Доставка зернистого материала под землю

Доставка зернистого материала под землю

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к доставке зернистого материала на участок, расположенный под землей. Важным применением, которое представляет собой часть способа гидравлического разрыва подземного газонефтеносного пласта, является помещение проппанта в трещину таким образом, чтобы поддерживать трещину открытой в качестве канала движения. Однако изобретение также распространяется на другие применения, где требуется размещение зернистого материала под землей, особенно в подземных нефтеносных пластах. Предусмотрено, что изобретение будет использоваться в связи с исследованиями и добычей нефти и газа.

Уровень техники

Размещение зернистого материала на участке под землей является очень важной частью операции гидравлического разрыва. Размещение также можно выполнять в контексте различных других операций, проводимых в подземных скважинах, включая размещение гравийной набивки при заканчивании скважины. Гидравлический разрыв является хорошо разработанным способом стимуляции газонефтеносного пласта. Флюид под давлением закачивают в подземный пласт, вынуждая части пласта расходиться и создавая узкую полость между ними. Когда закачивание прекращают, то естественное давление в подземном пласте стремится сомкнуть трещину. Для того чтобы предотвратить полное смыкание трещины, обычно на поверхности смешивают твердый зернистый материал (называемый проппантом) с жидкостью для гидроразрыва пласта и используют флюид для доставки проппанта в трещину. Когда трещине позволяют сомкнуться, то она смыкается вблизи проппанта, а канал движения к скважине между частицами проппанта остается открытым. Затем проппант под значительным давлением пластовых пород припрессовывается к ней.

Когда проппант смешивают с жидкостью для гидроразрыва пласта на поверхности и закачивают в скважину, то он подвергается очень высокому сдвигу. Затем жидкость для гидроразрыва пласта проходит вниз в скважину в условиях пониженного сдвига. Впоследствии она поворачивает и вытекает из скважины в трещину в пласте. Вход в трещину может быть связан с повышением сдвига, особенно, если скважина является обсаженной и флюид проходит через перфорации в обсадной трубе скважины, чтобы войти в трещину. Как только флюид поступает в трещину и трещина распространяется и расширяется в газонефтеносном пласте, флюид подвергается значительно меньшему сдвигу. Взвешенные твердые частицы начинают оседать. Затем закачивание прекращают, позволяя трещине сомкнуться вблизи проппанта, набитого в трещину.

Для того, чтобы флюид мог доставить зернистый материал в суспензию и разместить его по всей поверхности трещины, обычно во флюид включают загуститель, повышающий вязкость. Тогда флюид обычно получают так, чтобы достичь вязкости, по меньшей мере, 100 сантипуаз за 100 секунд^-1 при температуре газонефтеносного пласта. С этой целью широко используется гуар. Также можно использовать производные гуара и вязкоэластичные поверхностно-активные вещества. Однако для некоторых операций гидроразрыва, особенно где порода имеет низкую проницаемость, из-за чего утечка в породу не имеет существенного значения, предпочтительно закачивать флюид, часто называемый «реагент на водной основе для снижения поверхностного натяжения», который является водой или солевым раствором, содержащим небольшой процент полимера, понижающего трение, который не так сильно повышает вязкость, как загуститель типа гуара. Тогда флюид имеет низкую вязкость. Это существенно снижает энергию, необходимую при закачивании, но поддерживать зернистый материал во взвешенном состоянии становится значительно сложнее и поэтому обычно используется более высокая скорость закачивания.

Как описано в статьях Общества инженеров-нефтяников SPE98005, SPE102956 и SPE1125068, обычно применяемые частицы проппанта, суспендированные в реагенте на водной основе для снижения поверхностного натяжения, закачанные в большую трещину, будут оседать быстрее, чем желательно, и образовывать так называемую «банку» или «дюну» близко к стволу скважины. Из-за такого преждевременного оседания проппант может быть не распределен вдоль трещины, чтобы образовать опору вдоль всей длины трещины и проппант может быть не размещен по всей вертикали высоты трещины. Когда закачивание прекращают и трещине позволяют сомкнуться, то части трещины, расположенные дальше от ствола скважины, могут не содержать достаточно проппанта, чтобы поддерживать их открытыми в степени, достаточной для желательной скорости потока. В результате, закрепленный и эффективный размер трещины может быть меньше, чем размер, созданный во время гидроразрыва.

Один подход для улучшения транспортирования зернистого проппанта заключается в том, чтобы использовать материал с более низким удельным весом вместо традиционного материала, которым является песок или другой относительно тяжелый минерал (песок имеет удельный вес, приблизительно равный 2,65). В статье SPE84308 Общества инженеров-нефтяников описан легковесный проппант с удельным весом, равным всего лишь 1,75, который является пористым керамическим материалом, покрытым смолой, так что поры керамического материала остаются наполненными воздухом. В этой статье также описан даже еще более легкий проппант с удельным весом 1,25 на основе скорлупы грецких орехов. Такой материал определяют как «импрегнированная и покрытая смолой химически модифицированная скорлупа грецкого ореха».

Эти легковесные проппанты легче суспендируются и транспортируются реагентом на водной основе для снижения поверхностного натяжения и их использование дополнительно описано в статьях SPE90838 и SPE98005, и в последней статье показано, что оседание частиц снижается по сравнению с песком, хотя полностью не исключается.

Существует много других описаний проппантов, более легких, чем песок. Например, в патенте США 4493875 (3М) описан новый проппант, состоящий из композитных частиц, ядро которых представляет собой традиционную частицу, такую как кварцевый песок, а покрытием или оболочкой является тонкий пористый слой такой, что общая плотность композитной частицы приближается к той, что имеет жидкость для гидроразрыва. Предпочтительно, что покрытие/оболочка содержит полые стеклянные микросферы, внедренные в адгезив, который присоединяется к ядру.

В патентной заявке США 2008/277115 А1 (Rediger et al., Georgia-Pacific Chemicals, Inc.,) также описан композитный проппант, который является пористой керамикой или кварцевым песком, покрытым материалом низкой плотности (например, частицами пробки), который связан с субстратом путем использования новолачной смолы, сшиваемой гексамином - полученные образцы проппанта имеют удельные веса в диапазоне 1,94 - 2,37 кг/м³.

В патенте США 7491444 (Oxane Materials, Inc.) описан способ приготовления частиц проппанта путем создания оболочки вокруг шаблонной частицы, которая может быть полой. Частицы имеют удельный вес в диапазоне, простирающемся до менее чем 1,0.

В патентных заявках США 2005/096207 и 2006/016598 (Thomas Urbanek) описаны способы изготовления керамических частиц проппанта низкой плотности. Во втором из этих документов утверждается, что эти продукты имеют удельный вес 1,0.

Известная проблема с легковесными пропантами заключается в том, что они могут быть не такими прочными, как песок, и существует риск их частичного раздавливания, когда трещине гидроразрыва позволяют сомкнуться вблизи проппанта, помещенного внутрь нее. Подход к суспензии зернистого проппанта, который учитывает эту проблему, описан в патентной заявке США 2007/015669, а также в публикации WO 2009/009886 и в статье «Снижение веса нагрузки» («Lightening the Load»), в журнале New Technology Magazine, январь/февраль 2010, стр. 43 и 44. Согласно положениям этих документов традиционный проппант, такой как песок, обрабатывают для нанесения на его поверхность гидрофобного материала и затем добавляют к суспензии из проппанта и воды. Пузырьки адсорбируются твердыми гидрофобными частицами так, что адсорбированный газ приводит к частицам меньшей эффективной плотности. Литература, описывающая этот подход, отстаивает его на том основании, что традиционный песок и дешевле, и прочнее легковесного проппанта.

Сущность изобретения

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается скважинный флюид, включающий жидкость-носитель на водной основе, и первый и второй гидрофобные зернистые материалы, суспендированные в нем, где первые гидрофобные частицы имеют более высокий удельный вес, чем вторые гидрофобные частицы, а флюид также включает газ, чтобы увлажнить поверхность частиц и соединить их вместе в агломераты.

Во втором аспекте изобретение предлагает способ доставки зернистого материала под землю, включая подачу под землю, композиции, включающей жидкость-носитель на водной основе, в которой суспендированы, по меньшей мере, два зернистых материала, которые являются гидрофобными, где первый из этих материалов имеет больший удельный вес, чем второй, а флюид, также включает газ, увлажняющий поверхность частиц и связывающий частицы вместе, так что агломераты зернистых материалов, удерживаемые вместе газом, находятся ниже грунта.

В некоторых вариантах воплощения этого изобретения доставка под землю проводится в ходе гидравлического разрыва газонефтеносного пласта. Это может быть газовый пласт, и этап гидравлического разрыва пласта может сопровождаться добычей газа, газового конденсата или их комбинации из пласта через трещину и в эксплуатационный трубопровод посредством канала для движения флюидов в ней.

Агломерацию можно предотвратить или реверсировать, когда композиция подвергается сдвигу. Как уже упоминалось, композиция, которую закачивают в забой скважины, подвергается разному по значению сдвигу в ходе своего прохода в забой. Следовательно, агломерация может происходить на подземном участке, к которому доставляется зернистый материал. Однако возможно, что агломерация может иметь место или начинаться в ходе течения потока в направлении к подземному участку, где материал отвечает ее целям.

Далее будет понятно, что в настоящем изобретении предлагается использование двух материалов, которые являются зернистыми в том смысле, что каждый из них представляет собой множество мелких частиц и их использование отвечает двум целям. Первый зернистый материал является материалом, который желательно разместить в месте, находящемся в подземном пласте. В существенных признаках этого изобретения он служит проппантом, помещенным в трещину гидравлического разрыва. Второй зернистый материал способствует транспортированию, помогая поддерживать суспендированное состояние во флюиде-носителе. Агломераты должны содержать оба материала - более плотные первые частицы и более легкие вторые частицы. Наличие более легких частиц помогает снизить плотность агломератов, что важно, поскольку агломераты пониженной плотности оседают из флюида-носителя медленнее и, в результате, их можно транспортировать более эффективно к их целевому способу назначения.

Наличие газа в агломератах из гидрофобных частиц также снижает их общую плотность. Это согласуется с идеями предшествующих документов в отношении использования адсорбируемого газа для повышения плавучести. Однако мы обнаружили, что объем газа, который может быть введен в стабильные агломераты, ограничен и может не снижать эффективную плотность до степени, которая ожидалась. Во-вторых, когда зернистый материал делают более легким с помощью адсорбированного газа, то газ будет сжиматься при повышении гидростатического давления при его закачивании в забой скважины в трещину. Поэтому объем, занимаемый газом, будет уменьшаться относительно зернистого материала. Следовательно, объем газа, который должен быть доставлен к поверхности для того, чтобы обеспечить желаемый объем газа в забое, может быть большим.

Когда оба вида частиц - более легкие и более плотные - образуют агломераты с газом, согласно настоящему изобретению, то общая плотность частиц может быть ниже, чем она могла быть достигнута без более легкого зернистого материала. Во-вторых, меньший объем газа может потребоваться для того, чтобы достичь желаемого снижения плотности в условиях гидростатического давления в забое скважины. Тем не менее понятно, что когда образуются агломераты в соответствии с настоящим изобретением, то количество газа, содержащегося в них, может быть меньше, чем максимально возможное.

Предотвращение оседания зернистого материала позволяет транспортировать его более эффективно до целевого места назначения. В контексте осуществления гидравлического разрыва длина и/или вертикальная высота трещины (то есть область трещины), которая сохраняется как закрепленное отверстие после закачивания, по размеру больше, чем она была бы, если бы использовали только первый зернистый материал. Композиции, используемые в этом изобретении, можно составить так, что получаемые агломераты, образующиеся согласно этому изобретению, будут иметь плотность, не превышающую 1,4 г/мл, и предпочтительно, не превышающую 1,1 г/мл. В некоторых вариантах воплощения этого изобретения агломераты имеют или примерно имеют нейтральную плавучесть или являются достаточно легкими, чтобы всплывать в жидкости-носителе и не оседать.

Более плотный первый зернистый материал может иметь большую прочность, чтобы противостоять раздавливанию, по сравнению с более легким вторым зернистым материалом. Когда трещине позволяют сомкнуться вблизи зернистого материала, то агломераты будут сжиматься и, в конце концов, подвергаться разрушающему давлению горной породы. Второй, более легкий зернистый материал может быть раздавлен и деформирован так, что не будет функционировать как проппант, но этот дефект второго материала будет допустимым, поскольку первый материал помещен в трещину и работает как целевой проппант. Суммарный результат заключается в улучшении эффективности операции гидроразрыва, поскольку длина трещины, которая сохраняет закрепленное отверстие, по размеру больше, чем она могла бы быть, если бы использовали только первый зернистый материал.

Также возможно, что более легкий второй зернистый материал имеет адекватную прочность, чтобы противостоять раздавливанию, но является более дорогим, чем первый зернистый материал. В этом случае использование обоих зернистых материалов дает экономический эффект: второй материал помогает в транспортировании, что дает преимущество в отношении того, что проппант вновь переносится дальше в трещину, чем это было бы в случае использования только первого, более плотного проппанта, и кроме того, использование смеси зернистых материалов обходится дешевле, чем использование только более дорогого второго материала.

Первые гидрофобные частицы (которые представляют собой более плотный зернистый материал) могут иметь удельный вес 1,8 или выше, возможно, по меньшей мере, 2,0 или 2,5, хотя также возможно, что первый зернистый материал может быть легковесным материалом, таким как материал с удельным весом в диапазоне от 1,5 или от 1,6 вплоть до 1,8. Второй, более легкий гидрофобный зернистый материал может иметь удельный вес меньше чем 1,5, и предпочтительно меньше чем 1,3. Второй зернистый материал, возможно, может иметь удельный вес не больше чем 1,0. Количества первого и второго зернистых материалов могут быть такими, что их соотношение по объему находится в диапазоне от 5:1 до 1:5, возможно, от 4:1 до 1:4 и, возможно, от 3:1 до 1:4.

Иногда цифра, указанная в литературе для плотности зернистого материала, является насыпной плотностью, которая означает среднюю плотность количества зернистого материала вместе с чем-либо, присутствующим во внутрипоровом пространстве между частицами. С этой точки зрения влажный песок имеет более высокую плотность, чем сухой песок, поскольку насыпная плотность включает воду между частицами песка. В отличите от этого, удельный вес зернистых материалов относится к удельному весу самих частиц, без учета внутрипорового материала. Для индивидуальных частиц удельным весом является вес частицы относительно веса равного объема воды. Если частицы образованы из гомогенного материала, то их удельный вес представляет собой удельный вес этого материала. Если частицы являются полыми, то удельный вес все еще является весом частицы относительно веса равного объема воды, но это значение удельного веса учитывает вес внешней оболочки и содержимого полости.

Первые и вторые частицы могут быть образованы из материалов, которые по своей природе являются гидрофобными или могут быть частицами, которые являются гидрофильными, но имеют гидрофобное покрытие на своей поверхности. Например, обычный кварцевый песок, обычно применяемый как проппант, является гидрофильным и не агломерируется маслом или газом в присутствии воды. В отличие от этого, мы обнаружили, что песок с обработанной поверхностью, что придает ему более гидрофобные свойства, будет самопроизвольно образовывать агломераты в присутствии масла, воздуха или газа азота. Первый зернистый материал, используемый для этого изобретения, может быть таким гидрофобно модифицированным песком. В качестве альтернативы песку или другому минералу зернистый материал может быть промышленно выпускаемым керамическим проппантом, обработанным с получением гидрофобно модифицированной поверхности.

Количественным указателем полярности поверхности твердого тела (полученного с ровной, плоской поверхностью) является понятие критического поверхностного натяжения, впервые введенное Зисманом (см. Fox and Zisman, J. Colloid Science, Vol. 5 (1950), стр. 514-531, на стр. 529). Это такое значение поверхностного натяжения, при котором жидкости, имеющие поверхностное натяжение на границе с воздухом, которое меньше чем или равно этому значению, будут растекаться по поверхности твердого тела, в то время как жидкости с более высоким поверхностным натяжением будут оставаться в форме капель на поверхности, имея краевой угол смачивания больше чем нуль. Сильно гидрофобное твердое тело имеет низкое критическое поверхностное натяжение. Например, в литературе указывается, что критическое поверхностное натяжение политетрафторэтилена (ПТФЭ) равно 18,5 миллиНьютон/метр, а для твердого тела, покрытого гептадекафтор-1,1,2,2-тетрагидродецилтрихлорсиланом, литературное значение критического поверхностного натяжения равно 12 мН/м. В отличие от них литературные значения критического поверхностного натяжения для натриево-кальциево-силикатного стекла и диоксида кремния равны 47 и 78 мН/м, соответственно.

Мы обнаружили, что аналогичное измерение гидрофобности поверхности из зернистого твердого тела можно выполнить путем встряхивания твердого тела с очень гидрофобным маслом (предпочтительно, силиконовым маслом), имеющим низкое поверхностное натяжение, и смесей из этанола и воды с прогрессивно увеличивающейся долей этанола. Это можно осуществить при комнатной температуре, равной 20^оС. Поверхностные натяжения ряда смесей из этанола и воды приведены в таблице в книге CRC “Handbook of Chemistry and Physics”, 86-е издание, раздел 6, стр. 131.

Повышение доли этанола в водной фазе (то есть смеси этанола и воды) снижает ее поверхностное натяжение. В конце концов, наступает момент, когда поверхностное натяжение водной фазы становится таким низким, что твердое тело не может больше агломерироваться маслом. Граничное значение, при котором прекращается агломерация маслом, является мерой гидрофобности твердого тела и называется «предельное поверхностное натяжение агломерации» или АППН (ALST).

Мы наблюдали, что зернистые твердые тела, которые могут подвергаться самопроизвольной агрегации из суспензии в деионизованной воде при контакте с маслом, всегда имеют значение АППН, приблизительно равное 40 мН/м или меньше. Этот тест на АППН покрывает диапазон значений, представляющих практический интерес, но следует понимать, что если агломерация не имеет места, то этот тест не дает численного значения АППН, но показывает, что поверхность не характеризуется значением АППН, которое равно 40 мН/м или меньше. Кроме того, если поверхность имеет значение АППН ниже, чем поверхностное натяжение чистого этанола (22,4 мН/м при 20ºС), то этот тест не дает численного значения АППН, но показывает, что значение АППН не превышает 22,4 мН/м.

Когда зернистые материалы, подлежащие агломерированию, не обладают естественной гидрофобностью, то можно использовать ряд различных способов, чтобы модифицировать поверхность твердых частиц с целью увеличения их гидрофобности; эти способы включают нижеописанные способы, в которых первые три способа обеспечивают ковалентное связывание покрытия с субстратом.

Органосиланы можно использовать для присоединения гидрофобных органо-групп к минеральным субстратам с гидроксильными функциональными группами, такими как проппанты, состоящие из диоксида кремния, силикатов и алюмосиликатов. Хорошо известно использование органосиланов с одной или более функциональных групп (например, амино, эпокси, ацилокси, метокси, этокси или хлор) для получения гидрофобного органического слоя на диоксиде кремния. Реакцию можно проводить в органическом растворителе или в паровой фазе (см., например, Duchet et al., Langmuir (1997), vol. 13, pp. 2271-78).

Органотитанаты и органоцирконаты, такие как описаны в патенте США 4623783, также можно использовать. Литературные данные показывают, что органотитанаты можно использовать для модификации минералов без поверхностных гидроксильных групп, что могло бы расширить диапазон материалов, которые подвергают поверхностной модификации, например, включив в него карбонаты и сульфаты.

Способ поликонденсации можно использовать для нанесения полисилоксанового покрытия, содержащего органические функциональные группы лиганда общей формулы Р-(СН₂)₃-Х, где Р - это трехмерная сетка, подобная сетке диоксида кремния, и Х - это органическая функциональная группа. Способ включает гидролитическую поликонденсацию тетраалкоксисилана Si(OR)₄ и триалкоксисилана (RO)₃Si(CH₂)₃X. Такие покрытия имеют преимущество в том, что их можно готовить с различными мольными соотношениями Si(OR)₄ и (RO)₃Si(CH₂)₃X, обеспечивая «настраиваемое» регулирование гидрофобности обрабатываемой поверхности.

Способ вихревого напыления можно использовать для нанесения гидрофобного покрытия на субстрате, представляющем собой зернистый твердый субстрат. Материал для покрытия обычно наносят как раствор в органическом растворителе, и затем растворитель испаряют во время вихревого напыления.

Адсорбционные способы можно использовать для нанесения гидрофобного покрытия на минеральный субстрат. Монослой поверхностно-активного вещества можно использовать для изменения смачиваемости поверхности минерала, меняя способность смачиваться водой на способность смачиваться маслом. Гидрофобно модифицированные полимеры также можно присоединять путем адсорбции.

Способы модификации поверхности, описанные выше, можно выполнять как отдельную химическую операцию перед получением скважинного флюида. Такая предварительная обработка твердого материала, предназначенная для придания ему гидрофобности, необязательно должна проводиться на участке расположения скважины; в действительности, ее можно выполнять на промышленном оборудовании где-либо еще и заранее обработанный материал транспортировать к участку расположения скважины. Однако также возможно, что некоторые из описанных способов, особенно адсорбционный способ, можно было бы проводить на участке расположения скважины как часть процедуры смешения, посредством которой получают скважинный флюид.

Любой из двух или оба вместе из зернистых материалов этого изобретения могут обладать естественными гидрофобными свойствами, но доступные гидрофобные материалы обычно бывают более легкими и поэтому больше подходят в качестве второго зернистого материала. Таким образом, одна возможность в контексте этого изобретения заключается в том, что более плотный первый зернистый материал является твердым минеральным материалом, таким как песок с гидрофобным покрытием на внешней поверхности частиц, в то время как вторые, более легкие частицы представляют собой естественный гидрофобный материал. Возможными материалами являются природные или синтетические каучуки и гидрофобные полимеры, такие как полиэтилен и полипропилен. Полимеры могут быть частично сшитыми или могут содержать упрочняющие наполнители. Ради экономии гидрофобные материалы могут быть материалами, которые повторно используются после предыдущего использования, например, измельченные, бывшие в употреблении автомобильные шины или измельченная, бывшая в употреблении полипропиленовая упаковка. Другими кандидатами в материалы являются частицы угля или угольных фракций.

Другая возможность в контексте этого изобретения заключается в том, что вторые, более легкие частицы являются полыми. Стеклянные микросферы с гидрофобным покрытием представляют собой одну возможность. Мы обнаружили, что такие микросферы могут оставаться неповрежденными в условиях значительного гидростатического давления, хотя позже они могут быть раздавлены, когда трещина гидроразрыва сомкнется на агломерированном пропанте внутри нее.

Коммерчески доступны различные стеклянные микросферы (с гидрофильной поверхностью стекла). Поставщики включают компанию 3M Inc. и других производителей. Доступные микросферы имеют удельный вес в диапазоне от 0,125 до 0,6, а прочность на раздавливание таких частиц увеличивается с увеличением их удельного веса. Например, доступны микросферы с медианным размером частиц d₅₀, равным 40 микрон, удельным весом, равным 0,38, и прочностью на раздавливание со способностью частицы выдерживать давление вплоть до 4000 фунт/кв. дюйм (27,58 МПа). Микросферы также доступны со средним размером частиц d₅₀, равным 40 микрон, удельным весом, равным 0,6, и прочностью на раздавливание со способностью частицы выдерживать давление вплоть до 10000 фунт/кв. дюйм (68,95 МПа). Коммерчески доступные гидрофильные стеклянные шарики можно сделать гидрофобными путем покрытия поверхности, используя один из вышеописанных способов.

Следующая возможность заключается в том, что второй зернистый материал представляет собой пористое твердое тело, такое как вулканическая пемза с гидрофобным покрытием. Такой материал является легким, поскольку его поры наполнены воздухом: жидкость-носитель на водной основе не занимает эти поры из-за их маленького диаметра и гидрофобного покрытия.

Частицы обоих зернистых твердых тел, конечно, должны образовывать отдельную твердую фазу при агломерации. Следовательно, в этот период они должны быть нерастворимы в жидкости-носителе или, по меньшей мере, быть малорастворимыми. Для многих применений этого изобретения желательно, чтобы зернистые твердые тела оставались нерастворимыми после прохождения агломерации. Однако в рамках некоторых форм этого изобретения агломераты могли не оставаться неизменными все время, а могли со временем растворяться в окружающей жидкости. Например, введение гидрофобно модифицированного карбоната кальция в смешанный агломерат с гм-диоксидом кремния должно было приводить к агломератам, которые могли бы частично растворяться последующим потоком кислого раствора, способного, в конце концов, проникнуть через гидрофобное покрытие.

Твердые частицы, используемые в этом изобретении, могут существенно варьировать по форме и размеру. Они могут иметь неправильные формы, типичные для зерен песка, которые можно неточно описать как «скорее сферические, чем удлиненные», где характеристическое отношение между самым длинным размером и самым коротким размером, перпендикулярным ему, может быть равно 5 или меньше, или даже 2 или меньше. Возможны другие формы, такие как цилиндры или кубы, особенно если частицы представляют собой промышленный керамический продукт. Следующая возможность заключается в том, что зернистый материал может иметь плоскую форму, как в случае с частицами слюды (действительно, гидрофобно модифицированные частицы слюды можно использовать в качестве первого зернистого материала). В общем, маловероятно, чтобы медианные размеры частиц были больше чем 5 мм. Медианные размеры частиц, вероятнее всего, равны 3 мм или меньше и предпочтительно равны 1,6 мм или меньше. Варианты воплощения настоящего изобретения предусматривают использование смесей твердых частиц, где медианный размер частицы меньше чем 1 мм. Возможно, особенно для более плотного первого материала, что по меньшей мере 90% по объему частиц имеют самый длинный размер меньше чем 5 мм, возможно, 3 мм или меньше.

Размеры частиц можно легко указать точно путем ссылки на размер сит, что общепринято для материалов для проппанта. В Рекомендуемых практиках Американского института нефти (API RP), стандартах 56 и 60, конкретизирован номер размеров проппанта путем указания верхнего и нижнего размера сит - US Sieve. Девяносто процентов частиц образца по весу должно проходить через сито большего размера, но задерживаться на сите меньшего размера. Таким образом, «песок 20/40» означает песок с таким распределением размеров частиц, что 90% масс. из них проходит через сито 20 меш (840 микрон), но задерживается на сите 40 меш (420 микрон). Соответственно 90% масс. от образца песка 70/140, что является наименьшим размером, определяемым этими стандартами, проходит через сито 70 меш (210 микрон), но задерживается на сите 140 меш (105 микрон). Следует понимать, что для любого проппанта, определяемого верхним и нижним размерами сита, медианный и средний размеры частиц попадают где-то между верхним и нижним размерами сита.

Другим способом определения размера частиц является распространенный способ определения малого угла рассеивания света лазерного излучения, более известный как лазерная дифракция. Инструменты для проведения этого анализа предлагаются рядом поставщиков, включая Malvern Instruments Ltd., Малверн, Великобритания. Malvern Mastersizer является хорошо известным инструментом, который определяет объемы отдельных частиц, на основе которых можно вычислить средний и медианный размеры частиц, используя компьютерное программное обеспечение, поставляемое вместе с инструментом. При определении размера частиц с помощью такого инструмента размер отдельной частицы фиксируется как диаметр сферической частицы такого же объема, так называемой «эквивалентной сферы». Объемный медианный диаметр частицы, обозначаемый как D[v,05] или d₅₀ - это значение размера частицы такое, что 50% (по объему) частиц имеют объем больше, чем объем сферы диаметра d₅₀, и 50% частиц имеют объем меньше, чем объем сферы диаметра d₅₀. Размеры частиц, определяемые малым углом рассеяния света лазерного излучения, аналогичны размерам частиц, определяемым ситовым анализом, если частицы являются приблизительно сферическими.

Тогда распределение частиц по размеру удобно обозначать значениями d₁₀ и d₉₀, измеряемыми аналогично. Десять процентов, по объему, частиц в образце имеют эквивалентный диаметр меньше, чем d₁₀. Девяносто процентов, по объему, частиц меньше чем d₉₀, и таким образом, 10%, по объему, частиц больше чем d₉₀. Чем ближе между собой значения d₁₀ и d₉₀, тем уже распределение частиц по размеру.

В формах этого изобретения, где первый зернистый материал является проппантом для гидравлического разрыва пласта, первые частицы могут иметь больший размер d₉₀, аналогичный размеру традиционного проппанта, такой как 10 меш (2мм) или 20 меш (840 микрон). Частицы могут иметь следующие характеристики размера:

d₁₀>110 микрон, возможно, >120 микрон или >150 микрон

d₅₀<1 мм, возможно, <800 микрон

d₉₀<3 мм, возможно, <2 мм или <1 мм

Распределение частиц по размеру может быть достаточно широким, так что d₉₀ больше, чем в 5 раз больше, чем d₁₀, возможно, больше, чем в 10 раз больше, чем d₁₀. Эти характеристики размера частиц можно также применить к другим формам этого изобретения, например к тем, где способ изобретения применяют для предотвращения потери циркуляции или для изоляции одной зоны от другой.

Однако преимущественной характеристикой этого изобретения является то, что его можно использовать с первым зернистым материалом, имеющим d₅₀, равный 105 микрон или меньше. Мы обнаружили, что использование мелкого зернистого материала этого размера может быть достоинством для разрыва сланцевого пласта, особенно для разрыва газоносного сланца. Можно ожидать, что использование проппанта микронного размера, то есть проппанта из маленьких частиц микронного размера, приведет к трещинам с пониженной проницаемостью и проводимостью по сравнению с трещинами, получаемыми с использованием проппанта из частиц большего размера. Тем не менее такие трещины позволяют транспортировать газ с допустимыми скоростями потока. Преимущество, получаемое от транспортирования проппанта дальше в трещину, так что трещина имеет больший эффективный размер после смыкания вблизи проппанта, перевешивает пониженную проводимость. В целом, получаем более сильную стимуляцию пласта.

Мелкий проппант микронного размера может иметь d₉₀ ниже 150 микрон, d₅₀ ниже 105 микрон и d₁₀, равный по меньшей мере 10 микрон. Возможным материалом для использования в качестве мелкого, первого зернистого материала является гидрофобно модифицированная летучая зола. Так называемую летучую золу добывают из топочного газа угля, сжигаемого электростанциями, и это материал с маленьким размером частиц с высоким содержанием диоксида кремния. Он обычно имеет размер d₉₀ ниже 100 микрон и удельный вес в диапазоне от 1,9 до 2,4.

Второй зернистый материал, используемый в этом изобретении, может иметь или может не иметь размер частиц, аналогичный первому материалу. Одна возможность заключается в том, что второй зернистый материал имеет частицы несколько меньшего размера, чем первый зернистый материал, особенно если первый материал имеет d₅₀>120 микрон. Кандидатом для второго зернистого материала с маленьким размером частиц являются гидрофобно модифицированные полые шарики, где полые шарики (также называемые ценосферами) извлекают из летучей золы. (Ценосферы, которые образуются самопроизвольно при сжигании, составляют небольшой процент от золы).

Также возможно, что один или оба из зернистых материалов состоит из или включает гидрофобные удлиненные волокна. Включение волокон в агломерируемое твердое тело может привести к агломератам, которые противостоят изменению формы после агломерации. Для волокон, как для других зернистых материалов, предпочтительно, чтобы значение АППН не превышало 38 мН/м. Примером гидрофобных волокон, которые можно было бы использовать самостоятельно или в смеси с другим зернистым твердым телом, являются полипропиленовые волокна, имеющие медианный диаметр в диапазоне от 50 до 500 микрон и медианную длину от 3 до 10 мм. Другой возможностью могли бы стать стеклянные волокна этих размеров, модифицированные с получением гидрофобного поверхностного слоя с использованием одного из описанных выше способов.

Обнаружено, что в контексте гидравлического разрыва можно использовать первый зернистый материал, который служит проппантом и имеет низкое характеристическое отношение, вместе со вторым, более легким материалом, который состоит из или включает гидрофобные волокна. Тогда эти волокна снижают плотность агломератов во время транспортирования, а также препятствуют окончательному осаждению проппанта из суспензии по причине их формы (что является предметом другой патентной заявки, поданной одновременно с этой заявкой).

Агломерирующим агентом, который связывает частицы вместе в агломераты, является газ. Этот газ должен быть достаточно гидрофобным, чтобы образовать фазу, которая не растворяется в жидкости-носителе на водной основе, хотя возможно, чтобы он обладал некоторой ограниченной растворимостью в воде, как в случае с воздухом и азотом. Объем подаваемого газа должен быть достаточным, чтобы происходила агломерация частиц при давлении в забое. Однако, как указывалось выше, для осуществления агломерации требуется меньшее количество газа, чем если бы газ