CN101321843A - 颗粒 - Google Patents

Abstract

提供了用于井的人造颗粒，其包括化学处理剂。所述颗粒具有能够化学处理井的优点，例如除去滤饼。本发明的实施方案通过提供防砂和/或增加砾石充填的渗透率来改善井生产。也提供了使用所述颗粒和包括所述颗粒的砾石充填的方法。

Description

颗粒

本发明涉及一种人造颗粒及其在井中使用的方法，具体地但不排除，用于防砂(sand control)和/或在烃生产井(hydrocarbon production well)中输送化学物质。

烃生产井的出砂是常见的问题，这可阻止烃的流动，并且破坏井。为了缓解这个问题，可在井中使用砂筛，该砂筛充当过滤器，以阻碍超过特定直径的颗粒进入。

为了保护砂筛免受坍孔(hole collapse)、原位地质力学负载及应力，并提高其过滤功能，已知把“砾石充填”加到筛外部，以支撑井里的裸眼地层(open hole formation)岩石结构。砾石充填是多个砾石颗粒，其允许流体在砾石颗粒之间流动，但是阻碍砂在砾石颗粒之间流动。

常常使用连续油管注入线输送化学处理剂。被输送的化学物质可选择用于多种不同的应用。一种这样的应用是溶解在钻井和完井过程期间已经沉积的滤饼。

但是，这样输送的问题是，化学物质往往作用于滤饼的最薄部分。一旦这个相对较薄的部分溶解，井段内的处理流体将会流体静力地流到近井身(near well bore)/储层之内，且不会作用于井内的剩余滤饼。

在存在砾石充填时，由于砾石充填占据大量的空间，常常很难把化学物质引导到滤饼上，所以使用连续油管线原位放置处理剂来作用于例如滤饼的化学物质的应用是特别无效的。对于水平井的上侧，这尤其如此。

依照本发明的第一方面，提供了一种用于井或储层的人造颗粒，该人造颗粒具有弯曲外表面，且该颗粒包括至少一种化学处理剂。

化学处理剂可适宜地是适于溶解在钻井和完井过程期间已经沉积的滤饼的试剂。通常使用酸来溶解滤饼，因此适宜的化学处理剂包括酸。化学处理剂可适宜地包括固态二价酸，如短链有机酸，例如，乙酸、丙酸、戊二酸和马来酸中的一种或多种。可选的或另外的化学处理剂可包括反乳化剂、相对渗透率改性剂和/或防垢剂。然而，应注意，可使用在井身环境内有用的任何化学处理剂。

弯曲外表面的一个优点是改良在颗粒上的流动特性，这可导致井的烃生产速度更高。弯曲表面的另一优点是为在井中的流体提供更有效的流路。这减少了与砾石充填关联的压降。该压降优选地是最小的。人造颗粒可以至少部分地是球形的、椭圆形的、蛋形的或具有弯曲外表面的任何其他形状。

在特定的实施方案中，具有弯曲外表面的人造颗粒基本上是球形的。

在本文中的人造颗粒意指人造的颗粒。例如，人造颗粒可由基于塑料(即，聚合)的材料或玻璃材料制成。适宜地，人造颗粒是完全不起反应的，并且本质上是惰性的，通常超过井的寿命周期。材料类型明显地选择成使得它在井内所预期的一般情况中是惰性的。

可替代地，所述颗粒可至少部分地、优选充分地由化学处理剂制造。在颗粒由化学处理剂制造的情况下，在当颗粒正被引入井身时期望颗粒受到的温度和其他物理条件下，处理剂一般应是固体。化学处理剂可与一种或多种结合剂组合，尽管这在许多例子中并非必要，但是这可用来增加颗粒的强度或耐化学性。可适于形成颗粒的具体化学处理剂包括在所需要的温度(例如，50℃以上)下为固体的酸。例如，根据熔点等方面的要求，固体二价酸如丙二酸、戊二酸或马来酸或变化形式可能尤其适用。

通过引入活化剂可方便地从颗粒释放化学处理剂。在一个实施方案中，活化成分可以是溶解化学处理剂的水，因此活化该化学处理剂；这样的系统尤其适用于水溶性酸。

在本发明的一个实施方案中，化学处理剂设置在颗粒的孔穴内，该孔穴与颗粒外部的环境流体相通。尽管在颗粒由化学处理剂制造的情况下，也完全有可能，但是在颗粒不是由化学处理剂制造的情况下，这尤为合适。

孔穴可适宜地从颗粒的一侧延伸到另一侧，因此在颗粒里提供了至少一个流路。因此，颗粒可包括从颗粒的第一侧引向通常相对的颗粒的第二侧。

颗粒可包括从颗粒的一侧延伸穿过其到另一侧的第二流路。该第二流路可适宜地垂直于第一流路。

颗粒可具有从颗粒的一侧延伸穿过其到另一侧的第三流路或其他流路。

在设置两个或三个流路的情况下，尽管其他角度可能是适宜的，但最好是流路大致垂直彼此延伸。

在设置三个流路的情况下，最好是每个流路大致垂直于其余流路，即，在三维上有效地形成X、Y和Z轴。

但是，应该理解，可使用在流路之间的其他角度，例如在1和90度之间，优选地在45和90度之间。此外，在设置多于三个流路的情况下，应该理解，不可能使所有流路均垂直于其余流路。不过，当然，颗粒可包括多于三个流路，但是优选实施方案一般有一个、两个或三个流路。

因此，在特别优选的实施方案中，三个流路延伸贯穿颗粒，且每个流路垂直于另外两个流路；因而，这三个流路可由直角坐标系的X、Y和Z轴表示。

最好是，至少一个流路是线性的，且从颗粒的一侧延伸到颗粒的相对侧。一般最好是，至少一个流路基本上是直的，即，从颗粒表面上的一点到颗粒表面上的另一点经过最短路径，但是设想在一些实施方案中可存在弯曲或曲折的流路。

至少一个流路可以或不可以延伸穿过颗粒的中心。在设置多于一个流路的情况下，流路可沿它们的长度在某点交叉。通常，这将会是在或接近颗粒的中间，但是并非必须如此。

在颗粒基本上是球形时，至少一个流路可适宜地延伸横穿颗粒的直径，即穿过颗粒经过最长的可能路线。应该理解，术语“直径”不必具有其严格的几何意义，且可用来应用到不是特别球形的颗粒。在设置多于一个流路的情况下，因此流路可设置在不同的直径上，这可方便相互垂直。

至少一个流路的截面本质上可为任何形状，但是为了方便，它一般地是球形。

至少一个流路的最小直径可以是至少0.1mm，优选地至少0.25mm，更优选地至少0.4mm。

至少一个流路的最小直径可以是最大15mm，优选地最大5mm，更优选地最大1mm。

至少一个流路的最小直径与颗粒直径的比例优选地在1∶1.25到1∶5之间。

至少一个流路的直径可以是恒定的，或者它可沿它的长度变化。在一个实施方案中，流路可以在或接近颗粒表面具有给定直径，且在颗粒内部扩展，以提供相对大的孔穴。

因此，应该理解，在一个实施方案中，孔穴可呈现经由开口连通到外部的内部空穴形式，从而界定流路。在另一实施方案中，孔穴可通过由本质上恒定直径的至少一个流路提供的空间来提供(也称为“孔”)。孔穴的结构主要取决于需求的颗粒和制造技术。颗粒的复杂空心形式通常需要模制，例如分成两半，然后被结合在一起，而更简单的形式可按多种其他方式形成，例如挤压成形或落下形成(drop formation)。通过钻孔或挤压可方便地形成恒定直径的直的流路，但是这难以或不可能得到比较复杂的流路。

应该注意，可改变流路的数量来为颗粒提供想要的孔隙率等级，从而为颗粒可结合到的砾石充填提供想要的孔隙率等级。一般而言，在较大颗粒中更易于提供多个流路。在一些情况下，在特别小的颗粒中，实际上仅能提供一个流路。

在特定的实施方案中，最好是在流路与颗粒表面相接的地方，使所形成的边沿在某种程度上至少部分地变平滑。例如，这可通过把边沿弄圆(成圆角)或使边沿倒角来实现。这具有在颗粒内的化学处理剂与外部环境最大相互作用的好处。通过提供半径等同于流路的一半到两倍的圆形边沿，可实现平滑化。平滑化可作为模制法或挤压法的一部分被提供，或它能在稍后被提供，例如通过钻埋头孔等等。

人造颗粒的直径可以是至少0.25mm。通常，它们优选地至少是1mm，更优选地至少是2.5mm。考虑到需要防砂，应理解，优选小颗粒，即直径达2mm。

尽管没有对颗粒尺寸限制实际的上限尺寸，但是诸如颗粒强度、制造简易性、处理简易性和典型井身的尺寸等方面意味着具有上限尺寸大约是30mm，更优选地大约20mm直径的颗粒是典型的。一般优选最大直径10mm的颗粒，更优选最大直径4mm的颗粒。

与不用进行防砂的人造颗粒的应用(如化学物质的输送)相比较，对于包括防砂的人造颗粒的应用，优选使用较小的颗粒。

通常，直径为5mm或更小的颗粒适用于防砂。尽管直径大于约5mm的颗粒在防砂处理中可完成一些滚动，但它们不适用于防砂。一般地，为了可靠的防砂，重要的是颗粒的直径最大是2mm，更优选地是1mm，这是本发明的优选实施方案。防砂在许多井应用中是非常重要的，且非常需要用于实现控制同时使井生产达最大的装置。在较小颗粒之间形成的较小通道有助于砾石充填的过滤功能；这在人造颗粒不能帮助防砂时是不需要。因此，为了提供更大容量，仅用于化学输送的人造颗粒通常大于那些用于防砂的人造颗粒。

在颗粒主要用于化学输送之处，最好是颗粒本质上是空心的，即在颗粒内有更大的孔穴。可方便地得到基本上恒定的壁厚，壁厚一般选择成给颗粒提供足够的机械强度，同时使内部容积达到最大。空心颗粒的壁厚可适当地从大约0.5mm到2mm。把壁厚与颗粒直径视为比率通常是有用的；壁厚：颗粒直径的优选比率是从1∶5到1∶30，但是应该理解，根据想得到的颗粒的特性，其他比率可能是适宜的。空心球体是特别适用于空心颗粒应用的形状，这是因为对于已知质量的颗粒来说，空心球体使颗粒的体积和强度达到最大。在颗粒本质上是空心的情况下，仍然需要使内部容积与颗粒外部环境相通，以使化学添加剂能排出颗粒。这通常经由设置在颗粒的壁上的一个或多个开口来实现。通常，这样的空心颗粒包括方便地提供穿过颗粒的流路的至少两个开口。最好是提供多于2个开口，例如4个或6个开口，从而分别提供2个或3个线性流路。流路可方便地设置成彼此垂直。当然，应注意，可依照想得到的颗粒的孔隙率或释放性能改变开口的数量；更多的开口使孔隙率和释放比率增加。

通常，小颗粒提供空心颗粒且因而使内部容积达到最大的机会更小，但是其仍然可以实现。

用于防砂的人造颗粒的直径至少是0.25mm，优选地至少是0.5mm。用于防砂的人造颗粒的直径优选地不超过5mm，优选地直径小于4mm，特别优选地直径小于2mm。

通常，不用于防砂的较大人造颗粒的直径可大于约5mm。尽管没有对颗粒尺寸限制实际的上限尺寸，但是诸如颗粒强度、制造简易性、处理简易性和典型井身的尺寸等方面意味着具有约是30mm直径的上限尺寸，更优选地约20mm的颗粒是优选的。

可使用连续进料挤压工艺制造人造颗粒。这个方法的便利方面是，一个或多个流路可作为挤压工艺的一部分被非常简单地引入到颗粒，尤其是全部都沿挤压方向定向的流路。另外的流路可通过本领域众所周知的多种工艺引入。这可与挤压工艺相结合，例如使用伸缩式销配置(retractable pinarrangement)在新近被挤压的颗粒中形成流路。

也可使用机械加工的模板制造颗粒，可在该模板内获得需要的颗粒尺寸和形状。

特别适用于生产更复杂颗粒的另一项技术是模制。在使用模制之处，可使用伸缩式销芯方便地引入流路，以界定开口。

人造颗粒通常由能够被钻出孔或使孔以其他方式设置或形成在颗粒中的材料制造。这样的孔可由任何常规技术形成。在一些实施方案中，在生产颗粒后，孔可被钻出或形成。在其他的实施方案中，如上所提到的，孔可作为颗粒制造工艺的一部分被整体形成。在需要一个孔之处，这可作为挤压工艺的一部分而被方便地提供。

优选地，人造颗粒的密度(比重)是0.5SG-4.5SG，优选地是2.0SG到2.5SG。

优选地，人造颗粒是负浮力的。浮力指在期望颗粒在使用时包含在井内的介质中的浮力，或相对于在处理期间将颗粒引入井内所使用的流体，即载流体的浮力。相对于载流体的浮力尤为重要，因为这在某种程度上决定了颗粒充填井身的性能。在颗粒与其他材料(例如砾石)以混合物的形式被提供的情况下，最好是使颗粒和其他材料的浮力匹配，以避免该混合物的分层或其他离析。

颗粒可至少部分地涂敷有涂布材料。涂布材料可设置成保护颗粒，或提供另外的功能。涂布材料可适宜地是允许颗粒结合在一起的结合材料。适宜的结合材料在本领域中众所周知。结合材料通常是无活性的，直到颗粒被放置在适当的位置，这是因为难以或不可能用泵抽或处理结合的颗粒。可用多种方法活化结合剂，例如延时固化、化学活化、加压活化或热活化。适宜的结合材料在本领域是已知的，且通常包括树脂。例如，环氧树脂可能是适宜的。

依照本发明的第二方面，提供了砾石充填，所述砾石充填包括多个人造颗粒，所述人造颗粒具有弯曲外表面，且包括化学处理剂。

砾石充填可用于防砂和/或可支撑裸眼地层岩石结构。

优选地，化学处理剂的目标，如滤饼，和化学物质之间的接触面积优选通过放置人造颗粒而达到最大，因而化学添加剂在裸眼段的全长上与滤饼直接接触。

在砾石充填中，可使用带有几种不同化学添加剂和/或不同尺寸的颗粒。这样的颗粒可提供不同的功能。

砾石充填还可包括多个非人造颗粒。优选地，砾石充填中至少1％的颗粒包括如在此所描述的人造颗粒，砾石充填中优选至少20％、更优选至少50％、尤其至少75％的颗粒包括如在此所描述的人造颗粒。

本发明的第二方面的人造颗粒可具有本发明第一方面人造颗粒的任何特征或特征(包括任选特征)。

依照本发明的第三方面，提供了处理井或储层的方法，该方法包括：

—提供多个颗粒，至少一部分颗粒是具有弯曲外表面且包括化学处理剂的人造颗粒；以及

—把所述颗粒加入井或储层，以便允许化学处理剂处理井或储层。

通常，依照本发明的第三方面的方法使用依照本发明的第一或第二方面的人造颗粒。

在一个实施方案中，该方法可包括把化学处理剂加入到人造颗粒中至少一些的孔穴。

通常，人造颗粒可用于井的砾石充填，或把化学物质输送到井/储层，或用于这两种应用，即用于砾石充填和把化学物质输送到井/储层。

在此提及的井通常是指井身。

在此提及的储层通常是指近井身储层。

所述方法可适宜地包括将颗粒与抑制化学处理剂活化的抑制剂结合加入到井或储层。在化学剂需要水来变活化之处，抑制剂可适宜地包括非水流体，例如酸。其他抑制剂可适用于其他化学处理剂，并且对于本领域的技术人员来说是显然的。抑制剂优选为在把颗粒抽入井或储层内时使用的载流体，例如浆液。

方法可进一步包括把活化剂加入井或储层。这可适当地为水。此外，其他活化剂适用于其他化学处理剂。

依照本发明的第四方面，提供了在井或储层中提供砾石充填的方法，该方法包括：

—提供多个颗粒，至少一部分颗粒是具有弯曲外表面且包括化学处理剂的人造颗粒；

—把颗粒放置到井或储层内，以提供适用于阻碍砂从井生成的砾石充填。

通常，依照本发明的第四方面的方法使用依照本发明第一方面的人造颗粒。

在特定的实施方案中，根据本发明第四方面的方法还可使用包括根据本发明第三方面的方法的任选特征的任何特征。

该人造颗粒可作为浆液向下抽到井，并允许浆液里的液体散逸到近井身。在浆液中使用的载液体适宜地包括抑制剂。例如，化学处理剂是酸时，该抑制剂可以是油。然后把水引入井内，水会溶解酸，因而活化酸。适宜地，载流体基本上完全包括在抑制剂中。

砾石充填还可包括多个非人造颗粒。优选地，砾石充填中至少1％的颗粒包括如在此所描述的人造颗粒，砾石充填中优选地至少20％、更优选地至少50％、尤其至少75％的颗粒包括如在此所描述的人造颗粒。

在此所描述的任何发明或实施方案的任何方面的任何特征可与已作必要修正的在此所描述的任何其他发明或实施方案的任何方面的任何特征结合。

现仅通过举例、参考附图描述本发明的实施方案，其中：

图1是依照本发明的颗粒的第一实施方案的透视图；

图2是依照本发明的颗粒的第二实施方案的透视图；

图3是依照本发明的颗粒的第三实施方案的剖视图；以及

图4是依照本发明的颗粒的第四实施方案的剖视图。

用于井的砾石充填(未示出)包括多个颗粒，如在图1中示出的人造颗粒10。

颗粒10是球形的，因此，相比于具有不规则外表面而不是弯曲外表面的常规使用的砾石，穿过包括多个此类颗粒的砾石充填的烃的流动更快。而且，已经发现，相比于常规使用的不规则形状的砾石，包括颗粒10的砾石充填在烃流过砾石充填时发生的压降更小。

穿过颗粒10的中心设置的孔12被示出。孔提供穿过颗粒的流路。烃可流过孔12，从而进一步增加烃穿过包括这类颗粒的砾石充填的总流率。

充填的带孔颗粒减少了在砾石充填里死端的数量，因而比标准的砾石充填的总充填流率效率增加10％或更多。

化学处理剂，如酸或碱、聚合化合物、液态陶瓷、盐水等可加入到孔12。这提供了一种化学物质进入大部分或甚至整个近井身区域的方法。化学物质可涂敷或以其他方式处理井身或近井身区域。例如，化学物质可设置成以便于分解滤饼(例如，碳酸氢钙、碳酸钙)，或用于其他用途，如充当相对渗透率改性剂，以减少水的生成。其他适宜的化学剂在领域中众所周知。

对于从井身壁除去滤饼来说，提供包括化学处理剂的人造颗粒10具有超过常规技术的优点，因为人造颗粒能处理更大面积的滤饼。

在常规技术中，把化学处理剂加入到井中引起滤饼的一部分分解，通常是最薄的部分分解。一旦滤饼的这个初始部分已被分解，化学处理剂往往流过孔，并散逸。因此，进一步应用化学处理不会引起滤饼的继续分解，而生产也不能被进一步提高。

使用包括化学处理剂的颗粒的处理具有如下优点：剂被局限在需要处理的区域，且不能容易地自由流走。因而，可能分解更多的滤饼。

根据就熔点、溶解度和酸强度而言所需要的性能，化学处理剂可包括冰冻一价酸(frozen monovalent acid)，例如乙酸、丙酸、丁酸或戊酸或变化形式。例如，乙酸的熔点为17℃，可溶于水(Ka＝1.8×10^-5)。

CaHCO₃(s)+2CH₃CO₂H(l)-＞Ca(CH₃CO₂)₂(aq)+CO₂(g)+H₂O(aq)

然而，一些钻孔中的温度(大约+80℃)使冰冻酸难以应付，除非在目标部位加压并释放，或保持在刺穿在目标部位或溶解/分解在目标部位的膜内。

根据就熔点、溶解度和酸强度而言的要求，可选的实施方案包括固体二价酸，即丙二酸、戊二酸或马来酸或变化形式，例如戊二酸：熔点98℃、在20℃的溶解度为64克/100克水、K_a＝4.5和0.4×10^-5；马来酸：熔点130℃、在20℃的溶解度为79克/100克水、K_a＝1000和0.06×10^-5。

该熔点高于大多数钻杆所遇到的温度。反应类似于上述对于乙酸的反应，但每1摩尔碳酸氢钙需要1摩尔酸。

然而，根据每种应用的具体条件，在盐水存在下，用酸溶解在钻孔中形成的无机沉降物的速度可用实验方法测定。各种工程溶液可用于现场输送机构，并确保化学物质放置到位之前，溶解最小。例如，化学物质可用膜密封在孔内，该膜一经与要进行处理的近井身或任何其他区域接触，就溶解或以其他方式分解。可选地，化学物质可被涂敷，或者可包括阻滞剂，以便延迟其释放。

化学物质可以是受控释放的化学物质(流体/固体)，其一旦处于适当的位置，就有力地把化学物质输送入溶液内。

在图2中示出颗粒100的第二实施方案。除了图2的颗粒包括与第一孔112垂直的其他孔114、116以外，图2的颗粒与在图1的颗粒相同。穿过包括颗粒如颗粒100的砾石充填的流率甚至高于本发明第一实施方案的流率。

在图3示出颗粒210的第三实施方案。所述颗粒与图1的颗粒类似，但是它有圆角边沿213，在这里，孔212与颗粒210的外表面相接。

在图4示出颗粒310的第四实施方案。颗粒310包括空心中心315，或孔穴，其经由两个开口312连通到外部，以提供穿过颗粒的流路。空心中心适用于容纳相对于颗粒310的体积较大量的化学处理剂(未示出)。颗粒310有圆角边沿313，在该处，孔312与该颗粒的外表面相接。

因此，增加井生产需要防砂，例如，使用本发明的实施方案可实现砾石充填。在可选实施方案中，颗粒在它里面有两个孔，对应于直角坐标的X轴和Y轴，或作为进一步可选的，多于三个孔。

可选的形状可用于颗粒，如环形或圆环形；但颗粒一般地形成为产生穿过它和环绕它的最佳流路，同时最小化横穿它的压降。它与其他毗邻颗粒的原位相互作用以产生总体上穿过砾石充填的最佳流动方式也是重要的。

在这些实施方案中，球形颗粒10、100、200、300的直径是3.0mm(标称的)，在两种情形下具有0.5mm直径的孔。孔直径选择为代表砂穿过孔进入的限定直径，且与球体之间的间隙相同。

依照本发明的较小的人造颗粒优选地输送化学处理剂，防砂并改善流入/流出性能。较小颗粒的主要应用是用于需要防砂砾石充填的井设计。

依照本发明的较大的人造颗粒输送化学处理剂，并呈现为流体动力学上不可见的原位(即不会有害地影响流入/流出性能)。较大的人造颗粒的主要应用是用于不需要防砂砾石充填的井设计，但是有利于改善流出/流入性能。

颗粒10、100、200可用连续挤压法制造。在这个方法中，从成形颗粒并从连续进料中把它脱落下来的连续旋转模获得球形颗粒。尺寸上可控的孔(未示出)便于材料的挤压，以给予所需要的孔直径比率。这个阶段期间，相对于主挤压轴(x轴)，把另外的两个通孔(y轴和z轴)加入到产品中。在连续进料末端，可使用X轴挤压杆把任何所需要的化学物质输送入孔空间内。这种基于挤压的技术特别适用于基于塑料的材料和玻璃材料。

可选地，颗粒可由使用模板的注射模制法制成。在这个可选的方法中，机加工的模板便于基于塑料的化合物被注入模内，以形成颗粒。于是，允许颗粒固化，并变成固体。把颗粒取出，重复该方法。

在颗粒由化学处理剂例如固体酸形成的情况下，这可通过把化学处理剂转化成液态然后把它引入模内(如通过注入或浇铸)来达成。一旦在模里，该液体就被允许转变回固体形式；在一些例子中，这可在能引起颗粒性质改善的压力下进行。通常，通过将化学处理剂加热超过其熔点来实现到液态的转变。在一些例子中，尽管常常并非必需，但是最好是把化学处理剂和结合剂结合，以改善机械性能。应注意，例如在药物加工领域，用于从这类化学物质形成颗粒的其他技术是已知的，且可适当地使用这样的技术。

实验

使用纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)的有限元(FE)模拟进行详细建模通过充填砾石的流的实验。确定通过充填球体的流的多种模拟，结果与理论解进行比较。

理论

达西定律(D′Arcy′s law)在宏观上很好地描述了在各向同性介质中油井充填的流动：

$u_d=-\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\η}}(\▿p+\mathrm{\ρg}\▿z)$

(1)

其中u_d是达西(Darcy)，或每单位面积(ms^-1)的具体流量，κ是饱和渗透率(m²)，η是动力粘度(kgm^-1s^-1)，p是流体压力(kgm^-2)，g是重力加速度，z是纵坐标。这里，可忽略重力加速度。

已经提出用于饱和渗透率的多个方程组和关系式。Carman-Kozensky关系式广泛用于粒状介质。

$\mathrm{\κ}=\frac{D^2}{180}\frac{{\mathrm{\φ}}^3}{{(1-\mathrm{\φ})}^2}$

(2)

其中D是粒径(m)，Φ是孔隙率。可适用于具有不同直径的任意形状的颗粒，在这种情形下，直径D是表面平均粒径。在这里，D简单地为人造颗粒10、100、200、300的粒径。认为Carman-Kozensky关系式的有效范围是0.1＜Re＜75。

孔隙率Φ是砾石之间的“空间”的百分比，并可通过取块材料(bulkmaterial)的密度与粒状材料的密度的比率来求得：

$\mathrm{\φ}=1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_B}{{\mathrm{\ρ}}_P}$

(3)

对于规则充填、单一尺寸的球体，可从体积比计算孔隙率。对于立方体充填：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sc}}=1-\frac{V_s}{V_c}=1-\frac{\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}^3}{d^3}=0.476$

(4)

对于近四面体充填：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{st}}=1-\frac{V_s}{V_t}=1-\frac{\frac{4}{12}\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}^3}{\frac{\sqrt{2}}{12}{d}^3}=1-\frac{\mathrm{\π}}{3\sqrt{2}}=0.260$

(5)

对于不规则充填的球体，孔隙率一般介于这两个值之间。对于不规则形状的颗粒(如砾石)，孔隙率往往更高。对于粒度分布的颗粒，因为较小的颗粒占据了由较大颗粒形成的点阵(lattice)中的空间，因此孔隙率往往更低。

实验

在此使用的建模包由Fluent of Sheffield Business Park，Sheffield，UK生产，并包括前处理器(GAMBIT)和集成解算器和后处理器(Fluent)。

这个前处理器结合其自己的实体建模器，并可以多种其他标准形式输入实体模型。前处理器的主要功能是提供用于输出到Fluent的流体体积网格。由从GAMBIT输入的网格，Fluent求解Navier-Stokes(N-S)方程组(流体运动的基本方程组)。

建模结果以及与理论的比较

对于所考虑的紧密充填的球体的情形，孔隙率是Φ＝0.260，从而给出κ＝1.605*10^-9的值。动力粘度η＝1.003*10^-3kg/ms，且压力梯度是p_z＝408Pa/m。(4排上有4Pa，每排间隔2.45mm)。这给出了理论的比流量u_d＝0.65mms^-1，与数值结果非常一致。

因而发现，可进行通过充填球体床的流的实际建模。包括约50-100个球体的砾石充填的流的数值模拟是可行的，并提供了用于研究更复杂形状的适宜方法。

改良砾石的结果

所述模型测试了具有孔12贯穿通过的第一实施方案10和具有三个孔112、114、116穿过球形颗粒的第二实施方案。

然后，在两个轴上按30°的增量随机旋转球体。因此，一些球体的芯与流成线，而一些垂直于流，许多则介于两者之间。

执行模拟，以比较没有孔的人造球形颗粒和在此示出的带有孔的那些实施方案10、100的执行能力；全都是在4Pa的压力下。孔允许运送更多的流体，且根据它们的取向，可以协助流，或者对流有很小的影响或基本没有影响。从单一孔到三轴孔的移动增加了空间之间的连通性，并导致流率增加。

未改良的球形颗粒(在本发明的范围之内)产生0.73*10^-3ms^-1的平均速度；第一实施方案有0.77ms^-1的平均速度；而3轴的第二实施方案产生0.82*10^-3ms^-1的平均速度。这些不再与标准理论比较。尽管“孔隙率”(方程式5，但是有“孔”)可分别被计算为0.26、0.29和0.35，但是Carmen-Kozensky关系式(方程式2)严格地只适用于球形颗粒，且直接比较是不合理的。

因此，增加砾石的孔隙率就增加了流率，说明该方法灵敏得足以用于说明进一步“砾石”改良的可能优点。第二实施方案100实现了多于10％的流率增加。

本发明的实施方案具有多个颗粒，且它们的流路与毗邻的流路互补，使得它们辐射状地沿着孔“连通”在一起，与标准砾石相比较，增加了流动效率。

在颗粒内包括化学物质的一个优点是增加了在井身的全长上机械地输送增产措施的能力，并且增加了把增产措施等机械地输送到井身的更高侧的(也许甚至是唯一的)能力。

而且，由于所述颗粒的流动特性优于常规砂的流动特性，所以当使用相同的常规安置设备时，本发明的特定实施方案使砾石充填浆料可以比标准砾石流过更长的距离来进入井身。而且，优选颗粒的中性浮力也协助流动。

可进行改良和变更，而不脱离本发明的范围。

参考文献

i.Carman，PZ，1956，Flow of gases through porous media，Butterworths，London。

ii.Pan C，Hiplert M，Miller CT，2001，Pore-scale modelling of saturatedpermeabilities in random sphere packings，Physical Review E，64。

Claims (57)

1.一种用于井或储层的人造颗粒，所述人造颗粒具有弯曲外表面，所述颗粒包括至少一种化学处理剂。

2.如权利要求1所述的颗粒，其中所述化学处理剂是适于溶解滤饼的试剂。

3.如权利要求1或2所述的颗粒，其中所述化学处理剂包括酸。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的颗粒，其中所述化学处理剂包括短链有机酸。

5.如权利要求1-4中的任一项所述的颗粒，其中所述化学处理剂包括乙酸、丙酸、戊二酸和马来酸中的一种或多种。

6.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其中所述化学处理剂包括反乳化剂、相对渗透率改性剂或防垢剂。

7.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其中所述弯曲外表面是球形的。

8.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其基本上完全由基于塑料的材料或玻璃材料制造。

9.如权利要求1-8中的任一项所述的颗粒，其基本上完全由化学处理剂制造。

10.如权利要求9所述的颗粒，其中所述化学处理剂与一种或多种结合剂结合。

11.如权利要求9或10所述的颗粒，其中用于制造所述颗粒的所述化学处理剂是固态二价酸。

12.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其中所述化学处理剂提供在所述颗粒的孔穴内，所述孔穴与所述颗粒外部的环境流体相通。

13.如权利要求12所述的颗粒，其中所述孔穴从所述颗粒的一侧延伸到另一侧，因此提供了穿过所述颗粒的至少一个流路。

14.如权利要求12或13所述的颗粒，其包括第二流路，所述第二流路从所述颗粒的一侧延伸穿过其到另一侧。

15.如权利要求14所述的颗粒，其中所述第二流路垂直于所述第一流路。

16.如权利要求12-15中的任一项所述的颗粒，其中所述颗粒包括第三流路或又一流路，所述第三流路或又一流路从所述颗粒的一侧延伸穿过其到另一侧。

17.如权利要求12-16中的任一项所述的颗粒，其中提供两个或三个流路，且所述流路近似地垂直于彼此延伸。

18.如权利要求12-17中的任一项所述的颗粒，其中所述至少一个流路是线性的，且从所述颗粒的一侧延伸到所述颗粒的相对侧。

19.如权利要求12-18中的任一项所述的颗粒，其中所述至少一个流路基本上是直的。

20.如权利要求12-19中的任一项所述的颗粒，其中所述至少一个流路延伸穿过所述颗粒的中心。

21.如权利要求12-20中的任一项所述的颗粒，其中提供了多于一个流路，且所述流路沿它们的长度在某点处相交。

22.如权利要求12-21中的任一项所述的颗粒，其中所述颗粒基本上是球形的，且所述至少一个流路延伸跨过所述颗粒的直径。

23.如权利要求12-22中的任一项所述的颗粒，其中所述至少一个流路的最小直径是从大约0.1mm到大约15mm。

24.如权利要求12-23中的任一项所述的颗粒，其中所述至少一个流路的最小直径是从大约0.25mm到大约5mm。

25.如权利要求12-24中的任一项所述的颗粒，其中所述至少一个流路的最小直径是从大约0.4mm到大约1mm。

26.如权利要求12-25中的任一项所述的颗粒，其中所述至少一个流路的最小直径与所述颗粒的直径之比是从大约1∶1.25到大约1∶5。

27.如权利要求12-26中的任一项所述的颗粒，其中所述至少一个流路的直径沿其长度基本上是恒定的。

28.如权利要求12-26中的任一项所述的颗粒，其中所述至少一个流路的直径沿其长度变化。

29.如权利要求28所述的颗粒，其中所述至少一个流路在所述颗粒的表面或接近所述颗粒的表面具有给定的直径，且扩展以在所述颗粒内提供相对较大的孔穴。

30.如权利要求29所述的颗粒，其中所述孔穴形成经由开口连通到外部的内部孔穴。

31.如权利要求28或29所述的颗粒，其基本上是具有基本上恒定壁厚的空心球体。

32.如权利要求12-31中的任一项所述的颗粒，其中在所述流路与所述颗粒的表面相接的地方，使所形成的边缘变平滑。

33.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其直径是从大约0.25mm到大约30mm。

34.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其直径是从大约1mm到大约20mm。

35.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其直径是从大约2.5mm到大约10mm。

36.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其直径是从大约2.5mm到大约4mm。

37.如权利要求33所述的颗粒，其直径是从0.25mm到2mm。

38.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其比重是从大约0.5SG到大约4.5SG。

39.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其比重是从大约2.0SG到大约2.5SG。

40.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其相对于在处理期间使用的流体为负浮力，通过所述处理，所述颗粒被引进井内。

41.如任一项前述权利要求所述的颗粒，其至少部分地涂有涂布材料。

42.如权利要求40所述的颗粒，其中所述涂布材料是结合材料。

43.一种砾石充填，其包括如权利要求1-42中的任一项所述的多个人造颗粒。

44.如权利要求43所述的砾石充填，其中所述颗粒被放置为与裸眼段的全长上的所述滤饼直接接触。

45.如权利要求43或44所述的砾石充填，其包括带有几种不同化学添加剂的颗粒。

46.如权利要求43-45中的任一项所述的砾石充填，其包括多个非人造颗粒。

47.如权利要求43-46中的任一项所述的砾石充填，其包括至少1％的人造颗粒。

48.如权利要求43-47中的任一项所述的砾石充填，其包括至少20％的人造颗粒。

49.如权利要求43-48中的任一项所述的砾石充填，其包括至少50％的人造颗粒。

50.如权利要求43-47中的任一项所述的砾石充填，其包括至少75％的人造颗粒。

51.一种处理井或储层的方法，所述方法包括：

提供如权利要求1-42中的任一项所述的多个颗粒；以及

把所述颗粒加入所述井或储层，以便允许所述化学处理剂处理所述井或储层和/或提供适于阻碍砂从所述井生成的砾石充填。

52.如权利要求51所述的方法，其中所述颗粒作为浆料被向下泵送到所述井，并且允许所述浆料内的载液体散逸到近井身。

53.如权利要求51或52所述的方法，其包括将所述颗粒与抑制所述化学处理剂活化的抑制剂结合加入到井或储层。

54.如权利要求53所述的方法，其中所述抑制剂基本上构成全部的载流体。

55.如权利要求53或54所述的方法，其中所述抑制剂包括非水流体。

56.如权利要求51-53中的任一项所述的方法，其包括把活化剂加入井或储层。

57.如权利要求56所述的方法，其中所述活化剂是水。

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