CN106715829A - 采用微能粒子的液压压裂应用 - Google Patents

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Abstract

微能粒子可用在油或气井的液压压裂中。通过激励微能粒子，由于仅仅使用泵可实现的情形，执行压裂作业的操作者可更佳地测绘压裂过程和/或增大压裂的程度。通过在油或气井的压裂期间部署微能粒子，但直至产量减小之前并不激励这些微能粒子，操作者可延长井刺激之间的时间段。

Description

采用微能粒子的液压压裂应用
发明人：GUPTA,D.V.,LAFOLLETTE,Randal F.
发明背景
1.技术领域
本发明涉及一种生产原油或天然气的方法。本发明具体地涉及一种使用液压压裂生产原油或天然气的方法。
2.背景技术
来自载烃地球岩层的油或天然气通常首先由载烃地球岩层的固有岩层压力生产。然而，在一些情形中，载烃岩层可能会变得堵塞且然后该岩层缺乏足够的固有压力来迫使原油或天然气从岩层向上至地面。在其它情形中，在当场存在足够的压力的同时，岩层可能会过慢地生产烃，以致不经济。
在后一情形的极端型式中，通过简单的钻孔和穿孔方法可生产页岩岩层，甚至不生产天然气。例如，页岩储存器的特征可通常被描述成具有极低的可渗透性(100-600纳米-达西(nano-darcys))、低孔隙度(2-10％)以及中等气体吸附性(气体含量50-150scf/ton)。
在所有这些情况中，会期望借助液压压裂来刺激生产。在井已变得堵塞但岩层和储存器则仍处于良好状况中的情形下，会期望仅仅隔离井的生产区域或多个生产区域并且执行液压压裂。在岩层和/或储存器并非处于使得经济生产能简单地得以存储或形成的状况中的情形下，为了实现经济生产并增大产量，可能需要大量水平井和大规模多级液压压裂处理(HFT)作业。这实际上通常利用岩层储存器。
在生产原油和天然气的技术领域中，会期望通过在用于液压压裂的支撑剂内包括微能粒子来更有效地采用液压压裂。
发明内容
在一个方面中，本发明在于一种用于在油或气井上执行液压压裂的方法，其包括使得在油或气井的液压压裂期间注入到井下的流体和固体包含微能粒子。
在另一方面中，本发明在于一种可用于执行油或气井的液压压裂的组合物，其包括选自支撑剂、凝胶化合物、凝胶破胶剂及其组合的组分以及高能粒子，该高能粒子所具有的浓度足以改进利用其执行油或气井的液压压裂的至少一个方面。
在又一个方面中，本发明在于一种用于在油或气井上执行液压压裂的方法，其包括使得微能粒子与在油或气井的液压压裂期间注入到井下的流体和固体混合，且然后激励这些微能粒子以使得至少一些粒子释放能量。粒子的激励可在液压压裂过程期间发生或者其可有所延迟。
附图说明
本发明的特征和优点通过参照附图详细地描述本发明的实施例而变得更为显而易见，附图中：
图1是示出本申请的方法的第一实施例的流程图；
图2是示出本申请的方法的第二实施例的流程图；
图3是示出本申请的方法的第三实施例的流程图；以及
图4是已经受根据本申请的方法的一个实施例的液压压裂的油或气储存器的截段的图示。
具体实施方式
在一个实施例中，本发明在于一种用于在油或气井上执行液压压裂的方法，其包括使得在油或气井的液压压裂期间注入到井下的流体和固体包含微能粒子。出于本申请的目的，微能粒子(MEP)是那些具有以下特性的粒子。MEP具有充足的势能，一旦设置在井下，它们就可被激励以释放它们的势能，并且一旦被释放，该势能就具有足以改进液压压裂的至少一个特征的种类和量值。此外，可部署MEP，而不会在可能导致压裂过程不安全的程度释放它们的能量。最后，MEP具有这样的特性：即能够从地面直接地激励这些MEP或者通过在井眼中部署化学试剂或力来激励这些MEP。示例性的力包括但不限于正经受液压压裂的油或气井的井眼中的电磁力或压力波。
在至少一个实施例中，使用转移至正压裂的地质岩层的液压压裂压力的力来激励这些MEP。一旦MEP在裂缝内就位，这些MEP就由在液压压裂停止时闭合在其上的岩层压力所激励。
虽然在一些实施例中，MEP可用作爆破剂或推进剂的纯净粒子，但在其它期望的实施例中，有利地是封装爆破剂或推进剂或者将爆破剂或推进剂应用于载体。当纯粹或纯净的爆破剂或推进剂会过小以致无法与在液压压裂过程期间所采用的压裂材料的其它成分容易地混合或否则不兼容时，用于MEP的载体会是尤其有用的。
载体可包括能与所使用的爆破剂或推进剂兼容的任何物质。例如，如果爆破剂或推进剂包括与氧化铝形成配体的基团，则可使用氧化铝。也可使用能形成此种配体的任何金属或其它材料。用于承载此种化合物的过程是众所周知的。
在一个尤其期望的实施例中，可封装爆破剂或推进剂。封装可用于使得爆破剂或推进剂更为敏感或较不敏感。在本申请的一个实施例中，选择封装材料以使得在启动液压压裂过程之后、会分解或以其它方式释放爆破剂或推进剂。在其中一些实施例中，释放立即发生，从而允许爆破剂或推进剂能马上被全部激励。在其它实施例中，释放随着时间持续地发生，从而使得爆破剂或推进剂可在液压压裂过程期间被激励。在又一些其它实施例中，爆破剂的至少一部分并不释放，直到在完成液压压裂过程之后为止。
可用于本申请的方法的一些实施例的封装爆破剂和推进剂的一个方法是在由John J.Vericella等人在印刷于2014年的自然通信(Nature Communications)中发表的题为“ENCAPSULATED LIQUID SORBENTS FOR CARBON DIOXIDE CAPTURE(用于二氧化碳捕获的封装液体吸附剂)”的文件中公开的方法。其中，公开了使用双毛细管装置来生产聚合物微胶囊，该双毛细管装置由外部正方形玻璃毛细管(0.9mm内壁)、经火焰抛光的内部圆形毛细管(0.70mm内直径、0.87mm外直径)以及已被拉成细末端的最终圆形毛细管构成。经拉制的末端使用激光末端拉至机向下拉伸成30-40μm的最终直径。两个圆形毛细管近似隔开100-300μm插入到正方形玻璃毛细管中。环氧树脂将注射器尖端粘结至毛细血管并且相对于玻璃载玻片气密地密封该装置。
所产生的微胶囊是新颖的由聚合物微胶囊构成的碳捕获介质，其具有薄壁的CO2可渗透实心壳体，该实心壳体包含液体吸附芯部。它们通过如下共同流动的三种流体生产：(1)用于碳捕获溶剂的碳酸盐水溶液(内部流体)，(2)用于壳体材料的防水光致聚合硅酮(中间流体)(德国慕尼黑的瓦克化学股份有限公司制的半有机硅949UV(Semicosil 949UV,Wacker Chemie AG,Munich,Germany))，以及(3)具有表面活性剂的水性载体流体(外部流体)。
在微胶囊组装期间，内部流体和中间流体沿由锥形玻璃毛细血管隔开的通道向下共同逆向流动至第三流体，在此，它们以1-100Hz的速率形成双乳液液滴。内部、中间以及外部流体的流动速率根据期望的胶囊几何形状而已在2-5mL/hr之间的流动速率泵送(马萨诸塞州霍利斯顿的哈佛仪器公司制造的PHD2000)。在形成之后，液体离开装置并且收集在流体(0.5wt％Pluronic F127溶液)中并且在紫外(UV)光(λ＝365nm)下固化。在固化之后，能相对容易地转移和处理经聚合的微胶囊。
除了使用该过程来使得吸附剂微胶囊化以外，也可通过用固体爆破剂或推进剂来替代吸附剂以封装该爆破剂或推进剂而替代地使用该过程，以用于本申请的方法。
可用在制备本申请的MEP的另一方法是A.S.Utada等人在科学(Science)308,537(2005)上发表的Monodisperse Double Emulsions Generated from a MicrocapillaryDevice(从微毛细管装置产生的单分散双乳液)中公开的方法。其中，公开了
双乳液是由内部包含较小液体的乳液液滴构成的高度结构化流体。虽然双乳液可能具有商业价值，但是通过两个乳化步骤的传统制造导致非常不受控制的结构化。使用微毛细管装置，制造这样的双乳液，其在芯壳几何形状中包含单个内部液滴。显示出，液滴大小可以从流体的流动分布定量地预测。双乳液用于通过操纵构成壳体的流体特性来产生封装结构。此种方法所提供的高度控制以及完全隔开的流体流使得这是一种灵活且富有前景的技术。
通过用爆破剂或推进剂的粒子来替换“内部液滴”，所产生的经封装的爆破剂或推进剂可用于本申请的方法。
在另一实施例中，可使用在具有公开号2013/0017610的美国专利申请中所公开的方法。其中，减缩至通常具有从1-1000微米(μm)开口直径的一定开口的圆形喷射管插入并且固定到正方形外管中，其中，圆形管的通常为0.8-1.5毫米的外直径(OD)略小于正方形外管的内直径(ID)，以使得圆形喷射管在正方形外管内对中。开口直径通常比喷射管的开口大2-10倍且外直径(OD)等同于喷射管的周围收集管插入到正方形外管的相对端部，以在喷射管的100-800μm内并且固定就位。进行液体紧密连接，以将内部(芯部)流体输送至喷射管、将中间(壳体)流体输送至圆形喷射管和正方形外管之间的间隙空间，并且将外部(收集)流体输送至圆形收集管和正方形外管之间的间隙空间。
每种流体均在可控的容积流动速率下输送，其中，中间和外部流体的流动通常是具有在100-1000μm量级上的典型流动速率的内部流体流动速率的10-1000倍。在操作中，具有1-1000(cP)粘度的内部流体在喷射管中流动。在内部流体沿通道向下行进时，该内部流体通过锥形喷射管，其是形成喷嘴的液滴。所形成的液体从喷嘴释放并且变得包封在中间流体的球壳中；其具有的粘度是内部流体的10-100倍。
内部流体液体变得包封在形成封装微胶囊的中间流体中，该包封微胶囊具有带有薄外壳的芯部。所具有的粘度是内部流体10-100倍的外部流体在外管中流动，并且液动力流聚焦以在喷射管开口和喷射管内下游高达几米之间的活性区域处切断并形成微胶囊。该外部流体将微胶囊携带到收集容器中。这些微胶囊在直径上可在大约10-1000μm的范围内，而壳体厚度可在胶囊直径的5-25％的范围内。直径和壳体厚度均可通过改变微流体几何形状或流体粘度和流动速率来调谐。
该参考文献还公开了可对壳体进行处理，以使得该壳体经由诸如光致交联和界面聚合之类的途径来经受液体向固体的转变。此外，多个装置可按顺序堆叠或者多个装置可馈送到单个装置中，以使得胶囊内的胶囊可由容纳在每个胶囊内的不同内部流体形成，同时也控制在较大胶囊内的胶囊数量。
本申请的爆破剂和推进剂也可结合到2013/0017610参考文献的胶囊和胶囊内的胶囊中，以替代其中公开的示踪剂。实际上，本领域技术人员所公知的封装可用于本申请方法的诸如爆破剂和推进剂之类化合物的任何方法也可用于本申请的方法。
可用于本申请的方法的推进剂和爆破剂包括满足上述条件的任何试剂。此类化合物包括但不限于：诸如三硝基甲苯和三硝基之类的硝基芳烃，但也包括诸如环四亚甲基四硝基胺(也称为HMX)之类的硝胺、诸如硝基纤维素、硝酸甘油和硝化多元醇之类的脂族硝基化合物；肼和其它非硝基基团，包括高氯酸、粉末铝、粉末镁等材料。
在其它实施例中，爆破剂或推进剂可选自由二硝基二羟基二偶氮苯盐(二叠氮化物)、二硝基苯并呋喃盐、铵、胺和肼的金属络合物的高氯酸盐或硝酸盐组成的组。示例性推进剂会是2-(5-氰基四唑根)五氨基钴(III)高氯酸盐(CP)和各种重氮、三唑和四唑化合物的混合物。
MEP不论是否包括胶囊或基质均与用于液压压裂的压裂流体和或支撑剂混合。通常，MEP将与支撑剂混合。在一些实施例中，在支撑剂与待使用的压裂流体系统的流体(液体、泡沫、气体或压缩气体)成分混合之前，MEP可添加至这些支撑剂。在一些实施例中，会期望在支撑剂已与流体混合之后使得MEP与支撑剂混合。例如，如果支撑剂是陶瓷的话，会期望将MEP暴露于陶瓷表面直到MEP已被润湿为止，以避免MEP的过早激励。
在另一实施例中，MEP并不与推进剂混合，而是如在垫流体中那样被泵送到含有一部分压裂流体的支撑剂之前。在另一实施例中，作为支撑剂阶段之间的阶段，MEP在流体中泵送。出于本申请的目的，在液压压裂期间或者在准备期间引入井下的任何材料是在液压压裂期间注入井下的流体和/或固体。
将MEP用在液压压裂过程中有时是这些MEP的预期目的的功能。例如，可采用本申请MEP的一种方式在于允许更佳地控制压裂过程。在传统的压裂过程中，有时微地震监测系统放置就位以监测压裂程度。在迫使压裂流体和支撑剂进入正经受压裂的岩层时，有时可使用微地震监测系统听到随着减轻岩石应力时产生的声音，从而允许更佳地评估裂缝从井眼开始延伸多远。
在一些实施例中，在采用本申请方法的过程中，激励MEP来产生在完成压裂处理之后并且当岩层于支撑剂上闭合时(已如上所述)、更容易地被微地震监测系统所探测到的声音。这将允许更精确地确定经支撑裂缝的几何范围。由于在液压压裂期间产生的裂缝可更远地行进2000英尺，会期望具有比仅仅减轻地震系统所要探测的岩层的应力的“更响的”事件。本申请方法的该方面允许更为精确的裂缝测绘。由于MEP连同支撑剂一起泵送，因而在监测时由所激励的MEP产生的声音可定位会产生改进的压裂测绘的支撑剂填料位置。
在另一实施例中，可采用本申请的MEP以使得压裂过程本身更为有效。在该实施例中，采用MEP的能量来进一步压裂岩层。通过将MEP的能量添加到可由泵提供的能量，压裂可以比单独使用泵而可能延伸的程度更远地延伸，从而产生更大的所产生压裂面积，这对于从诸如页岩之类非常规烃场的生产是必要的。
在非常规的油和气体商业中众所周知的是，在1-2年内，非常规的油和气井通常会损失它们产量的80％，从而需要另一轮液压压裂。由于井“再刺激”的成本，会期望可避免、延迟或者以降低成本来执行此种再刺激。在本申请的另一实施例中，至少一些MEP可留在原位，直到会期望再刺激这些MEP所驻留的井的时刻为止。此时，它们可以被激发并且所产生的能量用于重新打开经堵塞的岩层，消除或至少减轻对再压裂的需要。
在放置就位之后，可使用本领域技术人员熟知的可用的任何方法来激励本申请的MEP。例如，在一些实施例中可使用进入裂缝缝隙的MEP的力。在其它实施例中，在液压压裂过程的泵送区段结束时压力降低的情形下，在粒子上闭合的岩层中裂缝的力可用于激励MEP。对于采用压力波或脉冲来激励MEP的实施例，可采用在与其共同提交的并且具有“System and Method for Using Pressure Pulses for Fracture StimulationPerformance Enhancement and Evaluation(使用压力脉冲进行压裂刺激性能增强和评估的系统和方法)”的题目、且发明人为Daniel Moos和Silviu Livescu的美国临时专利申请中公开的方法，
且该申请在此整体引入作为参考。
在又一申请中，诸如酸或碱之类在压裂过程内的流体可用于激励MEP。类似地，可通过在期望激励MEP的时刻将二元爆破剂的催速剂或第二部分向下泵送到岩层中来使用该爆破剂的催速剂或第二部分。
在一个尤其期望的实施例中，MEP包括随着时间分解的胶囊。在该实施例中，在胶囊分解之后，诸如压力脉冲之类的触发机构向井下传输以激励MEP。在类似的申请中，在压裂期间使用的所选择化学试剂也可在胶囊上具有分解效果，从而允许MEP在液压压裂过程期间的迟发激励。
一般而言，会期望MEP具有与所使用的支撑剂的大小类似的大小。这一点的理由包括但不限于：MEP与支撑剂的兼容性，尤其是在支撑剂和MEP的混合期间；以及避免使得MEP超过或者滞后于支撑剂、由此误导测绘压裂程度的那些试图的期望。
之后则会期望使得MEP具有从约12至约100US粒度的粒度大小。在一些实施例中，MEP会具有约30US粒度的大小。
用于液压压裂过程的MEP的量会根据采用该MEP的目的和MEP所放置到其中的地质岩层的类型而改变。一般而言，所采用的MEP的量会从所使用的支撑剂的量的约1重量百分比至约100重量百分比。
类似于利用支撑剂的液压压裂，在一些碳酸盐岩层中，使用酸刺激，其中，泵送诸如无机酸(例如，盐酸)或有机酸(例如，乙酸)之类的酸用于酸性压裂应用。通过具有稳定且与酸性压裂流体兼容的MEP，可使用类似于上文所述应用的应用。
在某些地质岩层中，由于近井眼迂曲度而难以引发裂缝。通过向前泵送MEP并且在实际压裂处理之前激励这些MEP，可最小化或消除近井眼迂曲度的影响，以允许利用压裂处理来更有效地刺激岩层。在另一实施例中，一定体积的MEP放置在穿孔通道/团块中和/或周围并且在泵送压裂处理之前被激励。在该实施例中，MEP可用于引发压裂预处理，由此有助于消除进入给定液压压裂内被刺激的不同穿孔团块中的不等注入。
通常通过空化过程刺激煤层甲烷井，其中开孔环境高压用于刺激这些井。通过使用MEP，也可增强此种过程的有效性。
现转向附图，图1是说明本申请方法的一个实施例的流程图。在该实施例中，MEP被引入井下但是不被激发，直到液压压裂过程已经达到计划的程度。然后，MEP被激励并且由于所产生的能量减轻所产生的噪声用于使用传统的陆地地震方法来测绘压裂的程度。
图2示出了MEP引入到压裂材料的前置区段中的实施例。这导致沿着在压裂过程期间产生的裂缝前沿执行MEP。根据选择来使用MEP，以使得它们或多或少地持续地被激励，从而在裂缝前端处产生声音。该实施例允许在执行压裂过程时更精确地监测该压裂过程。
转向图3，说明本申请的方法的实施例，其允许延长油或气井的刺激之前的时间。在该实施例中，MEP在液压压裂期间放置就位并且留在那儿，直到油或气体的流减小至操作者会采用新一轮压裂的时点时为止。除了再次液压地压裂井以外，已就位的MEP被激励并且所产生的能量减轻重新打开裂缝，从而允许流动恢复。
虽然上文参照的实施例是期望的，但它们绝不是本申请方法在权利要求范围内仅有的实施例。
图4是油或气体储存器400的区段的说明，其内已使用液压压裂401至少部分地产生裂缝。双箭头附图标记402示出经压裂储存器的放大部分。其中，403指代未经压裂的岩石，而404和405示出裂缝。裂缝填充有支撑剂，其由交叉线表示并且具有附图标记406。MEP示作是存在的并且由标记“X”表示，且具有附图标记407。

Claims (20)

1.一种用于执行穿越地球岩层的油或气井的液压压裂的方法，包括使得在所述油或气井的液压压裂期间注入到井下的流体和固体包含微能粒子。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用选自由电磁力、所述油或气井的井眼中的压力波及其组合组成的组的力来激励所述微能粒子。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用化学试剂来激励所述微能粒子。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述微能粒子落在由于所述液压压裂产生的裂缝内之后激励所述微能粒子。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微能粒子结合到垫流体中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，由于激励所述微能粒子而产生的声音用于监测压裂的程度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，由于激励所述微能粒子产生的能量用于进一步压裂所述地球岩层。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一些所述微能粒子留在原位，直到所述油或气井需要经受再刺激为止。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在使得来自所述微能粒子所产生的能量将烃类产量增大至足以减缓或至少延迟再刺激的需要的程度的条件下激励所述微能粒子。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一些所述微能粒子用于消除或至少减缓近井眼迂曲度。
11.一种用于执行油或气井的液压压裂的组合物包括：选自支撑剂、凝胶化合物、凝胶破胶剂及其组合的组分；以及所具有的浓度足以改进利用其执行的油或气井的液压压裂的至少一个方面的微能粒子。
12.根据权利要求11所述的组合物，其中，所述微能粒子呈选自净粒子、已被封装的粒子、已粘附于载体的粒子及其组合的形式。
13.根据权利要求11所述的组合物，其中，所述微能粒子呈负载粒子的形式并且所述载体是氧化铝。
14.根据权利要求12所述的组合物，其中，所述微能粒子呈使用聚合物封装的粒子的形式。
15.根据权利要求12所述的组合物，其中，所述微能粒子是爆破剂或推进剂。
16.根据权利要求15所述的组合物，其中，所述爆破剂或推进剂选自由诸如三硝基甲苯和三硝基之类的硝基芳烃；诸如环四亚甲基四硝基胺(也称为HMX)之类的硝胺、诸如硝基纤维素、硝酸甘油和硝化多元醇之类的脂族硝基化合物；肼；高氯酸；粉末铝；粉末镁；及其组合组成的组。
17.根据权利要求15所述的组合物，其中，所述爆破剂或推进剂选自由二硝基二羟基二偶氮苯盐(二叠氮化物)、二硝基苯并呋喃盐、铵、胺和肼的金属络合物的高氯酸盐或硝酸盐组成的组。
18.根据权利要求15所述的组合物，其中，所述爆破剂或推进剂是2-(5-氰基四唑根)五氨基钴(III)高氯酸盐(CP)和各种重氮、三唑和四唑化合物的混合物。
19.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述固体包括支撑剂。
20.一种用于执行油或气井的液压压裂的方法，包括：使得微能粒子与在所述油或气井的液压压裂期间注入井下的流体和固体混合，且然后激励所述微能粒子以使得至少一些所述粒子释放能量。
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