CN111456700A

CN111456700A - 处理地下地层的方法

Info

Publication number: CN111456700A
Application number: CN202010273162.8A
Authority: CN
Inventors: D·I·波塔潘科; L·拉姆齐; T·M·列斯科; D·M·维尔贝格; T·B·拉佛蒂; J·W·斯蒂尔
Original assignee: Schlumberger Technology Corp
Current assignee: Schlumberger Technology Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2020-07-28
Also published as: US10526531B2; BR112015022108A2; CA2901434A1; AU2014228673A1; US20140262264A1; AU2018201694B2; CN105143393A; AU2018201694A1; RU2015143887A; MX371030B; BR112015022108B1; AR095299A1; WO2014143490A1; CA2901434C; MX2015012240A; RU2678250C2

Abstract

本发明提供了一种处理地下地层的方法。该方法包括：提供包含具有屈服应力的携带液、固体颗粒和凝聚剂的处理浆体；向裂缝中注入所述处理浆体以形成含有所述固体颗粒和所述凝聚剂的基本上均匀的混合物；以及使所述基本上均匀的混合物中的所述固体颗粒在所述凝聚剂的存在下沉降以形成富含固体颗粒的区域和基本上不含固体颗粒的区域。在裂缝闭合之前于裂缝中产生至少一个不含固体的流体连接路径。

Description

处理地下地层的方法

本申请是2014年2月14日递交的申请号为201480014887.8、发明名称为“用于提高裂缝传导性的组合物和方法”的发明专利申请的分案申请。

背景技术

本部分中的综述仅为提供与本发明有关的背景技术信息，并且可能不构成现有技术。

压裂被用来提高地下地层的渗透性。压裂液被注入穿过地下地层的井眼中。支撑剂(propping agent,proppant)被注入到裂缝中以防止裂缝闭合，由此对可提取流体(如石油、天然气或水)提供改良的提取。

支撑剂维持裂缝壁之间的距离以在地层中创建传导通道。但是，支撑剂颗粒的沉降会降低裂缝中的传导性。

发明内容

本申请公开的主题提供了用于处理经井眼穿透的地下地层的方法，所述方法提供不均匀的沉降从而使得富含固体颗粒的聚集物(cluster)的区域被基本上不含固体颗粒的区域所包围。

本申请公开的主题还提供了这样一些组合物，该组合物能够通过沉降由基本上均匀混合的第一状态转化(transform)成为第二状态，所述第二状态包含富含固体颗粒的部分和基本上不含固体颗粒的部分。

提供本发明内容部分的目的是介绍一系列概念，在下面的具体实施方式部分中进一步描述了这些概念。本发明内容部分并不意欲确定要求保护的主题的关键或必要特征，也不意欲用于辅助限制要求保护的主题的范围。

附图说明

通过参考下面的详细描述，并结合附图考虑，可以更好地理解这些和其它的特征和优点。

图1示意性地示例说明了通道化指数(channelization index)0-3的沉降状态。图1a示例说明了通道化指数0，图1b示例说明了通道化指数1，图1c示例说明了通道化指数2，图1d示例说明了通道化指数3。

图2为示例说明了包含0.6％的瓜尔胶溶液、PLA纤维和20/40目的砂(粒径0.84-0.43mm)的混合物的桥接(bridging)依赖性的图表，其中字母A表示没有砂的存在，B表示没有纤维。

图3示出了实施例3中所述的方程(1)中的恒定参数的单组值的在实验室中获得的结果和相应的曲线的一个例子。

图4示例说明了一种用于定量在空隙中的支撑剂浓度的不均匀性程度的可能的方法，如实施例4中所述的。图4a示出了实验室槽1。图4b是槽1的图形表示，其中支撑区域以阴影表示，并且非支撑区域以透明区域表示。图4c示出了所计算的在整个槽高度上的不均匀性因子的依赖性。

图5示意性地说明了一种定量通道化的方法，如实施例5中所讨论的。

图6示出了所创建的水力裂缝在裂缝闭合期间在井眼区中的平均裂缝宽度的计算曲线，如实施例6中所讨论的。

图7示例说明了在表4中列出的携带液的流变学依赖性，如实施例8中所讨论的。

图8示例说明了两种不同处理浆体的通道化指数的时间依赖性(其中所述两种处理浆体的区别在于支撑剂的密度)，如实施例12中所讨论的。

具体实施方式

出于促进理解本发明公开内容的原理的目的，现在提及本申请的一些示例性实施方案。

本发明公开的主题的一些实施方案可能是以垂直井的处理做说明的，但同样适用于任何方向的井。实施方案可能是以用于烃生产的井做说明的，但可以理解的是，这些实施方案可用于生产其它流体(例如水或二氧化碳)的井，或例如用于注入井或储存井。还应当理解，在整个说明书中，当浓度或用量的范围被描述为可用的或适合的等时，其意欲表示在该范围内的任何和每一个浓度或用量(包括端点)被视为已被陈述。此外，每个数值应该被认为经术语“约”修饰一次(除非已经明确地如此修饰)，然后再被认为未经如此修饰，除非在上下文中另有说明。例如，“1-10的范围”应被理解为指沿着约1-约10的连续范围的每个和每一个可能的数值。换句话说，当在表述一定的范围时，即使在该范围内只有几个具体的数据点被明确地标识或提及，或者即使在该范围内没有数据点被提及，也应当理解，本发明的发明人明白和理解该范围内的任何和所有的数据点均被视为已经具体提及，并且本发明的发明人拥有整个范围和该范围内的所有点。还应当理解的是，裂缝闭合包括部分裂缝闭合。

如本文中所用，术语水力压裂处理是指用强大的液压泵将流体泵送到井眼中以创建足够的井下压力使地层破裂或压裂的工艺。这使得可将携带支撑剂的流体注入地层中，从而产生流体可以流过的高渗透性砂区域。一旦除去水压，支撑剂仍保持在原位，因此支撑剂打开裂缝并增强流体流入井眼或从井眼流出。

如本文中所用，术语空隙是指地质地层中的任何开放孔隙，包括天然存在的开放孔隙和在地质地层与置于所述地质地层中的一个或多个物体之间形成的开放孔隙。空隙可以是裂缝。在某些实施方案中，空隙可以是最窄尺度(dimension)是1微米-20mm的裂缝。本文中包括和公开了在1微米-20mm之间的所有值和子范围；例如，裂缝的最窄尺度可以是下限1微米、300微米、600微米、900微米、10mm或15mm，至上限15微米、500微米、800微米、2mm、12mm或20mm。例如，裂缝的最窄尺度可以是1微米-20mm，或1微米-1mm，1mm-20mm，或1mm-10mm，或10mm-20mm。

术语固体颗粒包括例如支撑剂。

在本发明公开的主题的实施方案中，通过在凝聚剂的存在下的支撑剂沉降而形成高传导性通道，使得充填在空隙中的固体颗粒或支撑剂的传导性提高。所述通道的形成是通过在凝聚剂辅助的不均匀沉降过程中再分配在压裂液中的支撑剂实现的。这种不均匀沉降导致了“岛状物”的形成，该“岛状物”是富含支撑剂的聚集物，被基本上不含支撑剂的流体所包围。空隙的闭合导致在支撑剂聚集物之间创建了通道。当所述通道相互连通时，与使用表现出均匀支撑剂沉降的处理浆体处理的空隙的传导性相比，该空隙具有明显更高的传导性。

处理浆体可以是经使用由两者之间具有空间的两块板创建的人工空隙的实验室测试的。模拟裂缝的宽度可以是3-6mm，该板可以是15.2cm×20.3cm(6×8英寸)至101.6cm×101.6cm(40×40英寸)。可以理解，也可以使用其它尺寸的板。该板可以由透明材料(如丙烯酸玻璃)制成，从而可以随时观察处理浆体的沉降和分布。本发明中的通道化使用0-3的指数定性测量。标号0表示处理浆体没有表现出沉降，也没有通道化；1表示沉降但未通道化；2表示一些通道化，但其中不含固体的区域不相互连接；3表示通道化，其中不含固体的区域是相互连接的。图1示意性地说明了通道化指数0-3。

通道化指数0对应的情况是，其中空隙(如水力裂缝)内的处理浆体是均匀的，固体颗粒未发生分离或沉降。

通道化指数1对应的情况是，其中在空隙(如水力裂缝)内的处理浆体中的固体颗粒(交叉阴影区域(cross hatched area))均匀沉降，但成分之间没有明显分离。

通道化指数2对应的情况是，其中在空隙(如水力裂缝)内的处理浆体被分离形成基本上由固体颗粒组成的区域(交叉阴影区域)和基本上或完全不含固体的区域(实心阴影区域(solid shaded area))，并且其中不含固体的区域不相互连接。

通道化指数3对应的情况是，其中在空隙(如水力裂缝)内的处理浆体已被分离形成富含固体的区域(交叉阴影区域)和相互连接的不含固体的区域(实心阴影区域)。在这样的情况下，在空隙的各侧之间存在至少一个不含固体的流体连接路径。

在一些实施方案中，公开了处理经井眼穿透的地下地层的方法；所述方法包括：提供包含携带液、固体颗粒和凝聚剂的处理浆体；向裂缝中注入所述处理浆体以形成基本上均匀分布的所述固体颗粒的混合物以及注入所述凝聚剂；以及转化所述基本上均匀的混合物成为富含固体颗粒的区域和基本上不含固体颗粒的区域，其中所述固体颗粒和所述凝聚剂在裂缝中具有基本上不同的沉降(即流动)速度，并且其中所述转化由所述基本上不同的速度引起。在一些实施方案中，所述不同的速度可部分或全部地由凝聚剂与裂缝壁的相互作用引起，这种相互作用包括例如由摩擦产生的那些。如本文中所用的，基本上不同是指至少20％的区别。本文中包括和公开了至少20％的所有值和子范围。例如，颗粒和凝聚剂的沉降速率可相差至少20％，或相差至少50％、相差至少75％，或相差至少100％，或相差至少150％。

在另一些实施方案中，公开了这样一些组合物，所述组合物包含：携带液；多个固体颗粒；和凝聚剂；其中所述组合物能够从基本上均匀混合的第一状态经沉降转化成为第二状态，该第二状态包含富含所述固体颗粒的部分和基本上不含所述固体颗粒的部分。在一些实施方案中，这种转化可以部分或全部地由凝聚剂与固体颗粒的不同沉降速率引起。在一些实施方案中，这种不同的沉降速率部分或全部地由凝聚剂与裂缝壁的相互作用引起，这种相互作用包括例如由摩擦产生的那些。

另一些实施方案公开了这样一些方法，其包括：提供包含携带液、固体颗粒和凝聚剂的浆体；使所述浆体流入空隙中形成基本上均匀分布的包含所述固体颗粒和所述凝聚剂的混合物；和将所述基本上均匀分布的混合物转化成富含固体颗粒的区域和基本上不含固体颗粒的区域，其中所述固体颗粒和所述凝聚剂在空隙中具有基本上不同的沉降或流动速度，并且其中所述转化由所述基本上不同的速度引起。在一些实施方案中，该不同的速度可部分或全部地由凝聚剂与裂缝壁的相互作用引起，这种相互作用包括例如由摩擦产生的那些。

另一些实施方案公开了设计处理的方法，其包括：考虑裂缝尺度；选择具有与所述裂缝尺度相当(comparable to)的尺度的凝聚剂；选择具有与所述凝聚剂基本上不同的沉降速度的固体颗粒；配制包含所述固体颗粒和所述凝聚剂的处理流体，从而使得所述处理流体能够从基本上均匀混合的第一状态经沉降转化成为第二状态，该第二状态包含富含所述固体颗粒的部分和基本上不含所述固体颗粒的部分；和泵送所述处理流体进入井中以创建和/或扩大裂缝。

如本文中所用，基本上不含某一成分是指该成分少于40％。本文中包括和公开了少于40％的所有单独值和子范围。例如，基本不含某一成分可以是该成分少于40％，或该成分少于20％，或该成分少于10％，或该成分少于5％，或该成分少于2.5％，或该成分少于1.25％，或该成分少于0.625％。

如本文中所用，富含某一组分是指该成分大于40％。本文中包括和公开了大于40％的所有单独值和子范围。例如，富含某一成分可以是该成分大于40％，或该成分大于60％，或该成分大于90％，或该成分大于95％，或该成分大于97％，或该成分大于98％。

在另一个选择中，本发明公开的所有实施方案可包括在注入时具有与通道化不一致的性质并随后转化为与通道化一致的处理流体。例如，处理浆体可以具有这样一个粘度，在注入时该粘度使得可以将固体颗粒充填在空隙中，例如在100s^-1下大于50cP；同时具有这样一个粘度，该粘度使得经沉降而通道化的机会最小，如在0.001-1s^-1下大于500,000cP。随后，粘度可以改变，例如，通过引入粘度破坏剂从而使得粘度与通道化一致。在又一个实施方案中，处理浆体可以包含两种或多种流体(例如交联凝胶和线性凝胶)的组合，其中在注入时所述流体中的至少一个是与通道化不一致的，并且所述流体中的至少一个是与通道化一致的。在这样的实施方案中，在注入之后，那些与通道化不一致的流体可能会被毁坏或破坏，从而允许通道化发生。这种系统的例子可以是包含交联的瓜尔胶和粘弹性表面活性剂的溶液，其中可通过降低pH值或通过加入氧化破坏剂去交联。另一个例子可以是交联的瓜尔胶与硼酸盐和聚丙烯酰胺聚合物的溶液。

适合用在本发明公开的主题的所有实施方案中的携带液包括在压裂液中可用的任何流体，包括但不限于凝胶、泡沫、减阻水、增能液和粘弹性表面活性剂。在另一些实施方案中，携带液可包括线性流体，如非交联的流体。

在另一个选择中，本发明公开的所有实施方案可包括这样一种携带液，该携带液包含交联流体，例如交联的多糖和/或交联的聚丙烯酰胺。任何合适的交联剂都可用于形成交联流体，包括例如：硼及其盐，过渡金属(如铬和铜、钛、锑、铝、锆)的盐和其它化合物，以及有机交联剂例如戊二醛。

在另一个选择中，本发明公开的所有实施方案可包括这样一种携带液，该携带液是粘弹性表面活性剂(VES)或乳液。在另一些实施方案中，浆体或组合物还包含一种或多种破坏添加剂用于降低液相的粘度。

在另一些实施方案中，固体颗粒具有小于或等于6的纵横比(最大尺度与最小尺度之比)。本文中包括和公开了小于或等于6的所有值和子范围。例如，固体颗粒的纵横比可以是小于或等于6，或小于或等于5.5，或小于或等于5。

在另一些实施方案中，固体颗粒具有0.1g/cm³-10g/cm³的密度。本文中包括和公开了0.1g/cm³-10g/cm³的所有值和子范围。例如，固体颗粒密度的下限值可以是0.1、1、3、5、7、或9g/cm³，上限值可以是2、4、6、8或10g/cm³。例如，固体颗粒的密度可以是1g/cm³-5g/cm³，或2g/cm³-4g/cm³。

在另一些实施方案中，固体颗粒的密度大于携带液的密度。

在另一些实施方案中，凝聚剂选自纵横比大于6的固体颗粒。本文中包括和公开了大于6的所有值和子范围。例如，凝聚剂的纵横比大于6，或大于等于20，或大于等于40，或大于等于50。

在另一些实施方案中，凝聚剂具有0.1g/cm³-10g/cm³的密度。本文中包括和公开了0.1g/cm³-10g/cm³的所有值和子范围。例如，凝聚剂密度的下限值可以是0.1、1、3、5、7、或9g/cm³，上限值可以是2、4、6、8或10g/cm³。例如，凝聚剂的密度可以是1g/cm³-5g/cm³，或2g/cm³-4g/cm³。

在另一些实施方案中，凝聚剂的密度小于携带液的密度。

固体颗粒和凝聚剂可具有在10nm-5mm范围内的任何尺寸或尺寸分布。本文中包括和公开了10nm-5mm的所有值和子范围。例如，固体颗粒和/或凝聚剂可具有的尺寸是10nm-5mm，或0.1mm-2mm，或0.1mm-5mm，或10nm-0.001mm，或0.001mm-5mm，或0.0005mm-5mm，或1000nm-1mm。

固体颗粒和凝聚剂可以具有提供所需要的纵横比的任何形状，包括纤维状、管状、不规则珠状、片状、带状、小板状(platelet)、棒状或者它们中的两种或更多种的任意组合。

可以使用任何满足纵横比小于等于6并且在井处理流体中可用的支撑剂材料。示例性的支撑剂包括陶瓷支撑剂、砂、矾土、玻璃珠、碎坚果壳、聚合物支撑剂及它们的混合物。

在另一些实施方案中，固体颗粒具有1微米-5000微米的平均粒径。本文中包括和公开了1-5000微米的所有值和子范围；例如，固体颗粒的平均粒径的下限是1、300、900、2000、2400、3300或4800微米，其上限是200、700、1500、2200、2700、3500或5000微米。例如，固体颗粒的平均粒径是1-5000微米，或1-2500微米，或2500-5000微米，或1微米-1mm，或10微米-800微米。如本发明中所用，术语平均粒径是指固体颗粒的最大尺度的平均尺寸。

在另一些实施方案中，凝聚剂颗粒的最大尺度是与空隙或裂缝的最窄尺度相当的。如本发明中所用，相当是指相差不大于20倍。例如，固体颗粒和/或凝聚剂可具有的尺寸是空隙的最窄尺度(例如裂缝宽度)的0.05至20倍，或是空隙的最窄尺度(例如裂缝宽度)的0.1到10倍，或是空隙的最窄尺度(例如裂缝宽度)的0.33到3倍。凝聚剂的最大尺度也可以是与空隙或裂缝的最窄尺度相当的。例如，如果裂缝的最窄尺度(即宽度)是2mm，凝聚剂的平均最大尺度可以是0.1-40mm。在各种不同的实施方案中，预期的空隙宽度范围是1微米-20mm。本文中包括和公开了1微米-20mm的所有单独值和子范围。

在另一些实施方案中，凝聚剂的最大尺度是0.5微米至50mm。本文中包括和公开了0.5微米至50mm的所有值和子范围；例如，凝聚剂的最大尺度可以是下限0.5微米、100微米、500微米、900微米、20mm或40mm，至上限10微米、250微米、750微米、10mm、30mm或50mm。例如，凝聚剂的最大尺度可以是0.5微米-50mm，或1mm-20mm，或0.5微米-20mm，或20-50mm，或0.5微米-30mm。

在另一些实施方案中，固体颗粒包括两种或更多种固体颗粒的混合物或共混物。例如，固体颗粒可以包括具有第一平均粒径的第一固体颗粒类型，具有第二平均粒径的第二固体颗粒类型，具有第三平均粒径的第三固体颗粒类型，等等。或者，两种或更多种的固体颗粒类型可具有不同的密度、形状、纵横比、结构、组成和/或化学性质。

在另一些实施方案中，一些或全部固体颗粒和/或凝聚剂是由可降解的、可熔的、可溶的或可溶解的材料制成的。在另一个实施方案中，处理浆体还包含一种或多种加速或控制可降解固体颗粒的降解的外加剂。例如，NaOH、CaCO₃和Ca(OH)₂可被添加到处理浆体中以控制包含聚乳酸的颗粒材料的降解。同样地，酸可用于加速包含多糖和聚酰胺的颗粒材料的降解。

在另一些实施方案中，固体颗粒和/或凝聚剂包括聚合物纤维。任何合适的聚合物纤维都可以使用，例如包含聚酯、聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚己内酰胺、聚酰胺共聚物、纤维素、羊毛、玄武岩、玻璃、橡胶、粘性纤维或它们的混合物的纤维。

在另一些实施方案中，固体颗粒可以是支撑剂。任何支撑剂材料都可以使用，包括例如砂、玻璃珠、陶瓷支撑剂、聚合物珠或空心玻璃球及它们的组合。

在另一些实施方案中，速度是沉降速度。

在另一些实施方案中，将基本上均匀的混合物转化成为富含固体颗粒的区域和基本上不含固体颗粒的区域的转化发生在受力裂缝闭合期间或作业后的井回流期间。

在另一些实施方案中，固体颗粒和凝聚剂具有不同的形状、尺寸、密度或它们的组合。

在另一些实施方案中，凝聚剂是纤维状物、片状物、带状物、小板状物、棒状物或它们的组合。

在另一些实施方案中，凝聚剂是纤维状物。

在另一些实施方案中，凝聚剂是可降解材料。

在另一些实施方案中，一些或全部固体颗粒和/或凝聚剂是由可降解的、可熔的、可溶的或可溶解的材料制成的。

在另一些实施方案中，凝聚剂选自聚乳酸、聚酯、聚己内酰胺、聚酰胺、聚乙醇酸、聚对苯二甲酸酯、纤维素、羊毛、玄武岩、玻璃、橡胶或它们的组合。

在另一些实施方案中，一些或全部固体颗粒和/或凝聚剂包括可降解的、可熔的、可溶的或可溶解的材料。

在另一些实施方案中，转化是通过使基本上均匀分散的固体颗粒(和凝聚剂)在一段时间内在裂缝中沉降实现的。

在另一些实施方案中，注入是通过在足以在地下地层中产生裂缝或维持裂缝张开的压力下泵入处理浆体实现的。

在另一些实施方案中，转化是在处理流体回流前实现的。

在另一些实施方案中，转化是在裂缝闭合前实现的。

在另一些实施方案中，在空隙或裂缝的至少一部分中形成基本上均匀分布的混合物。

在另一些实施方案中，将基本上均匀的混合物转化成为富含固体颗粒的区域和基本上不含固体颗粒的区域的转化发生在空隙(例如裂缝)的至少一部分中。

在另一些实施方案中，凝聚剂具有与固体颗粒基本上不相同的沉降特性。不受限于任何特定的理论，目前认为，不同的沉降性质可能由以下因素中的一个或多个引起：形状、密度或尺寸的差异，以及空隙壁与凝聚剂和/或固体颗粒之间的相互作用，及它们的组合。

在另一些实施方案中，固体颗粒在浆体中的存在量少于22体积％。本文中包括和公开了少于22体积％的所有值和子范围。例如，固体颗粒的存在量可以是22体积％，或小于18体积％，或小于15体积％，或小于12体积％。

在另一些实施方案中，凝聚剂在处理浆体中的存在量少于5体积％。本文中包括和公开了少于5体积％的所有单独值和子范围。例如，凝聚剂的量可以是0.05体积％-少于5体积％，或少于1体积％，或少于0.5体积％。凝聚剂的存在量可以是0.5体积％-1.5体积％，或是0.01体积％-0.5体积％，或是0.05体积％-0.5体积％。

在另一些实施方案中，凝聚剂是纤维状物，其长度是1-50mm、或更特别是1-10mm，并且直径是1-50微米、或更特别是1-20微米。本文中包括和公开了1-50mm的所有值和子范围。例如，纤维状凝聚剂的长度可以是下限1、3、5、7、9、19、29或49mm，至上限2、4、6、8、10、20、30或50mm。纤维状凝聚剂的长度范围可以是1-50mm，或1-10mm，或1-7mm，或3-10mm，或2-8mm。本文中包括和公开了1-50微米的所有值。例如，纤维状凝聚剂直径可以是下限1、4、8、12、16、20、30、40或49微米，至上限2、6、10、14、17、22、32、42或50微米。纤维状凝聚剂直径的范围可以是1-50微米，或10-50微米，或1-15微米，或2-17微米。

在另一些实施方案中，凝聚剂是纤维状物，其长度是0.001至1mm，直径是50纳米(nm)至10微米。本文中包括和公开了0.001至1mm的所有单独值。例如，凝聚剂纤维的长度可以是下限0.001、0.01、0.1或0.9mm，至上限0.009、0.07、0.5或1mm。本文中包括和公开了50纳米-10微米的所有单独值。例如，纤维状凝聚剂直径的范围可以是下限50、60、70、80、90、100、或500纳米，至上限500纳米、1微米或10微米。

在另一些实施方案中，固体颗粒具有尺寸0.001-1mm的颗粒。本文中包括和公开了0.001-1mm的所有单独值。例如，固体颗粒的尺寸可以是下限0.001、0.01、0.1或0.9mm，至上限0.009、0.07、0.5或1mm。这里的颗粒尺寸被定义为所述颗粒的最大尺度。

在另一些实施方案中，凝聚剂是纤维状物，其长度是用处理浆体处理的地下空隙的宽度(即最小尺度)的0.5-5倍。在各种不同的实施方案中，期望的空隙宽度的范围是1微米-20mm。本文中包括和公开了1微米到20mm的所有单独值和子范围。

在另一些实施方案中，在将组合物从第一状态转化成为第二状态时，携带液在0.001-1s^-1的剪切速率下的粘度是1Pa·s-500Pa·s。本文中包括和公开了在0.001-1s^-1的剪切速率下的1Pa·s-500Pa·s的所有单独值和子范围。例如，携带液的粘度范围可以是下限1、75、150、225、300、375或425Pa·s，至上限50、125、200、275、325、400、475或500Pa·s，所有值都在0.001-1s^-1的剪切速率下。例如，在转化过程中携带液的粘度范围可以是1-500Pa·s，或250-500Pa·s，或1-250Pa·s，或200-400Pa·s，所有值都在0.001-1s^-1的剪切速率下。

在另一些实施方案中，携带液表现出牛顿或非牛顿型(例如Herschel-Bulkley，Bingham，幂律)流动。

在另一些实施方案中，携带液的粘度受温度影响。

在另一些实施方案中，携带液在注入空隙中期间的粘度可以不同于携带液充填于空隙中之后的粘度。

在另一些实施方案中，设计固体颗粒和凝聚剂的量以防止桥接和筛出。这种设计可以包括在处理过程中对裂缝使用岩土力学模型建模(其将限定期望的裂缝几何形状(宽度)和流量条件)从而确定固体颗粒和凝聚剂的量，以防止桥接和允许不均匀的通道。见例如以下的实施例2和3。

在另一些实施方案中，当将组合物从第一状态转化成为第二状态时，携带液在0.001-1s^-1的剪切速率下的屈服应力小于5Pa·s。本文中包括和公开了在0.001-1s^-1的剪切速率下小于5Pa·s的所有单独值和子范围。例如，当将组合物从第一状态转化成为第二状态时，携带液的屈服应力可小于5Pa·s，或小于3Pa·s，或小于1Pa·s，所有值都在0.001-1s^-1的剪切速率下。

尽管前面的说明书已经结合特定的手段、材料和实施方案做出了描述，但其不是意图将本发明限制于本文中所公开的特定内容；相反，本发明延伸到所有功能上等同的结构、方法和用途，例如包括在所附权利要求的范围之内的那些。

实施例

在实施例中的任何元素均可以被替换为多种等同替代品中的任何一个，在说明书中只公开了所述等同替代品中的一些。虽然在上面只详细地描述了少数示例性实施方案，但本领域技术人员容易理解，在示例性实施方案中做出许多修改是可能的，而这不会实质上脱离本文中描述的概念。本发明公开的主题可以以其它形式实施，而不脱离其精神和基本属性；并且相应地，应当参照所附的权利要求而不是前述的说明书确定本发明公开的主题的范围。因此，所有的这些修改都意欲包括在以下权利要求所限定的本发明公开范围之内。在权利要求中，手段加功能的句型旨在涵盖本文中描述的执行所述功能的结构，其不仅涵盖结构等同体还涵盖等同结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等同体，因为钉子使用圆柱表面将木制部分固定在一起，而螺钉使用螺旋面；但在固定木制部分时，钉子和螺钉可以是等同结构。申请人明确意欲不援引35U.S.C.§112，第6款对本文中的任何权利要求做出任何限制，除非在权利要求中明确地将“用于......的手段”一词和相关功能一起使用。

实施例1和比较例1：通过在纤维的存在下发生不均匀的支撑剂沉降，形成富集支撑剂的聚集物和不含支撑剂的通道。

比较例1是含有0.72％的瓜尔胶水溶液和6ppa的20/40目砂的不含凝聚剂的配制物。实施例1包含纤维状凝聚剂，具有0.72％的瓜尔胶水溶液、6ppa的20/40目砂(22体积％)、20ppt(2.4g/L)聚酰胺纤维(长度6mm，直径12微米)。将实施例1和比较例1各自倾倒到单独的4mm×6英寸(15cm)×8英寸(20cm)的测试槽中，所述槽由丙烯酸玻璃制成，槽宽度为4mm。最初，每个流体看起来都是均匀的。1小时后观察所述槽。实施例1表现出支撑剂在槽中的不均匀沉降，导致富含支撑剂的聚集物和基本不含支撑剂的区域的产生。相比之下，比较例1表现出支撑剂均匀沉降到槽的底部。

实施例2：定义桥接能力。

设备的构成是一个储罐(容积350mL的1"Swagelok管)连接到内部具有槽的小1"管上。槽宽度是0.08英寸(2mm)。储罐的另一端连接到一个Knauer HPLC K-1800泵上，该泵提供持续的泵送。该系统配有安装在泵和储罐之间的减压阀和电子模拟压力传感器。使用National Instrument数据采集系统进行压力测量，该系统将来自压力传感器的模拟压力读数转换为数字格式的。

将包含稠化液体、颗粒材料和纤维的流体放置在储罐中(在放入浆体之前，将100mL0.6％的瓜尔胶溶液放置在系统中，以避免浆体接触槽)。然后插入一个塑料间隔件，并将系统连接至泵。将携带纤维的浆体在恒定流速下泵送通过槽，据此研究浆体的桥接能力，其中所述恒定流速对应于槽内的恒定速率是流体速度0.5ft/秒(0.15米/秒)。

判断桥接的首要标准是，在拆开系统后，发现槽中存在堵塞。桥接的时间点是在实验期间系统中压力急剧增加时。

图2是示例说明了包含0.6％的瓜尔胶溶液、PLA纤维和20/40目砂的桥接依赖性的图表。PLA纤维具有6mm的长度，12微米的直径。图中示出了由实曲线分开的两个不同区域。如图2所示，曲线的上部表示在槽中造成桥接的纤维和支撑剂的负载范围。图表的下部区域表示没有造成桥接的纤维和支撑剂的负载范围，在这里观察到浆体流过槽而不受影响。

实施例3：携带纤维的流体的桥接的经验模型

通过对桥接实验结果进行回归，得到了下列方程(1)中拟合参数的数值

其中：

-桥接需要的纤维材料最小浓度，w-有效裂缝宽度，u-流体速度并且μ-在给定的剪切速率下的流体粘度。参数α、β、γ是通过对来自实验室实验的数据进行回归得到的常数。它们分别是桥接材料的形状、机械性能以及基础液体(base fluid)的性质和配方的函数。

图3示出了方程(1)中的恒定参数的单组值在实验室中获得的结果和相应的曲线的一个例子。针对不同槽宽度下的流体速度，报告了足以形成桥接的纤维浓度。如图3中所示，形成桥接所需要的纤维量随流体速度而增大。

实施例4：定量支撑剂分布的不均匀性。

实施例4描述了一种用于定量在空隙中(例如在水力裂缝中)的支撑剂浓度的不均匀性程度的可能的方法。这种程度被定义为已支撑的表面积与总表面积之比，表示为S_prop/S_total。

图4a-4c说明了这种方法。图4a示出了在槽1内部具有支撑剂聚集物2的实验室槽1，其中每个支撑剂聚集物均包含纤维状凝聚剂3和支撑剂4。图4b是槽1的图形表示，其中已支撑的区域表示为阴影，未支撑的区域表示为透明区域。图4c示出了所计算的在整个槽高度上的不均匀性因子S_prop/S_total的依赖性。这一因子在0-1的范围内变化，其中0对应不含固体的区域，1对应经完全支撑的区域而没有不含支撑剂的通道。

实施例5：定量沉降不均匀性和通道化的程度：

结合图1所描述的内容所定义的通道化指数可用于区分动态条件和静态条件下的各种通道化情形。实施例中混合物的组成如下：0.72％的瓜尔胶溶液；12体积％的砂，其粒径为0.43-0.20mm；1.2g/L(实施例A)和4.8g/L(实施例B)的聚乳酸(PLA)纤维，其长度6mm，直径12微米。使用与实施例1中所用的一样的实验程序和槽。在图5中可以看出，实施例A中的无固体区域在～0.5小时时开始形成(通道化指数＝2)，并且不含固体的区域之间的相互连接的通道(通道化指数＝3)在约1小时时形成。实施例B中的不含固体的区域在约1小时时形成，并且相互连接的不含固体的通道在6小时后也不形成。

表1示例说明了几种处理浆体的通道化指数，在所述处理浆体中纤维状凝聚剂的量和固体颗粒(砂)的尺寸是不同的。处理浆体包含0.72％的瓜尔胶水溶液；砂型浓度：12体积％；砂型：如表1中所示的；凝聚剂类型：PLA纤维，其长度6mm，直径12微米。所用的实验程序和设备与实施例1中所述的相同。每个实验持续6小时。表1提供了通道化指数和每个类型的处理浆体达到该指数的时间。例如，对于具有20/40目砂和纤维浓度4.8g/L的处理浆体，系统需要0.17小时形成不相互连接的不含固体的区域(通道化指数2)。在本实验的6小时时间内在该实验中没有形成相互连接的通道(通道化指数3)。

表1

实施例6：定义通道化的最大时间。

假设处理浆体包含0.72％的瓜尔胶溶液；12体积％的砂，其粒径0.43-0.2mm；2.4g/L的PLA纤维状凝聚剂，其纤维长度6mm，直径12微米，据此进行计算。进一步的假设包括将浆体放置在页岩地层中的水力裂缝中，所述页岩地层的漏失系数的范围是Ct＝3.9E-6-2.0E-5m/s^0.5，初滤失系数是0.204E-3m³/m²。页岩地层具有如下属性，并且限定在具有高压裂梯度的层之间：TVD：800米；区域高度30米；区域中的压裂梯度14.0kPa/m；杨氏模量2e7kPa；泊松比0.18。泵送进度表如表2中所示。

通道化必须在裂缝闭合前完成，因为裂缝闭合后可能没有支撑剂凝聚。与此同时，如实施例11中所示，通道化能力取决于凝聚剂和支撑剂的浓度；如果这些物质的浓度高于一定的限度，就可能不会发生通道化。例如，对于包含>22体积％的砂和4.8g/L的长度6mm且直径12微米的PLA纤维的组合物，在该组合物的沉降过程中不会形成相互连接的通道。

注意，泵送入水力裂缝中的浆体的成分的浓度随着时间变得更高，这是由于流体从裂缝中漏失。因此，对于所使用的配制物，这意味着相互连接的通道必须在浆体浓缩两倍之前(这意味着在砂浓度从12体积％增加到22体积％和纤维浓度从1.2g/L增加到4.8g/L之前)形成。

假设浆体的泵送(充填)时间是相对较短的，并且在充填过程中几乎没有发生漏失。在这种情况下，在裂缝闭合期间的作业后，浆体会被浓缩。图6示出了所创建的水力裂缝在裂缝闭合期间在井眼附近区域中的水力裂缝的平均裂缝宽度的计算曲线。在FracCADE7.2中使用P3D模型和如上所述的区域参数以及各种漏失系数进行计算。例如，对于3.9E-06m/s^0.5的漏失系数，在充填处理浆体之后，裂缝宽度会在280分钟内下降为原来的1/2。这意味着，在280分钟内，约50％的流体会从裂缝漏失到地层中，因此，在裂缝中的浆体将开始浓缩至2倍以上。因此，在此情况下可接受的浆体通道化时间应小于280分钟。对于给定的浆体组合物，表2示出了给定浆体混合物在其它漏失系数下的可接受通道化时间的类似计算结果，如表2中所示。

表2

实施例7.壁面粗糙度对通道化的影响

在实施例7中研究了壁面粗糙度对通道化时间的影响。如实施例7中所用，通道化时间是指处理浆体形成不含固体的相互连接的通道(例如通道化指数3)所需的时间。实施例1中所用的相同设备用于实施例7，除了将各种粒度的砂纸粘合在板上。每个实验持续6小时。处理浆体包含0.72％的瓜尔胶水溶液；砂浓度：12体积％；砂型(如表3中所定义的)；凝聚剂类型：PLA纤维，其长度6mm，直径12微米。表3示例说明了处理浆体在不同的槽宽度和不同大小的壁面粗糙度下的通道化时间(达到通道化指数3)。从表3中可以看出，与壁的相互作用在通道化中起到了重要的作用。然而，甚至当壁是光滑的(壁面粗糙度<1微米)时，通道化也可发生。

表3

实施例8：流体流变性对通道化的影响。

针对一系列不同的处理浆体，研究了通道化行为和时机。使用的设备如实施例1中所用的，除了将具有22微米的粒度的砂纸粘合在槽壁上。每个实验持续6小时。槽宽3mm。所述不同处理浆体包含：0.72％的瓜尔胶水溶液；砂粒度0.43-0.2mm；砂浓度：12体积％；凝聚剂类型：PLA纤维，其长度6mm，直径12微米。表4提供了通道化指数，以及使用一系列不同携带液达到该指数需要的时间。

表4

*表示可从Nalco公司市售得到；

**表示芥酸酰氨基丙基二甲基甜菜碱，可从Rhodia(the Solvay Group的一员)市售得到。

***表示聚乙酸乙烯酯/聚乙烯醇的共聚物，可从Rhodia(the Solvay Group的一员)市售得到。

0/--表示在6小时的整个测试期间所述流体保持在0通道化的状态。

从表4中可以看出，携带液的流变性影响通道化。

图7示例说明了在表4中列出的携带液的流变学依赖性。可以看出，当在0.001-0.1s^-1之间的剪切速率下固体颗粒沉降时发生了通道化(见实施例10)。当携带液在这种剪切速率下的粘度大于1,000,000cP时，在进行的实验中没有引起通道化。携带液的粘度小于2000cP时，不会引起通道化。当携带液在0.001-0.1s^-1之间的剪切速率下的粘度是2000cP-1,000,000cP时，引起了通道化。

实施例9：通道化的最大可接受携带液屈服应力。

携带液的屈服应力应足够低以使得固体经由沉降而凝聚，从而导致通道化。可以通过用悬浮在携带液中的单个固体颗粒的压力平衡屈服应力定义这一值。

其中γ_max-最大可接受屈服应力，ρ_P-固相颗粒的密度，ρ_f-携带液的密度，R-颗粒半径。对于粒度0.43mm的砂和稠化水，这个方程的结果是γ_max＝1Pa。

实施例10：固体沉降期间剪切速率的范围

固体沉降期间剪切速率的范围可估计为沉降速率除以粒度。在进行的实验中有记录的最低和最高的沉降速率分别是3.3mm/小时和178mm/小时。因此，对于进行的实验：

实施例11：固体浓度对通道化的影响。

研究了砂浓度对通道化的影响。使用的设备如实施例1中所述，除了将具有22微米的粒度的砂纸粘附到槽壁上。检查了不同槽宽度、砂浓度、砂粒粒度和携带液粘度，如表5中所示。处理浆体包含0.48％和0.72％的瓜尔胶水溶液；4.3、12、22和27体积％的砂浓度；凝聚剂类型：PLA纤维，其长度6mm，直径12微米，加入浓度是2.4g/L。

表5中的条目提供了通道化指数/达到该指数的时间(小时)。例如，对于在3mm槽宽度的实验装置中的4.3体积％的于0.48％的瓜尔胶中的20/40目砂，达到通道化指数3的时间是0.1小时。从表5中可以看出，砂浓度影响通道化。例如，不管携带液、槽宽度和砂粒粒度如何，当砂浓度大于或等于22体积％时，没有通道形成。

表5

NA表示未取得数据。0/--表示在6小时的整个测试期间所述流体保持在0通道化的状态。

实施例12：固体密度对通道化的影响

研究了砂密度对通道化的影响。图8示例说明了两种不同处理浆体的通道化指数的时间依赖性(其中所述两种处理浆体的区别在于支撑剂的密度)。

实施例C包含粒度0.84-0.43mm(20/40目)且密度3.58g/cm³的支撑剂。实施例D包含相同粒度的且密度2.65g/cm³的砂。两个实施例C和D都包含0.72％的瓜尔胶水溶液；凝聚剂类型：PLA纤维，其长度6mm，直径12微米，加入浓度2.4g/L；两个实施例C和D的支撑剂/砂的体积浓度是12体积％。所使用的设备和程序与实施例1中所述的相同，除了将具有22微米的粒度的砂纸粘附到槽壁上。

从图8中可以看出，支撑剂密度的增加有利于实现3的通道化指数。

实施例13：凝聚剂的几何形状和浓度对通道化的影响

研究了凝聚剂的几何形状和浓度对通道化的影响。通过使用与实施例1中所用的相同的设备(除了将具有22微米的粒度的砂纸粘附到槽壁上)，测试了具有不同凝聚剂浓度、槽宽度和砂粒粒度的不同组合物。每个处理浆体都包含0.72％的瓜尔胶溶液；12体积％的砂和0-4.8g/L浓度的纤维状凝聚剂。纤维状凝聚剂是长度6mm、直径12微米、密度1.25g/cm³的聚乳酸(PLA)纤维。

表6示出了给出了通道化指数和不同组合物实现所述状态所需时间的通道化图表。如前，NA表示没有取得数据，0/--表示在6小时的整个测试期间所述流体保持在0通道化指数。从表6中可以看出，纤维浓度影响通道化。例如，对于所有的槽宽度和砂粒粒度，当纤维浓度大于或等于4.8g/L(其相当于0.38体积％)时，没有形成相互连接的不含固体的通道。

表6

表7示出了具有不同几何形状的纤维(凝聚剂)的不同组合物在不同的槽宽度下的通道化行为。每个处理浆体都包含0.72％的瓜尔胶溶液，12体积％的粒度0.43-0.20mm(40/70目)的砂，和浓度2.4g/L的纤维。使用的设备与实施例11中的相同。

Claims

1.一种方法，包括：

提供包含具有屈服应力的携带液、固体颗粒和凝聚剂的处理浆体；

向裂缝中注入所述处理浆体以形成含有所述固体颗粒和所述凝聚剂的基本上均匀的混合物；以及

使所述基本上均匀的混合物中的所述固体颗粒在所述凝聚剂的存在下沉降以形成富含固体颗粒的区域和基本上不含固体颗粒的区域，

其中在裂缝闭合之前于裂缝中产生至少一个不含固体的流体连接路径，

其中，携带液的屈服应力不超过由

限定的最大可接受屈服应力，其中，γ_max是最大可接受屈服应力，R是固体颗粒的颗粒半径，ρ_P是固体颗粒的密度以及ρ_f是携带液的密度，

所述携带液在从0.001s^-1至0.1s^-1范围的剪切速率下具有2000cP至1,000,000cP范围的粘度。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述固体颗粒和所述凝聚剂具有不同的形状、大小、密度或它们的组合。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述凝聚剂的纵横比大于6。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述凝聚剂是纤维状物、片状物、带状物、小板状物、棒状物或它们的组合。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述凝聚剂是可降解材料。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述凝聚剂选自聚乳酸、聚酯、聚己内酰胺、聚酰胺、聚乙醇酸、聚对苯二甲酸酯、纤维素、羊毛、玄武岩、玻璃、橡胶、粘性纤维或它们的组合。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述处理浆体是携带支撑剂的水力压裂液，并且所述固体颗粒是支撑剂。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述使固体颗粒沉降是通过使所述基本上均匀注入的固体颗粒在一段时间内在裂缝中沉降实现的。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述注入是通过在足以在地下地层中产生裂缝或维持裂缝张开的压力下泵入所述处理浆体实现的。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述使固体颗粒沉降是在所述处理流体回流前或在所述处理流体回流过程中实现的。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述使固体颗粒沉降是在裂缝闭合前实现的。

12.如权利要求1所述的方法，其中在所述裂缝的至少一部分中形成所述基本上均匀的混合物。

13.一种方法，包括：

提供包含具有屈服应力的携带液、固体颗粒和凝聚剂的浆体；

使所述浆体流入空隙中形成含有所述固体颗粒和所述凝聚剂的基本上均匀的混合物；和

将所述基本上均匀的混合物在所述凝聚剂的存在下转化成富含固体颗粒的区域和基本上不含固体颗粒的区域，

其中所述固体颗粒和所述凝聚剂具有基本上不同的速度，

其中在裂缝闭合之前于空隙中产生至少一个不含固体的流体连接路径，

其中，携带液的屈服应力不超过由

14.一种设计处理的方法，包括：

考虑裂缝尺度；

选择具有与所述裂缝尺度相当的尺度的凝聚剂；

选择具有与所述凝聚剂基本上不同的沉降速度的固体颗粒；

配制包含含有所述固体颗粒和所述凝聚剂的均匀混合物的处理流体，所述流体能够在所述凝聚剂的存在下转化成为包含富含所述固体颗粒的部分和基本上不含所述固体颗粒的部分的状态，

其中，携带液的屈服应力不超过由

15.如权利要求14所述的方法，其中所述裂缝尺度是宽度。

16.一种处理经井眼穿透的地下地层的方法，包括：

向裂缝中注入所述处理浆体以形成包含所述固体颗粒和所述凝聚剂的基本上均匀的混合物；

其中所述基本上均匀的混合物可以在所述凝聚剂的存在下转化成为富含固体颗粒的区域和基本上不含固体颗粒的区域，且

其中所述固体颗粒和所述凝聚剂在裂缝中具有基本上不同的速度，

其中，携带液的屈服应力不超过由

17.一种方法，包括：

使所述浆体流入空隙中形成包含所述固体颗粒和所述凝聚剂的基本上均匀的混合物；和

其中所述基本上均匀的混合物能够在所述凝聚剂的存在下转化成为富含固体颗粒的区域和基本上不含固体颗粒的区域；

其中所述固体颗粒和所述凝聚剂在空隙中具有基本上不同的速度，

其中，携带液的屈服应力不超过由