CN101611114A - 用于提高井开采量的支撑剂和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油和天然气工业，并且可以被用于通过在储层水力压裂之后将特定颗粒(支撑剂)泵送至裂缝中而防止裂缝闭合。根据本发明，支撑剂是烧结陶瓷材料的颗粒，该颗粒是理想的成形球。使用这种类型的支撑剂可以将井开采量提高25％。

Description

用于提高井开采量的支撑剂和方法

本发明涉及石油和天然气工业，并且可以被用于通过对含油储层使用支撑剂和水力压裂来提高井开采量。

储层的水力压裂是提高井开采量的一种已充分确立的技术。用于储层处理的水力压裂的关键要素是将粘性流体高压泵送至产油或产气储层中：这种方法在储层中产生了裂缝。为了保持这些裂缝张开，向泵送流体中添加球形粒子(支撑剂)。该支撑剂被流体输送到裂缝内，并且填充该裂缝和构成粒状结构，该粒状结构对于天然气和石油从储层流向井眼是可渗透的。支撑剂被设计成支撑高的闭合压力并且可忍受在高地层温度下腐蚀性地层流体(水、酸气、盐水)的影响。根据用于支撑剂的操作条件，制备它们的原料可以选自石英砂、铝土矿、高岭土、氧化铝和不同种类的铝硅酸盐矿石。

支撑剂颗粒的重要参数是它们的圆度和球形度以及尺寸和形状的均匀性。这些性质对于支撑剂填料的渗透率是重要的，因而对于烃流体通过支撑剂填料的敞开空间的导流能力是重要的。

如今大部分的商业支撑剂均不具有球形形状(除玻璃珠之外)，而是椭球体。间接地，这由本工业中所用的存在的Krumbein&Sloss图而加以证实：该图描述了支撑剂颗粒形状的完美性。但是，该图还没有对应支撑剂的完美球形形状的值1。专利RU2,098,618描述了具有完美球形形状的支撑剂颗粒(玻璃珠)的使用，但是它们的实际应用受到珠子的低机械强度的限制。

专利US4879181公开了由铝土矿和高岭土的混合物制备支撑剂。支撑剂成形用的初始材料具有合适的弹性；这样使得支撑剂颗粒的圆度和球形度的参数更高(根据Krumbein图为至多0.7)。

这种支撑剂的缺点是球形度不足，这减少了支撑剂颗粒之间的自由流动区域；这样降低了地层流体穿过支撑剂填料的流动速率。

美国专利5,188,175公开了陶瓷椭球体的制备方法，所述陶瓷椭球体由烧结的高岭土制成，还包含氧化铝、二氧化硅、氧化铁和氧化钛。这种材料的氧化物组成如下(重量％)：氧化铝-25-40、二氧化硅-50-65、氧化铁-1.6、和氧化钛-2.6。所产生的颗粒的球形度为0.7。这种类型的支撑剂主要对处理深度浅或中等的石油和天然气储层有效率。

这种支撑剂的缺点是球形度不足，这减少了支撑剂颗粒之间的自由流动区域；这样降低了地层流体穿过支撑剂填料的流动速率。

美国专利3,929,191公开了一种通过水力压裂的技术使石油开采量增产的支撑剂：该支撑剂通过硅酸铝矿石的烧结而获得，或由钢或铁制成并且以尺寸为6-100目、优选10-40目的颗粒形式成形；根据Krumbein图的颗粒的球形度和圆形度高于0.8，密度为2.6g/cm³；该颗粒材料包覆有固态易熔酚醛树脂。

这种支撑剂的缺点是球形度不足，这减少了支撑剂颗粒之间的自由流动区域；这样降低了地层流体穿过支撑剂填料的流动速率。

与本发明最接近的类似物是在US 3,929,191中公开的用于地层的水力压裂的支撑剂；该支撑剂由烧结的硅酸铝矿石制成，所述烧结的硅酸铝矿石具有尺寸为6-100目，优选10-40目的颗粒形状，根据Krumbein图的圆度和球形度高于0.8，密度为2.6g/cm³；该颗粒材料包覆有固态易熔酚醛树脂。

这种支撑剂的缺点是球形度不足，这减少了支撑剂颗粒之间的自由流动区域；这样降低了地层流体穿过支撑剂填料的流动速率。

所公开的本发明的目的是开发一种由于支撑剂形状的最佳化而促进地层流体流动的支撑剂；更好的形状增加了由裂缝中的填料颗粒所形成的通道之间的自由流动区域。这样可以减少地层流体流动的阻力。

该目的可以通过由球形形状(与完美球形度的偏差低于球半径的0.05％)烧结的陶瓷原料制备支撑剂而实现。增益(gain)半径的离散肯定在与制药工业中的糖衣丸药的相同水平上。用于制备的初始材料是二氧化硅、氧化铝、硅酸铝与添加剂金属氧化物(铁族)或氧化锰的进料。技术效果的改善可以通过将准备好的支撑剂分级来实现：这样增大了在支撑剂填料中的空隙流动通道。优选的是，1个级分(fraction)中的支撑剂颗粒的最大直径与最小直径的比率小于2。

用于制备具有几乎完美的球形形状的支撑剂的技术除了使用盘式球化机和其它装置确保在球化之后半成品的真正的球形形状之外，与用于常规支撑剂的技术相同；其它必需的设备是隧道窑或用于在流化床中烧结的烧结装置。代替转窑的这种设备确保了半成品的完整的球形形状。

将具有几乎完美球形形状的支撑剂用于水力压裂技术，尤其是在具有单分散粒度分布并且将颗粒进一步输送到地层的情况下，在填料中产生了均匀的毛细管式网络。这种几何结构降低了与在结构的不规则处的流动湍流相关并且由Forsheimer方程(1)所述的不利影响。流动速率越高意味着压降越高；因此，支撑剂填料的渗透率降低。在这个方程中与压降和流动速率关联的系数被称作《β-因子》，其描述了穿过支撑剂填料的流体流动的孔隙扭曲性(pore tortuosity)。

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔL}}=\frac{\mathrm{\μv}}{k}+{\mathrm{\β\ρv}}^2---\left(1\right)$

其中：

ΔP-压降；

ΔL-压力测量点之间的距离；

μ-液体粘度；

v-液体速度，v＝q/s，其中q是泵送速率，s是支撑剂填料的横截面；

β-β-因子；

k-渗透率；

ρ-液体密度。

该理论表明，如果支撑剂由相同的材料制成，则完美球形填料的β-因子低于椭球体的填料的β-因子。

将陶瓷用于制备支撑剂好于玻璃：因为在陶瓷组成中存在结晶相，所以陶瓷强度更高，超过了玻璃状无定形相的强度。除此之外，包含结晶相的材料使得该材料在烧制时对高温变形的敏感性更低(与玻璃形式相比)。

用于制备这种支撑剂的优选方法从进料到盘式球化机的成分和混合物的研磨和混合开始，并且在载体上的隧道窑中或在坩埚中烧结。支撑剂层高度与坩埚直径的比率不高于0.7/1，将烧结产物分离成多个级分。通常的进料组成是氧化铝和二氧化硅，以及至少一种以下组分：氧化镁、氧化钙、氧化亚铁、碱金属或碱土金属的氧化物、氧化锰或氧化钛。进料的组成取决于准备好的支撑剂的未来应用。

支撑剂制备的关键特征如下：

将成分(可以是经退火的)研磨，直到90％的产物通过63微米的筛。必要时，可以向该混合物中添加增塑剂和其它组分。研磨处理可以对单独的材料或对混合物进行。将成分在研磨机中部分地混合(除非应用组合研磨的方法)或直接在盘式球化机(没有刀片)中混合。因为在这种设计中没有刀片，因此这排除了颗粒在该设备中的额外变形，球仅仅在尺寸上增大。必要时，向进料中添加临时性增塑粘合剂(plasticizing binding)-其量为形成球形颗粒的核并且使它们进一步生长所需的量。临时性增塑粘合材料的一般范围是3至20重量％，并且用于混合和球化的总时间为2至10分钟。粘合剂取自水、聚合物的水溶液或有机溶液、胶乳、微晶蜡、蜡等种类。在球的核形成并且达到合适的颗粒大小之后，向球化机中添加约12重量％的初始粉末进料，并且该进料保持低于3分钟的短时间的混合。然后，将这些颗粒在计算烧结阶段时的进一步收缩的情况下按大小进行分选。可以运送尺寸不合格的颗粒，用于再循环。如果在混合和球化阶段使用有机的临时性粘合剂，则可以采用预退火以移除这种有机物。将干燥的和大小合适的颗粒进料以在床中(在烧箱中)，或隧道窑中的坩埚中退火。这种用于退火的方法有助于避免在这个阶段的材料变形。选择温度和停留时间以确保适当的材料烧结，只要达到所需的强度即可。在退火阶段之后，还可以分离成多个级分。

尽管所开发支撑剂的应用技术与标准类型的支撑剂的应用技术相同，但是完美球形支撑剂的使用对于提高储层的流体开采量并且对于井眼的排液可以是有利的。

在此，通过几个实施例说明本发明。

试验在井群上进行，即在相同的条件下进行。

1.在西部的西伯利亚地区的井的一定深度进行水力压裂后，使用球形度为0.7的陶瓷支撑剂得到了110m³/天的水平的井开采量，而估算的开采量在100-160m³/天的范围内。

2.使用相同组成和相同条件但是球形度为0.85的支撑剂，将井的开采量提高到了157m³/天的水平，而估算的井开采量在100-160m³/天的范围内。

3.使用具有相同组成和具有完美球形形状(偏差低于半径的2％)的支撑剂，将井开采量增加到201m³/天。

具有完美球形形状的粒子的支撑剂代替球形度为0.9的支撑剂，在其它相同的条件下，将井开采量提高了25％。

Claims (5)

1.一种用于制备支撑剂的方法，所述支撑剂包含烧结陶瓷材料的颗粒，其中所述支撑剂具有理想的球形形状。

2.被改进的支撑剂，其中用于支撑剂制备的原料是包含以下物质的混合物组分：二氧化硅、氧化铝、碱金属氧化物、碱土金属氧化物、来自铁族的金属的氧化物以及氧化锰。

3.根据权利要求1制备的支撑剂，其中所述支撑剂被分离成多个级分。

4.根据权利要求3所述的支撑剂，其中一个级分的所述支撑剂的最大直径与最小直径的比率不高于2。

5.提高井开采量的方法，所述方法包括使用支撑剂，其中所述陶瓷支撑剂具有理想的球形形状。