволяет более эффективно перераспределять нагрузки, добавляя перемычки на значительной площади проппантной набивки. Волоконная структура более гибка по сравнению с вулканизованным смоляным проппантом, допуская подвижки проппантно-волоконной набивки без потери ее прочности.

Известен способ смешивания проппанта с деформируемым материалом в виде частиц бисерной формы (US, патент 6059034). Деформируемые частицы при этом выполнены из полимерного материала. Деформируемые частицы могут также представлять собой сферические пластиковые шарики или композитные частицы, содержащие недеформируемое ядро и деформируемое покрытие. Обычно объем недеформируемого ядра составляет приблизительно от 50 до 95 об. % от общего объема частицы и может представлять из себя кварц, кристобалит, графит, гипс или тальк. В другом варианте (US, патент 6330916) ядро состоит из деформируемых материалов и может включать размолотые или дробленые материалы, например ореховую скорлупу, скорлупу семян, косточки фруктов и обработанную древесину.

Для закрепления расклинивающего наполнителя и ограничения его выноса может быть использована смесь проппанта с адгезивными полимерными материалами (US, патент 5582249). Адгезивные соединения вступают в механический контакт с частицами расклинивающего наполнителя, обволакивают и покрывают их тонким липким слоем. Это приводит к склеиванию частиц друг с другом, а также с песком или раздробленными фрагментами расклинивающего наполнителя, что приводит к значительному или полному прекращению выноса твердых частиц из трещины. Характерной особенностью клейких соединений является способность сохранять липкость в течение длительного времени и при повышенных скважинных температурах, не приводя к их сшиванию или отверждению.

Известен способ расклинивания трещины с использованием клейких соединений и смоляных проппантов (US, патент 7032667). В патенте US 6742590 раскрыт способ защиты трещины от выноса расклинивающего наполнителя в смеси клейких материалов с деформируемыми частицами, которые сами по себе являются эффективными добавками, предотвращающими вынос проппанта.

Другой разновидностью материалов, используемых для борьбы с выносом проппанта, являются термопластичные материалы (US, патент 5501274, ЕР, заявка 0735235). Термопластичные материалы, находящиеся в смеси с расклинивающим агентом, обладают способностью размягчаться под действием высокой температуры горной породы и далее с ним слипаться с образованием склеенных агрегатов, включающих множественное число проппанта.

Известен способ применения термопластичных материалов в смеси со смоляным проппантом (US, патент 5697440). В ряде способов термопластичный материал смешивается с проппантом в жидком состоянии или в виде раствора в подходящем растворителе (US, патент 6830105). При этом эластомеробразующее соединение может самостоятельно или под действием специальных дополнительных реагентов отверждаться с образованием термопластичного материала.

Известен способ применения жидкости гидроразрыва, представляющей из себя самодеградируемый цемент (заявка на патент US 2006/0169448), состоящий из кислотного и основного компонентов, взаимодействие между которыми приводит к образованию цементного материала, а также деградируемого компонента, способного к разложению в условиях трещины и обеспечивающего образование пустот внутри цемента.

Известен способ проведения гидроразрыва пласта с использованием нового типа расклинивающих частиц, а также состав нового материала для создания гравийных фильтров с использованием частиц гидратируемого цемента, имеющих средний размер, лежащий в интервале от приблизительно 5 микрометров до приблизительно 2,5 сантиметров (заявки на патенты US 2006/0162926, US 2006/0166834).

Техническая задача, решаемая посредством разработанного изобретения, состоит в повышении эффективности метода гидроразрыва продуктивного пласта.

Технический результат, получаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в улучшении совместимости смоляного проппанта с жидкостью гидроразрыва и предотвращении деградации полимерного разрушителя и поверхности смоляного проппанта, что приводит к сохранению требуемой вязкости полимерного флюида на протяжении всей процедуры гидроразрыва пласта, предотвращению преждевременного оседания проппанта в трещине, повышению прочности консолидированной проппантной пачки, а также более полной очистке трещины от остатков полимерного геля.

Перечисленные выше факторы приводят к уменьшению выноса проппанта на стадии промывки, освоения скважины, а также в ходе добычи при одновременном сохранении проницаемости упаковки проппантной набивки на стадии добычи и длительной эксплуатации скважины.

Для достижения указанного технического результата предложено на внешнюю смоляную поверхность 2 субстрата 1 наносить как минимум один дополнительный слой 3 (фиг.1), который выполняет защитные функции, путем частичного и/или полного предотвращения побочных реакций смоляного покрытия с химическими соединениями, входящими в состав жидкости гидроразрыва и разрушителя полимера.

Разработанный способ состоит в создании защитного слоя 3 на внешней поверхности смоляного проппанта, преимущественно на основе полимеров, поверхностно-активных соединений, восков, парафинов и их смесей.

Достоинства предложенного подхода сформулированы ниже:

1. Предложенный подход позволяет существенно упростить и удешевить процесс производства смоляных проппантов по сравнению с классическими подходами, заключающимися в создании дополнительных слоев из отвержденной смолы, описанных, например, в патентах US 5837656, US 5955144, US 7135231, US 7153575.

2. Смоляной проппант, содержащий дополнительный защитный слой, не взаимодействует с жидкостью гидроразрыва на стадии проведения операции гидроразрыва и в ходе закрытия трещины и не ухудшает реологические характеристики жидкости гидроразрыва пласта и ее транспортные свойства. Это положительным образом сказывается на эффективности процедуры закачки проппанта, уменьшает вероятность преждевременной остановки работы (стоп-проппанта), а также обеспечивает более равномерное распределение проппанта по высоте трещины.

3. Смоляной проппант, содержащий дополнительный защитный слой 3, не взаимодействует с химическими веществами, входящими в состав деструкторов геля. Это повышает их эффективность, способствует более полной очистке трещины от остатков геля, повышая тем самым проводимость и нефтеотдачу пласта.

4. Перечисленные выше факторы 2, 3 обеспечивают сохранение качества смоляного покрытия. Отвержденное покрытие характеризуется более высокой прочностью по сравнению с проппантами, описанными в патентах US 5218038, US 4585064, US 4717594.

5. Дополнительное покрытие, нанесенное на поверхность смоляного проппанта, способно к растворение в воде или нефтесодержащих жидкостях и газоконденсате, и, следовательно, не понижает проницаемость проппантной пачки, как это имеет место в случае проппантов, покрытых дополнительным защитным слоем из отвержденной смолы (US, патент 4585064, US, патент 4717594).

Разработан способ проведения гидроразрыва пласта, согласно которому в трещину закачивается сшивающийся расклинивающий наполнитель на основе известного смоляного проппанта, отличающего наличием как минимум одного дополнительного слоя, который выполняет защитные функции путем частичного и/или полного предотвращения побочных реакций смоляного покрытия с химическими соединениями, входящими в состав жидкости гидроразрыва и разрушителя полимера.

Разработан способ получения сшивающегося расклинивающего наполнителя, состоящий в создании как минимум одного защитного слоя 3 на внешней поверхности смоляного проппанта.

В качестве защитного слоя 3 могут быть использованы частично и/или полностью водо- и/или органорастворимые и/или деградируемые в скважинных условиях соединения, преимущественно полимеры, поверхностно-активные соединения, воски, парафины и их смеси.

В качестве защитного слоя 3 могут быть использованы также и нерастворимые в скважинных условиях соединения.

В качестве защитного слоя 3 могут быть использованы полиолефины, полисахариды, полилактиды, полигликоли, поликислоты, полиакриламиды, полиаминокислоты, фторполимеры, полиакрилаты, полиамиды, поливинилы, полиимиды, полиуретаны, поликарбонаты, полисульфоны, полиэфиры, воски, парафины, поверхностно-активные соединения и их смеси, за исключением способных к отверждению смол.

В качестве защитного слоя 3 могут быть использованы неорганические соединения.

Толщина защитного слоя 3 находится в интервале от 10 нм до 1 мм.

В качестве смоляного покрытия 2 могут быть использованы соединения, способные к частичному и/или полному отверждению в скважинных условиях.

Смоляное покрытие 2 может состоять как минимум из одного слоя.

Смоляное покрытие 2 может быть совокупностью двух и более чередующихся субслоев, состоящих как из отвержденного, так и способных к отверждению смоляных субслоев.

В качестве материала субстрата 1 применимы все известные типы проппантов, преимущественно сферической, эллипсоидной, угловатой, вытянутой форм, имеющих минимальный линейный размер, проходящий в ячейку с размером, лежащем в интервале 1-100 меш.

Субстрат 1 может быть выполнен из песка, керамических, полимерных, композитных материалов, металла, стекла, а также их комбинации.

Субстрат 1 может быть выполнен из древесных материалов.

Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 методом погружения проппанта в раствор материала защитного слоя в подходящем растворителе (метод макания) и последующем высушивании проппанта в условиях (температура и продолжительность высушивания), при которых не происходит полного отверждения смоляного покрытия 2.

Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 механоактивационным методом, представляющим собой механическую обработку проппанта тонко измельченным порошком материала защитного слоя, с использованием планетарных мельниц.

Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 газодинамическим методом, при котором наносимый материал защитного слоя вводят в воздушный поток, ударяющийся о покрываемую поверхность. Температуру воздушного потока подбираются таким образом, чтобы не происходило полного отверждения смоляного покрытия 2.

Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 из сверхкритического диоксида углерода. Несомненными преимуществами этого подхода являются возможность формирования ультратонких покрытий с высокой степенью однородности и низкой шероховатостью; возможность реализации оптимальной динамики процесса осаждения защитного слоя, преимущественно полимера; отсутствие жидкой фазы при атмосферном давлении, что исключает переорганизацию осажденных на подложку молекул из-за влияния сил поверхностного натяжения; отсутствие у СO₂ жидкой фазы при атмосферном давлении позволяет решить проблему остаточного растворителя в полученных поверхностных пленках; высокая растворимость большинства материалов защитного слоя 3 в сверхкритическом диоксиде углерода; отсутствие нежелательного отверждения смоляного покрытия 2 в выбранных условиях нанесения защитного покрытия 3.

Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 с использованием жидких растворов теломеров тетрафторэтилена. Сущность метода состоит в растворении газообразного тетрафторэтилена в подходящем растворителе, нанесение раствора на проппант и дальнейшей радиационной обработке гамма-квантами. Удаление растворителя и высушивания проппанта сопровождается агломерацией олигомеров на поверхности с образованием прочной пленки, прочно связанной с поверхностью.

Защитный слой 3 может быть нанесен на смоляное покрытие 2 методом газофазной поверхностной полимеризации из циклического ди-n-ксилилена. Метод состоит в том, что в вакууме молекулы n-циклофана или его производных, проходя через пиролизную зону ~600°С, превращаются в активный интермедиат, который конденсируется и полимеризуется на холодной подложке (проппанте). Подробное описание метода было описано в работе Gorham W.F., J. Polymer ScL, A-1, 1966. V.4. №12. Р.3027. Варьируя параметры процессов сублимации, пиролиза, испарения и полимеризации, можно регулировать толщину и состав защитного слоя 3.

Под воздействием пластовой температуры и давления происходит отверждение сшивающегося расклинивающего наполнителя, который образует однородную прочную массу, препятствующую смыканию трещины и предотвращающую вынос проппанта. При этом защитный слой 3 не оказывает заметного влияния на процесс сшивания соседних гранул расклинивающего материала.

В предлагаемом способе сшивающийся расклинивающий наполнитель может быть использован на протяжении всей стадии гидроразрыва пласта или только на конечном этапе.

Промышленная применимость разработанного способа была проверена в экспериментах, показывающих влияние жидкости гидроразрыва и разрушителя полимера на прочность образцов в условиях одноосного сжатия, а также совместимость проппанта с разрушителем полимера. Исследовались два образца смоляных проппантов.

Образец 1 (образец сравнения) - коммерчески доступный смоляной проппант, состоящий из одного способного к сшиванию слоя смолы. Масса смоляного покрытия по данным теста на сжигание составила 3,8%. Размер проппанта - 16/20 меш.

Образец 2 - представляет собой тот же проппант, что и образец сравнения, на который методом макания нанесен защитный слой, состоящий из смеси полиэтилена низкой плотности и парафина в массовом соотношении 7:3. Толщина защитного слоя составляла 20±5 мкм.

Эксперимент 1: определение прочности упаковки проппанта со смоляным покрытием при сшивании в смоделированных скважинных условиях в условиях одноосного сжатия.

Навеску 100 г проппанта (образцы 1 и 2) добавили в 500 мл пластиковый стакан, содержащий 100 мл линейного геля на основе гуаровой смолы (5 г/л), 0,1 г персульфата аммония (разрушитель полимера) и далее тщательно перемешивали на механической мешалке при комнатной температуре в течение 1 минуты при скорости вращения 500 оборотов в минуту. Далее гель сшивали с использованием щелочного раствора борной кислоты и продолжали перемешивание в течении 30 секунд, рН сшитого геля составляет 12,3. Полученную суспензию поместили в стальную форму для сшивания, которая представляет собой полый цилиндр и два поршня. Форма для сшивания снабжена системой поддержания температуры с точностью ±1°С. Сшивание смоляного проппанта проходило при давлении 6895 кПа и температуре 100°С. Время сшивания составляло 1 час. Во время сшивания необходимо поддерживать температуру и давление на упаковку проппанта. Давление закрытия поддерживалось с точностью ±5%. Полученные образцы высушивали на воздухе при комнатной температуре в течение 24 часов. Определение прочности упаковки проппанта в условиях одноосного сжатия проводили на установке "Instron" согласно стандарту ГОСТ 21153.2-84, ASTM D 3148-02.

Показано, что прочность сшитой проппантной пачки образца 2 составляет 170±10% от прочности образца сравнения 1. Данный результат демонстрирует отсутствие влияние сшитой жидкости гидроразрыва, а также разрушителей полимера на качество смоляного покрытия, имеющего защитный слой.

Эксперимент 2: исследование совместимости проппанта с разрушителем полимера.

В стеклянную банку объемом 500 мл добавили навеску 100 г проппанта (образцы 1 и 2) и 100 мл дистиллированной воды, содержащей 0,1 г персульфата аммония (разрушитель полимера). Образцы 1 и 2 тщательно перемешивались с использованием электромеханического встряхивателя при комнатной температуре в течение 4 часов. Каждые 30 мин отбирались пробы на определение содержания персульфата аммония. Концентрацию разрушителя полимера определяли методом УФ-видимой спектроскопии с использованием методики, детально описанной в литературе (Lo S., Miller M.J., Li J., "Encapsulated breaker release at hydrostatic pressure and elevated temperatures", SPE 77744). Температуру эксперимента выбрали с таким расчетом, чтобы естественное термическое разрушение персульфата аммония отсутствовало. Эксперимент показал, что через 4 часа в образцах 1 и 2 содержание персульфата аммония составляет 0,015 и 0,097% соответственно. Другими словами, образец коммерчески доступного проппанта 1 поглотил (разрушил) 84,5% разрушителя полимера. При этом образец смоляного проппанта с дополнительным покрытием практически не взаимодействует с персульфатом аммония.

1. Гранула проппанта, содержащая основу - субстрат и смоляное покрытие - смоляной слой, на внешнюю поверхность которого нанесено, по меньшей мере, одно дополнительное покрытие - дополнительный слой, состоящий из смеси полиэтилена низкой плотности и парафина в соотношении 7:3, выполняющий защитную функцию, путем, по меньшей мере, частичного предотвращения побочных реакций смоляного слоя с химическими соединениями, входящими в состав жидкости гидроразрыва, и разрушителем полимера, толщина дополнительного слоя составляет от 10 до 30 мкм.

2. Гранула проппанта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве смоляного слоя использованы соединения, способные, по меньшей мере, к частичному отверждению в скважинных условиях.

3. Гранула проппанта по п.1, отличающаяся тем, что смоляной слой представляет собой отвержденную смолу.

4. Гранула проппанта по п.1, отличающаяся тем, что смоляной слой состоит, по меньшей мере, из одного слоя.

5. Гранула проппанта по п.1, отличающаяся тем, что смоляной слой представляет собой совокупность двух или более чередующихся слоев, состоящих как из отвержденной, так и способной к отверждению смол.

6. Гранула проппанта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве субстрата применимы все известные типы проппантов, имеющие минимальный линейный размер 1-100 меш.

7. Гранула проппанта по п.1, отличающаяся тем, что субстрат имеет сферическую, эллипсовидную, угловатую, вытянутую форму.

8. Гранула проппанта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала субстрата использован песок, керамические, полимерные, композитные материалы, металл, стекло, а также их комбинации.

9. Гранула проппанта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала субстрата использован древесный материал.

10. Способ проведения гидроразрыва пласта, включающий закачивание в трещину гидроразрыва расклинивающего наполнителя - гранул проппанта, содержащих основу - субстрат и смоляное покрытие - смоляной слой, на внешнюю поверхность которого нанесено, по меньшей мере, одно дополнительное покрытие - дополнительный слой, состоящий из смеси полиэтилена низкой плотности и парафина в соотношении 7:3, выполняющий защитную функцию, путем, по меньшей мере, частичного предотвращения побочных реакций смоляного слоя с химическими соединениями, входящими в состав жидкости гидроразрыва, и разрушителем полимера, толщина дополнительного слоя составляет от 10 до 30 мкм.