CN103003521B - 用于在压裂处理中提供支撑剂段塞的方法 - Google Patents

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Abstract

通过不同方法实现在从形成在地下岩层中的井眼开始延伸的裂缝中形成支撑剂充填层。所述方法涉及在高于所述地层的压裂压力的压力下在引入所述井眼的水力压裂流体内提供多个隔开的支撑剂段塞。

Description

用于在压裂处理中提供支撑剂段塞的方法
背景技术
本节内容中的说明仅提供与本公开内容有关的背景信息并且不可以等同于现有技术。
在建造和开发形成在地下岩层中的井(诸如用于开采石油和天然气的井)时,执行需要将不同类型流体引入井眼和/或井眼周围的地层的各种操作。
水力压裂是一种这样的操作,其是在井中进行且用来增大来自地下岩层的流体产量。水力压裂涉及在极高流速和压力下将流体引入井眼以促进周围地层的破裂和压裂。压裂流体注入速度超过进入地层的渗滤速度使得岩壁处的压力增大。一旦压力超过岩石的压裂压力阈值,所述地层立即破裂并且随着压裂流体继续注入裂缝开始蔓延。
在水力压裂中,支撑剂通常是在压裂操作的特定阶段与压裂流体一起引入地层。通常,在处理期间支撑剂与压裂流体不断掺和。支撑剂(例如,砂)沉积在地层的成形裂缝中,因此支撑剂防止裂缝在压力减小时闭合。这允许储层流体从地层穿过裂缝流至井眼使得其可被开采。存在用于压裂这些地层的不同方法。
最近,已开发用于在裂缝中提供非均质支撑剂分布的技术。虽然在水力压裂中的非均质支撑剂分布是已知的,但是仍需要开发在压裂流体中提供支撑剂段塞以在地层裂缝内提供非均质支撑剂分布的方法。
发明内容
支撑剂充填层是分布到从形成在地下岩层中的井眼开始延伸的裂缝中。这是通过执行促进在高于所述地层的压裂压力的压力下引入所述井眼的水力压裂流体内提供多个隔开的支撑剂段塞的不同操作而实现。
在一个操作中,提供包含支撑剂的漏斗,其具有可在闭合位置与可变打开位置之间开启和闭合的可控制计量单元。所述计量单元选择性地计量以不连续隔开的支撑剂组从所述漏斗到变速输送机的支撑剂。所述支撑剂组被所述输送机递送到混合槽,其中所述支撑剂与水力压裂流体组合。所述支撑剂组的大小和间隔是受所述计量单元和所述变速输送机的速度的组合控制。
在另一操作中,将支撑剂提供给变速旋转螺旋输送机。所述螺旋输送机具有将输送的支撑剂排放到混合槽的排放口。所述螺旋输送机间断地旋转和停止以提供排放到所述混合槽的不连续支撑剂组。
还可以通过提供形成压裂流体的预混合支撑剂浆体和清洁流体和至少以下一项而产生多个隔开的支撑剂段塞:a)使所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体交替流动和b)将所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体之一脉冲输送到另一个中。所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体可以各通过不同泵或通过相同泵抽吸。
还可以通过使用可以包括背压调节阀的一个或多个控制阀而实现至少以下一项:a)使所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体交替流动和b)将所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体之一脉冲输送到另一个中。所述背压调节阀可以与每个所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体一起使用以促进至少以下一项:a)使所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体交替流动和b)将所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体之一脉冲输送到另一个中。所述背压调节阀可以与所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体之一一起使用,并且非背压调节阀可以与所述另一流体一起使用以促进至少以下一项:a)使所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体交替流动和b)将所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体之一脉冲输送到另一个中。
在其它实施方案中,可以通过使用三通阀而实现至少以下一项:a)使预混合支撑剂浆体和清洁流体交替流动和b)将所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体之一脉冲输送到另一个中。所述三通阀可以包括具有至少两个流动通道的阀壳,每个流动通道允许所述支撑剂浆体和所述清洁流体之一通过。所述三通阀的阀闭合件可以围绕基本上平行于通过所述通道的流体流动的轴旋转以选择性地闭合所述流体通道。
在其它实施方案中,稀释的支撑剂浆体引入水力旋流分离器的进口。所述水力旋流分离器具有底流出口和溢流出口,其中预混合支撑剂浆体提供自所述底流出口和所述溢流出口的至少一个。清洁流体可以由所述稀释的支撑剂浆体形成并且通过控制穿过所述底流出口和所述溢流出口的至少一个的流体流动而提供多个隔开的支撑剂段塞。在另一实施方案中,所述预混合支撑剂浆体可以由活塞泵递送。
在一个实施方案中,支撑剂充填层是通过在形成压裂流体的预混合支撑剂浆体和清洁流体中提供支撑剂而分布到从形成在地下岩层中的井眼开始延伸的裂缝中。所述方法需要至少以下一项以促进在高于所述地层的压裂压力的压力下引入所述井眼的水力压裂流体内提供多个隔开的支撑剂段塞:a)使所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体交替流动和b)将所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体之一脉冲输送到另一个中。
在另一实施方案中,提出一种压裂地下岩层的方法,其涉及在足够压力下抽吸水力压裂流体以压裂所述地下岩层,所述压裂流体包括多个隔开的支撑剂段塞。可以通过提供包含支撑剂的漏斗而生成所述支撑剂段塞,所述漏斗具有选择性地计量从所述漏斗到输送机并以不连续隔开的支撑剂组递送到混合槽的支撑剂的计量单元,其中所述支撑剂与所述水力压裂流体组合。可以由旋转螺旋输送机生成所述支撑剂段塞,所述螺旋输送机具有将输送的支撑剂排放到混合槽的排放口,所述螺旋输送机间断地旋转和完全停止以提供排放到所述混合槽的不连续支撑剂组。所述支撑剂段塞可以通过使预混合支撑剂浆体和清洁流体交替流动或将所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体之一脉冲输送到另一个中而提供。
附图说明
为了更彻底了解本发明和其优点,现参考结合附图进行的下文描述,其中:
图1是对照根据给定抽吸进度的理想目标支撑剂段塞浓度的实际支撑剂段塞浓度的曲线图;
图2是结合用于在压裂流体中以脉冲方式递送支撑剂的输送机利用支撑剂漏斗和计量系统的支撑剂送进系统的示意图;
图3是用于在压裂流体中以脉冲方式递送支撑剂的螺旋输送机支撑剂送进系统的示意图;
图4是用于使用控制阀而将交替的支撑剂携带流体和清洁流体抽吸到井口以形成支撑剂段塞的抽吸系统的示意图;
图5是用于使用多个单独泵而将交替的支撑剂携带流体和清洁流体抽吸到井口以形成支撑剂段塞的抽吸系统的示意图;
图6是用于使用结合支撑剂携带流体和清洁流体两者的背压调节控制阀将交替的支撑剂携带流体和清洁流体抽吸到井口而形成支撑剂段塞的抽吸系统的示意图;
图7是用于使用结合支撑剂携带流体和清洁流体之一的背压调节控制阀以及与所述另一流体一起使用的止回阀而将交替的支撑剂携带流体和清洁流体抽吸到井口以形成支撑剂段塞的抽吸系统的示意图;
图8是用于使用结合支撑剂携带流体和清洁流体之一的三通阀以及与所述另一流体一起使用的止回阀而将交替的支撑剂携带流体和清洁流体抽吸到井口以形成支撑剂段塞的抽吸系统的示意图;
图9是可以与图8的抽吸系统一起使用的三通阀的示意图;
图10是被构造来与图8的抽吸系统一起使用的三通阀的透视图;和
图11是供在提供支撑剂携带流体时使用的水力旋流分离器的示意图。
具体实施方式
描述和实施例是仅仅为了说明本发明的不同实施方案而提出并且不应理解成限制本发明的范畴和应用性。虽然本发明的任何成分可以在本文中描述成包括特定材料,但是应了解所述成分可视需要包括两种或更多种不同化学材料。此外,所述成分还可包括除已提出的组分外的某些组分。虽然本发明可结合垂直井处理描述,但是其同样适用于任何定向的井。本发明将描述油气开采井,但是应了解本发明可以用于开采其它流体(诸如水或二氧化碳)的井或例如用于注入或存储井。还应了解在本说明书各处,当描述浓度或量范围是有用或合适的或类似情况时,旨在认为已说明所述范围内的全部浓度或量(包括端点值)。此外,除非上下文中另有说明,否则每个数值应根据被术语“约”修饰理解一次(除非已明确如此修饰)且随后根据未如此修饰再理解一次。例如,“从1到10的范围”应理解成指示介于约1与约10之间的连续范围内的全部可能数值。换句话来说,当表示特定范围时,即使明确标注或提及仅少数特定数据点是在所述范围内,或即使未提及数据点是在所述范围内,仍应了解发明者明白和了解所述范围内的任何和所有数据点应视作已被指定,并且发明者拥有整个范围和所述范围内的所有点。
可以通过抽吸交替阶段的支撑剂携带流体和清洁或无支撑剂流体而提供地下岩层裂缝内的非均质支撑剂分布。这可通过控制支撑剂递送使得其融入地表处的压裂流体中且从而形成支撑剂段塞以在引入地层时促进裂缝内的非均质支撑剂分布。这种非均质支撑剂分布的实施例描述于美国专利第7,451,812号和第7,581,590号以及国际公开案第WO2009/005387号中,每个所述专利和所述公开案全文以引用的方式并入本文。
如本文所使用,措辞“清洁流体”或类似措辞意在涵盖基本上无支撑剂或支撑剂量或浓度可以明显低于支撑剂浆体的流体。同样地,措辞“支撑剂浆体”或“支撑剂携带流体”意在涵盖包含大量支撑剂以促进形成支撑剂段塞的流体。当清洁流体包含一定量的支撑剂时,支撑剂段塞的支撑剂浓度始终高于相邻的清洁流体段塞的支撑剂浓度并且可以比清洁流体的支撑剂浓度高或大5、10、20、50或100倍。
在传统增粘的水力压裂流体中,清洁流体的支撑剂量可以是从每加仑(PPA)流体0到约2磅或从0到约0.24kg/L。相比之下,水力压裂流体的支撑剂段塞所含支撑剂量可以是从约0.1PPA(0.01kg/L)到约20PPA(2.4kg/L)或更大。通常,支撑剂段塞的支撑剂浓度将是从约1PPA(0.12kg/L)到约12PPA(1.4kg/L)。在其它压裂流体(诸如在处理致密页岩地层中使用的薄水或滑溜水流体,其中所述流体包含少许或不包含聚合物或增粘剂)中,清洁流体的支撑剂浓度是0到约0.1PPA(0.1kg/L),支撑剂段塞的支撑剂浓度是从0.1PPA(0.1kg/L)到约2PPA(0.24kg/L)。支撑剂材料可以理解成引入裂缝以促进保持裂缝开启的任何颗粒材料。术语“支撑剂”旨在包括砂、卵石、玻璃珠、聚合物珠、果壳和种子的磨碎产物(诸如胡桃壳)、人造材料(诸如在本论述中是陶粒支撑剂)。支撑剂可以涂覆有例如树脂、粘合剂或胶粘剂涂层。一般来说,使用的支撑剂的平均粒度可以是从约0.15mm到约2.5mm,更具体地说但不限于约0.25-0.43mm、0.43-0.85mm、0.85-1.18mm、1.18-1.70mm和1.70-2.36mm的典型大小范围。
支撑剂颗粒可能本质上是不溶于地层流体的。可使用任何支撑剂,条件是其是与处理的地层、流体和期望结果相容。支撑剂可以是天然或合成的、上涂料的、或包含化学物;多种类型的支撑剂可相继或混合使用并且支撑剂颗粒可以大小不同或不同材料。相同或不同井或处理中的支撑剂和卵石可以是彼此相同的材料和/或相同的大小。可以根据岩石强度、注入压力、注入流体类型或甚至完井设计而选择支撑剂。支撑剂材料可以包括但不限于砂、烧结铝矾土、玻璃珠、陶瓷材料、天然生成材料或类似材料。天然生成材料可以是非衍生和/或未经处理的天然生成材料,以及基于已经处理和/或衍生的天然生成材料的材料。供用作支撑剂的天然生成颗粒材料的合适实施例包括但不一定限于:磨碎或压碎的坚果(诸如胡桃、椰子、山核桃、杏仁、象牙棕榈果、巴西坚果等)果壳;磨碎或压碎的水果(诸如李子、橄榄、桃子、樱桃、杏子等)种子种壳(包括水果的核);磨碎或压碎的其它植物(诸如玉米)种壳(例如,玉米棒或玉米粒);经处理的木材,诸如从木头(包括已通过磨削、刨削或其它形式的颗粒化处理等而处理的这些木头)衍生出的材料,诸如橡木、山核桃木、胡桃木、白杨木、红木等。某些上述材料分成的进一步信息可在由Raymond E.Kirk和Donald F.Othmer编辑的Encyclopedia of ChemicalTechnology,第三版,John Wiley & Sons,第16册,第248-273页(标题为“Nuts”)版权1981中找到,其以引用的方式并入本文。在特定实施方案中,支撑剂可以由非粉煤灰材料形成。
所有或某些支撑剂材料也可以具备粘合特性,可以添加在制造设施或在井场与处理流体混合时即时添加。可以通过添加在制造设施或在井场与处理流体混合时即时添加的涂层(诸如树脂涂层)提供粘合特性。可以由树脂涂层提供粘合特性。使用的树脂可以包括例如环氧树脂、酚醛树脂(例如,苯酚甲醛)、聚氨酯弹性体、氨基树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂等。树脂涂覆颗粒的实施例描述于美国专利第3,929,191号、第4,585,064号和第5,422,183号中,每个所述专利的全文以引用的方式并入本文。涂层厚度可以改变,但是可以使用构成树脂涂覆支撑剂(RCP)总重量约1%到约99%(更特定来说从RCP总重量约1%到约50%)的树脂涂层。
树脂涂覆支撑剂可以是涂覆颗粒,其中在最初形成支撑剂浆体时,树脂最初是未固化的。未固化(通常称作可固化)RCP最初在地表条件下通常可能是固态和非胶粘的,因此促进支撑剂浆体的处理和调制,因为支撑剂颗粒不易粘在一起。当引入地下岩层的裂缝时,树脂会因遭遇较高温度而软化。随后,树脂固化或交联使得其变硬和难熔,但具有一定挠性。促进固化的典型温度范围是从约40℃到约250℃。在较低温度(即,低于约60℃的温度)下,固化助剂可以用来在合理时间长度内提供充分固结。这些固化助剂为本领域技术人员已知并且可以包括例如具有醇化合物的异丙醇、甲醇和表面活性剂。
树脂的固化或交联可能仅因加热而发生。可以选择树脂使得固化在特定温度下发生且使得固化可能需要特定时间段以确保树脂不会太快固化。固化时间从约1小时到约75小时或更长的树脂可以用来确保允许足够时间用于定位支撑剂充填层。
预固化的树脂涂覆支撑剂包括树脂涂覆支撑剂颗粒,其中树脂在引入井或裂缝前已至少部分在地表处固化或交联。因为这种预固化RCP无需温度来活化,所以其尤其可与压裂流体一起使用。预固化的树脂涂覆支撑剂颗粒仅可以彼此互相物理作用而不发生化学键接。因此,与未固化RCP相比可能需要较厚的树脂涂层。使用的涂层可以是可在压力下容易变形的挠性涂层。这结合支撑剂表面上的较厚涂层可能导致颗粒之间的较强互相作用。这些材料包括橡胶、弹性体、热塑性塑料或塑料。支撑剂材料的粘合材料可以促进支撑剂材料聚结。支撑剂还可以具有自聚结特性。在特定实施方案中,可以添加润湿或涂覆支撑剂材料的粘合材料。使用的支撑剂包括单一类型支撑剂或具有不同特性的多种类型支撑剂的混合物。可能不同的支撑剂特性包括例如密度、目径、形状或几何形状、化学成分和均匀性。可以针对特定井眼条件或储层特性而选择支撑剂类型、特性或大小的混合物。
合适的可购得非固化树脂涂覆颗粒的实施例包括都可购自加利福尼亚州夫勒斯诺市山拓公司的Super US、Super LC、Super TF、SuperHT、MagnaProp、DynaProp、OptiProp和PolaProp以及可购自俄亥俄州哥伦布波顿化学公司的Ceramax树脂涂覆支撑剂。树脂涂覆颗粒还可以包括具有提供与前文所描述的RCP类似特征的胶粘或类似涂层的颗粒,诸如可以即时添加到支撑剂浆体的涂覆砂。或者,提供期望特性(诸如胶粘性、粘合性或可变润湿性)的化学涂层可以即时添加到支撑剂。
用于执行水力压裂的压裂流体和系统通常是液态流体,但是也可包括由烃类基质或乳状流体组成的流体。压裂流体可使用二氧化氮或二氧化碳而起泡或乳化。液态流体可以包括淡水、海水、盐溶液或卤水。用于支撑剂浆体和清洁流体两者的液态流体通常增粘使得其具有足够粘度来携带或悬浮支撑剂材料,防止流体漏泄等。为了对液态压裂流体提供较高粘度,可溶于水或可水合的聚合物通常添加到所述流体。这些聚合物可以包括但不限于瓜胶、由甘露糖和半乳糖组成的高分子量多糖、或瓜胶衍生物,诸如丙烯酸瓜胶(HPG)、羧甲基瓜胶(CMG)和羧甲基羟丙基瓜胶(CMHPG)。还可以使用纤维素衍生物,诸如羟乙基纤维素(HEC)或羟丙基纤维素(HPC)和羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC)。任何有用聚合物可以以交联形式或在无交联剂的情况下以线性形式使用。三种生物聚合物黄原胶、二苯基甲烷和硬葡聚糖已被证明可用作增粘剂。合成聚合物(诸如但不限于聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯聚合物和共聚物)通常用于高温应用或为了提供减摩的目的。
在本发明的某些实施方案中,粘弹性表面活性剂(VES)用作液态流体的增粘剂。VES可以选自由以下项组成的组:阳离子、阴离子、两性离子、两性氧化物、非离子物质和其组合。某些非限制性实施例是美国专利第6,435,277号和第6,703,352号中所引述的,每个所述专利以引用的方式并入本文。粘弹性表面活性剂在单独或组合使用时能够形成在液态环境中形成有助于增大流体粘度的结构的胶束(也称作“增粘胶束”)。这些流体通常是通过混合适于实现期望粘度的适量VES而进行调制。VES流体粘度可以归因于由流体组分形成的三维结构。当粘弹性流体中表面活性剂的浓度明显超过临界浓度时(且在多数情况下存在电解质),表面活性剂分子聚结成诸如胶束的物质,其可以互相作用以形成展现粘性和弹性表现的网络。
流体还可以包含气体组分。气体组分可以提供自在引入液态介质时形成带电流体或泡沫的任何合适气体(见例如美国专利第3,937,283号(Blauer等人),其以引用的方式并入本文)中。气体组分可以包括选自以下项的气体:氮气、空气、氩气、二氧化碳和其任何混合物。二氧化氮或二氧化碳的气体组分尤其有用,其容易以任何质量获得。处理流体基于总流体体积比包含约10%到约90%体积比气体组分,更具体地基于总流体体积比包含约20%到约80%体积比气体组分,且更具体地基于总流体体积比包含约30%到约70%体积比气体组分。
在特定实施方案中,处理流体可用于压裂致密或低渗地层(诸如致密页岩、碳酸盐石、砂石和混合地层)中。这些地层的渗透性可以是约1mD或0.5mD或更小。在这些压裂操作中,可以与减摩剂组合的水(就滑溜水来说)以高速度引入地层以促进压裂所述地层。通常,聚丙烯酰胺用作减摩聚合物。与传统增粘的压裂流体相比,这些压裂流体可以使用较轻重量和明显较低量的支撑剂。在水或滑溜水压裂中,支撑剂浆体的支撑剂可以是从约0.1PPA(0.01kg/L)到约2PPA(0.24kg/L),清洁流体的支撑剂是从0到0.1PPA(0.01kg/L)。这些流体的高抽吸或流速还可以促进支撑剂材料悬浮。用于这些压裂处理的水可以由淡水、海水、卤水或盐溶液形成。
为了提供最有效的非均质支撑剂分布,尽可能地以理想形状产生支撑剂脉冲或段塞是有利的。理想形状的支撑剂段塞或脉冲被认作是如由图示理想支撑剂浓度目标的图1的A处所指示的方形支撑剂脉冲所示具有带尖锐前边缘和后边缘的浓度。实际上,支撑剂段塞或脉冲浓度可能因支撑剂送进系统和支撑剂惯性不足而不满足如由支撑剂分布B所示的目标。已知支撑剂送进系统无法立即开始或停止,其产生一定支撑剂浓度的过渡区(即,非理想形状的支撑剂脉冲)。因此,应使开始和停止支撑剂送进的过渡时间最小化。
为了在地下岩层的裂缝内产生非均质支撑剂分布,在将压裂流体引入井眼的井口前,以尽可能短的开始和停止支撑剂送进的过渡时间在地表处产生交替阶段的支撑剂携带流体和清洁流体或无支撑剂流体。参考图2,在第一实施方案中,可以通过提供具有诸如通过重力送进而送进支撑剂的出口的支撑剂漏斗或其它存储单元10而形成交替的支撑剂携带流体和清洁流体段塞。用计量单元或阀12计量或控制从漏斗出口到输送机14的支撑剂递送。如本文所使用,计量单元包括能够调节支撑剂从存储单元或区到压裂流体中的流动的任何装置。可以通过多种方法(范围是从手动操作到半自动操作到使用全面控制过程的全自动启动)而控制计量单元。计量单元12可以是提供从漏斗10分配的控制量的支撑剂的漏斗闸门、星形送料器、阀或其它装置。计量单元12可提供变量计量,其中当计量单元12是介于完全开启位置与完全闭合位置之间时,计量不同量的支撑剂。计量单元12和输送机14可以遥控。
输送机14可以是可以不同速度运行和可控制使得其可根据需要开始和停止以促进支撑剂递送的控制的带式输送机或其它输送机。支撑剂组如箭头16所示被输送机14递送到一个或多个混合槽18中,其中支撑剂与清洁水力压裂流体20组合和混合。压裂流体不断地从混合槽18递送到井口22,所述压裂流体从所述进口22引入地层。通过利用计量单元12和输送机14的组合,支撑剂可以以不连续隔开的支撑剂组从漏斗递送到混合槽。可以使用可控制变速输送机14。应明白图2的系统是简化的并且还可能并入其它设备和组件,诸如泵、添加剂流等。如可见,支撑剂组的大小和间隔是受计量单元12和输送机14的组合控制。在特定情况下,来自漏斗10的计量可能是不变的或可能随计量不同量的支撑剂和每次计量事件之间的时间不同而变化。在特定实施方案中,计量单元12开启与闭合之间的计时可能是5秒或更短,但是也可以更长。此外,来自漏斗10的计量事件可以保持大致不变但是输送机速度可以变化、开始和停止。可以使用采用漏斗计量以及输送机速度以及开始和停止的其它组合。
参考图3,示出了利用螺旋输送机24的支撑剂递送系统的替代实施方案,与图2的组件类似的组件是用相同参考数字标记。螺旋输送机24是可以各种速度运行并且可重复停止和开始的变速旋转或螺旋型螺旋输送机。螺旋输送机24可以是水平或倾斜的并且可以具有足够能力根据每个阶段所需的泵速和期望量的支撑剂而提供期望量的支撑剂。螺旋输送机24具有将输送的支撑剂排放到混合槽18(其中所述支撑剂与清洁压裂流体20组合)的出口或排放口,所述螺旋输送机间断地旋转和完全停止以提供排放到混合槽18的不连续支撑剂组。螺旋输送机24可以按5秒或更短的间隔开始和停止。在特定实施方案中,可使用多个螺旋输送机来送进支撑剂。通过螺旋输送机24的交替开始和停止,产生从混合槽18开始流动并递送到井口22的支撑剂和清洁阶段的压裂流体。在特定实施方案中,螺旋输送机24可以与图2的实施方案组合,其中支撑剂是通过漏斗10使用计量单元12而递送到螺旋输送机24。
在典型压裂操作中,可以按从约5到200桶(bbl)/分钟(0.79m3到31.80m3/min)的流速抽吸压裂流体。在典型的水力压裂操作中,泵速可以是从约5到约50bbl/min(0.79到7.95m3/min)。在压裂页岩或致密地层时,可以按从约50到约150或200bbl/min(7.95到23.85或31.80m3/min)的更高速度抽吸水或滑溜水。在使用图2和图3的系统以及本文所描述的其它系统提供交替的支撑剂段塞和清洁流体阶段时,支撑剂被递送或与压裂流体一起被递送以提供各在给定的压裂处理泵速下具有短于60秒的持续时间的交替支撑剂和清洁流体阶段。在特定实施方案中,支撑剂被递送以提供40秒或更短的支撑剂阶段。在某些实施方案中,支撑剂阶段的持续时间可以是30到40秒、20到30秒、10到20秒和5到10秒。在特定实施方案中,支撑剂递送在给定泵速下可提供短于5秒的持续时间。这种短持续时间可以促进产生尽可能接近如图1所示的理想支撑剂脉冲A的支撑剂脉冲。支撑剂阶段的持续时间范围可以比清洁流体阶段的持续时间范围大0%到10%、15%、20%、25%或30%。作为一个实施例,采用图2的系统,在20bbl/min(3.18m3/min)的泵速下,计量单元可以开启5秒以计量支撑剂且接着闭合15秒,此时输送机速度大致不变。这可以重复进行。进行压裂处理的交替的清洁和支撑剂阶段的循环次数的范围可以是从约10或约几千(例如,2000个)循环或更多。
对于图2和图3的实施方案,支撑剂送进系统可能因如图1所示的非理想支撑剂脉冲形状而需要校准设备。可以通过支撑剂合计并根据进度与支撑剂量进行比较而进行校准或再校准。因此,例如,如果抽吸的支撑剂比预期的少,那么计量的支撑剂量可能增大。可以根据校准计算闸门位置、输送带速度或螺旋输送机旋转速度的校正系数。对于不同的支撑剂浓度,校正系数可能不同。例如,术语K因子用来指的是驱动转数(诸如螺旋输送机旋转)至计算的流体速度的转换率。支撑剂浓度越高,脉冲范围的K因子越接近传统持续送进支撑剂范围的K因子。在较低支撑剂浓度下,K因子的较大调整可用于将计算的支撑剂量校准到抽吸的支撑剂量。
在其它实施方案中,通过利用预混合支撑剂浆体与清洁流体而提供支撑剂脉冲。参考图4,其示出了一种这样的实施方案的图。在这个实施方案中,来自槽或清洁流体供应器1的清洁流体可以是预混合压裂流体,与来自支撑剂浆体槽或供应器2的预混合支撑剂浆体交替地被一个或多个高压泵3递送到井口4。用于清洁和预混合支撑剂浆体的流体可以相同或不同。例如,如果不同,那么不同流体可以包含不同添加剂或不同相对量。一个流体可以交联同时另一流体可以是线性的,清洁流体可以是泡沫,而支撑剂流体可以是水基流体,清洁流体可以是或包含二氧化氮或二氧化碳,而支撑剂流体是增粘流体等。清洁流体和支撑剂流体阶段的流体粘度可以相同或不同。纤维可以添加到清洁流体和支撑剂流体阶段或仅添加到支撑剂流体阶段。添加剂(诸如表面活性剂或即时胶粘剂)可以仅添加到支撑剂流体阶段。预混合支撑剂浆体也是由可以与用于清洁流体的预混合压裂流体相同或不同的预混合压裂流体形成。在本文描述采用预混合支撑剂浆体的实施方案中,预混合支撑剂浆体可以由用来形成利用持续支撑剂送进系统的包含支撑剂的压裂流体的传统系统形成。在其它实施方案中,诸如图2和图3的系统的系统可以用来以预混合支撑剂浆体内的支撑剂脉冲提供预混合支撑剂浆体或可以具有持续支撑剂送进,但是其中在预混合浆体内支撑剂量不同。在特定实施方案中,预混合支撑剂浆体可以注入或脉冲输送到清洁浆体中或清洁浆体可以注入或脉冲输送到预混合支撑剂浆体中。通过使用控制阀5调节清洁流体和包含支撑剂的流体而控制来自供应器1和2的交替的清洁和支撑剂阶段。阀5表示一种机构,诸如用来调节来自不同源的流体的阀。操作范围可以从手动使用到全自动使用。为便于控制和出于安全考虑,阀5通常将提供在高压泵3的低压侧上。在特定实施方案中,阀5可以在泵3的高压侧上。在这些情况下,将对每个流体供应器提供泵。在所示的实施方案中,泵3通常不断抽吸流体,而至清洁浆体供应器1的阀5是开启的。接着,至清洁浆体供应器1的阀5闭合或部分闭合,而至预混合支撑剂浆体供应器2的阀5开启或进一步开启。可以配置开启和闭合阀5的计时使得支撑剂段塞尽可能理想。一个阀开启同时另一阀闭合减小气蚀风险。在特定情况下,对于每次流体供应,阀5的开启和闭合可能存在一定程度的重叠,或仅存在阀5的部分闭合以确保可以允许流体不断供应给泵3。在特定情况下,阀5可能仅部分闭合并且每次流体供应继续。在这些情况下,清洁流体段塞可以包含某些支撑剂但浓度低得多浓度。还可以使用如前文所描述相同类型和计时的支撑剂段塞分布,其具有相同或类似持续时间和相同循环次数。
图5示出了图4的实施方案的变型,其中类似组件是用相同参考数字标记。在图5中,多个单独高压泵3与每个清洁浆体1和预混合支撑剂浆体2一起使用。泵3可以是离心泵。通过使每个泵3的排放或排放速度交替,可以针对通过井口4引入井中的压裂流体产生支撑剂段塞被。用于提供单独的清洁流体流或水流和支撑剂携带流体流以在压裂流体中组合使用的替代方法描述于美国专利申请公开案US20080066911和US20070277982中,每个所述公开案的全文以引用的方式并入本文。
参考图6,其示出了采用预混合支撑剂浆体和清洁流体的另一实施方案。图6的实施方案与图4的实施方案类似,类似组件的标记是相同的。在这个实施方案中,背压控制装置(诸如隔膜或调节阀6)用来控制支撑剂浆体和/或清洁流体到高压泵3的递送。一个阀6开启可能是响应达到预选流速或压力差,其中阀6接着开启以允许支撑剂浆体或清洁流体流动。支撑剂浆体和清洁流体的体积大小是受泵3的吸入速度控制。对于每个支撑剂浆体和清洁流体,阀6可同时或单独运行。
图7示出了图6的实施方案的变型,类似组件是用相同参考数字标记。在这个实施方案中,背压调节阀6与清洁流体供应器1或支撑剂浆体供应器2之一一起使用。另一清洁流体或支撑剂浆体具备非背压调节阀7。阀7可以是控制至泵3的流体流动的止回阀、隔膜或其它装置。支撑剂段塞或清洁流体段塞的大小是在阀7的帮助下通过泵吸入速度控制,所述阀7控制来自另一个清洁流体或支撑剂流体的流体流动。
在另一实施方案中,清洁流体可以注入或脉冲输送到支撑剂流体流动管线中,支撑剂流体可以注入或脉冲输送到清洁流体流动管线中,或交替或不同浓度的清洁流体和支撑剂流体可以注入或脉冲输送在共同流动管线中以提供支撑剂流体和清洁流体的段塞。一个流体到另一流体的流动管线中的这种注入可以通过所述流动管线中的一个或多个阀而实现。
图8示出了用于抽吸交替的支撑剂段塞和清洁流体的系统的另一实施方案。在这个实施方案中,从清洁流体源1和支撑剂流体源2到高压泵3的流体流动是受三通阀8控制。图9示出了具有两个进口28、30的三通阀8的实例,各进口分别用于清洁流体和支撑剂浆体。闭合件32调节每个进口之间的流动以停止或调整通过每个进口28、30的流动体积并且允许同时控制每个流体。可以控制阀闭合件32的位置从而允许流动穿过两个进口以根据体积计算而提供期望密度的支撑剂浆体。三通阀8的出口34根据具体情况排放到泵3或井口。阀8可遥控。高压泵3还可以位于每个清洁流体管线和支撑剂浆体管线上,阀8位于这些泵的高压侧上。然而,在许多情况下,阀8将在泵3的低压侧上。
图10图示了可以与图8的系统一起使用的三通阀36的另一实施例。如所示,阀36包括可以具有大致呈圆筒形或桶形构造或部分的阀体或外壳38。至少两个流体通道40、42提供在阀体38中以分别允许支撑剂浆体和清洁流体的流动。流体通道40、42可以彼此基本上平行。在所示的实施方案中,形成在阀体38中的流体通道40、42可以各具有大致呈半圆形或其它部分圆形横截面,但是可使用其它构造。阀闭合件44提供在阀体38的内部内并且可围绕通常平行于通过流体通道40、42的流体流动的轴旋转以选择性地开启和闭合流体通道40、42。在所示的实施方案中,闭合件44构造成被构造来闭合每个半圆形流体通道40、42的大致呈半圆形或其它部分圆形的板或构件。闭合件44的旋转可以通过机械、水力、磁或其它致动而实现并且可以遥控。通过旋转闭合件44,可控制通过每个通道40、42的流体流动的程度使得可变量的每个流体可以递送到阀36的出口46或当每个通道40、42交替开启和闭合时可以递送交替流体递送。
在另一实施方案中,水力旋流分离器或浓缩器用于递送交替的预混合支撑剂浆体和清洁流体。图11示出了水力旋流分离器48的实施例。所述分离器包括具有以高流速引进支撑剂浆体的切线流体进口52的大致呈圆锥形或截头圆锥形本体或外壳50。通过切线进口52的流体流动导致支撑剂颗粒通过离心力而被抛至外壳内部的侧壁,其中所述支撑剂颗粒螺旋向下到底流出口54,所述底流出口54可具备用于控制从出口54流出的流量的控制阀(未示出)。较轻的流体和材料朝向分离器中心移动,其中所述流体和材料被向上引导穿过中央溢流出口56,所述溢流出口56可以具备用于控制从出口56流出的流量的控制阀(未示出)。
水力旋流分离器允许从稀释的支撑剂浆体形成浓缩的支撑剂浆体。以此方式,与传统混合器或搅拌机和抽吸设备相比,可在流体段塞中形成更高浓度的支撑剂。支撑剂浓度是受进口浆体支撑剂浓度(其可以是稀释的支撑剂浆体)和通过底流出口54和/或溢流出口56排放的流体或材料量控制。因此,例如,完全闭合出口56从而不允许流体流出,可以提供稀释的支撑剂浆体并将其递送到底流出口54。这个稀释的支撑剂浆体可以以极小的支撑剂浓度(例如,2ppa或0.24kg/L或更小)形成清洁流体。通过开启流体出口56以从浆体中移除流体,可容易形成递送到底流出口54的浓缩的支撑剂浆体。完全开启出口将允许流体和支撑剂两者通过底流出口离开。需要节流阀来保持足够背压以允许流体在浓缩的浆体通过溢流出口离开的同时返回。支撑剂浓度可明显和立即增大或减小达通过出口移除的流体量。通过交替开启和闭合溢流出口56,可形成交替的清洁流体和支撑剂浆体段塞以递送到井眼。或者,可以通过调整通过底流出口54的流量而通过溢流出口56递送清洁和支撑剂浆体。因此,清洁和/或支撑剂浆体可以提供自分离器48的任一出口54、56。未引入地层的移除流也可以再循环。水力旋流分离器提供用于提供这些交替的清洁和支撑剂浆体段塞的快速而有效的方法。此外,可通过使用水力旋流分离器而实现可近乎瞬时发生的良好的支撑剂浓度控制。在其它实施方案中,水力旋流分离器48可以单独用于形成如前文实施方案中论述的高浓度的预混合支撑剂浆体,清洁流体供应自单独源。
在另一实施方案中,交替的支撑剂和清洁流体段塞可以由周期性地将预混合支撑剂浆体注入清洁流体中的活塞泵形成。所述泵(未示出)可以是多柱塞或活塞泵,诸如三柱塞或活塞泵(3个活塞),其中两个或更多个活塞或气缸之一用来将预混合支撑剂浆体抽吸或注入到清洁流体中。
运用本文所描述的每个实施方案,应注意未具体论述的各种设备和装置可以与每个系统一起采用。这种设备可以包括流量计、比重计、压力计等。此外,利用预混合支撑剂浆体的那些系统可以采用用于使预混合支撑剂浆体再循环以促进支撑剂悬浮的再循环管线和泵。还可使用清洁浆体的再循环。可以在系统的低压侧上提供再循环。
就本文描述使用交替的清洁和支撑剂流体段塞的方法来说,应注意非支撑剂纤维和颗粒材料还可以并入每个清洁流体和/或包含支撑剂的流体中。这些材料可以用来促进支撑剂悬浮以防止支撑剂沉淀并且减小所需的增粘剂量。这种材料的实施例描述于美国专利申请公开案第US2008/0135242号中,所述公开案的全文以引用的方式并入本文。在非均质支撑剂分布中,用来使支撑剂稳定和悬浮和/或提供液-液界面的无支撑剂颗粒材料可以包含在一个或两个这种相邻的介接流体中。颗粒材料可以与压裂流体不断掺和,而支撑剂可以以脉冲方式添加。在某些实施方案中,无支撑剂流体或脉冲可以具有较高含量的非支撑剂颗粒材料。在其它实施方案中,支撑剂携带流体或脉冲可以具有较高含量的非支撑剂颗粒材料。在另一实施方案中,在无支撑剂流体和支撑剂携带流体两者中,非支撑剂颗粒材料的量可以大致相同并且大致连续分散遍及流体。
本文描述用于交替的支撑剂和清洁流体段塞递送的系统和方法还可以结合特定射孔策略而使用。这些射孔策略可以包括形成隔开的射孔簇。这些射孔策略的实施例描述于国际公开案WO2009/005387和WO2009/096805中,每个所述公开案的全文以引用的方式并入本文。
虽然本发明已仅以其某些方式示出,但是本领域技术人员应明白本发明不限于此,且具有各种变化和修改而不悖离本发明范畴。因此,恰当地广义并且以与本发明范畴一致的方式解释随附权利要求。

Claims (6)

1.一种将支撑剂充填层置于从形成在地下岩层中的井眼开始延伸的裂缝中的方法,所述方法包括:
执行至少以下一项以促进在高于所述地层的压裂压力的压力下在引入所述井眼的水力压裂流体内提供多个隔开的支撑剂段塞:
(1)提供包含支撑剂的漏斗,其具有可在闭合位置与可变打开位置之间开启和闭合的可控制计量单元,所述计量单元选择性地计量以不连续隔开的支撑剂组从所述漏斗到输送机的支撑剂,所述支撑剂组被所述输送机递送到混合槽,其中所述支撑剂与所述水力压裂流体组合,且其中所述支撑剂组的大小和间隔受所述计量单元和所述输送机的速度的组合控制;
(2)将支撑剂提供给变速旋转螺旋输送机,所述螺旋输送机具有将输送的支撑剂排放到混合槽的排放口,所述螺旋输送机间断地旋转和完全停止以提供排放到所述混合槽的不连续支撑剂组;和
(3)在形成所述压裂流体的预混合支撑剂浆体和清洁流体中提供支撑剂和至少以下一项:a)使所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体交替流动和b)将所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体之一脉冲输送到另一个中;
通过使用三通阀而实现将所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体之一脉冲输送到另一个中;以及
将稀释的支撑剂浆体引入水力旋流分离器的进口,所述水力旋流分离器具有底流出口和溢流出口,其中所述预混合支撑剂浆体提供自所述底流出口和所述溢流出口的至少一个。
2.根据权利要求1所述的方法,其中:
所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体各通过不同泵或相同泵抽吸。
3.根据权利要求2所述的方法,其中:
通过使用一个或多个控制阀而实现至少以下一项:a)使所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体交替流动和b)将所述预混合支撑剂浆体和所述清洁流体之一脉冲输送到另一个中。
4.根据权利要求1所述的方法,其中:
所述清洁流体由所述稀释的支撑剂浆体形成并且通过控制穿过所述底流出口和所述溢流出口的至少一个的流体流动而提供所述多个隔开的支撑剂段塞。
5.根据权利要求4所述的方法,其中:
所述预混合支撑剂浆体由活塞泵递送。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述方法还包括:
在足够压力下抽吸以用包括多个隔开的支撑剂段塞的压裂流体压裂所述地下岩层。
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