CN106030030A - 在地层中提供多个裂缝的方法 - Google Patents
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Abstract
提供在地下地层中提供支撑的水力裂缝的系统和技术，包括如下步骤：在足以引发和扩展至少一个水力裂缝的压力下向地下地层中注入压裂流体，其中所述压裂流体包含支撑剂；当所述至少一个水力裂缝已达到目标尺寸时，向压裂流体中加入预定量的导流材料，其中所述导流材料主要包含10‑30wt％粒度大于2000微米的颗粒、1‑15wt％粒度为1000‑2000微米的颗粒、10‑40wt％直径为500‑1000微米的颗粒、40‑70wt％小于500微米的颗粒，和所述导流材料包含在地下地层条件下降解的材料，所述导流材料有效地基本阻止压裂流体流入所述至少一个裂缝；和在地下地层内有效引发至少一个附加裂缝的压力下继续注入压裂流体。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年2月19日提交的美国临时专利申请61/941,583的优先权，其公开内容在这里作为参考引入。
背景技术
地层的水力裂缝技术近年来发展迅速，已经能够经济地开发以前认为不能经济开发的烃资源。通常，在目标地层中提供长的水平井，并沿水平井孔的长度每隔二百到五百英尺提供裂缝。经常通过例如US7,775,287和US 7,703,525或美国专利申请公开US 2011/0209868中建议的那些方法提供裂缝。这些方法包括在高压和高速率下向地层中注入粘性流体，从而使储层岩石破坏并形成通常垂直(取决于最小应力的方向)的平面。可以在后一部分压裂流体中注入支撑剂材料如砂子、陶瓷珠或其它材料，以在压裂流体上的压力降低后保持裂缝开放。
可以压裂带套管或不带套管的井孔，但目标地层内的井孔通常带有套管,所述套管用水泥固定，和然后沿井孔长度以预定间隔在水泥固定的套管上打孔。
在碳酸盐地层中，压裂流体可以包含与碳酸盐反应的酸或酸前体，以改变裂缝表面处岩石的形状，从而在释放压裂流体的压力后，裂缝封闭，岩石的各面不再贴合。因此提供从裂缝表面到井孔的流体流道。
可获得用于隔离水平井孔区域以在隔离区段内压裂孔的工具。进一步改进是隔离多个孔，和试图同时形成多个裂缝，从而减少重新定位封隔器和设置泵送压裂流体的钻井时间。但由井孔的单个隔离区提供多个裂缝可能存在问题，因为裂缝将于隔离区内的最弱点开始，还因为裂缝扩展需要的压力比裂缝引发压力小，将不会引发随后的裂缝，直到第一个裂缝非常大，初始较大的裂缝将增加地层的应力，并因此随后的每个裂缝都会比前面的裂缝小且不够有效。
US 7,644,761建议一种方法，其中将多个支撑剂段塞注入酸压裂流体中，从而可以封堵已存在的裂缝，允许井孔内的压力增加至高于裂缝引发压力，并因而引发第二或随后的裂缝。支撑剂可以是US7,004,255中建议的组合物，其可以是两种或三种不同粒度的组合物，从而支撑剂的最终空隙体积可以低至17％。
在US 7,644,761中也建议支撑剂可以包括如US 7,275,596中建议的可降解纤维。建议所述纤维在地层温度下在约4小时至100天的时间内降解，从而在每个裂缝处留下更多的多孔屏障。US 7,275,596建议了一种对于处理井孔来说最小化所需金属交联稠化剂量的方法，其中给出了支撑剂或砂砾。所述方法包括利用纤维辅助在粘性载体流体中输送、悬浮和放置支撑剂或砂砾，否则的话粘度不足以阻止颗粒沉降。所建议纤维的特性被优化用于支撑剂输送，但在处理后可以降解为在水中离子如钙和镁的存在下不沉淀的降解产物。
发明内容
按照本发明的优选实施方案，提供在地下地层中提供支撑的水力裂缝的系统和技术，包括如下步骤：在足以引发和扩展至少一个水力裂缝的压力下向地下地层中注入压裂流体，其中所述压裂流体包含支撑剂；当所述至少一个水力裂缝已达到目标尺寸时，向压裂流体中加入预定量的导流材料，其中所述导流材料主要包含10-30wt％粒度大于2000微米的颗粒、1-15wt％粒度为1000-2000微米的颗粒、10-40wt％直径为500-1000微米的颗粒、40-70wt％小于500微米的颗粒，和所述导流材料包含在地下地层条件下降解的材料，所述导流材料有效地基本阻止压裂流体流入所述至少一个裂缝；和在地下地层内有效引发至少一个附加裂缝的压力下继续注入压裂流体。
所述导流材料可以为例如聚乳酸酯、聚乙醇酸酯或油溶性树脂。可以在所注入压裂流体批次之间注入导流材料段塞，每批次导流材料防止压裂流体流入已有裂缝。进入特定裂缝的压裂流体流量越大，初始进入所述裂缝的导流材料量越大，因此迅速生长的裂缝将主要受限于注入导流材料时裂缝的尺寸。这使得随后的裂缝变得更大，而不是主要为含大量压裂流体和支撑剂的裂缝。
在本发明的一个实施方案中，选择导流材料的粒度范围从而能够在孔处桥接，并因此在孔处阻止流体的流动。通过基本阻止压裂流体在孔处的流动，所需导流材料量是可预测的，和如果确定所述导流材料的尺寸用来阻止流体在裂缝中或在裂缝内已放置的支撑剂内的流动，则所述导流材料量也相当少。最小化所需的导流材料量降低了导流材料成本、添加导流材料所需的设备和成本，和减少了导流材料降解后留在地层中的残余导流材料造成的损害。
附图说明
参考如下附图以更详细地理解本发明，其中：
图1是按照本发明方法压裂的井孔的示意图。
图2和图3中的图线给出应用和不用本发明时迫使进入井孔各区段孔中的压裂流体量。
具体实施方式
下面参考图1，其中给出了穿透地下地层102的井孔101。所述地下地层可以为例如含烃地层如轻的致密油储层或致密气储层或者向其中隔离二氧化碳的地层。通常具有有限渗透性的地层需要如本发明所提供的水力裂缝，以产出流体或将流体注入地层。低渗透性地层可以为渗透率小于10毫达西的地层。所述井孔可以是垂直、水平或倾斜的。一般地，长的水平井孔通常用于轻致密油和致密气生产，从而可以由各个井孔提供多个水力裂缝。井孔通过已知的钻探和完井方法提供。所述井孔可以是在待开采地层内的裸眼完井，但提供多个裂缝不必移动封隔器、套有套管103和用水泥104固定入地层的井孔。水泥通常向下泵送入套管，和随后是刮刀105，后者可以将水泥与水泥后的井孔流体分隔开来。通过套管端部的制动环106可以使刮刀停下来。已知的水泥组合物和方法均可用于本发明。
以前压裂的井孔区段107显示已为地下地层提供三个裂缝108。所述套管显示已提供有穿透套管进入地下地层的孔109。提供外侧封隔器110和内侧封隔器111，通过它们可以通过管件112提供压裂流体，从而隔离井孔区段114，之后可以由此提供进一步的裂缝。图中显示管件112连接于两个封隔器上，和可以提供可以通过独立的液压控制管线(图中未示出)释放和移动或者定位以在两个封隔器之间提供隔离的井孔区段的封隔器。图中只显示了两个包含裂缝的井孔区段，但应该理解的是通常有多个区段被分隔并提供多组裂缝。例如，水平区段长1828.8米的水平井孔可以每隔15-200米提供水力裂缝，从而提供具有10-120个裂缝的井孔。所述裂缝可以按组提供，例如每次提供2-10个裂缝。一次提供多个裂缝意味着在不改变井孔内向其中注入压裂流体的区域的条件下提供裂缝。
当设置封隔器或者井孔区段以其它方式被隔离以准备提供水力裂缝时，可以将压裂流体113注入井孔隔离区段114内，并在足够高以引发至少一个新裂缝的压力下通过孔109进入地下地层102。
可以使压裂流体113增稠以降低支撑剂从流体中沉降的速率，从而使流体能够载带支撑剂更深入到裂缝内。增稠剂可以为增粘聚合物如可溶解(或可水合)的聚糖，如半乳甘露聚糖胶、葡甘露聚糖胶或纤维素衍生物。这种聚合物的实例包括瓜尔胶、羟丙基瓜尔胶、羧甲基瓜尔胶、羧甲基羟乙基瓜尔胶、羟乙基纤维素、羧甲基-羟乙基纤维素、羟基丙基纤维素、黄原胶、聚丙烯酰胺和其它合成聚合物。其中，基于可商购性和成本/性能，瓜尔胶、羟丙基瓜尔胶和羧甲基羟乙基瓜尔胶通常是优选的。
替代地，压裂流体可以为所谓的减阻水组合物。减阻水包含水和低浓度减摩擦剂以及支撑剂如砂子。通常减阻水包含99.5wt％水和砂子、和0.5wt％添加剂，例如包括：减摩擦的聚合物如聚丙烯酰胺；杀生物剂如溴、甲醇或萘；表面活性剂如丁醇或乙二醇单丁醚；和防垢剂如盐酸或乙二醇。减阻水压裂流体不含增稠剂。在支撑剂从流体中沉降之前应用较高泵送速率将压裂流体置入地层内。因此减阻水组合物对于浅井、带有较短水平段的井、或者接近长水平井的端部更加有用。当可以应用减阻水组合物时，它们通常是优选的，因为增稠剂增加了水力摩擦压力损失并造成至少一些地层损坏。
水力裂缝可以用不含支撑剂的流体引发，但然后随着裂缝扩展可以加入支撑剂。支撑剂可以是砂子或陶瓷颗粒、聚合物小球或玻璃颗粒。如果支撑剂具有相对窄的粒度范围时，它们为水力裂缝提供了更具渗透性的填料。在US 7,913,762、US 7,836,952或US 8,327,940中公开的支撑剂可以在本发明中应用。具有相对窄粒度分布的支撑剂因为空隙容积最大化而提供高渗透率的支撑裂缝。有用的支撑剂的典型平均体积粒度为100-2000微米，和其分布优选较窄。
压裂支撑剂的粒度规定为砂子穿过的筛网尺寸和支撑剂不能穿过的第二筛网尺寸。在本发明中有用的支撑剂粒度包括例如8/12、10/20、20/40和70/140。这些筛网分别对应于1.68-2.38、0.84-2.00、0.42-0.84毫米和105-210微米的粒度范围。最常用的是20/40的砂子。
压裂砂子也按Krumbein和Sloss设计的图表的球形度和正圆度规定，和按Krumbein和Sloss的图表所述球形度和正圆度通常都大于0.6。
当井孔内的一组孔暴露于压力超过地层裂缝引发压力的流体时，将会引发一个或两个主裂缝，并且它们将开始扩展。所注入的支撑剂大多数将流入这些主裂缝中，直到支撑剂的注入中止或者不能迫使更多的支撑剂再进入裂缝。如果在裂缝基本上被支撑剂填充后继续注入支撑剂，则支撑剂可能在井孔中脱砂。通常，在已注入预定量支撑剂后停止支撑剂注入，以防止支撑剂填充井孔。支撑剂预定量可以按没有支撑剂"脱砂"时可以在裂缝中置入的支撑剂量估计，或者按裂缝内相互桥连并阻止支撑剂进一步移动入所述裂缝的支撑量估计。
终止支撑剂注入后，注入不含支撑剂的冲洗压裂流体，以使支撑剂从井孔内移动入裂缝内。在本发明中，将导流材料段塞泵送入井孔中，优选在不含支撑剂的冲洗压裂流体之后。所述导流材料段塞包含水或压裂流体和导流材料。支撑剂和流体的预定量以可能给出裂缝目标尺寸的压裂工作设计为基准。
替代地，裂缝面积大小可以由微地震数据推出，或者可以仅仅由已经注入的含支撑剂的压裂流体体积或支撑剂体积推出。
替代地，可以基于包括裂缝成本和边际较大裂缝价值在内的通常考虑针对待压裂的一组孔确定压裂流体量以优化压裂，和然后将该压裂流体量以基本等分的份注入，各份之间被包含导流材料的压裂流体段塞隔开。例如压裂流体可以被分成二个、三个或四个基本等分的份，各份之间被一个、两个或三个导流材料段塞分隔。
被导流段塞分隔的压裂流体和支撑剂的份基于压裂设计优化可能并不相等。
在注入导流材料段塞之前，注入压裂流体的压力通常是稳定的。在含导流材料的流体注入后，导流材料穿过待压裂区域的管道，因为导流材料阻止了进入已有裂缝的流体流量，可以看到井口处的压力会升高。最后，更多的裂缝开放。在注入导流材料段塞后，观察到50-3000psi的压力升高。因为初始裂缝增加了地层应力，每个后续裂缝将需要增加的压力来引发和扩展。可接受的导流材料可以为例如聚乳酸酯、聚乙醇酸酯或油溶性树脂。这些材料的生产能够提供具有规定粒度范围和分布的这些材料的颗粒，和它们以可预测的速率在地层条件下降解。
本发明的导流材料在地层条件下降解，其降解时间段允许在合理时间内从井孔生产烃。例如，所述导流材料可以设计为在地层条件下在6-90天内降解。降解意味着聚合物失去其一半以上的拉伸强度。降解也可以通过提供在地层流体如油中至少部分可溶的导流材料实现。降解也可以通过例如将酸性组分冲入所述孔中而实现、加速或引发。替代地，可以应用与氧化剂反应的导流材料，和可以通过用氧化剂冲洗所述孔而实现、加速或引发降解。
导流材料的最大粒度和封堵每个孔的预期量可以由例如使导流材料流过带孔岩石的实验室测试确定。
导流材料可以在注入时添加到压裂流体中，例如通过螺杆泵注入混合容器或直接手动进料至混合容器中，然后进料至压裂流体注入泵。导流材料可以以足够大的有效浓度添加。如果浓度不足，则导流材料不足以阻止进入裂缝的流动。导流材料的浓度过高将不够经济，且很难添加和混合入压裂流体中。已经发现导流材料的浓度为每升压裂流体约25-200克是有效且成本有效的。浓度为约50-100g/l可能是可接受的。
为了成为有效的导流材料，导流材料的粒度分布必须足够宽。可接受的宽粒度范围可以是如下颗粒的组合，其中10-30wt％粒度大于2000微米的颗粒、1-15wt％粒度为1000-2000微米的颗粒、10-40wt％直径为500-1000微米的颗粒、40-70wt％小于500微米的颗粒。最大颗粒需要足够大以在空隙处桥连孔，和需要足够量的约1/3所述粒度的颗粒以桥连最大颗粒间的空隙，和然后有足够量的足够小以桥连较小颗粒间空隙的颗粒，以此类推，直到颗粒粒度小于500微米。不同粒度范围的颗粒可以同时注入，或者可以依次注入，其中先注入较大粒度的颗粒。
最大导流材料颗粒的粒度或者例如10vol％材料直径超出的直径值取决于导流材料打算在何处阻止进入地层的流动。如果打算在裂缝内支撑剂表面处阻止进入地层的流动，则导流材料的最大直径可以约为支撑剂平均直径的一半。如果导流材料打算在裂缝内阻止流动，则导流材料的最大直径可以约为预期裂缝空隙宽度的一半。如果打算在孔本身处阻止流动，则所述导流材料的最大直径应该约为所述孔直径的一半。提供这种粒度的导流材料最小化了阻止进入所述孔的流动所需的导流材料量。例如US 7,004,255建议将颗粒粒度进行组合以有效阻止流体通过支撑剂填充的裂缝的流动。可以应用双峰分布或三峰分布，但宽范围的分布也是有效的。
优选选择导流材料的粒度分布以封堵孔。对于每个孔来说，封堵孔例如可以利用3-30公斤合适粒度的材料实现。封堵孔所需的导流材料量比封堵裂缝所需的材料量或者在裂缝内置入的支撑剂量更可预测，因为实际孔的尺寸是已知的并且不会被压裂过程明显改变。
例如，导流材料的量可以为每个待封堵孔1-30公斤。
可以应用本发明在井孔的隔离区段内提供多个裂缝，或者可以应用本发明在没有隔离区段的井孔内提供裂缝。例如，待提供裂缝的井孔的整个区段可以重复地经受含支撑剂的压裂流体及之后的导流材料段塞的序列，直到在没有隔离井孔区段的情况下为井孔中的每个孔提供裂缝。
也可以对之前已经提供裂缝的井应用本发明。在这种实施方案中，可以在可能承受注入导流材料之前迫使支撑剂进入已有的裂缝中，以重新打开或扩大已有裂缝。替代地，在为井孔设置新裂缝之前，可以通过注入导流材料抑制进入已有裂缝的流动。
在已经按本发明为地层提供水力裂缝后，可以取道水力裂缝由地层生产烃。所述烃可以为例如天然气、原油和/或轻密致油。
实施例1
导流材料由位于Akron Ohio的ICO Polymers North America,Inc公司获得。所述材料为粒径分布为1-2830微米的聚乳酸酯可生物降解聚合物。在已经钻好、装有套管和完成的水平井孔中，最后三个阶段通过常规程序实施。在井孔端部，后三个阶段组合为一个阶段以测试本发明一个实施方案的有效性。所述井孔的这一段约800英尺长。该区段打有9组孔，各组孔之间间隔约84英尺。所应用的压裂流体和支撑剂的量对于三个阶段来说是正常量，或者为之前各阶段用量的三倍。所泵送的支撑剂的总量为约900,000磅。以大致相等的三个批次注入支撑剂和流体，每一批次用流体中的导流材料段塞分隔。对于每一批次导流材料来说，将约450磅导流材料加入600加仑内衬凝胶溶液中。在泵入第一批次支撑剂和第一批次导流材料后，导流材料造成的背压累积至约700psi。在泵送入导流材料第一段塞后，泵送入第二批次支撑剂。第二批次支撑剂需要比第一批次高约200psi的压力。这表明新孔打开。在泵送入第二批次支撑剂后，泵送第二批次导流材料。再一次，将约450磅导流材料在约600加仑内衬凝胶流体中泵送。这一次，当泵送导流材料时，压力累积约400psi。然后泵送第三和最后批次的支撑剂，压裂压力再次增加约200psi，这表明支撑剂进入了新的裂缝中。
实施例2
对于本实施例，导流材料为获自Houston Texas的HalliburtonEnergy Services,Inc.公司的商购材料Biovert。所述井已配有能够测量井内完整温度和声波分布的光纤传感器。利用作为时间函数的完整的声波和温度分布，可以计算进入每组内不同孔中的压裂流体分配。如果不用本发明，通常观察到的是当压裂一组6个孔时，将有1-3个主裂缝，其中3-5个裂缝接收到相对较少的支撑剂。因此，正常的程序是在每个阶段不尝试压裂3组以上的孔。这样在井孔内形成更多有效裂缝，和裂缝的位置更加可预测，但增加了完井成本。为了证实本发明一个实施方案的有效性，分两个批次泵送支撑剂，并用一个批次含BioVert材料的流体分隔。图1给出了对于六组孔中每一组来说两个批次支撑剂的支撑剂材料的相对分布。泵送的支撑剂首先大部分进入前三组孔。可以看到超过90％的支撑剂进入这些孔。在注入导流材料后，更多第二批次支撑剂进入其它三个孔，约50％进入第四孔和小于10％的进入前三个孔的每一个中。在这个实施例中，尽管没有迫使足够的支撑剂进入第五和第六个孔，但通过导流材料段塞明显改进了支撑剂的分配。
实施例3
另一个试验用来确定在Eagle Ford地层内水平井中打开的孔组是否可以被封堵，以将压裂流体导流至未打开的孔组中。所应用的导流材料为由Halliburton商购的BioVert。下面参考图2，x轴为第一阶段中的孔组数。Y轴为每组孔吸收的压裂流体和浆液的百分数。工作期间，将流体和浆液的总体积分成两部分。第一部分按常规压裂程序泵送。实线表示在第一部分处理过程中由光纤温度传感器数据计算的每组孔吸收的流体和浆液的百分数。结果表明在第一部分处理过程中，有四组孔吸收了流体和浆液，其中一组孔比其它组孔吸收得多。有两组孔没有吸收到任何流体。在第一部分处理后泵送入导流流体段塞。然后泵送入第二部分处理。虚线表示在第二部分泵送过程中每组孔吸收的流体和浆液的百分数。结果表明第二部分处理打开了第6组孔并提高了压裂效率。
Claims (19)
1.在地下地层中提供支撑的水力裂缝的方法，包括：
在足以引发和扩展至少一个水力裂缝的压力下向地下地层中注入压裂流体，其中所述压裂流体包含支撑剂；
当所述至少一个水力裂缝已达到目标尺寸时，向压裂流体中加入预定量的导流材料，其中所述导流材料包含10-30wt％粒度大于2000微米的颗粒、1-15wt％粒度为1000-2000微米的颗粒、10-40wt％直径为500-1000微米的颗粒、40-70wt％小于500微米的颗粒，和所述导流材料包含在地下地层条件下降解的材料，所述导流材料有效地基本阻止压裂流体流入所述至少一个裂缝；和
在地下地层内有效引发至少一个附加裂缝的压力下继续注入压裂流体。
2.权利要求1的方法，还包括在地下地层中提供井孔和在井孔中提供套管的步骤。
3.权利要求2的方法，还包括在地下地层内在所述套管上打孔，其中确定导流材料的尺寸以桥连所述孔。
4.权利要求3的方法，其中确定导流材料的尺寸以桥连所述孔。
5.权利要求1的方法，其中通过注入压裂流体的体积确定所述裂缝达到目标尺寸的时间。
6.权利要求1的方法，其中通过在小于裂缝引发压力的压力下可以向地层中注入压裂流体的速率确定所述裂缝达到目标尺寸的时间。
7.权利要求1的方法，其中通过微地震数据确定所述裂缝达到目标尺寸的时间。
8.权利要求1的方法，其中在地下地层条件下降解的材料包括聚乳酸酯。
9.权利要求1的方法，其中在地下地层条件下降解的材料包括聚乙醇酸酯。
10.权利要求1的方法，其中在地下地层条件下降解的材料包括油溶性树脂。
11.权利要求1的方法，其中在地下地层的环境条件下降解的材料在6小时至90天的时间段内降解。
12.权利要求1的方法，其中重复所述步骤多次。
13.权利要求1的方法，还包括通过所述裂缝由地下地层生产烃的步骤。
14.权利要求1的方法，其中对于地下地层内的至少部分井孔来说所述井孔基本上是水平的。
15.权利要求1的方法，其中对于地下地层内的至少部分井孔来说所述井孔相对于水平方向倾斜。
16.权利要求1的方法，其中对于地下地层内的至少部分井孔来说所述井孔基本上是垂直的。
17.权利要求1的方法，其中在压裂流体中导流材料的浓度为25-200g/l。
18.一种在地下地层中提供支撑的水力裂缝的方法，包括：
在足以引发和扩展至少一个水力裂缝的压力下向地下地层中注入压裂流体，其中所述压裂流体包含支撑剂；
当所述至少一个水力裂缝已达到目标尺寸时，向压裂流体中加入预定量的导流材料，其中所述导流材料包含10-30wt％粒度大于2000微米的颗粒、1-15wt％粒度为1000-2000微米的颗粒、10-40wt％直径为500-1000微米的颗粒、40-70wt％小于500微米的颗粒，和所述导流材料包含在地下地层的环境条件下降解的材料，所述导流材料有效地基本阻止压裂流体流入所述至少一个裂缝；和
在地下地层内有效引发至少一个附加裂缝的压力下继续注入压裂流体。
19.一种在地下地层中提供酸或反应性化学品浸蚀的裂缝的方法，包括：
在足以引发和扩展至少一个水力裂缝的压力下向地下地层中注入压裂流体，其中所述压裂流体包含能浸蚀裂缝表面的反应性化学品；
当所述至少一个水力裂缝已达到目标尺寸时，向压裂流体中加入预定量的导流材料，其中所述导流材料包含10-30wt％粒度大于2000微米的颗粒、1-15wt％粒度为1000-2000微米的颗粒、10-40wt％直径为500-1000微米的颗粒、40-70wt％小于500微米的颗粒，和所述导流材料包含在地下地层的环境条件下降解的材料，所述导流材料有效地基本阻止压裂流体流入所述至少一个裂缝；和
在地下地层内有效引发至少一个附加裂缝的压力下继续注入压裂流体。
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