CN106457766A - 制备和应用水泥包覆的基质的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过钻井处理地下地层的方法，可以包括通过钻井向地下地层中引入多个颗粒，其中每个颗粒均包含基质和在基质上的水泥层。所述水泥可以处于暂停水合状态，和所述方法可以包括通过钻井向地下地层中引入水分。所述方法还可以包括允许所述颗粒与水分相互接触。颗粒与水分间的接触可以导致水泥从暂停水合状态转化为二次水合状态。

Description

制备和应用水泥包覆的基质的方法

相关申请

本申请要求2014年5月21日提交的美国临时申请No.62/001,443的优先权，其内容在这里作为参考引入。

技术领域

本发明涉及在地下地层中应用的颗粒。更具体地，本发明涉及由基质和水泥形成的颗粒以及制备和应用这种颗粒的方法。

背景技术

烃通常通过向地下钻孔从而形成钻井以提供从地球表面进入下部岩石的通道而产出。地表之下的各种特征形成了油或其它烃可以存在其中的地下地层。通常应用压裂操作来强化由地下地层产出烃。在这种压裂操作中，裂纹或裂缝由钻井开始进入地下地层中，和所述裂缝经常用称作支撑剂的小颗粒支撑，以允许烃在裂缝没关闭的情况下流出地层。砂子通常用作支撑剂。但砂子具有相对差的抗高应力性，导致产生细粉，由此丧失了裂缝导流性能，并最终导致地层中低的烃采收率。砂子的替代物如陶器或烧结矾土陶粒可以提供更强的具有更好的抗应力性的支撑剂，但其更昂贵且通常禁止在非常规气和致密油的开发中应用。

许多支撑剂与载体聚合物(直链或交联)组合放置于地层中。放置之后，聚合物"破碎"因而允许流体在支撑剂填充颗粒之间流通。破碎可以由化学品实现。但当地层渗透率低时，可能需要花时间来使裂缝封闭(裂缝封闭时间)。因此，选择化学品来溶解载体聚合物而不损害近岸烃项目可能是一个挑战。因此，减少回流或初始生产中存在的水或其它压裂流体有助于通过减少这种水或压裂流体载带进入钻井的支撑剂而清洗支撑剂填充。

现在，强的支撑剂倾向于嵌入裂缝表面或地层断面。具体地，在近岸烃项目中，支撑剂如陶瓷倾向于嵌入页岩断面。因为部分支撑剂有可能会成为断面的一部分，嵌入地层中可能会导致有效裂缝宽度减小。未溶解的嵌入物可能会降低裂缝导流能力并因此降低烃采收率。

最后，如果不能适当地在断面内保持在一起，支撑剂可能会流回到井内，导致井随时间而被阻塞和增加操作成本。这种现象的发生可能由多个因素的组合而驱动，如岩石类型、应力对比和完井类型等。通常工业上应对该问题是向支撑剂(陶瓷和/或砂子)添加树脂涂层以提供颗粒间的连接。这种(树脂涂层)是一种昂贵的解决办法，有可能使支撑剂材料的成本翻倍或达到三倍。

发明内容

一种颗粒可以包括基质和在基质上的水泥层。所述水泥可以为暂停水合状态。

一种通过钻井处理地下地层的方法，所述方法可以包括通过钻井向地下地层引入多个颗粒，其中每个颗粒均包含基质和在基质上的水泥层。所述水泥可以为暂停水合状态，和所述方法可以包括通过钻井向地下地层引入水分。所述方法还可以包括使所述颗粒和所述水分相互接触。颗粒与水分间的接触会导致水泥从暂停水合状态转化为二次水合状态。

另一种方法可以包括提供多个颗粒，其中每个颗粒均包含基质和在所述基质上处于暂停水合状态的水泥层。所述方法可以包括在水泥基本硬化前使水分与颗粒接触和使颗粒之间相互接触。所述方法还可以包括在保持颗粒间接触同时使水泥基本变硬，导致颗粒之间粘接在一起形成聚集基体。

另外一种方法可以包括提供基质、提供水泥和提供水分。所述方法可以包括使水泥与水分接触，从而使水泥进入初始水合状态，和使所述基质与初始水合状态的水泥接触，从而用水泥包覆所述基质以形成颗粒。所述方法可以包括在将颗粒放置于承受负载的位置之前停止水合。

附图说明

图1描述了按一个实施方案由基质和基质上的水泥层形成的颗粒的剖视图。

图2描述了按一个实施方案形成图1的颗粒的方法。

图3描述了按一个实施方案形成包含图1的颗粒的聚集基体的方法。

图4描述了按一个实施方案应用图1的颗粒处理地下地层的方法。

具体实施方式

本发明涉及目前应用的砂子支撑剂或其它支撑剂的替代物。正如下文所述，具有水合(塑性)状态外部水泥涂层或外层的颗粒可以更好地适应断裂面，从而导致更少的嵌入。另外，应用这里描述的方法可以提供颗粒间更好的连接，并在比应用树脂更低的成本下防止回流问题。

通常，颗粒110可以由在其上带有水泥层114的基质112形成。水泥114可以增加基质112的抗挤压性、增加颗粒110的圆整度、和规整能力以分级颗粒110。砂子颗粒因为强度不够、圆整度不合适和/或较差的分级效能而被认为不适合用于支撑剂，水泥114可以使其用作裂缝支撑材料，例如使其保持完整性和渗透性。在一些例子中，这种完整性和渗透性在应力高于5000psi时仍可以保持。当颗粒110与其它相似颗粒联合时，所形成相应的基体结构可以允许形成稳定的聚集体结构，其可以提高支撑剂填充对更高负载和应力循环的耐受性。

在形成颗粒110之前，可以洗涤基质112以从基质表面脱除杂质。也可以通过丝网或筛子处理基质112,从而脱除比所需粒度更大或更小粒度的基质。

在形成颗粒110期间，当施用于基质112时，水泥114可以包含水分。因此，当施用于基质112时，基质112上的水泥114可以处于初始水合状态。在将水泥层114已施用于基质112之后，可以加热所述颗粒110或者以其它方式干燥以从水泥114中脱除水分，以淬灭水泥反应并维持颗粒110之间的粘接反应。

在颗粒110干燥期间，可能希望提供灰尘收集系统，以捕集在干燥介质如热空气中夹带的水泥颗粒或其它固体。

从水泥114中脱除水分可能会导致水泥的水合明显变慢乃至停止。因此，当已通过干燥颗粒110脱除了足够水分时，水泥114可以处于暂停水合状态。在这一点上，颗粒110上的水泥114可以被认为发生了部分水合或预先水合。虽然水泥114处于暂停水合状态，但它可以作为干物质贮存、运输或者以其它方式处理。然后，当需要时，可以使颗粒110再次暴露于水分中，在该点处水泥114可以继续水合过程，进入二次水合状态。所述二次水合可以继续，直到水泥114基本硬化。替代地，所述二次水合可以放慢或停止一段时间，随后进入一个或多个随后的水合状态(即三次水合、四次水合等)。

下面参考图1，颗粒110可以为球形。例如，颗粒110可以具有大于0.5的球形度和大于0.5的圆整度。颗粒110的粒度可以为如下的任何一种：20/40US目、20/50US目、30/50US目、40/70US目、50/70US目或100US目。例如，颗粒110的重量可以为1-1.5SG、1.3-1.8SG、1.7-2.2SG、2.0-2.5SG、2.1-2.8SG、2.7-3.5SG或3.2-3.8SG。粒度、形状、分级和重量的变化可能取决于特定的基质112、特定的水泥114以及基质112与水泥114的比，从而达到所需的粘性、强度和成本特性。在一些实施方案中，基质112与水泥114的比可以为3/1、2/1、1/1或0.5/1，重量比或者体积比都可以。经过应力循环或API导流测试后，细粉的产量可以小于10％。颗粒110可以与许多其它颗粒组合以形成一种结构，或者可以在不与其它颗粒接触的条件下应用颗粒110。在一些用途中，可以将颗粒110用作支撑剂。当用作支撑剂时，颗粒110可以在应力下与其它颗粒粘接，并在地层中形成稳定的聚集基体结构(即聚集基体)。可以设计颗粒110从而使其在裂缝封闭期间粘接在一起，或者因为应力负载而在支撑剂填充中自由滑动。颗粒110可以具有从支撑剂填充吸收流体(如水)的能力，并可以因此减轻与流体堵塞相关的损害，当应用于裂缝中时可以更好地导流。颗粒110通过与地层和/或其它颗粒粘接也可以在支撑剂填充内具有自支撑的能力，从而有可能在更少支撑剂沉降的情况下更好地放置在裂缝中。由水泥114产生的连接结构可以减小集中负载，产生的材料与生产周期产生的应力更相容。颗粒110可以由更相容的材料制成，当与其它颗粒110一起粘接时更像塑性固体，替代在接触点上支持集中负载的支撑剂填充。颗粒110可以具有加速氧化型破碎剂的能力，从而允许更有力的凝胶破碎行为，导致破碎剂的成本节省。最后，当颗粒110形成粘接的材料或基质时，可以减少细粉的产生和支撑剂返回钻井中。

基质112的粒度可以为如下的任何一种：20/40US目、20/50US目、30/50US目、40/70US目、50/70US目或100US目。例如，基质112的重量可以为1-1.5SG、1.3-1.8SG、1.7-2.2SG、2.0-2.5SG、2.1-2.8SG、2.7-3.5SG、或3.2-3.8SG。粒度、形状、分级和重量的变化可能取决于特定的基质112、特定的水泥114以及基质112与水泥114的比，从而达到所需的粘性、强度和成本特性。合适基质的例子包括但不限于石英砂(例如低或高的棱角度)、为各种矿物质混合物的砂子、铝球、胡桃壳、玻璃珠、塑料球、陶瓷、镀有树脂的砂子、氧化铝、硅酸钛、氧化铁、轻质材料(如比砂子更轻的材料)、中空微球、由建筑业回收的粉碎混凝土颗粒或其它粉碎混凝土、飞灰、二次原料、碎玻璃或其它玻璃颗粒、碎石、粉碎的轻骨料、渣块、废催化剂(如重金属浸出物)、各种类型的水泥(包括波特兰水泥、微水泥、矿渣和/或粉煤灰水泥)、欧洲标准EN197-1中提到的所有水泥类型和组成(包括类型I-V和亚类型(例如类型II中的亚类型7))、ASTM C150中提到的所有类型和组成和ASTM C595中提到的所有类型和组成、矿物质残渣、或任何其它颗粒、细粒、种子或适合于至少部分被水泥层包覆的物体。当颗粒110打算用作支撑剂时，基质112可以包括上面所列的任何基质112，以及许多传统支撑剂的任何一种。当基质112为低密度材料时，颗粒110在断面中的放置可能更加有效，和可能不需要胶凝流体来输送，从而减少或消除了胶凝流体对于裂缝可能的损害效果。在一个实施例中，可以将非支撑剂级的砂子用作基质112，以相比于传统的支撑剂使材料成本降低。

打算在非压裂操作中应用的颗粒可以包括上述的颗粒和/或传统应用于类似用途的颗粒。

水泥114可以为具有水力学特性的矿物粉末，颗粒密度为2.0-4.0kg/l，和平均粒度为0.1微米至大于100微米。水泥114可以为作为一层或多层(例如114a和114b)施用的涂层，以至少部分覆盖基质112。当置于基质112上时，水泥114成层、包覆或者以其它方式在一定程度上覆盖基质112。在一些应用中，水泥114大部分、基本上、乃至全面包封基质112，从而保护基质112不暴露于超出水泥114的条件。但覆盖或设计考虑的天然不完美可能使一些区域覆盖降低，包括其中基质112的一个或多个部分未被水泥114覆盖的区域。不管覆盖程度如何，包覆基质112的水泥层114可以形成多个中间层，所述中间层明显分开或者形成一体。

最终，水泥114的最终层在任何地方可能具有10-200微米的厚度116。该厚度116可以沿颗粒110发生变化，这取决于基质112的形状、用来向基质施用水泥114的方法、设计考虑或其它因素。因此，厚度116可以按最小厚度、最大厚度或优选平均厚度测量。在一些应用中，水泥114可以包括波特兰水泥、微水泥、矿渣和/或粉煤灰水泥、渣块和欧洲标准EN197-1中提到的所有水泥类型和组成(包括类型I-V和亚类型(例如类型II中的亚类型7))、ASTMC150中提到的所有类型和组成和ASTM C595中提到的所有类型和组成或它们的组合。这些不同类型的水泥或水泥材料被归类为能够与水反应并形成耐水性粘接材料的水硬性材料。当颗粒110用作支撑剂时，可以根据特性选择水泥114以提高抗压碎性和当颗粒110紧密保持在一起时形成基体框架结构。另外，水泥114可以包含玻璃纤维、纳米管或其它一些增强材料、或其它化学品如但不局限于聚合物、填料、添加剂或混合物，以增加颗粒110的抗压碎性或粘接能力/粘性。

在基质112上施用水泥114可以以多种不同的方式来实施。例如，水泥114和基质112的干混合物可以用少量水预先水合，从而用一薄层水泥114包覆基质112。随后可以将所述混合物在作为输送介质的过量水或甲纤维素中泵送。预水合可以使水泥颗粒轻微地粘接到基质112的各个颗粒上，同时保留足够的水合以随后在裂缝中形成可渗透的粘接结构。

通常，一种方法可以包括在设置用于此操作的装置或其它地点或设施处提供基质112、提供水泥114和提供水分。所述方法可以包括导致或以其它方式允许水泥114与水分接触，从而水泥114进入初始水合状态。在水合期间，水泥114与水分之间可能发生不可逆的化学过程。因此，在初始水合期间，可以开始所述化学过程并且可以持续直到有什么阻止化学反应进行。当水泥114处于初始水合状态时，可以将基质112以与水泥114接触。因此，基质112被水泥114包覆以形成颗粒110。一旦形成颗粒110，但在水泥114基本硬化之前，可以干燥颗粒110，以放慢或停止化学反应的进行并使水泥114进入暂停水合状态。

例如，参考图2，水泥源210和基质源212可以分别为混合器214提供水泥114和基质112。水泥源210和基质源212各自可以具有连续或间歇的配料和进料系统。质量流量的控制可以通过为水泥114和基质112称重或者通过计量水泥114和基质112的体积而实现。如图所示，水泥源210和基质源212各自可以包括进料斗、输送带、气力吹送和/或手动进料机构以及相应的控制从而允许精确调节移动进入混合器214的基质112与水泥114之间的比。在矿石被开采后，基质112可以经历预先筛分或其它过程，从而提供特定的规定粒度和/或分布参数。这种过程可以包括洗涤、水力分级、通过天然气或其它方式进行干燥、使所得的干基质112分级、储藏和/或运输基质112至将引入水泥114的位置。

混合器214可以包括混凝土自由下落搅拌机、转鼓、贮罐、旋转或其它制粒机、犁式混合器、转鼓、盘式制粒机、高剪切混合机、低剪切混合机、叶片拌和机、深的圆筒制粒机、桨式混合机、聚结设备、粉末包覆设备、自清理混凝土混合机、用于流体加料的喷嘴或能够以手动和/或自动模式使基质112、水泥114和水分源接触的任何其它容器或设备。水分源216可以为混合器214中的水泥114提供水分。水分源216可以为贮罐或其它容器，和水分可以为以手动和/或自动模式通过喷嘴、软管、管道喷撒或以其它方式输送到混合器214的水。水可以为适合于制造混凝土和/或灰浆且对水泥或水泥材料的水合无害的淡水。水可以以受控方式计料给混合器214，从而提供水与水泥的所需比例。

混合物可以包括如下物质的加入：聚合物纤维如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、瓜耳豆胶、瓜尔胶衍生物、多糖、多糖和其它亲水聚合物的掺混物；聚合物如聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚芳基酰胺；金属如镀锌钢、不锈钢、青铜、黄铜、铝、带或不带涂层的玻璃、碳、骤冷的熔岩纤维(如玄武岩)等，以有助于增加未来粘接的粘接颗粒的强度和悬浮颗粒的聚结。

混合器214中组合物的示例比例可以包括约83％的砂子、14％的水泥和2-4％的水。示例的范围可以包括25-80％的砂子、13-70％的水泥和3-15％的水。替代地，范围可以包括50-70％的砂子、25-50％的水泥和5-10％的水。在与水分(如水)接触时，水泥214可以开始初始水合。该初始水合可以与基质112和水泥114的混合同时发生，从而湿水泥114与基质112接触并在其上形成层。替代地，所述水分可以在水泥114与基质112接触前或者接触后与水泥114接触。可以将水分、水泥114和基质112在混合器214中搅拌一段时间，使其足以在基质112上提供水泥层114，所述水泥层114具有合适的厚度116和覆盖比例。例如，初始水合过程可以持续至少2小时。一旦在基质112上已形成水泥层114，则产生了颗粒110，可以从混合器214中移除颗粒110。

在从混合器214移除颗粒110之后，基质112上的水泥114可能仍然很脆弱且易于受损。水泥114可能需要一定程度的硬化。值得注意的是，即使不再引入更多的水分，存在于水泥114中的水分也可能继续水合过程。因此，在没有进一步干扰的情况下，水泥114可以继续水合过程且变硬。所存在的水分量、初始水合的时间以及水泥114和基质112的性质可以决定水合以及任何相应硬化的程度。优选地，水泥114经历足够的初始水合以提供水泥114充分固化以粘住基质112的稳定颗粒110。为了保证足够的水合，可以提供输送机218以允许继续初始水合，直到将水泥114固化至所需程度以提供具有所需特性的颗粒110。附加或替代地，可以提供临时贮存器(没有示出)以使水泥114硬化到一定程度。例如，在已经充分水合前，可以将颗粒贮存30分钟至1小时、1小时至72小时、或小于72小时的任何时间。为了加快水合，可以向混合和/或泵送过程中加入水泥促进剂，例如三乙醇胺氯化钙、氯化钾、甲酸钠、硝酸钠和其它碱和碱土金属卤化物、甲酸盐、硝酸盐和碳酸盐或其它、阻滞剂(例如酒石酸钠、柠檬酸钠、葡萄糖酸钠、衣康酸钠、酒石酸、柠檬酸、葡萄糖酸、木质素磺酸盐、和合成聚合物和共聚物、触变添加剂、糖或其它)、悬浮剂等，它们也可以在灰浆浆液中存在。

一旦已发生足够的初始水合，在水泥114已基本硬化前，可以使颗粒110脱水(例如干燥)。这种脱水可以使水合停住或至少变慢，从而颗粒110的水泥114由初始水合状态转化为暂停水合状态，由此阻止颗粒110在进一步存在水分的情况下不起反应。各种脱水方法可以包括应用化学品如丙酮或乙醇、干气流(如空气)和/或应用热。在所描述的实施方案中，这种干燥可以在输送器218上或贮存器中开始发生，并可以在干燥器中继续。干燥器220可以通过蒸发(例如通过应用热量或干空气流)而从颗粒110的水泥114中脱除大量的水分。例如，干燥器220可以为火焰干燥器、流化床干燥器、转鼓干燥器或其它加热设备或热循环设备。在一个实施例中，干燥器220可以在100-150℃的温度下将所述颗粒110加热3-30分钟。在另一个实施例中，干燥器220可以在80-170℃的温度下将颗粒加热5-20分钟。替代地，干燥可以包括引入化学品如醇、硅酸盐凝胶、酮、二醇、内烯烃或其它组合物。据认为干燥前颗粒110的水分含量可以为至多15％的水。优选地，通过干燥颗粒110的水分含量可以降低为2％或更小。例如，干燥后颗粒110的水分含量可以为0.5-5％。在一些实施方案中，可以达到小于1％的水分含量。一旦已脱除了足够水分，颗粒110的水泥114可以进入暂停水合状态，并且在不另外加入水分时可能不发生进一步的水合。如果干燥器220已经应用热量，则当颗粒210进入附加的处理阶段时，颗粒110可以在输送器222上冷却。

一旦颗粒110已经干燥且任选冷却，然后可以使颗粒110经历筛分过程以脱除任何过量的松散水泥和/或由颗粒110聚集而形成的过大尺寸的聚团。一些聚集的颗粒110可能仍具有合乎要求的尺寸和可以保留，而其它聚团可能被认为太大和因此不合要求。筛分过程可以包括将来自干燥器220的多个颗粒110和其它流出物通过一个或多个筛子。因此，来自干燥器220的物质可以通过筛子224以使灰尘或具有不合要求粒度的粒子226与具有所需特性的颗粒110分离开来。在一个实施例中，所述筛子224可以包括20目的筛网以分离一种粒度的颗粒110，和通过20目筛网的物质可以暴露于40目筛网中以分离另一粒度的颗粒或物质。取决于特定的用途，可以提供其它粒度和筛子的组合。筛分可以包括机械筛分、旋风分离器、轨道筛分、倾斜振荡器、多路平行筛分等。

一旦冷却和任选分级或分离，然后例如通过运输带可以将颗粒110移送至贮存容器228中。贮存容器228可以用于长期或短期贮存，和在有些情况下也可以用于运输。一些示例性的贮存和/或运输容器包括防水容器、与水分源隔离的袋子、卡车、超级袋、砂子拖车、腹部圆顶拖车、铁路车皮、水泥罐、船载容器或甲板、空运集装箱、自由下落搅拌机、简易棚区域、料仓、仓库、山型推进机或可以使颗粒110不接触水分的任何其它贮藏容器或位置。贮存容器228可以基本不含水分或者可以包含抑制水泥水合的流体如油或其它化学品。将颗粒110运至贮存容器228或者从中运出可以包括气力输送、运输带或通常用于运输干燥物质的其它系统。吊装可以在气候控制环境下进行，和可以作为冷产品实施装货，并且装载有干燥剂包、通气孔、塑料封皮或其它类似的原位防护。

只要使颗粒110受保护远离可能与水泥反应的水分，颗粒110的水泥114可以保持暂停水合状态。例如，可以将水合的目标设定为40％以保持水泥层完整，留下60％还没有失效但准备用于二次水合的水泥114。虽然水泥114处于暂停水合状态，但颗粒110已经具有干砂类材料的外观。

在一个替代的实施方案(没有给出)中，通过聚合物分散可以形成颗粒110。可以通过喷雾、应用制粒台或其它方法在基质112上以薄层形式施用热塑性聚合物在水中的细分散体。然后可以加入干水泥和水泥114的厚度116可以约为颗粒110平均直径的一半。在一些实施方案中，将颗粒110的底部部分(如下半部)浸入聚合物分散体的薄层中，从而水泥114与分散体中的水反应。在这种构造中，颗粒110的顶端部分(如上半部)将保持干燥，使得这部分水泥114也保持干燥。水泥反应可以使水泥114牢固地锚定在基质112上。通过应用聚合物分散体的合适成膜温度，将使所得颗粒110的水泥层以固体和部分弹性胶粘到基质上。

贮存一段时间后，可以应用颗粒110。贮存时间可以短至等于颗粒110从产生地运输到工作地点之间的时间。例如，颗粒110可以在用于提质原材料的中心设施处产生和立即运输至钻井位置。替代地，贮存时间可以为几小时、几天、几周、几个月或者甚至几年。在有些情况下，可能只有有限或没有贮存时间。例如，颗粒110的制造可以在预期应用的场所(例如钻井位置处)发生并立即应用。不管贮存时间如何，颗粒110的水泥114可以保持暂停水合状态，直到想要应用为止。颗粒110可以以多种方式应用，包括地下操作、建设项目等。当打算将颗粒110用作结构组件时，应用颗粒110的方法可以包括使颗粒110与其它类似颗粒组合，并提供水分以再次引发水泥114的水合，从而使水泥114进入二次水合的状态。

下面参考图3，将颗粒110从贮存容器228中取出并提供至应用场所。可以在应用场所处例如由第二水分源310提供水分。也可以在过程的任一点处提供添加剂318。添加剂可以包括促进剂、阻滞剂、增塑剂、表面活性剂、增重剂、增稠剂、疏水性涂料、亲水性涂料、pH缓冲剂、填料如石灰石、微纤维以提高强度等。添加剂更具体地可以包括如下任一种：氯化钙、氯化钠、氯化钾、亚硝酸钙、硝酸钙、甲酸钙、甲酸钠、三乙醇胺、X-晶种(BASF)、纳米-CaCO₃、糖基混合物(木质素等)、碳水化合物的衍生物、可溶性锌或铅盐、可溶性硼酸盐、可溶性磷酸盐、木质素磺酸钙、在ASTM C494中指定的混合物、石膏、磺基铝酸钙、游离石灰、金属铝、活性二氧化硅、渣块、飞灰、矿渣、硅粉、石灰石、页岩残渣、火山灰、HEC、XL、瓜尔胶、通常的多糖和纤维素、摩擦降低剂、盐水、杀生物剂、凝胶破碎剂和其它破碎剂等。添加剂可以相互混合和/或与颗粒110和/或与水分混合。这种混合可以按所述就地、异地、间断、连续、半间断或者按本领域熟练技术人员已知的其它方式发生。

可以允许水分在混合器312中与颗粒110接触。在其上的水泥114基本硬化之前可以使颗粒110相互接触。颗粒110之间的这种接触可以发生在引入水分之前、期间或之后，只要在颗粒110相互接触之前水泥114还没有基本硬化即可。因此，在图3的实施方案中，在混合器312中提供颗粒110和水分。然后颗粒110可以离开混合器312，同时在其上的水泥114经历二次水合。然后颗粒110可以在地下地层中以构造提供一定形状的框架316或以其它方式彼此接触。可以保持颗粒110间的接触，同时允许水泥114基本硬化。因此，水泥114的硬化可能导致颗粒110粘合在一起，形成聚集基体314。如果颗粒110在框架316中，则然后可以按需要移除框架316。值得注意的是，虽然图3表示了贮存容器228和框架316之间的混合器312，但可以将颗粒110直接放置于框架316中，和可以将水分直接从第二水分源310引至框架316，最终的结果是即使缺少混合器316，聚集基体314也是相同的。

下面参考图4，可以以类似于如上所述的方式应用颗粒110，但替代在框架中，可以通过钻井412应用其上水泥214仍处于暂停水合状态的颗粒110来处理地下地层410。可以在现场例如通过贮存容器228提供颗粒110。然后可以通过钻井412将颗粒110引入地下地层410。也可以通过钻井412将水分(例如来自贮罐414的水416)引入地下地层410。通过钻井412向地下地层410引入颗粒110和引入水416可以通过多种方法中的任一种进行。例如，颗粒110可以与载体如水416、盐水、凝胶或增强流动性的其它流体组合，可以将所述流体和颗粒110泵送入钻井412。替代地，颗粒110可以在没有任何流体加入的情况下流动并可以直接泵送入钻井412。另外，可以通过钻井412作为混合物或者分开向地下地层410引入颗粒110和水416。换句话说，在向地下地层410引入颗粒110或水416之前，颗粒110可以与水416混合。例如，在将颗粒110和水416放置入混合器312并且混合形成浆液后，如图3所示离开混合器312的混合物可以输送水416和颗粒110至钻井412以输送入地下地层410。在一些情况中，可以将离开混合器312的混合物或其中水泥114以其它方式经历二次水合的颗粒110贮存有限的时间(例如至多1小时)。可以同时引入颗粒110和水416，不管两者在进入钻井412之前是否已经混合。另外，可以以在过程的任何一点处包括添加剂，如针对图3描述的那些。不管添加剂与其它组分在何处接触，都可以通过钻井412向地下地层410引入添加剂，例如随颗粒110和水416的混合物一起或同时但与这种混合物分开引入。

在这个实施方案中，水416也可以包含其它化学品或添加剂。这种化学品或添加剂可以包括例如对pH起缓冲作用的组分。提供pH缓冲剂可能有助于防止pH改变，而pH改变有可能引起溶解液度对pH敏感的其它离子沉积。

可以在某一点允许颗粒110和水416相互接触。这种接触可以发生在将颗粒110和水416放置入地下地层410之前、期间或之后。颗粒110与水416间的接触会导致颗粒110上的水泥114从暂停水合状态转化为二次水合状态。因此，颗粒110可能具有粘性或者以其它方式相互粘接。当颗粒110和水416直接接触时，可能会发生二次水合状态，或者当水416灌入颗粒110间的空隙时，可能开始二次水合。颗粒110和水416间的直接接触可能没有必要，只要颗粒110和水416之间有足够的相互作用将水泥114暴露于足够的水引起水合恢复即可。可以允许二次水合继续直到颗粒110的水泥114使颗粒110粘接在一起，不管其是否完全硬化。因此，甚至在完全水合之前，颗粒110也可以用作支撑剂。

颗粒110可以在温度控制(冷却或加热)下与水循环以引发或延迟水泥反应，从而进一步控制在地层中粘滞行为的时间。可以在单个或多个步骤中以浓缩、稀释或所需的浓度组合流体之前、之后或者过程中向载带流体中加入添加剂。这将适应于设备的可获得性，如水合单元、停留贮罐、间歇或连续模式等，和在不同物流环境如天气(极地、沼泽、岸上、沙漠、湖泊、运河或海洋)和油气活动的类型如影响过程流程的勘探、评估、开发或再开发等。

在二次水合期间，在颗粒110上的水泥114基本硬化之前，颗粒110之间相互接触，和当水泥114基本硬化时维持这种接触可能会导致水泥114的硬化，导致颗粒110相互之间、与所述地层和包含水泥层的钻井相互粘接直到钻井内部以在地下地层410中形成裂缝灌浆或聚集基体418。

在二次水合期间，在水泥114基本硬化的同时保持颗粒110和水416之间的接触可以允许水泥114完全水合和提供具有所需特性的单个颗粒110和/或聚集基体418。例如，所述特征可以包括固体类特性、物理完整性、与地层和烃的化学相容性、钻井内的可加工性、比地层对基底材料更高的渗透率等。注意到的是单个颗粒110可以在不暴露于其它单个颗粒的情况下暴露于水416。因此，多个颗粒110可以进入钻井412且完全分开水合，从不形成聚集基体418。但对于大多数用途，据认为颗粒110将会相互接触以形成其中一个颗粒110的水泥114与另一个颗粒110的水泥1114化学粘合的结构。

值得注意的是，在初始水合期间，水泥114可能已经固化并且可能甚至已经在一定程度上硬化。但当进入暂停水合状态时，水泥114的硬化可以已经停顿，从而在二次水合前只有部分硬化发生。然后，当二次水合开始时，可能发生更多的硬化，并允许其延续几分钟、几小时、几天或更长的时间段，直到水泥114已基本硬化和提供所需的特性。

当处理地下地层的方法包括压裂时，某些步骤可以在向地下地层410引入颗粒110之前或之后进行。因此，在引入颗粒110和引入水416之前，可以在地层410中在接近钻井412处产生裂缝。然后，向地层410中引入颗粒110可以包括向所述裂缝引入颗粒110。同样，向地层410中引入水416可以包括向所述裂缝引入水416。一旦水416在所述裂缝中与颗粒110反应，则颗粒110可以为地层提供支撑。如果多个颗粒110粘合在一起，则可以在所述裂缝中形成聚集基体并提供支撑。一旦颗粒110为地层提供支撑，不管是部分聚集基体还是单独起作用，当颗料110继续提供支撑时，均可以通过钻井412从地下地层410中产出烃。

当将颗粒110用于裂缝时，可以组合未包覆的支撑剂颗粒而应用所述颗粒。应用未包覆支撑剂和颗粒110的混合物可以降低对于特定裂缝所需的材料的成本，和可以形成具有更大渗透率的支撑裂缝。

处理基质112和水泥114以提供具有处于暂停水合状态的水泥的颗粒110可以在现场以连续方法实施，或者以颗粒110在异地生产而在现场进行浆液化的间歇方法实施。据认为在异地进行间歇生产可能更加实际，基于在现场通常可以获得的设备类型而言。但在现场的间歇和/或连续方法也可以在适当改进后可行。

当用作支撑剂时，可以将颗粒110泵送以结合传统支撑剂的各个阶段，从而达到经济上最优的方法。例如，有可能坚持地面速度，同时例如通过首先泵送传统支撑剂总体积的90％以填充裂缝的底部，和随后最终用10％体积这里描述的颗粒110桥连裂缝并填充裂缝的顶部，可以获得更高的受支撑的裂缝。可以应用各种其它的比例和方法，这取决于多个因素如井着陆深度、空隙的位置、裂缝厚度和所应用的流体的类型。例如，一种应用可以使用80％的传统支撑剂和20％的用水泥形成的颗粒110，或反过来。其它组合可以为按70％和30％、60％和40％或50％和50％分配的传统支撑剂和颗粒110。在一些地质中，如果存在裂缝，可能有利的是首先泵送具有水泥114的颗粒110以达到更好的支撑高度，由此逆转泵送的顺序。在其它环境中，可以将颗粒110和传统支撑剂的这种配对以非单一序列如3、7或10序列泵送，这取决于设计和浓度范围为0.5-10ppg、1-9ppg、2-8ppg或3-7ppg。取决于用途，可以将颗粒110按大小、重量或其它方式进行分离。在开始工作时可以在低浓度下泵送更大的粒径分布。

在本发明的另一个实施方案中，在水泥114硬化后、或达到二次水合后、在地层中410形成聚集基体418后，可以将所述裂缝再次暴露于足以进一步打开裂缝的流体压力脉冲，和在聚集基体中提供更多的裂缝和/或使聚集基体与裂缝的岩石面断开连接。压力脉冲后，开裂的聚集基体可能会表现出附加的渗透率，但仍保持足够地聚集，以提供本发明的优点。

对于更高压力，在本发明该实施方案中提供的压力脉冲的时间长度可能足够久以达到支撑裂缝的全部长度。压力脉冲可以在井寿命的任何时间点处施加，包括烃流动已经开始之前或后来已经建立起烃流动之后。

在本发明的这个实施方案中，用于提供压力脉冲的流体可以为水、压裂流体、烃基流体、或气体如氮气或甲烷。应用气体如氮气或甲烷可以避免在聚集基体内和接近裂缝面的地层内放置附加的固体和/或液体，和从而避免由所述脉冲导致的任何不利的影响。应用气体将要求井口能够保持足以打开裂缝的压力，而不需要借助于由钻井内液体提供的附加的水力压头。如果需要液体作为脉冲用流体，所述液体可以是包含支撑剂的液体，从而也将附加的支撑剂插入聚集基体中新形成的裂缝中或者裂缝的岩面与聚集基体之间。

据认为这里的教导可以提供多个优点，包括但不局限于如下。假定水泥包覆颗粒的粘性，通过更好的设置井间隔可以增加多达100％，从而在给定油气田中将钻井的数量减少多达50％。在厚地层中，由于颗粒的粘性，支撑裂缝的高度也可以增加，从而利用改进长度防止下沉和增加产量多达100％或任何结果的组合。另一个可能的优点是成本降低。该系统可能允许应用低成本的非支撑剂品质的砂子(例如较差分级、带角、化学不稳定和/或不够强的)作支撑剂，因为将水泥包覆的颗粒用作支撑剂材料可以补偿基质的缺陷，由此相比于当地和/或进口的传统资源，成本大幅度减小(30-50％、40-60％或50-80％或70-95％)。另外,由对应基质112的对应角度得到的颗粒110的混合角度可以产生更好的填充混合物。水泥层可以产生类似于树脂层的颗粒连接，但具有更大的强度和更低的成本(例如成本降低50％、降低70％或降低90％)。在更好的支撑剂替换性能下，水效率(用于提取一定量烃的水)可以降低多达75％。因此，利用本发明的包覆基质，处理回流水(或由初始生产载带入钻井的水和压裂流体)的成本可以降低，这是因为高盐度的水可以循环或可以用于本发明方法，而不导致与系统不兼容。这些优点可以因为多种原因产生。目前，在非常规的烃生产中，应用水替代凝胶，水力压裂表现出更好的性能。但利用水的水力压裂对于传统支撑剂具有有限的输送能力。应用颗粒110与用水作压裂流体组合可以允许源于颗粒110与压裂流体之间接触的二次水合，而不需要附加的水用于水合。另外，据认为随着压裂流体进入部分地层，在其中载带的颗粒110也会进入那部分地层，随着那些颗粒上的水泥114水合，颗粒110可以对那部分地层中由压裂流体形成的任何裂缝提供支撑。应用包覆颗粒110作为用于压裂的支撑剂也可以防止所述支撑剂被初始生产过程的回流载带回钻井中，例如树脂包覆的砂子目前偶尔使用。

如上所述的水分源包括水。用于水合的这种水可以为空气中的液滴、液态水、盐水、地层水、新物流、循环物流或废物流的形式(例如海水、池塘水、河水、湖水、小溪水、冰河水、熔化的冰或雪、回流水、污水、盐水等)。另外，水分也可以不用水来提供。类似地，井下泵送的浆液可以含或不含水。可与水结合或替代水应用的其它选择包括稠流体和凝胶。

本描述主要提到应用颗粒110作压裂流体中的支撑剂。当在压裂流体中应用时，颗粒110也可以具有20/40、30/50和40/70US筛目粒度的粒度。为了在压裂流体中用作支撑剂，窄范围的颗粒粒度是所需的。颗粒粒度的选择可能与用于压裂的载带流体的类型和所产生的裂缝的宽度以及泵送和良好的裂缝流动所需的导流量有关。通常颗粒的渗透率可以高于(10x地层渗透率x裂缝半长度)/(支撑剂宽度)。但对于这里所描述的颗粒110来说，任何一项应用均适合。例如，可以将颗粒110用于控沙和/或砾石填充。当用于控沙或砾石填充时，颗粒110的颗粒选择可能与应用控沙的地层中的粒度分布有关。例如，应用Saucier标准：最小粒度为3xD50；和最大粒径为6xD50；其中D50为重均地层粒度分布。应用标准砾石填充设备可以将颗粒110放置入裸井或套管完井中，可以将颗粒110输送至含有在低和高粘度下的胶凝水的钻井中，这取决于多种因素如控沙长度、井深度、温度、环隙等。每加仑流体中以磅表示的颗粒浓度可以在2-12间变化。

在另一个实施例中，颗粒110可以用于钻探泥浆中用作流体损失添加剂。可以泵送具有反应性水泥和活性行为粘性的颗粒100以粘接到流体损失严重的位置。与要求通过所述填充物的渗透率的水力压裂相反，在本应用中希望低的渗透率。这种低渗透率可以通过较宽范围均匀分布的颗粒粒度来实现。例如，粒度为100-50目、70-30目或50-10目。当在钻探泥浆中应用时，可以将具有合适粒度分布以具有低渗透率的颗粒110作为损失控制材料泵入。

在弱的钻井区域，可以应用颗粒110填充所述区域以保持完整性，同时由于水泥具有高渗透率而确保钻井与地层很好地连通。因此，颗粒110可以稳定地层同时保持连通。

在用于水的注入井中，用于强化油采收或处置的其它液体如聚合物、水、气体或蒸汽可以在套管和水泥固井完井的裸井之间的环形空间内提供较好的注入表面。在这些颗粒和空隙已经产生的位置，流体可以渗透至地层相的其它部分。也可以应用颗粒110用不同粒度的颗粒110集中注入更具体的区域。在具有用于裸井类连通和引发裂缝的外部套管封隔器的完井中，环形空间可以用颗粒110填充以提供附加的负载支撑(比外部套管封隔器小)，但仍然允许预先确定注入渗漏。

在促进操作中颗粒110可以改进注入以减少近井摩擦。在水泥栓入和穿孔操作中，在生产区套管后使用颗粒110可以与在注入井(用于强化油采收或处置的水和气体)中一样提高破坏压力，和当开孔时可以提供更好的注入表面，因为流体可以渗透入地层相的剩余部分。也可以应用颗粒110用不同粒度的颗粒110集中注入更具体的区域。在具有用于裸井类连通和引发裂缝的外部套管封隔器的完井中，环形空间可以用颗粒110填充以提供附加的负载支撑(比外部套管封隔器小)，但仍然允许预先确定注入渗漏。

颗粒110可以用作内衬。替代在裸井中加入水泥内衬，可以用颗粒110填充所关心的区域并随后再次钻探，因此减少或消除了管道和水泥固井操作的成本。该区域可以用于生产、注入和/或监测管道或者维持开孔。利用密封水泥的正确阶段和位置，也可以提供隔离。

颗粒110可以替代聚合物用来调节高渗透率区域中水的损失。例如，通过组合可渗透水泥阶段与之后密封和首先泵送较重水泥以密封底部水，可以实现非控制的水隔离。与用于多级水泥隔离水的封隔器相比，这种方法可以降低成本。在水力压裂可以破碎下面为水和产生不必要的水产量的地层时，前面提到的引入将沉入底部的带有可密封水泥的颗粒110可以解决所述问题。可以首先泵送不可渗透水泥以隔离水产生区域，随后泵入可允许烃生产区域流通的颗粒110。

颗粒110可以作为预先混合的干砂浆应用；作为用于大裂缝或间隙的注入材料应用；作为道路、运动场、游乐场、建筑物的可渗透或不可渗透的地基应用；作为现场(特别是农村地区)制造的建筑材料的半成品应用；作为填料应用；或者用于工业及其它领域的多种其它应用中的任一种。颗粒110可用于在房屋或道路或排水结构或地基或其它结构中应用的混凝土中。

一些颗粒可以不包含基质和水泥层，而是替代地可以全部由水泥形成。这种颗粒可以通过使水泥制粒而生产。这种制粒小球可以增加吸水率，导致更好的裂缝填充和渗透率。

虽然上文的描述主要涉及其中水泥处于暂停水合状态至少一段时间的颗粒应用，其它实施方案可能允许省去暂停水合的步骤。在这种实施方案中，颗粒可以仍包覆水泥，但可以发生水合直到水泥在更多水分存在下不再具有反应性(例如处于完全水合状态)。这种完全水合的颗粒可以用于替代如上所述的任何颗粒。因此停止水合可以包括使颗粒干燥以使其进入暂停水合状态，或者使水泥变为完全水合状态。在任一种情况中，将颗粒放置于承受负荷的位置如上述钻井内或任何这种颗粒可能有用的其它用途(例如道路、桥梁、大坝、建筑等)之前，可以停止水合(临时或者永久)。完全水合的颗粒可以具有上述的多种好处，包括与传统支撑剂如支撑剂级砂子相比的圆整度、强度和低成本。

为了本发明的目的，当能够在没有外部支撑的条件下保持形状时，可以认为水泥已经"固化"。固化的水泥仍具有可延展性，直到发生了足够的水合以阻止在不破坏情况下的变形。同样，为了本发明的目的，当达到最终的负载承受能力时，认为水泥已经"硬化"。因为水合将延续相当长的时间，能完全硬化的水泥很少见。因此，应用术语"基本硬化"指水泥已达到预先确定的设计负载承受能力。术语"暂停水合"通常指水泥开始水化过程但由于缺乏可获得的水分而没有反应的状态。术语"完全水合"通常指水泥已开始水化过程并继续水合直到不再与水分起反应的状态。

本领域熟练技术人员将会理解，在不偏离其范围的情况下，对于所公开的实施方案、构造、材料和方法可能有多种改进和变化。因此，权利要求的范围及其功能等效物不应受所公开和描述的特定实施方案限制，因为它们在本质上只是示例性的，和独立描述的元件任选可以组合。

Claims (15)

1.一种颗粒，其包含基质和在基质上的水泥层。

2.权利要求1的颗粒，其中所述水泥处于暂停水合状态。

3.权利要求1或2的颗粒，其中所述水泥处于完全水合状态。

4.权利要求1-3任一项的颗粒，其中所述基质包括砂子。

5.权利要求4的颗粒，其中所述砂子包括石英。

6.权利要求1-5任一项的颗粒，其中所述水泥包括波特兰水泥。

7.权利要求1-6任一项的颗粒，其中所述水泥层的平均厚度为10-200微米。

8.权利要求1-7任一项的颗粒，其中所述水泥层基本包封所述基质。

9.一种通过钻井处理地下地层的方法，所述方法包括：通过钻井向地下地层中引入多个权利要求1的颗粒，其中每个颗粒均包含基质和在基质上的水泥层。

10.权利要求9的方法，其中所述水泥处于暂停水合状态，和所述方法进一步包括：通过钻井向地下地层引入水分；和使所述颗粒和所述水分相互接触；其中颗粒与水分间的接触会导致水泥从暂停水合状态转化为二次水合状态。

11.权利要求10的方法，包括在向地下进层引入颗粒或水分之前使颗粒与水分混合。

12.权利要求11的方法，包括在使颗粒与水分混合前将颗粒和水分放入混合器中。

13.权利要求10的方法，其中引入颗粒和引入水分同时发生。

14.权利要求10的方法，其中通过钻井向地下地层中引入多个颗粒包括通过在超过产生裂缝压力的压力下向地下地层引入多个颗粒并保持这种压力直到达到二次水合状态，从而向地下地层中的裂缝中引入多个颗粒。

15.权利要求14的方法，其中使所述多个颗粒与未包覆的支撑剂混合。