CN103975039B - 通过注入包封的纳米反应物在致密地层中形成人工最佳钻探点 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于在致密气层中原位形成人工最佳钻探点的方法和组合物。该组合物可以包含气体生成化合物，其在激活时发生放热反应以生成热和气体。使用该组合物的方法包括将该组合物注入致密气层中，以使其在激活时生成热和气体，从而导致在地层中形成裂缝和微裂缝。

Description

通过注入包封的纳米反应物在致密地层中形成人工最佳钻 探点

技术领域

本发明涉及一种在致密含烃地层中形成人工最佳钻探点(synthetic sweetspot)的方法。

背景技术

随着世界范围内的石油储量下降，石油的找寻和采收正日益变得困难。在许多情况下，困在某些低渗透性地层(如某些砂岩地层、碳酸盐地层和/或页岩地层)内部的储量显示出很少的产量或不显示产量，并且因此在经济上以当前的石油和气体价格开发是不利的。在某些非常规地层中，如低渗透性地层中，确定开发储层是否将经济可行的最重要的要素是找到储层中的最佳钻探点。当找到最佳钻探点时，才能确认致密气井可能在商业上是可行的。最佳钻探点在本文中通常定义为储层内部代表最佳产量或潜在产量的区域。不幸地，当前技术不能定位或预测给定地层内何时及何处存在最佳钻探点。

致密砂岩和页岩地层中存在气体但渗透率极低，因而难以从中采收烃。然而，由于对清洁燃料的高需求，它们正在成为重要的开发对象。为了使这些低渗透率地层适合开采出商业量的气体，通常需要使用大规模水力压裂来进行增产。一般而言，水力压裂增产处理的目的是使暴露于生产井的砂岩面表面最大化。该增产处理还会激活井筒附近的裂缝从而提高砂岩面的流通性。压裂处理通常在物流上是非常具有挑战性的，因此商业上非常繁琐。当井位于储层中的多产区域时，会使致密砂岩和页岩中的开采更具前景，因而也更商业化。地质学家和储层工程师将该区域称为最佳钻探点。在某些少见且幸运的场合，在钻井的位置会遇到最佳钻探点。如果井遇到储层的最佳钻探点，则可显著提高其经济性。然而，遇到最佳钻探点的机会很低。

勘探努力和研究集中在寻找储层最佳钻探点，从而提高项目的经济效益，并使油井成功率最大化。然而，最佳钻探点往往只是致密地层中非常薄的条带。在一定程度上，目前的勘探技术无法检测到它们。

在致密储层中，由于地层的低渗透性，井产量一般较低，因此从开发的观点看，该井是不经济的。增产处理是可以用来提高井产能并提高井开发的经济性的一种已知方法。用于使低产井增产的一种常用技术是大型水力压裂，其通常涉及将高粘度流体以足够高的速度注入井中，从而在井筒内部建立起足够高的压力以使地层碎裂。通常，这些水力压裂处理必须分几个阶段进行，以使储层接触和被增产的储层容量最大化。产生的水力诱导裂缝从井筒延伸至地层深处。

增产方法可以采用若干技术以确保诱导裂缝在注入停止时具有流通性。例如，在碳酸盐地层的酸化压裂过程中，将基于酸的流体注入地层中以产生酸蚀裂缝和导流通道，当裂缝闭合时导流通道保持张开。在用于砂岩地层或页岩地层时，压裂液中可包含支撑剂，从而使得在诱导裂缝闭合时使其保持张开。然而，这些方法的应用有限。例如，由于页岩地层和砂岩地层不与酸反应，因此一般不使用酸增产流体，而是仅采用含有支撑剂的水力压裂，并且经常需要多个阶段的压裂。多级压裂因为成本高且需要极大量的水，因而存在许多问题。

因而，额外需要增强致密气层内的开采以增强其产量。特别地，需要对环境影响小的方法和组合物以用于形成人工最佳钻探点。

发明内容

总体上，本发明提供了用于形成人工最佳钻探点的方法和组合物。

一方面，提供了一种用于在致密气井内原位生成气体以形成人工最佳钻探点的反应混合物。通常，该反应混合物可包含包封的反应物(encapsulated reactant)，其能够发生放热反应从而产生气体和热。该反应物可以被这样的材料包封，该材料在地层条件下具有明确的腐蚀速度。该反应混合物可包含水力压裂液。

在某些实施方案中，提供了用于使致密气层中的气体增产的方法。该方法包括以下步骤：向地层中注入水溶液，该水溶液包含至少一种包封的反应物，该反应物能够发生放热反应从而产生一定体积的气体。该包封的反应物包含涂料，该涂料能够使其延迟腐蚀，其中，当包封涂料腐蚀时，所述反应物便发生放热反应以产生一定体积的气体。当产生一定体积的气体时，则在地层内产生裂缝和微裂缝，由此提高其中的产量。

附图说明

图1为一个实施方案的示意图。

图2为一个实施方案的示意图。

图3为图2中所示出的实施方案的俯视示意图。

图4为一个实施方案的示意图。

图5为一个实施方案的示意图。

发明详述

尽管以下详细说明为了示例的目的包括很多具体细节，但是应当理解，本领域技术人员能够理解，许多例子、以下细节的变体和替代形式在本发明的范围和精神之内。因此，本文所述的以及附图中提供的本发明的示例性实施方案并没有破坏所要求的本发明的共性并且也不限制所要求的本发明。

在某些实施方案中，本文所提供的组合物提供了一种引入增产成岩作用(stimulated digenesis process)的方法，这将在原本不存在最佳钻探点的储层中人为地形成最佳钻探点。纳米粒子被包封，并且仅在特定的触发机制下被释放，例如温度或与水或一些其它触发溶剂接触，以确保深入渗透至井筒或裂缝平面。在释放时，包封的纳米粒子的负载(payload)(即，位于包封层内的材料)与地层水混合从而引发反应，该反应产生热和加压气体，并且在侵入的基体中形成新的微裂缝。由于渗透率极低，因而在致密地层中原位生成气体会使局部压力增加，从而导致微压裂。因此，地层的微压裂提高了靠近井或靠近裂缝的储层的渗透率。

本文所用的“最佳钻探点”是指与储层中的其他地方相比，储层中诸如渗透率和孔隙率之类的岩石物理性能明显提高的区域。

如前所述，钻入那些最佳钻探点可以产生生产井和停产井之间的差异。本文描述的方法提供了包封的纳米化学物质的注入，该化学物质与地层水或其他反应物剧烈反应，由于放热反应所产生的热气体以及由此形成的高压而在致密气层孔隙中形成了局部应力，使得致密地层中的微孔和微裂缝起泡(blister)。该应力效应将使地层孔隙膨胀并且使裂缝流动性更高，从而使岩石基体对流体的渗透性更好；因此，如果将该方法与常规水力压裂处理一同使用，则将在钻井周围或裂缝表面附近人为地形成最佳钻探点。

本文所述的方法涉及在水力压裂过程期间诱发的裂缝处或其附近形成最佳钻探点。当在水力压裂处理期间利用本发明技术时，可以形成人工最佳钻探点，因而增强了产量并且最大程度地增强了气体开采。本文所述的工艺和技术因此可以大大增加从低渗透性储层中采收气体的机会并且将提高其开发的经济性。

水力压裂操作包括如下步骤：以高流速向井筒中注入粘性流体、优选为水性流体，从而使得在井筒中产生足够的压力以在地层中形成裂缝。一般而言，水力压裂过程中产生的裂缝可以延伸至地层深处。例如，取决于地层特性和用于使地层增产的流体的体积，所产生的裂缝可以向地层中延伸至约50米，或者至少约100米。另外，可以这样设计水力压裂过程，使得裂缝由井筒沿多个方向向外延伸。

图1为用于水力压裂操作的井筒的示意图，其中将粘稠流体，优选为水性流体以高流速注入井筒100中，从而在井筒内产生足够的压力以在地层中形成裂缝。通常，如水力压裂区域101中所示，水力压裂期间生成的裂缝可以延伸至地层中。例如，如图1中所显示，示出了裂缝102的长度延伸至地层中。在一些实施方案中，裂缝的长度可以延伸达25米至100米。另外，可以这样设计水力压裂过程，使得裂缝由井筒沿多个方向向外延伸。

图2示出了在裂缝114中扩展并由此延伸的微裂缝112，其中裂缝114是由水力压裂过程产生的，由此形成了最佳钻探点116。通常，取决于反应物和由其形成的氮气体积，微裂缝112可以由在水力压裂期间产生的初始裂缝起延伸遍布于伪裂缝宽度(pseudo fracturewidth)118。图3类似地示出了其俯视图。

图4为示出了在地层内部形成最佳钻探点116的另一个示意图。该图示出了可以延伸穿过地层的裂缝102的长度。在一些实施方案中，裂缝102的长度可以延伸达100米。在一些实施方案中，裂缝102的长度可以延伸达50米。在一些实施方案中，裂缝102的长度可以延伸达25米。该图示出了导致利用已知压裂技术的裂缝宽度120。在一些实施方案中，该裂缝宽度为约0.5厘米。在其他实施方案中，该裂缝宽度小于0.5厘米。然而，通过利用本文所述的组合物和方法，提供了令人惊讶的伪裂缝宽度118，从而在裂缝位置处及其周围产生了最佳钻探点。在一些实施方案中，该伪裂缝宽度为1-3米。

因此，本文提供了用于使致密气井增产以产生人工最佳钻探点，从而提高井产能的方法和组合物。在某些实施方案中，该方法和组合物可与标准水力压裂技术联用。例如，在某些实施方案中，井增产工艺可包括在水力压裂过程中注入某些组合物。在替代实施方案中，井增产工艺可涉及如下步骤：首先以足够高的注入速度向井孔中注入流体，从而在贯穿处理地层的井筒中建立足够高的压力，从而在所述地层中引发水力压裂并使之传播，接着注入气体生成组合物。在某些实施方案中，部分反应物与水力压裂液一同供给，并且在进行初次水力压裂之后单独供给反应物的剩余部分。在某些其他实施方案中，在多级压裂过程中，在压裂工艺的每个阶段中，水力压裂液中均含有包封的反应物。

在一个方面中，提供了一种用于形成人工最佳钻探点的组合物。该组合物可以包含一种或多种反应物，其可以被能够保护该反应物的材料包封。在大多数实施方案中，理想的是，使反应物在发生反应并形成人工最佳钻探点之前迁移至地层深处。由此，在某些实施方案中，反应物被这样的材料包覆，该材料在暴露于选自高温、或者与水、酸、或烃接触的一种或多种条件下随时间而释放。在某些实施方案中，将单一反应物包封并且将其注入地层中，在地层中，在包封材料溶解或腐蚀后，所述单一反应物可与地层中的水或其它反应物发生放热反应从而形成人工最佳钻探点。在替代实施方案中，可将两种或多种反应物包封并注入地层中，在地层中，在包封材料溶解或腐蚀后，所述反应物可相互间、或与水发生放热反应从而形成人工最佳钻探点。

在本领域中，已知多种与水发生放热反应的反应物。在一些实施方案中，这些反应物包括连二亚硫酸钠。在其它实施方案中，反应物包括氢化铝锂。

在某些实施方案中，反应物可以是氧化还原反应中的组分，使得一种组分为氧化剂，而另一组分为还原剂，并且在接触后，氧化剂和还原剂发生放热反应并生成气体和热。在某些实施方案中，反应物可反应生成氮气。如前面所提到的，除了引发周围地层中的应力以外，气体的产生还形成了局部应力区域。通过在地层中形成局部压力区域，使得附近的岩层中产生微裂缝；由此提高了地层中裂缝表面附近的渗透性。该方法可包括向地层中供给组合物的步骤，该组合物包含含有放热反应物的化合物，然后该反应物可发生反应以产生热量和诸如氮气之类的气体。在某些实施方案中，可将全部或部分氧化还原组合物引入压裂液中，并在水力压裂处理过程中注入。

图5示出了本发明的一个实施方案，其中预测通过反应产生的气体在水力压裂期间移动至在地层内部形成的裂缝中，从而在地层中形成额外的微裂缝。现在参考图5，井筒104位于地层102内。钻杆106位于井筒104内部。在水力压裂过程后，在地层102内部存在大的裂缝110，其由井筒104向外延伸。在进行反应时，注入的流体产生气体和热，由此使得在地层内部形成微裂缝112，从而为困在地层内部的烃分子提供迁移和开采的途径。

合适的包封材料可以包括某些聚合物，这些聚合物正如将在地层中经历的那样，在暴露于水、热和/或压力后以延迟的速度发生溶解或腐蚀。在某些实施方案中，可将包封材料水合以与该组分形成固体基质。

在一个实施方案中，提供了一种用于在致密气层中形成人工最佳钻探点的方法。在某些实施例中，水力压裂工艺可有效地在地层内形成主裂缝，并且包封的反应物可通过放热反应和由此产生的气体而在地层内有效地形成微裂缝。随后的水力压裂工序可使得微裂缝在主裂缝内扩展并由主裂缝延伸，其中该主裂缝是由水力压裂工序产生的。通常，取决于反应物和由其产生的氮气的体积，微裂缝从在水力压裂过程中形成的初始裂缝开始延伸达约半米，或者延伸至约一米。

氮气和热的原位生成(以及由此造成的地层内部反应位置处的压力增加)增加了致密气层的渗透性。通过反应生成的热和气体可以在地层中水力诱导的裂缝和现存裂缝内部造成张裂缝和热裂缝(tensile and thermal fractures)。可以理解的是，地层内部微裂缝的生成可取决于被处理的地层的类型。

正如前面提到的，包封材料以期望的速度从反应物上溶解或腐蚀，使得反应物在与水接触时不会立即发生反应。在某些实施方案中，有利的是在进行水力压裂以在地层中引发裂缝和微裂缝之后再使反应物发生放热反应。据信，当产生热和一定体积的气体时，地层中所存在的裂缝和微裂缝将增加。此外，据信，与不采用本文描述的组合物的水力压裂工艺相比，使用本文所述的方法和组合物将使得在多级水力压裂工艺中采用更少的阶段。

在某些实施方案中，该方法可包括如下步骤：向地层中注入包封的还原剂(或还原试剂)和包封的氧化剂(氧化试剂)，可任选地随后注入激活物(activator)。在某些实施方案中，激活物可以是酸。在某些实施方案中，来自地层的热可充当反应物的激活物。

注入到地层中的包封的还原剂(或还原试剂)和包封的氧化剂(氧化试剂)的量将取决于多种因素，包括增产的区域、给定地层的孔隙度、以及诸如液体或气体之类的稀释剂的存在。在一些实施方案中，该稀释剂是惰性气体。在一些实施方案中，该惰性气体是氮气。

由放热反应产生的气体和低局部渗透性有利于提高孔隙压力，从而使得在诱导裂缝处或其附近引发微裂缝。其结果是使裂缝表面增产，而非损伤地层，而后者在水力压裂期间经常出现。在许多方面中，本文提供的增产方法并没有现有增产技术严苛，并且有助于减少或消除了现有技术中经常遇到的地层损伤。这使得在地层内部裂缝附近获得额外的流通性。此外，在水力压裂液中含有反应物以及随后产生的人工最佳钻探点可有助于减少水力压裂程序中所需阶段的总数。这是本文所公开的方法优于现有增产方法的额外优点。

在某些实施方案中，可将含有包封的铵离子和亚硝酸根离子的水溶液注入地层中，其中地层中的水和热足以腐蚀包封材料，从而使反应物发生反应，由此产生热和一定体积的气体。如前所述，当生成一定体积的气体后，并形成了人工最佳钻探点，这提高了烃(如天然气)的产量。地层的热、酸或地层的液态水均可以在包封材料的腐蚀或移除中发挥作用，由此释放反应物。

在另一个实施方案中，可使用压裂液，该压裂液可选地含有悬浮于其中的支撑剂。在一个实施方案中，可在注入含有包封的反应物的组合物之前，将含有支撑剂的压裂液注入到地层中，从而产生可使包封材料迁移至其中的裂纹。在替代实施方案中，可以在压裂液注入完成后大约15分钟，可选地在注入完成后大约30分钟、可选地在注入完成后大约1小时，将含有包封的反应物的组合物注入地层中。地层中的酸和/或热可以侵蚀包封材料从而延迟反应，因而使得反应物迁移并渗入地层内部的裂缝。

在某些实施方案中，本申请中所用的流体可以包含能够有助于形成粘稠压裂液的某些化学添加剂。化学添加剂可以包含至少一种溶剂和可溶解于该溶剂中的至少一种聚合物。取决于被处理的地层的类型，溶剂也可以包含水和/或表面活性剂。聚合物可以与溶剂或水混合以形成粘稠的流体。注入反应物后可发生反应并由此产生人工最佳钻探点。产生的人工最佳钻探点将比周围地层岩石具有更高的压力，而所生成的压力将至少部分被消耗掉以在地层中生成裂缝。然而，如果压力并未高到足以破坏地层，则压力的局部增加类似于最佳钻探点本身，因为压力的增加将有助于从储层中开采烃。然而，本文所述的某些方法和组合物的主要意图是生成足够高的压力以引发微裂缝，从而提高地层的孔隙度和渗透率。

在一些实施方案中，本文所描述的包封的反应物包括包封外壳(encapsulatingshell)。该包封外壳可以具有不同的厚度。包封外壳的厚度可以根据由包封至将反应触发时所需的持续时间来选择。在选择包封外壳的厚度中要考虑的因素包括：反应物到达所希望的位置所用的时间，以及包封外壳将开始劣化的条件(如温度和压力)。此外，在给定地层中的水量也可以是相关的因素，特别是对涉及与水发生放热反应的反应物的反应更是如此。

此外，包封外壳的尺寸受到地层的孔径的影响。应根据地层的孔径和地层的孔径分布来选择适当的包封外壳尺寸和尺寸分布。

本文所描述的包封材料在现有技术中是已知的。在本发明中可选用任何已知的包封剂。

通常，在成功的水力压裂过程期间，当完成增产处理时，必须除去井中的压裂液。该除去过程既昂贵又费时。有利地，可将本文所述的组合物和方法设计为不对地层造成损伤，而考虑到现有压裂技术，这是一项挑战。为了克服这个问题，本文所述的组合物和方法有利地利用了气体形成化学品(gas generating chemicals)的新组合作为水力压裂液基质(hydraulic fracturing liquid-base)。因而，在某些实施方案中，可以通过井筒或其他注入手段并以足够高的注入速度，将可以包含前述气体形成化学品的地层压裂液体注入地层中，从而在地层内部产生压力，所述压力可以有效地压裂岩石或打开事先存在的裂缝。如前所述，随着压裂液渗入地层中，可以触发这些气体形成化学品以发生反应，由此在地层内部以及新产生的裂缝表面附近生成大量的气体和热。在某些实施方案中，触发机制可以是来自地层温度的热。在替代实施方案中，触发机制可以是可在压裂过程结束时注入的注入流体，如酸。或者，该触发机制可以是存在于地层中的水。所产生的气体和热能够在由水力压裂形成的裂缝处或裂缝附近产生额外的微裂缝或热裂缝。

有利的是，与目前所用的一些增产方法相反，本文所述的方法和组合物在原位反应后不产生任何损害性副产物。例如，可将地层中的热量用作激活物，因此地层中不会存在可造成环境问题的化学物质。由此，在增产工序后，无需清理工序，由此减少了额外成本和时间。因此，通过形成人工最佳钻探点，能够最大程度地提高气体产量，同时将损害性废物的产生降至最低。

在某些实施方案中，本文所述的方法和组合物有利地且出乎意料地减少或消除了可能由压裂凝胶、水堵塞和/或凝析聚集(condensate banking)引起的地层损伤。已知这些状况会导致地层内部的流体和气态流体渗透率降低，并且接下来会导致井的产量低。根据本文所述的方法形成人工最佳钻探点则有利地且出乎意料地避免了这些问题。

在某些实施方案中，本文所述的方法和组合物有利且出乎意料地在致密气储层中形成人工最佳钻探点，其中致密气储层中缺少这种重要的促进流动的岩层。如前所示，最佳钻探点是地层内部产量最大的区域。这些地层常常缺少能够使烃流体和气体流动至开采点的通路。

本文提供的方法和组合物解决了在致密气储层中建立商业井期间经常遭遇到的几个问题。

首先，可以消除了与现有水力压裂方法引起的地层损伤相关的问题。例如，本文所述的方法和组合物通过在新近形成的裂缝表面附近形成许多的张裂缝从而使任何滤液易于经由这些裂缝向井流动，从而有利地消除了可被锁定在这些裂缝表面附近的压裂液滤液(fracturing-fluid filtrate)。

其次，相比于常规的水力压裂方法，本文提供的方法和组合物有利地并且意外地通过形成微裂缝而提高了产量，所述微裂缝使附近的裂缝表面具有额外的流通性，从而为气体提供了流向所形成的裂缝的新通道。与井接触的额外储层体积有助于显著提高受诱导裂缝影响的引流区域的总体流动效率。

最后，由于所产生的气体和热而形成了微裂缝，消除了对现有水力压裂技术的需求，其中现有水力压裂技术需要许多压裂工序以形成足够多的与井接触的储层体积以便实现商用。本文所述的本发明增产处理减少了所要求的压裂工序数目以实现相同的产量，其更为成本有效并且能够更加快速地实现，由此为低产量井的增产提供了经济可行的选项。

尽管已详细描述了本发明，但应该理解，可以在不脱离本发明精神和范围的条件下对本发明进行各种变化、替换和改变。因此，本发明的范围应当由以下权利要求书及其适当的法律等同物来确定。

除非上下文清楚地另有指明，否则单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数形式的所指对象。

“可任选”或“任选地”是指其后所述的事件或情况可以发生或不发生。该描述包括所述事件或情况发生和不发生的场合。

本文中的范围描述为从大约一个特定值和/或至大约另一个特定值。当描述了这样的范围时，应当理解的是，另一实施方案为从所述特定值和/或至所述另一个特定值、以及所述范围内的所有组合。

在本申请的全文中，当引用专利或出版物时，除非这些文献与本文的陈述相矛盾，否则这些引用文献的全部公开内容旨在通过引用的方式并入本申请中，以更全面地描述本发明所属领域的状态。

如本文和所附权利要求书中所用的“包含”、“具有”和“包括”及其全部的语法变型形式均意在具有不排除额外要素或步骤的开放的、非限制性含义。

如本文所用的术语如“第一”和“第二”是任意指派的并仅意在区分装置的两种或更多种组件。应当理解词“第一”和“第二”不起到其他目的并且不是该组件名称或描述中的一部分，它们也不必然限定该组件的相对地点或位置。另外，应当理解仅使用术语“第一”和“第二”不要求存在任何“第三”组件，不过可在本发明的范围下构思这种可能性。

Claims (9)

1.一种用于在致密气井内部原位形成最佳钻探点的反应混合物，该反应混合物包含：

包封的纳米反应物，该反应物被能够提供特定的延迟腐蚀速度的材料包封，所述反应物能够发生放热反应以产生一定体积的气体，其中当产生一定体积的气体时，在致密气井内部形成裂缝和微裂缝，由此提高了其中的产量，以及

压裂液，所述压裂液能够使得包封的纳米反应物迁移入裂缝。

2.根据权利要求1所述的反应混合物，其中所述反应物与水发生放热反应。

3.根据权利要求1或2所述的反应混合物，其中包封材料在暴露于热和水时会以预定速度腐蚀。

4.根据权利要求1所述的反应混合物，其中包封材料在暴露于酸时会以预定速度腐蚀。

5.根据权利要求1或2所述的反应混合物，其中至少两种反应物被提供至所述反应混合物中，其中所述至少两种反应物能够在其他物质存在时发生放热反应以生成气体。

6.一种用于使致密气层中的气体增产的方法，所述方法包括以下步骤：

向地层中注入水溶液，该水溶液包含至少一种包封的纳米反应物，该反应物能够发生放热反应从而产生一定体积的气体，所述包封的纳米反应物具有能够使其延迟腐蚀的包覆层，其中，当包封用包覆层腐蚀时，所述反应物发生放热反应以产生一定体积的气体；

其中当产生一定体积的气体时，在地层内形成裂缝和微裂缝，由此提高了地层中的产量。

7.根据权利要求6所述的方法，其中将注入包含至少一种包封的纳米反应物的水溶液的所述步骤重复进行多次。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述水溶液含有至少两种反应物。

9.根据权利要求6所述的方法，其中至少一种反应物与水发生放热反应。