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Verfahren zur Erhöhung der Permeabilität von Lagerstätten Die Erfindung
betrifft die Behandlung von Erdformationen zur Erhöhung ihrer Permeabilität gegenüber
Flüssigkeiten, insbesondere durch Schaffung hochdurchlässiger Bruchspalten in Formationen,
die von einem Bohrloch aufgeschlossen sind.
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Es ist bekannt, daß eine verbesserte Förderung von Öl und Gas aus
kohlenwasserstoffhaltigen Formationen oder eine verbesserte Einpreßbarkeit von Flüssigkeiten
in Erdformationen durch Schaffung oder Vergrößerung von Fließkanälen oder Bruchspalten,
die sich von dem Bohrloch in derartige Formationen erstrecken, erhalten werden kann.
Derartige Bruchspalten können erzeugt werden, oder existierende Bruchspalten können
vergrößert werden durch Anwendung hoher Drücke auf Flüssigkeiten, die sich in dem
Bohrloch befinden, das an die zu brechende Formation angrenzt. In manchen Fällen
führt das bloße öffnen von einer oder mehreren Bruchspalten zu einer beträchtlichen
Erhöhung der gesamten Permeabilität der Formation. Um jedoch den größten Vorteil
zu erzielen, ist es erforderlich, ein in fester Teilchenform vorliegendes Stützmittel
in der Bruchspalte abzulagern, um die Bruchspalte offenzuhalten und einen Fließkanal
zu bilden, dessen Penneabilität gegenüber Flüssigkeiten größer ist als die der Formation
selbst.
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Die üblichen Frac-Verfahren werden gewöhnlich als Zwei- oder Dreistufenverfahren
durchgeführt. Die erste Stufe besteht darin, daß eine Flüssigkeit, wie z. B. Rohöl,
Wasser; Dieselöl, Kerosen u. dgl., in das Bohrloch eingepumpt wird und ein genügender
Druck angelegt wird, um die Formation zu brechen, wobei eine Bruchspalte gebildet
oder bestehende Bruchspalten ausgedehnt werden. Die zur Schaffung der Bruchspalte
oder zur Vergrößerung einer existierenden Bruchspalte angewandte Flüssigkeit ist
in den meisten Fällen eine unbehandelte Flüssigkeit. Jedoch kann diese Flüssigkeit
auch so behandelt sein, daß sie eine geringe Flüssigkeitsabgabe aufweist, um das
Absickern durch die Poren der Formation zu verringern und damit die Anwendung geringerer
Drücke oder geringerer Pumpgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Nach dem Brechen gibt
man der Brechflüssigkeit im allgemeinen sofort eine Trägerflüssigkeit nach, die
ein in fester Teilchenform vorliegendes Stützmittel enthält, und diese Flüssigkeit
wird bei im wesentlichen demselben Druck gepumpt, wie für das Einpumpen der Brechflüssigkeit
angewandt wurde. Die Trägerflüssigkeit ist im allgemeinen eine viskos gemachte Flüssigkeit,
die die festen Stützmittel eine entsprechende Zeit lang suspendieren kann. Im allgemeinen
ist die Suspendierfähigkeit der Träger-Flüssigkeit gerade genügend, um das Stützmittel
so lange zu suspendieren, bis das Stützmittel aus dem Bohrloch in die Bruchspalte
getragen wird. Außer der Verringerung des Flüssigkeitsvsrlustes durch Viskosmachen
der Trägerflüssigkeit kann eine weitere Verringerung der Flüssigkeitsabgabe des
Trägers durch die Wände der Bruchspalte erfolgen, wenn man der Trägerflüssigkeit
Stopfmaterialien beigibt.
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Die bis jetzt angewandten Stützmittel bestanden fast immer aus im
allgemeinen runden Sandkörnern, die durch ein Sieb von 0,08 cm oder geringerer Maschenweite
gehen. Meistens besteht der Sand aus einem Gemisch mit Teilchengrößen zwischen 0,08
und 0,04 cm; unterbesonderen Umständen wurden kleinere Mengen im Größenbereich von
0,04 bis 0,02 cm und in sehr seltenen Fällen 0,20 bis 0,08 cm große Teilchen verwendet.
Schließlich
wird anschließend an die Ablagerung des Stützmittels in der Bruchspalte eine dritte
Flüssigkeit in das Bohrloch gepumpt, um das gesamte Stützmittel aus dem Bohrloch
in die Bruchspalte zu spülen und damit zu gewährleisten, daß der letzte Teil des
eingepreßten Stützmittels in der Bruchspalte abgelagert wird anstatt am Boden des
Bohrlochs. Diese letzte Flüssigkeit ist im allgemeinen eine viskose Flüssigkeit,
sie kann jedoch viskos oder nicht viskos sein und wird im allgemeinen als Nachspülfiüssigkeit
bezeichnet. Je nach der Art der zur Frac-Behandlung angewandten Flüssigkeiten kann
der Gewinnung des Lagerstätteninhaltes auch die Einführung eines Lösungsmittels
oder Verdünnungsmittels für die Frac-Flüssigkeiten vorausgehen. Jedoch können in
den meisten Fällen die Formationsflüssigkeiten selbst als Verdünnungsmittel dienen
und die Frac-Flüssigkeiten herausspülen.
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Die oben beschriebenen konventionellen Materialien und Techniken führen
zu einer wesentlichen Erhöhung der Permeabilität der behandelten Formation. In vielen
Fällen jedoch ist die natürliche Permeabilität einer Formation hoch, und die konventionellen
Frac-Verfahren sind nicht imstande, eine tatsächliche Erhöhung der Produktivität
zu schaffen. Außerdem sind viele öl- und gasproduzierenden Formationen bereits mindestens
einmal gefract worden. Obwohl die erste oder ursprüngliche Frac-Behandlung gewöhnlich
zu einer wesentlichen Erhöhung der Produktivität führt, nimmt diese Produktivität
nach und nach bis zu einem Punkt ab, wo eine zusätzliche Anregung der Produktion
erforderlich wird. In derartigen Fällen wird die Formation oft erneut gebrochen,
jedoch führt eine zweite oder folgende Frac-Behandlung offensichtlich nicht zu derselben
prozentualen Erhöhung der Produktivität wie die erste Behandlung. Es wurde gefunden,
daß die begrenzenden Faktoren, die die Erzielung maximaler Produktivitätserhöhungen
sowohl bei den ursprünglichen als auch bei den Wiederholungs-Frac-Verfahren verhindern,
sowohl von den angewandten Techniken als auch von den angewandten Materialien herrühren.
Bei den konventionellen Frac-Verfahren setzt sich der als Stützmittel angewandte
Sand in der Bruchspalte als feste Masse ab. Dies ist teilweise darauf zurückzuführen,
daß die Bruchspalte im allgemeinen viel weiter ist als der Durchmesser der Sandkörner.
Auch filtriert die als Trägerflüssigkeit für den Sand angewandte Flüssigkeit durch
die Wände der Bruchspalte ab, und der Sand wird in dem Träger konzentriert, wobei
der Flüssigkeitsverlust ansteigt, wenn der Abstand von dem Bohrloch wächst. Schließlich
ist die Tragfähigkeit der Trägerflüssigkeit oft nicht wirksam hinsichtlich der Suspendierung
des Sandes bis zum Schließen der Bruchspalte, und der Sand setzt sich am Boden der
Bruchspalte ab. Demgemäß häuft sich eine feste Masse von Stützmittel relativ geringer
Permeabilität entweder von dem entfernten Ende der Bruchspalte radial gegen das
Bohrloch oder von dem Boden der Bruchspalte vertikal gegen dessen obere Begrenzung
auf. Außerdem führt die Anwendung einer Nachspülung bei einer Frac-Behandlung leicht
dazu, den Sand in einer festen Multischichtmasse in der Bruchspalte zusammenzupacken.
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Es wurde nun gefunden, daß eine wesentlich erhöhte Permeabilität bei
Frac-Behandlungsverfahren erreicht werden kann, wenn man in derartige Bruchspalten
eine zusammenhängende oder nicht zusammenhängende gleichmäßige Schicht von der Stärke
eines Partikels des Stützmittels vorgegebener Größe und Festigkeit ablagert. Insbesondere
wird gemäß der Erfindung ein Verfahren geschaffen, wobei die Bruchspalten mit Partikeln
vorgewählter Größe und Festigkeit derart gestützt werden, daß die einzelnen Partikeln
unzusammenhängend in der Bruchspalte verteilt werden und somit das Fließen der Flüssigkeit
durch die Bruchspalte nicht mehr hindern und daß die Partikeln die Bruchspalten
weit genug offenhalten, damit sie nicht leicht mit Fremdkörpern verstopft wird und
damit die Enge der Bruchspalte das Fließen von Flüssigkeiten nicht ernsthaft hindert.
Das Verfahren der Erfindung kann ferner verbessert werden durch Anwendung gewisser
Materialien mit einer besonderen Form als vorgewähltes Stützmittel. Außerdem wurde
gefunden, daß das Volumen des obenerwähnten Stützmittels verringert werden kann
oder daß die Produktion unerwünschter Flüssigkeiten verringert werden kann, wenn
der Ablagerung der Monoschicht aus Stützmittel eine Multischichtmasse aus festen
Teilchen verschiedener Größe, Festigkeit und Art vorhergeht.
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Es gibt mehrere miteinander in Beziehung stehende Kriterien, die erforderlich
sind, um das Verfahren zur Ablagerung einer Monoschicht des Stützmittels, wie oben
angegeben, durchzuführen. Erstens soll das feste Stützmittel genügend groß sein,
um die Bruchspalte in einem genügenden Abstand offenzuhalten, damit dadurch ein
im wesentlichen ungehinderter Förderfiuß gewährleistet wird. Zweitens muß die Flüssigkeit,
die angewandt wird, um das Stützmittel in die Bruchspalte zu tragen, die Stützmittelteilchen
suspendieren, so daß sich diese nicht vor dem Schließen der Bruchspalte absetzen.
Drittens darf die Konzentration der in der Bruchspalte abgelagerten Partikeln nicht
so gering sein, daß der durch die Wände der Bruchspalte ausgeübte Druck die Festigkeitsgrenzen
der Stützpartikeln überschreitet und diese in kleine Fragmente zerkleinert, und
die Partikeln dürfen nicht in einer so hohen Konzentration abgelagert werden, daß
eine relativ undurchlässige feste Masse des Stützmittels resultiert und damit den
Förderfluß durch die Bruchspalte stört. Schließlich soll anschließend an die Ablagerung
der Stützteilchen keine Nachspülung erfolgen, da eine derartige Nachspülung die
Partikeln von dem Bohrloch wegwaschen würde, wo sie am meisten benötigt sind, und
dazu tendieren würde, die Partikeln in einer festen Masse zusammenzubacken.
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Es gibt eine Reihe von Techniken, die angewandt werden können, um
eine zusammenhängende oder nicht zusammenhängende Monoschicht groß geformter Stützmittel
in einer Bruchspalte gemäß der Erfindung abzulagern. Im folgenden werden einige
dieser Techniken diskutiert.
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Das erste und bevorzugte Verfahren umfaßt ein vierstufiges Verfahren.
Zuerst wird eine nicht behandelte Flüssigkeit, wie z. B. ein nicht modifiziertes
Rohöl, Wasser, Kerosen, Dieselöl od. dgl., in das Bohrloch gepreßt, um die für die
zur Verfügung stehende Ausrüstung mögliche Einpreßrate sowie die zu erwartenden
Drücke zu ermitteln. Dann wird eine große Menge einer Flüssigkeit, die bezüglich
ihres Flüssigkeitsverlustes behandelt wurde, eingepreßt, um die ursprüngliche Bruchspalte
zu verlängern und die Wände der Bruchspalte gegen weiteren Flüssigkeitsverlust
abzudichten.
Diese Flüssigkeit ist vorzugsweise gering viskos und enthält Stopfmaterialien. Nach
der Ausdehnung der Bruchspalte und> Behandlung der Wände der Bruchspalte zur Verringerung
des Flüssigkeitsverlustes wird die Bruchspalte erweitert, um die Einführung großgeformter
Partikeln zu ermöglichen. Dies erfolgt durch Einpressen einer hochviskosen Flüssigkeit.
Schließlich wird eine Trägerflüssigkeit, die feste partikelförmige Stützmittel vorgewählter
Größe und Art enthält, eingepreßt, um ein derartiges Stützmittel in der Bruchspalte
in einer mehr oder weniger zusammenhängenden Monoschicht abzulagern. Wie vorher
angegeben, soll diese Flüssigkeit imstande sein, das ausgewählte Stützmittel genügend
lange zu suspendieren, um die Partikeln in Suspension zu halten, bis sich die Wände
der Bruchspalte an die Partikeln schließen und sie in ihrer beabsichtigten unzusammenhängenden
Verteilung zu halten. Anschließend an das Einpressen der das Stützmittel enthaltenden
Trägerflüssigkeit soll ein Nachspülen nicht angewandt werden. Ein derartiges Nachspülen
spült die Partikeln nicht nur weg von dem Teil der Bruchspalte, die an das Bohrloch
angrenzt, wo es erforderlich ist, sondern führt auch leicht dazu, die Partikeln
in dem entferntesten Teil in der Bruchspalte zusammenzubacken. Tatsächlich wird
es bevorzugt, einige Hektoliter der Trägerflüssigkeit im Bohrloch stehenzulassen,
um die Chance eines zufälligen Nachspülens zu verringern. Dieses Volumen wird dann
von dem Bohrloch entfernt oder in die Oberfläche zurückzirkuliert, nachdem die Behandlung
vollendet ist.
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Das Volumen der eigentlichen Brechflüssigkeit, die in dieser jeweiligen
Technik angewandt wird, soll etwa 45-% des Gesamtvolumens der in der Gesamtoperation
angewandten Flüssigkeiten betragen. Außerdem kann die Trägerflüssigkeit von anderer
Art sein als die vorher angewandten Flüssigkeiten, um den Flüssigkeitsverlust der
Trägerflüssigkeit durch die Wände der Bruchspalte weiter zu verringern. Beispielsweise
können die ersten drei Flüssigkeiten und vorzugsweise die hochviskose Brechflüssigkeit
eine nicht teure Flüssigkeit auf Wasserbasis sein, und die Trägerflüssigkeit kann
ein Rohöl oder eine andere Flüssigkeit sein, die mit der vorherigen Flüssigkeit
nicht mischbar ist. Durch Anwendung von nicht mischbaren Flüssigkeiten ist es möglich,
wegen der Kapillarwirkung der Flüssigkeiten den Flüssigkeitsverlust der Trägerflüssigkeit
zu verringern.
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Es wurde oben bereits angegeben, daß das primäre Ziel der vorliegenden
Erfindung darin besteht, ein Stützmittel in der Bruchspalte in einer mehr oder weniger
zusammenhängenden Monoschicht abzulagern, oder mit anderen Worten, eine dünne Verteilung
des Stützmittels in der Bruchspalte zu bewirken. Bei dem oben angegebenen Verfahren
ist die Konzentration des Stützmittels in der Bruchspalte im wesentlichen dieselbe
wie die Konzentration des Stützmittels im Träger bei der Injizierung in das Bohrloch
am Bohrlochkopf. Dies ist der Fall, da die Bruchspalte behandelt wurde, um das Absickern
wesentlich zu verringern, und die Trägerflüssigkeit wird nicht in einem nennenswerten
Maß absickern, und somit die Partikeln in der Bruchspalte konzentrieren.
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Einer der primären Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht in
der Anwendung von festen, partikelförmigen Stützmitteln, die viel größer sind als
die bis jetzt angewandten. Es wurde gefunden, daß, wenn derartig große Partikeln
dünn in der Bruchspalte verteilt werden, ein wesentlich verbesserter Förderfluß
durch die Bruchspalte resultiert. Demgemäß soll die Größe der angewandten Partikeln
so groß wie möglich fein und sich der Weite der Bruchspalte nähern, da die Bruchspalte
um so weiter offengehalten wird, je größer die Partikeln sind. Wenn jedoch der Durchmesser
der Partikeln der Weite der Bruchspalte zu nahe kommt, besteht die Möglichkeit,
daß die Partikeln in der Bruchspalte eher eine Brücke bilden, als daß sie - wie
gewünscht - in der Bruchspalte verteilt werden. Demgemäß ist es bevorzugt, daß die
angewandten Partikeln einen Durchmesser besitzen, der etwa die Hälfte der voraussehbaren
Weite der Bruchspalte besitzt. Um deshalb den Durchmesser des anzuwendenden Stützmittels
zu bestimmen, sollte man Kenntnis von der zu erwartenden Weite der Bruchspalte besitzen.
Erfahrung auf dem Gebiet und Laboratoriumsversuche geben die Möglichkeit, die zu
erwartende Weite der Bruchspalte genau zu bestimmen. Jedoch gehört zu einer derartigen
Bestimmung die Anwendung komplexer mathematischer Formeln, was für praktische Zwecke
nicht erforderlich ist.
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Für eine vertikale Bruchspalte gilt:
wobei w die Bruchspaltenweite in Zentimeter, Q die Einpreßmenge pro Zeiteinheit
(m3/Min.), ,u die Viskosität der Flüssigkeit in Centipoisen, VT das Gesamtvolumen
der eingepreßten Flüssigkeit (Liter), E den Youngs-Modul der gebrochenen Formation
(kg/m2) und h die Höhe der Bruchspalte (m) darstellt.
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Für einen horizontalen Bruch gilt:
Bei Anwendung der obigen Formeln kann die Viskosität durch konventionelle Laboratoriumsmessungen
bestimmt werden. Der Youngs-Modul variiert von 1,42 - 103 bis 18,46 - 103 für gewöhnliche
Erdformationen und kann durch Anwendung von Standardlaboratoriumstechniken mittels
Formationsproben bestimmt werden. Jedoch kann man annehmen, daß der Youngs-Modul
im Durchschnitt 7,10 - 106
beträgt, und eine derartige Annahme führt zu keinem
zu großen Fehler bei der berechneten Weite. Die Höhe des Bruchs (wenn er vertikal
ist) kann im allgemeinen als gleich der Dicke der gebrochenen Formation angenommen
werden, insbesondere, da im allgemeinen Sorge getragen wird, eine Ausdehnung des
Bruchs in die Formationen (gewöhnlich Schieferton) über oder unter der interessierendem
Formation zu vermeiden.
Die Erfahrung bei der Durchführung der vorliegenden
Erfindung sowie die Erfahrung bei konventionellen Bruchtechniken hat gezeigt, daß
die obigen Formeln genügend genau sind, um die Wahl eines Stützmittels geeigneter
Größe zu ermöglichen. Wegen der großen Erfahrung, die bei Frac-Arrbeiten gewonnen
werden, besitzen die Arbeitsgruppen, die Frac-Arbeiten durchführen, im allgemeinen
eine genügend genaue Kenntnis der Größe der Brüche, die man im allgemeinen in einem
bestimmten Gebiet erhält, und darüber, ob dieselben vertikal oder horizontal sind.
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Außerdem ist es innerhalb gewisser Grenzen auch möglich, einen Bruch
jeder gewünschten Größe zu erhalten und den Bruch entweder in vertikaler oder horizontaler
Richtung zu orientieren. Die maximale Bruchweite, die erreichbar ist, ist durch
die Kosten der Behandlung und durch die anfallenden Risiken begrenzt. Die Hauptgefahr,
die bei der Bildung extrem großer Brüche besteht, ist die Möglichkeit, daß sich
der Bruch über die Grenzen der zu behandelnden Formation erstreckt. Im allgemeinen
wird bei Anwendung konventioneller Frac-Verfahren ein vertikaler Bruch in jeder
Formation, die tiefer als etwa 900 m unter der Oberfläche liegt, erzeugt und ein
horizontaler oder vertikaler Bruch bei geringen Tiefen. Es gibt jedoch gewisse Techniken,
wie z. B. Kerben der Formation, selektive Anwendung gewisser Frac-Flüssigkeiten
usw., die es bis zu einem gewissen Grad ermöglichen, zu steuern, ob der Bruch vertikal
oder horizontal verlaufen wird.
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Die Stützmittel, die gemäß der Erfindung angewandt werden können,
sind im allgemeinen Substanzen, die nicht in kleine Fragmente zerbrechen, wenn sie
den hohen Drücken, die von den Wänden der Bruchspalte ausgeübt werden, ausgesetzt
werden. Derartige Substanzen sollen vorzugsweise imstande sein, eine Belastung über
18 kg pro Partikel auszuhalten, ohne in kleine Fragmente zu zerbrechen. Eine Gruppe
derartiger Substanzen sind die Metalle, keramische und plastische Stoffe, z. B.
Aluminium, Glas usw. Abgesehen von derartigen Materialien, kann man auch großkörnigen
Sand oder andere natürlich vorkommende Gesteinsmaterialien oder natürlich vorkommende
organische Materialien verwenden, wie z. B. Walnußschalen, Pfirsichkerne usw., solange
diese eine genügende Festigkeit zeigen. Außerdem sollen die gemäß der Erfindung
angewandten Partikeln einen Durchmesser von 0,08 cm oder größer und nicht über etwa
0,6 cm besitzen.
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Obwohl die Ablagerung der obenerwähnten Stützmittel in einer dünnen
Monoschicht in der Bruchspalte zu einer hochpermeablen gestützten Bruchspalte führt,
kann in gewissen Fällen eine weitere Verbesserung erzielt werden durch Anwendung
von derartigen Substanzen, die vor der Verwendung zu flachen, im allgemeinen scheibenförmigen
Partikeln geformt wurden. In gewissen, relativ weichen Formationen neigen sphärische
Partikeln dazu, sich in die Wände der Brüche einzulagern, und die Vorteile der Anwendung
großer Partikeln sind beträchtlich verringert. Wenn jedoch scheibenförmig geformte
Partikeln eingeführt werden, werden die Partikeln eine große, flachtragende Oberfläche
haben, um die Bruchwände zu stützen, und das Einlagern wird wesentlich reduziert.
Diese scheibenförmigen Partikeln können durch Ausstampfen aus dünnen Materialfolien
gebildet werden oder indem man runde Partikeln des Materials durch Walzen treibt.
Wenn diese »Scheiben« durch Walzen gebildet werden, wird ein weiterer Vorteil erhalten,
da gewisse dieser Materialien, wie z. B. Aluminium, während des Walzens durch die
Härtung während der Bearbeitung fester werden. In jedem Fall sollen die erwähnten
Scheiben einen durchschnittlichen maximalen Durchmesser zwischen etwa 0,08 und 0,6
cm besitzen und eine durchschnittliche Belastung von über 18 kg pro Partikel aushalten
können, ohne in kleine Fragmente zu zerbrechen.
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Wenn man das gewünschte Stützmittel nach Art und Größe ausgewählt
hat, wird es erforderlich, eine Trägerflüssigkeit auszuwählen, die die Partikeln
während der gewünschten Zeit suspendieren kann, so daß derartige Partikeln in dem
Bruch dünn verteilt werden können. Gemäß der Erfindung wurde gefunden, daß eine
solche Trägerflüssigkeit angewandt werden soll, in der das Stützmittel eine Absetzgeschwindigkeit
von weniger als 0,03 m pro Minute besitzt. Wenn sich das Stützmittel in der Trägerflüssigkeit
mit einer größeren Geschwindigkeit absetzt, setzen sich die Partikeln in der Bruchspalte
ab und häufen sich zu einer vielschichtigen festen Masse aus Partikeln. Die Absetzgeschwindigkeit
der Partikelsubstanz in einer Trägerflüssigkeit kann mit konventionellen Laboratoriumsmaßnahmen
bestimmt werden, wie sie dem Fachmann bekannt sind.
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Wie oben ausgeführt, soll die Konzentration des Stützmittels in der
entsprechenden Trägerflüssigkeit ebenfalls vorgewählt werden, um den Anforderungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens zu entsprechen. Diese Konzentration ist ebenso
groß oder geringer als jene Konzentration, die zu einer Ablagerung einer Monoschicht
des Stützmittels in der Bruchspalte führt, wobei die Partikeln physikalischen Kontakt
miteinander haben, jedoch größer als die Konzentration, die ein Zerbrechen der Partikeln
in kleine Fragmente unter dem Druck der Bruchwände ergeben würde. Da bei der oben
beschriebenen Technik die Trägerflüssigkeit nicht durch die Wände der Bruchspalte
absickert, ist die abgelagerte Konzentration in der Bruchspalte dieselbe wie die
Konzentration der Partikeln in dem Träger an der Oberfläche. Diese Konzentration
kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:
wobei C die Konzentration des Stützmittels in seinem Träger (pounds pro gallon Suspension);
m die Masse der Partikeln des Stützmittels (pounds pro Partikel), n die Zahl der
Partikeln pro Flächeneinheit (square inch), d der Durchmesser der Partikeln des
Stützmittels (inches) ist. Die maximale Konzentration der Partikeln kann bestimmt
werden, indem man 1 durch das Quadrat des Durchmessers der Partikeln gewählter Größe
teilt, wobei man n erhält (die Zahl der Partikeln pro square roch, die miteinander
in Kontakt sind) und in Formel (C) einsetzt. Dieses Maximum ist in vielen
Fällen
größer- als die Konzentration, die eine zur Zeit verfügbare Pumpvorrichtung bewältigen
kann, und deshalb können geringere Konzentrationen wünschenswert sein. Die minimal
anzuwendende Konzentration des Stützmittels basiert auf der Festigkeit der Partikeln
selbst. Diese Minimalzahl der Partikeln pro square inch der Bruchfläche (n) kann
bestimmt werden, indem man den Druck, der von den Bruchwänden ausgeübt wird, durch
die Festigkeit der Partikeln in pound pro Partikel teilt und wieder in Formel (C)
einsetzt. Der Druck, der von den Bruchspaltenwänden ausgeübt wird, ist im allgemeinen
für ein gegebenes Gebiet bekannt und liegt in dem Bereich von 0,028 bis 0,063 kg/cm2
pro 0,3 m Tiefe unter der Oberfläche oder etwa 0,042 kg/cm2 pro 0,3 m Tiefe. Die
Festigkeit der Partikeln kann bestimmt werden, indem man an einen einzigen Partikel,
die sich zwischen zwei parallelen Platten befindet, einen Druck anlegt und den Druck
beobachtet, bei dem die Partikel in kleine Fragmente. bricht. Es kann eher ein durchschnittlicherWert
als einWert für individuelle Partikel erhalten werden, indem man ähnlicherweise
eine Reihe von Partikeln zwischen die parallelen Platten setzt -und dann den Zerbrechungsdruck
dividiert durch die Anzahl der Partikel. Bei dieser Bestimmung sollen die - angewandten
Platten härter sein als die -zu prüfenden Partikeln, so daß die Partikeln nicht
in die Platten eingebettet werden und damit eine ungenaue Messung ergeben. Wenn
auf das Zerbrechen der großformigen Stützmittel in kleine Fragmente - Bezug. genommen
wird, sollen mehrere Charakteristika der vorher angeführten Stützmittel hervorgehoben
werden, um die Bedeutung dieser Festigkeitsgrenze deutlich zu machen. Einige - der
großgeformten Stützmittel der oben angegebenen Art werden in große Stücke zerbrechen,
-wenn hohe Drücke angewandt werden, die den Drücken der Bruchwände gleich sind.
Sie werden jedoch bei einer tatsächlichen Behandlung ihren Platz zwischen den Platten
oder den Wänden der Bruchspalte beibehalten. Andere große Partikeln der oben beschriebenen
Art werden sich unter Druck verflachen oder deformieren. In jedem Fall jedoch bleiben
die Stützteile am Platz, und infolge eines derartigen Zerbrechens oder Verflachens
kommt es zu keiner nennenswerten Verringerung der Permeabilität einer solchen dünnen
Lage der Stützteilchen. Andererseits-'brechen Materialien, die zur Verwendung gemäß
der Erfindung nicht geeignet sind, in kleine Fragmente, die dicht zusammenbacken,
wenn Bruchwanddrücke angewandt werden. Wegen einer derartigen Zertrümmerung und
engen Zusammenbackung ist die Permeabilität einer mit derartigen Materialien gestützten
Bruchspalte wesentlich geringer, als sie -gemäß der Erfindung erhalten werden kann
und tatsächlich nicht besser als die einer Multischichtniasse aus Stützteilchen
viel geringerer Größe. Deshalb ist die begrenzende minimale Festigkeit der großgeformten
Stützteilchen gemäß der =Erfindung die Last pro Partikel, bei der das Material in
kleinere Fragmente als mit einem Durchmesser von etwa 0,08 cm bricht. Wie oben ausgeführt,
wurde gefunden, daß großgeformte Stützmittel mit einer Festigkeit entsprechend der
vorliegenden Definierung von mindestens 18 kg pro Partikel -bei der Durchführung
der vorliegenden- Erfindung angewandt werden sollen:, -Die Konzentration des gemäß:
der-Erfindung anzuwendenden- großgeformten - Stützmittels -kann - auch experimentell
imLaboraterium bestimmt werden. Diese Laboratoriumsmessungen wurden sorgfältig mit
den tatsächlich gemachten Erfahrungen in Beziehung gesetzt und haben eich bei einem,
derartigen Vergleich als wertvoll erwiesen. Deshalb sind diese Tests bevorzugt,
verglichen mit den oben angegebenen Bestimmungen, da das wie früher bestimmte Maximum
oft höher liegt, als von verfügbaren Pumpen bewältigt werden kann; und da das Minimum
die Tatsache nicht berücksichtigt, daß die Partikeln dazu neigen, sich -in die Wände
-der Bruchspalte einzulagern, wodurch eine gestützte Bruchspalte resultiert, deren
effektive Weite geringer ist als der Durchmesser der Partikeln.
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Die obenerwähnten Laboratoriumstests können in verschiedenen Arten
von Apparaten durchgeführt werden. Im einen Fall wird ein zylindrischer Kern aus
der zu brechenden Formation in zwei Zylinder geschnitten; und längs der Zentralachse
jeder Hälfte wird ein Loch gebohrt: Die- eine Hälfte des Kerns wird auf den Boden
eines geeigneten zylindrischen Behälters gegeben, der sich dazu eignet, das Splittern
des Kerns zu verhindern. Die gewünschte Zahl der ausgewählten Stützpartikeln wird
auf diese Hälfte des Kerns gegeben; und, die andere Hälfte- des Kerns wird auf die
Partikeln gegeben: Ein' Gefäßdeckel mit einer Öffnung,- die mit' dem Loch -irr dem
Kern verbunden ist und der in den Behälter gleiten kann, wird auf die zweite Hälfte'
des Kerns gegeben. In den Seiten- des Behälters -gegenüber der Schicht aus Stützpartikeln
werden 'Öffnungen vorgesehen. Es wird ein Druck an den Deckel angelegt, der dem
vorgegebenen Druck der Wände der Bruchspalte gleich ist und durch'-die Deckelöffnung;
durch das Loch in dem Kern, radial durch die@Schicht'der Stützpartikeln und dann
aus den Öffnungen ih der Seite des Behälters wird eine Flüssigkeit eingepreßt. Es
wird der Unterschied zwischen der Einpreßgeschwindigkeit und det Abflußgesehwiridigkeit
bestimmt und die Leitfähigkeit (Leitfähigkeit = Durchlässigkeit X Spaltweite. Sie
wird in Darcy X Zentimeter ausgedrückt) der Schicht durch Anwendung des -D'arcyschen
Gesetzes berechnet, wobei die Fläche des Zylinders bekennt ist. Für eine andere-:Apparateform
wird ein Formationskern '-lorigitudinälverwendet. Das Stützmittel wird zwischen
@die beidäh Hälften gegeben, und der Kerti wird dann in eine Hassler-Zelle gegeben,
die ihrerseits in' einen geeigneten- Behälter gesetzt wird. Durch Einpressen einer
Flüssigkeit in den ringförmigen Raum-der Ha§sler-Zelle wird Druck angelegt. Es konnit
zü=einem Flüssigkeitsstrom durch die Partikelschicht- durch eine Öffnung. an dem
einen Ende des Behälters;: und die Flüssigkeit wird durch eine Öffnung an dem entgegengesetzten
Ende des Behälters gesammelt.- Die Leitfälligkeit der Stützpartikelschicht wird
in derselben Weise; wie vorher erklärt, bestimmt: Gegebenenfalls können an,
Stelle der Formationsproben Metallplatten angewandt ,werden. In diesem Fall soll
das- Metall in etwa dieselbe Härte besitzen` wie- die zu brechende Formation, und
die Oberflächen sollen vorzugsweise aufgerauht werden, um die Flächen ekier Forinati6nsbrüchspalte
nachzuahmen. Es- werden :eine Vielzahl dieser Tests dürehgeführt, beginnend mit
den -Partikeln einer Monoschicht -in -physikalischem Kontakt miteinander und dann
bei geringeren Konzentrationen. .Die bestimmten Leitfähigkeiten können dann gegen
-die Konzentration der-Pärtikeln`äüfgetragenwerden.-- -
Wenn man
die oben angegebenen Leitfähigkeitsbestimmungen durchgeführt hat, wird man finden,
daß es zwischen den angegebenen Maximum- und Minimumkonzentrationen eine Konzentration
gibt, die eine maximale Leitfähigkeit ergibt und ein Gleichgewicht darstellt zwischen
einer hohen Konzentration, die das Fließen der Flüssigkeit durch die Bruchspalte
beschränkt, und einer geringen Konzentration, die ein Einbetten des Stützmittels
in die Formation oder eine übermäßige Deformierung zuläßt. Bei Anwendung der oben
beschriebenen Tests hat sich gezeigt, daß die minimale Leitfähigkeit oder die minimale
Konzentration an Partikeln, die gemäß der Erfindung angewandt werden können, eine
solche ist, die zu einer Leitfähigkeit von 2,54 - 104 Milli-Darcy-Zentimeter führt.
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Alternativ zu der Messung der Leitfähigkeit kann die effektive Weite
der »nachgemachten« Bruchspalte zur Bestimmung der Konzentration angewandt werden.
Es wurde gefunden, daß die minimale oben angegebene Leitfähigkeit erhalten wird,
wenn die Endweite oder effektive Weite der Bruchspalte 0,15 cm beträgt. Daher können
die obenerwähnten Tests ausgeführt werden mit der Ausnahme, daß man an Stelle der
Leitfähigkeit die End- oder effektive Weite der nachgemachten Bruchspalte mißt und
eine Teilchenkonzentration auswählt, die eine Weite von mindestens 0,15 cm ergibt.
Bei Durchführung der vorher beschriebenen Technik ist es manchmal wünschenswert,
einen konventionellen Stützsand mit einer Partikelgröße unter etwa 0,08 cm über
dem großen, nicht zusammenhängenden Stützmittel anzuwenden. Eine derartige Anwendung
des Sandes in Verbindung mit dem großen Stützmittel verringert nicht nur das Volumen
des erforderlichen großen Stützmittels, sondern bietet auch einen gewissen Sicherheitsgewinn,
wenn das große, unzusammenhängende Stützmittel nicht wirkt, wie erwartet.
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Die Einführung von Sand über das große, nicht zusammenhängende Stützmittel
kann erfolgen, indem der Sand in der viskosen, bruchweitenden Flüssigkeit suspendiert
wird, wobei der Sand in dieser Flüssigkeit eine Absetzgeschwindigkeit von weniger
als etwa 0,03 m pro Minute besitzt. Durch Einführung des Sandes auf diese Weise
wird er bis an das entfernteste Ende der Bruchspalte getragen und dort als feste
Multischichtmasse konzentriert. Das große Stützmittel wird anschließend auf jenen
Teil der Bruchspalte abgelagert, der sich von dem Gebiet der Sandmasse bis zu dem
Bohrloch erstreckt. Wenn der Bruch vertikal ist, kann als Alternative der Sand dem
letzteren Teil der flüssigkeitsverlustarmen und bruchverlängernden Flüssigkeit zugegeben
werden. In diesem Fall wird sich der Sand von der Flüssigkeit absetzen und am Boden
der Bruchspalte eine feste Multischichtmasse bilden, da seine Absetzgeschwindigkeit
in der Flüssigkeit größer sein wird als etwa 0,03 m pro Minute. Wenn dann die Bruchspalte
geweitet ist, um das große Stützmittel zuzulassen, wird das großformige Stützmittel
in dünner Verteilung über der festen Sandmasse abgelagert.
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Es ist ebenfalls möglich, die vorliegende Erfindung durchzuführen,
wenn man eine modifizierte Version des oben in der Einführung diskutierten konventionellen
Bruchverfahrens anwendet. Bei derartigen konventionellen Verfahren werden während
der Bruchbehandlung zwei Flüssigkeiten angewandt. Die erste Flüssigkeit ist eine
eindringende Flüssigkeit, die dazu bestimmt ist, einen Bruch in der fraglichen Formation
zu erzeugen, oder einen bestehenden Bruch zu verlängern. Diese Flüssigkeit kann
zur Regulierung ihres Flüssigkeitsverlustes behandelt werden, oder der erste Anteil
kann unbehandelt sein, und der letzte Anteil kann zur Steuerung desjlussigkeitsverlustes
behandelt sein. Sofort anschließend an das Einpressen der Brechflüssigkeit wird
eine viskose Trägerfiüssigkeit, die ein Stützmittel enthält, eingepreßt.
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An diesem Punkt weicht das Verfahren der Erfindung von der konventionellen
Behandlung ab. Bei dem Verfahren der Erfindung wird eine beträchtliche Menge an
Sand üblicher Größe (unter etwa 0,08 cm) dem ersten Teil der Trägerflüssigkeit zugesetzt
und vor der Ablagerung einer dünnen Verteilung großgeformten Stützmittels in der
Bruchspalte abgelagert. Es ist natürlich wünschenswert, daß der Sand in den entferntesten
Stellen der Bruchspalte abgelagert wird.
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Demgemäß wird der Sand mit Hilfe einer Trägerflüssigkeit abgelagert,
die imstande ist, den Sand längere Zeit zu tragen, so daß der Sand bis an das Ende
der Bruchspalte gebracht wird und sich nicht nahe am Bohrloch absetzt. Dies kann
durch Anwendung einer Trägerflüssigkeit erfolgen, worin die Absetzgeschwindigkeit
des Sandes geringer ist als 0,03 m pro Minute. Nach der Ablagerung des Sandes wird
das ausgewählte großgeformte Stützmittel in demselben oder einer anderen Trägerflüssigkeit
suspendiert. Bei der Ablagerung der unzusammenhängenden Verteilung des großen Stützmittels
werden dieselben Kriterien gebraucht, die bei dem vorherigen Verfahren für die Bestimmung
der Art und Größe des Stützmittels und der Konzentration des Stützmittels in der
Trägerflüssigkeit angewandt wurden. Diese Kriterien bewirken im vorliegenden Fall
dasselbe wie für den Fall, daß die Bruchspalte vorher behandelt wurde, um das Absickern
der Trägerflüssigkeit zu verringern, da dem großgeformten Stützmittel eine wesentliche
Menge an Sand in einem hochviskosen Täger vorausgeht. Da gleichzeitig das geringe
Volumen an großgeformtem Stützmittel eingeführt wird, ist das Absickern im wesentlichen
wieder gleich Null. Deshalb kann das Absickern des Trägermittels, das das großgeformte
Stützmittel enthält, wiederum vernachlässigt werden, und die Konzentration des in
das Bohrloch zu pumpenden Stützmittels wird dieselbe sein wie die abzulagernde Konzentration
in dem Bruch selbst. Wenn das großgeformte, unzusammenhängend verteilte Stützmittel
mit Hilfe des oben angegebenen konventionellen Zweistufenverfahrens abgelagert wird,
soll das Volumen des vor dem großen Stützmittel angewandten Sandes größer sein als
etwa 50% des Gesamtvolumens des angewandten Stützmittels.
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Bei dem zuletzt beschriebenen Verfahren können die Brechflüssigkeit
und die Trägerflüssigkeit so gewählt werden, daß sie miteinander nicht mischbar
sind und damit das Absickern der Trägerflüssigkeit verringern, wie es vorher bei
der Beschreibung des ersten Verfahrens der Ablagerung spärlicher Massen großer Stützmittel
diskutiert wurde.
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Wenn das eben beschriebene Verfahren angewandt wird und der Sand in
einer nichtviskosen Flüssigkeit eingepreßt wird, wobei er sich in diesem Fall absetzen
wird unter Bildung einer festen Multischichtsandmasse am Boden der Bruchspalte (der
Sand setzt sich in seinem Träger mit einer Geschwindigkeit von über 0,03 m pro Minute
ab), oder wenn aus irgendwelchen
anderen Gründen ein nennenswertes
Absickern der das große Stützmittel enthaltenden Trägerflüssigkeit auftritt, soll
die Konzentration des großgeformten Stützmittels in der Trägerflüssigkeit über Tage
variiert werden, um eine gleichmäßige, unzusammenhängende Verteilung des großgeformten
Stützmittels in dem Bruch zu erhalten. Die maximale Menge an großem Stützmittel
pro Volumen Trägerflüssigkeit am Ende der Behandlung kann noch bestimmt werden,
wie vorher angegeben, und wird der in der Bruchspalte gewünschten Konzentration
gleich sein. Wegen des Absickerns der Trägerflüssigkeit jedoch, das am Beginn des
Einpressens ein Maximum erreicht, soll die Konzentration des großen Stützmittels
in dem ersten Anteil vergleichsweise gering sein, und diese Konzentration soll dann
kontinuierlich von diesem Minimum bis zu dem vorher festgesetzten Maximum bei fortschreitender
Ablagerung variieren. Die anfängliche Konzentration des Stützmittels in der Trägerflüssigkeit
und alle späteren Konzentrationen können bestimmt werden, indem man das Volumen
der Trägerflüssigkeit berechnet, das durch die Wände der Bruchspalte in Abhängigkeit
von der Zeit absickert. Das abgesickerte Volumen kann von dem eingepreßten Volumen
bis zu der in Frage stehenden Zeit subtrahiert werden, wobei man das Volumen der
Trägerflüssigkeit in der Bruchspalte als Funktion der Zeit erhält. Derartige Berechnungen
sind dem Fachmann gut bekannt, und eine Basis zur Berechnung des Volumens ist in
»Optimum Fluid Characteristics for Fracture Extension« von G. C. Howard und C. R.
Fast, API Drilling and Production Practices (1957), S. 261, beschrieben. Es kann
dann das Volumen der Trägerflüssigkeit in der Bruchspalte gegen die Zeit aufgetragen
werden, und die zu irgendeinem Augenblick einzupressende Konzentration des Stützmittels
kann aus dieser Auftragung bestimmt werden.
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Die in dieser Weise bestimmte Konzentration wird für den ersten Anteil
der Trägerflüssigkeit im wesentlichen gleich Null sein, langsam anwachsen und dann
schneller anwachsen, bis im letzten Anteil der Trägerflüssigkeit die maximale Konzentration
erreicht ist. Offensichtlich ist es unpraktisch, die Konzentration des Stützmittels
kontinuierlich zu variieren. Deshalb kann aus praktischen Gründen die Kurve des
Volumens derTrägerflüssigkeit in der Bruchspalte gegen die Zeit durch eine Stufenfunktion
angenähert werden, und die Konzentration der Stützpartikeln kann durch Einführung
einer Reihe von Trägerflüssigkeitsanteilen, wobei die Konzentration in jedem Anteil
konstant ist, wobei jedoch jeder folgende Anteil eine größere Konzentration enthält
als der vorhergehende, variiert werden.
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Es soll hier wiederholt werden, daß die unzusammenhängende Verteilung
der großgeformten Stützmittel vorzugsweise in der Bruchspalte so nahe am Bohrloch
als möglich abgelagert wird. Demgemäß soll ein Nachspülen der Trägerflüssigkeit
mit den großen Stützmitteln in allen drei diskutierten Techniken nicht durchgeführt
werden; d. h., die letzten wenigen Hektoliter der Trägerflüssigkeit mit großem Stützmittel
sollen eher in dem Bohrloch gelassen werden, als in die Bruchspalte gepumpt werden.
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Wenn ein Frac-Verfahren zur Bildung vertikaler Brüche führt, wird
eine derartige Bruchbildung auch die Produktion von Wasser erhöhen, das im allgemeinen
in einer ölproduzierenden Formation unter der öltragenden Zone vorhanden ist. Es
ist deshalb wünschenswert, diese Produktion an Wasser, wenn möglich, zu verringern.
Gemäß der Erfindung wurde gefunden, daß eine Verringerung der Randwasserproduktion
erreicht werden kann, wenn der Ablagerung der unzusammenhängend verteilten, großgeformten
Stützmittel eine Ablagerung einer Multischichtmasse kleingeformter Stopfmittel vorangeht.
Derartige Stopfmittel sind vorzugsweise wasserunlöslich, wie z. B. Baryt, Calciumcarbonat,
behandelte Holzspäne, Sägemehl, Mischungen dieser Materialien mit kleinkörnigem
Sand usw. Diese Stopfmittel sollen einen Durchmesser von unter 0,08 cm besitzen
und in einer Trägerflüssigkeit eingeführt werden, in welcher sich die Stopfmittelpartikeln
mit einer größeren Geschwindigkeit als 0,03 m pro Minute absetzen. Durch Einführung
des Stopfmittels in einer Trägerflüssigkeit, in der sich die Partikeln mit einer
Geschwindigkeit von über 0,03 m pro Minute absetzen, wird auf dem Boden der Bruchspalte
eine feste Multischichtmasse aus Stopfmittel abgelagert. Anschließend wird das großgeformte
Stützmittel in dünner Verteilung über dem Stopfmittel durch Einführung des Stützmittels
gemäß Verfahren I oder 1I abgelagert.