NO301293B1

NO301293B1 - Method for keeping open cracks radiating from a well in a geological formation and preparation for use in the method

Info

Publication number: NO301293B1
Application number: NO931126A
Authority: NO
Inventors: William Clive Stening Meredith; Peter James Loose
Original assignee: Hepworth Minerals & Chemicals
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1997-10-06
Also published as: EP0562879A2; DE69310596D1; EP0562879B1; DE69310596T2; NO931126L; MX9301713A; GB2265398B; DK0562879T3; GB9206780D0; EP0562879A3; GB2265398A; NO931126D0

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og midler til å holde åpne sprekker som stråler ut fra en brønn i en geologisk formasjon. For å stimulere produksjon av olje og gass fra underjordiske brønner har det blitt standard praksis å brekke opp den olje- eller gassførende formasjon hydraulisk slik at sprekkene stråler ut fra brønnen. Sprekkene danner kanaler for strømmen av olje og/eller gass til brønnen, og fremmer produksjonstakten fra brønnen. Det trykk som råder i den oppbrutte formasjon vil søke å lukke sprekkene, medmindre de holdes åpne ved innføring av materiale i sprekkene. The present invention relates to a method and means for keeping open cracks radiating from a well in a geological formation. In order to stimulate the production of oil and gas from underground wells, it has become standard practice to hydraulically fracture the oil or gas-bearing formation so that the cracks radiate out from the well. The cracks form channels for the flow of oil and/or gas to the well, and promote the rate of production from the well. The pressure prevailing in the fractured formation will seek to close the cracks, unless they are kept open by introducing material into the cracks.

Det er kjent å holde åpne sprekker som stråler ut fra en brønn ved å innføre harpiks-belagte proppekorn i sprekkene. Kornene er suspendert i en gel for overføring ned gjennom brønnen og inn i sprekkene. Nedbrytning av gelen foregår i sprekkene og frembringer en væske som kan strømme bort fra kornene og etterlate disse avsatt i sprekkene. De forhold med hensyn til temperatur og trykk som kornene er utsatt for i sprekkene resulterer i binding av kornene i en sammenhengende masse ved hjelp av harpiksen. It is known to keep open fractures radiating from a well by introducing resin-coated plug grains into the fractures. The grains are suspended in a gel for transfer down through the well and into the cracks. Decomposition of the gel takes place in the cracks and produces a liquid that can flow away from the grains and leave them deposited in the cracks. The conditions with respect to temperature and pressure to which the grains are exposed in the cracks result in the binding of the grains into a cohesive mass by means of the resin.

I den hensikt å begunstige nedbrytningen av gelen inne In order to favor the breakdown of the gel inside

i sprekkene, er det i gelen innlemmet en kilde av fri-radikaler eller annet passende middel. Et persulfat er et passende nedbrytningsmidddel for gelen. Ved en temperatur i området 50 til 90°C frembringer et persulfat-nedbrytningsmiddel frie radikaler. Disse frie radikaler er imidlertid reaktive overfor hapiksen som overtrekker proppekornene, slik in the cracks, a source of free radicals or other suitable agent is incorporated into the gel. A persulfate is a suitable breaking agent for the gel. At a temperature in the range of 50 to 90°C, a persulfate decomposer produces free radicals. However, these free radicals are reactive towards the hapix that coats the plug grains, like this

at effektiviteten hos nedbrytningsmidlet for å bevirke gelens nedbrytning påvirkes i negativ retning. For å avhjelpe dette problem er det kjent å innlemme en relativt høy andel av nedbrytningsmidlet i gelen, men dette fører til fare for gelnedbrytning før gelen har nådd den nødvendige posisjon i sprekkene. For tidlig nedbrytning av gelen kan for eksempel føre til dannelse av et sammenhengende legeme av harpiks-bundne korn i brønnen. that the effectiveness of the disintegrant to effect the gel's degradation is adversely affected. To remedy this problem, it is known to incorporate a relatively high proportion of the disintegrant in the gel, but this leads to the risk of gel breakdown before the gel has reached the required position in the cracks. Premature degradation of the gel can, for example, lead to the formation of a continuous body of resin-bound grains in the well.

I overensstemmelse med en første aspekt ved den foreliggende oppfinnelse er det skaffet tilveie en fremgangsmåte til å holde åpne sprekkene som stråler ut fra en brønn i en geologiske formasjon, hvor et harpikspreparat påføres på relativt inerte korn og et beskyttende belegg påføres på kornene over harpikspreparatet, og hvor de belagte korn suspenderes i en gel inneholdende et nedbrytningsmiddel for gelen, idet de suspenderte korn innføres ned i brønnen og inn i nevnte sprekker, og når samme befinner seg i sprekkene, brytes gelen ned under innvirkning fra nedbrytningsmidlet, og det beskyttende belegg brytes ned, og harpikspreparatet binder kornene til en sammenhengende, porøs masse. In accordance with a first aspect of the present invention, there is provided a method of holding open the cracks radiating from a well in a geological formation, wherein a resin composition is applied to relatively inert grains and a protective coating is applied to the grains over the resin composition, and where the coated grains are suspended in a gel containing a disintegrant for the gel, the suspended grains being introduced into the well and into said cracks, and when they are in the cracks, the gel is broken down under the influence of the disintegrant, and the protective coating is broken down, and the resin preparation binds the grains into a cohesive, porous mass.

I overensstemmelse med en andre aspekt ved oppfinnelsen er det skaffet tilveie et preparat som omfatter proppekorn suspendert i en gel, hvor gelen inneholder et nedbrytningsmiddel for gelen, idet kornene omfatter kjerner, et mellomliggende sjikt på kjernene og et belegg på det mellomliggende sjikt, idet det mellomliggende sjikt omfatter en harpiks, og hvor belegget er mindre reaktivt med hensyn på nedbrytningsmidlet enn nevnte sjikt er. In accordance with a second aspect of the invention, there is provided a preparation comprising cork grains suspended in a gel, the gel containing a disintegrant for the gel, the grains comprising cores, an intermediate layer on the cores and a coating on the intermediate layer, intermediate layer comprises a resin, and where the coating is less reactive with respect to the decomposing agent than said layer is.

I overensstemmelse med en tredje aspekt ved oppfinnelsen er det skaffet tilveie korn som er hensiktsmessige for bruk som proppekorn av en sammensetning ifølge den andre aspekt ved oppfinnelsen, hvilke korn omfatter kjerner, et mellomliggende sjikt på kjernene og et belegg på det mellomliggende sjikt, hvor det mellomliggende sjikt omfatter en harpiks, og hvor belegget er mindre reaktivt med hensyn på nedbrytnings- midlet enn nevnte sjikt er. In accordance with a third aspect of the invention, grains are provided which are suitable for use as plugging grains of a composition according to the second aspect of the invention, which grains comprise cores, an intermediate layer on the cores and a coating on the intermediate layer, where the intermediate layer comprises a resin, and where the coating is less reactive with respect to the decomposition agent than said layer is.

Naturlig forekommende og syntetiske mineralkorn er hensiktsmessig for bruk som kjerner i proppemidlet. Proppekjernene kan være kiselsand eller syntetiske alumino-silikater. Naturally occurring and synthetic mineral grains are suitable for use as cores in the plugging agent. The plug cores can be silica sand or synthetic alumino-silicates.

Det på kjernene av proppemidlet påførte harpikspreparat er valgt med henblikk på dets evne til å herdne når det utsettes for forhøyet temperatur og for trykk i sprekkene som stråler ut fra brønnen. Passende fenolharpikser er tilgjenge-lige kommersielt. Harpiksen kan påføres som en vandig dispersjon og deretter tørkes under turbulente forhold, slik at kornene ikke blir bundet i en sammenhengende masse. Alterna-tivt kan harpiksen påføres som et løsningsmiddel, eller ved direkte belegging av kjernene med harpiksen i en smeltet tilstand. The resin composition applied to the cores of the plugging agent has been selected for its ability to harden when exposed to elevated temperature and pressure in the cracks radiating from the well. Suitable phenolic resins are available commercially. The resin can be applied as an aqueous dispersion and then dried under turbulent conditions, so that the grains are not bound into a cohesive mass. Alternatively, the resin can be applied as a solvent, or by directly coating the cores with the resin in a molten state.

Belegget som påføres på proppekornene over harpiksen The coating that is applied to the cork grains over the resin

er påkrevd for å beskytte harpiksen mot reaksjon med nedbrytningsmidlet eller med frie radikaler eller andre produkter avledet fra nedbrytningsmidlet, og det må derfor være mindre reaktivt overfor nedbrytningsmidlet eller overfor de frie radikaler som stammer fra nedbrytningsmidlet enn harpikslaget er. Sammensetningen av belegget kan være slik at belegget vil nedbrytes under virkningen fra varme og trykk og tillate binding av proppekornene i en sammenhengende masse ved herding av harpiksen. Preparater som inneholder naturlige og/eller syntetiske vokser kan benyttes for å danne belegget. Naturlig forekommende og/eller syntetiske harpikser kan omfatte eller kan inngå i beleggpreparatet. is required to protect the resin from reaction with the decomposing agent or with free radicals or other products derived from the decomposing agent, and it must therefore be less reactive to the decomposing agent or to the free radicals derived from the decomposing agent than the resin layer is. The composition of the coating can be such that the coating will break down under the action of heat and pressure and allow the plug grains to bond in a cohesive mass when the resin hardens. Preparations containing natural and/or synthetic waxes can be used to form the coating. Naturally occurring and/or synthetic resins may comprise or may be included in the coating preparation.

Eksempler på belegg som sprekker under trykk, for å tillate binding av proppekornene ved herding av harpiksen, er polyetylen, polypropylen og polyvinylidenklorid. Examples of coatings that crack under pressure, to allow bonding of the plug grains when the resin hardens, are polyethylene, polypropylene and polyvinylidene chloride.

I et tilfelle hvor gelen er vandig kan beleggpreparatet inneholde vann-løselige komponenter, for eksempel polyakry-later, polyvinylalkoholer og polyvinylacetater. Silikater av alkalimetaller kan også anvendes i beleggpreparatet. In a case where the gel is aqueous, the coating preparation may contain water-soluble components, for example polyacrylates, polyvinyl alcohols and polyvinyl acetates. Silicates of alkali metals can also be used in the coating preparation.

Gelen kan være en vandig gel og kan omfatte naturlig forekommende gummier og modifiserte gummier. Gelen omfatter enn videre et nedbrytningsmiddel som er egnet for å begunstige nedbrytningen av gelen under de forhold som gelen utsettes for i sprekkene som stråler ut fra brønnen. En kilde for fri-radikaler, for eksempel et persulfat, eksempelvis natrium- eller ammoniumpersulfat, er et passende nedbrytningsmiddel for anvendelse i forbindelse med en gel som omfatter en vandig dispersjon av gummier eller klebestoffer. The gel may be an aqueous gel and may comprise naturally occurring gums and modified gums. The gel further comprises a degradation agent which is suitable for favoring the degradation of the gel under the conditions to which the gel is exposed in the cracks radiating from the well. A source of free radicals, for example a persulphate, for example sodium or ammonium persulphate, is a suitable decomposing agent for use in connection with a gel comprising an aqueous dispersion of gums or adhesives.

De belagte proppekorn kan tilberedes, transporteres og lagres atskilt fra gelen. Før bruk dispergeres proppekornene i gelen, og den resulterende dispersjon pumpes deretter ned i en brønn og inn i sprekker som stråler ut fra borehullet. Gelen som inneholder belagte proppekorn som beskrevet her kan benyttes sammen med gel inneholdende ubelagte proppekorn som vil bli transportert inn i partier av sprekkene som befinner seg fjernt fra brønnen. Gelen inneholdende belagte proppekorn vil innta i det minste de partier av sprekkene som befinner seg i nærheten av brønnen. The coated plug beads can be prepared, transported and stored separately from the gel. Before use, the plug grains are dispersed in the gel, and the resulting dispersion is then pumped down a well and into cracks radiating from the borehole. The gel containing coated plug particles as described here can be used together with gel containing uncoated plug particles which will be transported into parts of the cracks that are located far from the well. The gel containing coated plug grains will occupy at least the parts of the cracks that are located in the vicinity of the well.

I sprekkene utsettes gelen for trykk og for en forhøyet temperatur. Temperaturene kan være innenfor et område fra 50 til 90°C. Ved den forhøyete temperatur begunstiger nedbrytningsmidlet nedbrytning av gelen til en vandig blanding med relativt lav viskositet. For eksempel vil de frie radikaler som frigjøres ved den forhøyete temperatur angripe en gummis eller et motsvarende klebestoffs karbonkjede og derved forårsake gelens nedbrytning. Den vandige blanding som er resultatet av gelens nedbrytning, strømmer til brønnen og blir trukket opp gjennom borehullet til overflaten, idet den etterlater de belagte korn i sprekkene. In the cracks, the gel is exposed to pressure and an elevated temperature. The temperatures can be within a range from 50 to 90°C. At the elevated temperature, the disintegrant favors the breakdown of the gel into an aqueous mixture of relatively low viscosity. For example, the free radicals released at the elevated temperature will attack the carbon chain of a rubber or a similar adhesive and thereby cause the gel to break down. The aqueous mixture resulting from the gel's breakdown flows to the well and is drawn up through the borehole to the surface, leaving the coated grains in the cracks.

Det beskyttende belegg på proppekornene vil også brytes ned i sprekkene. I et tilfelle hvor belegget er vann-løselig kan belegget i det minste delvis bli ført bort fra proppekornene av den vandige blanding som er resultatet av nedbrytningen av gelen. Virkningen av temperaturen og trykket som de belagte korn utsettes for i sprekkene bidrar også til nedbrytning av det beskyttende belegg over en tidsperiode som vanligvis er lengre enn den som kreves for at nedbrytningsmidlet skal virke på gelen og forårsake nedbrytning av gelen til en blanding med relativt lav viskositet. Nedbrytning av det beskyttende belegg er tilstrekkelig til å sette harpikslaget på kjernene av proppekornene i stand til å binde kornene i en sammenhengende masse når hapiksen herdner under den temperatur og det trykk som proppemidlet utsettes for i The protective coating on the plug grains will also break down in the cracks. In a case where the coating is water-soluble, the coating may be at least partially carried away from the plug grains by the aqueous mixture resulting from the breakdown of the gel. The effect of the temperature and pressure to which the coated grains are exposed in the cracks also contributes to the breakdown of the protective coating over a period of time that is usually longer than that required for the disintegrant to act on the gel and cause the gel to break down into a mixture of relatively low viscosity. Breakdown of the protective coating is sufficient to enable the resin layer on the cores of the plug grains to bind the grains into a cohesive mass when the wax hardens under the temperature and pressure to which the plug is subjected in

sprekkene. the cracks.

Andelen av harpiksen i de belagte proppekorn er tilstrekkelig høy til å lette binding av kjernene i en sammenhengende masse, men den er tilstrekkelig lav til å sikre at den resulterende masse er gjennomtrengelig overfor gass og/eller overfor olje. Andelene av harpiks og mineral vil delvis bli bestemt i overensstemmelse med størrelsen på mineralkornene. I et typisk tilfelle vil mineralkornene utgjøre i det minste 95 vekts% av de belagte proppekorn, mens harpikspreparatet vil forefinnes i en mengde innenfor området 1,5 til 5 vekts% av de belagte proppekorn. Vekten av det beskyttende belegg vil være vesentlig mindre enn harpiks-lagets vekt. The proportion of resin in the coated plug grains is sufficiently high to facilitate bonding of the cores into a cohesive mass, but it is sufficiently low to ensure that the resulting mass is gas and/or oil permeable. The proportions of resin and mineral will partly be determined in accordance with the size of the mineral grains. In a typical case, the mineral grains will make up at least 95% by weight of the coated plug grains, while the resin preparation will be present in an amount within the range of 1.5 to 5% by weight of the coated plug grains. The weight of the protective coating will be significantly less than the weight of the resin layer.

Ved anvendelse av belagte proppekorn som beskrevet har det vist seg at det kan oppnås tilfredsstillende nedbrytning av gelen ved å tilsette et persulfat i en mengde på 250 gram til 1000 gram, for eksempel 500 eller 750 gram, per 3785 liter gel. I en sammenlignbar sammensetning hvor man anvendte proppekorn belagt med kun harpiks, viste det seg nødvendig å tilsette betydelig større mengder persulfat, nemlig større enn 1000 gram, for eksempel fra 1500 til 2500 gram, per 3785 liter gel. When using coated stopper grains as described, it has been shown that satisfactory breakdown of the gel can be achieved by adding a persulphate in an amount of 250 grams to 1000 grams, for example 500 or 750 grams, per 3785 liters of gel. In a comparable composition where plugging grains coated with resin only were used, it proved necessary to add significantly larger amounts of persulphate, namely greater than 1000 grams, for example from 1500 to 2500 grams, per 3785 liters of gel.

Hensiktsmessig belagte proppekorn kan tilberedes som følger: Kiselsand av høy kvalitet eller syntetisk proppemiddel med partikkelstørrelser i området 420-840 mikroner (ASTM sikt 20-40) varmes opp til 160°C. 3 vekts% basert på vekt av sand eller annet proppemiddel av en fast fenol-formaldehyd-novolakharpiks i korn-, pastill-, flak- eller nåleform, med et molart forhold fenol:formaldehyd på 1 til 0,8 i den begynnende kjelesats, fylles ovenpå sanden i en kjent sand-blander. Sanden og harpiksen blandes inntil harpiksen har smeltet og overtrukket sanden jevnt. Appropriately coated proppant grains can be prepared as follows: High quality silica sand or synthetic proppant with particle sizes in the range of 420-840 microns (ASTM sieve 20-40) is heated to 160°C. 3% by weight based on the weight of sand or other proppant of a solid phenol-formaldehyde-novolac resin in grain, lozenge, flake or needle form, with a phenol:formaldehyde molar ratio of 1 to 0.8 in the initial boiler batch, is charged on top of the sand in a known sand mixer. The sand and resin are mixed until the resin has melted and coated the sand evenly.

En heksaminløsning (44 volum%) i vann tilsettes til sandblandingen. Mengden av heksaminløsning er slik at vekten av tilsatt fast heksamin er 13 vekts% av den harpiks som er blandet med sanden. Når alt vann er fordampet, legges et andre beskyttende "utenpå"-belegg over sanden, som fremdeles befinner seg ved forhøyet temperatur i blanderen. For utenpå-beleggingen blir det benyttet en voks som er fast ved omgi-velsestemperatur, en fenolresolharpiks som er fast ved omgi-velsestemperaturer, men som har et lavt smeltepunkt, en emulsjon av polyvinylidenklorid, en løsning av en fenolresolharpiks, en løsning av naturtreprodukter, for eksempel kolofonium, eller en løsning av en gummi eller motsvarende klebestof f. Løsningen kan være i vann eller et annet løs-ningsmiddel . I et tilfelle hvor det for utenpå-beleggingen anvendes en harpiks, velges denne harpiks slik at den har lav reaktivitet i forbindelse med gel-nedbrytningsmidler. A hexamine solution (44% by volume) in water is added to the sand mixture. The amount of hexamine solution is such that the weight of added solid hexamine is 13% by weight of the resin mixed with the sand. When all the water has evaporated, a second protective "outside" coating is placed over the sand, which is still at an elevated temperature in the mixer. For the external coating, a wax which is solid at ambient temperature, a phenol resol resin which is solid at ambient temperatures but has a low melting point, an emulsion of polyvinylidene chloride, a solution of a phenol resol resin, a solution of natural wood products, is used. for example rosin, or a solution of a rubber or similar adhesive f. The solution can be in water or another solvent. In a case where a resin is used for the outer coating, this resin is chosen so that it has low reactivity in connection with gel-degrading agents.

Preparatet som skal danne utenpå-belegget, tilsettes til blandingen i blanderen mens temperaturen i denne blanding fremdeles er forhøyet. Mengden av dette preparat er avhengig av overflatearealet og substrattype. Når det for eksempel gjelder Chelford 20/40 sand, vil bruk av preparatet som danner utenpå-belegget i en mengde svarende til 0,9 vekts% av fast materiale, basert på vekten av sand, tilveiebringe det beskyttende belegg. I tilfelle det dreier seg om det syntetiske proppemiddel Carbolite 20/40, vil bruk av preparatet som danner utenpå-belegget i en mengde svarende til 0,8 vekts% av det syntetiske proppemiddel gi en tilfredsstillende beskyttende belegging. Proppemidler som har større overflate-arealer krever større mengde beleggpreparat, og proppemidler som har lavere overflateareal krever mindre beleggpreparat. Når beleggmaterialet har smeltet og belagt substratet, i tilfelle det gjelder et fast materiale med lavt smeltepunkt, eller når løsningsmidlet er blitt drevet bort ved hjelp av substratets restvarme, i tilfelle det gjelder et beleggpreparat som er en løsning, og temperaturen har falt tilstrekkelig til å sikre at utenpå-belegget ikke er smeltet, tømmes blandingen ut av blanderen og føres gjennom en vibrerende sikt for å sikre at det ikke finnes noen sammen-klumpinger. Det belagte proppemiddel avkjøles deretter i et fluidisert lag. The preparation which is to form the outer coating is added to the mixture in the mixer while the temperature of this mixture is still elevated. The amount of this preparation depends on the surface area and substrate type. In the case of Chelford 20/40 sand, for example, use of the preparation which forms the outer coating in an amount corresponding to 0.9% by weight of solid material, based on the weight of sand, will provide the protective coating. In the case of the synthetic plugging agent Carbolite 20/40, use of the preparation which forms the outer coating in an amount corresponding to 0.8% by weight of the synthetic plugging agent will provide a satisfactory protective coating. Plugs that have larger surface areas require a larger amount of coating preparation, and plugging agents that have a lower surface area require less coating preparation. When the coating material has melted and coated the substrate, in the case of a solid material with a low melting point, or when the solvent has been driven away by the residual heat of the substrate, in the case of a coating composition that is a solution, and the temperature has dropped sufficiently to ensuring that the outer coating has not melted, the mixture is discharged from the mixer and passed through a vibrating sieve to ensure that there are no lumps. The coated proppant is then cooled in a fluidized bed.

Claims

1. Method for holding open cracks radiating from a well in a geological formation, characterized in that a resin preparation is added to relatively inert grains, and a protective coating is applied to the grains over the resin preparation, the coated grains being suspended in a gel containing a disintegrant for the gel, which suspended grains are carried down through the borehole and into the cracks, and when they are in the cracks, the gel is broken down under the influence of the disintegrant, the protective coating is broken down, and the resin preparation binds the grains into a cohesive, porous mass.

2. Method as stated in claim 1, characterized in that the protective coating breaks down under the influence of heat and pressure.

3. Method as stated in claim 1, characterized in that the protective coating is broken down by dissolving water-soluble components into an aqueous gel.

4. Preparation, characterized in that it contains plug grains suspended in a gel containing a disintegrant for the gel, and that the grains comprise cores, an intermediate layer on the cores and a coating on the intermediate layer, which intermediate layer contains a resin, and that the coating is less reactive with regard to the decomposing agent than said layer is.

5. Preparation as stated in claim 4, characterized in that the cork particles are transported and stored separately from the gel and dispersed in the gel before use.

6. Preparation as specified in claim 4 or 5, characterized in that it contains 250 grams - 1 kg of persulphate per 3785 liters of gel.

7. Grains suitable for use as plugging grains in a preparation as set forth in any one of claims 4 to 6, characterized in that the grains contain cores, an intermediate layer on the cores and a coating on the intermediate layer, the intermediate layer contains a resin, and that the coating is less reactive with respect to the decomposing agent than said intermediate layer is.

8. Grain as stated in claim 7, characterized in that said coating contains natural and/or synthetic waxes.

9. Grain as specified in claim 7, characterized in that said coating contains polyethylene, polypropylene or polyvinylidene chloride.

10. Grain as stated in claim 7, characterized in that the coating contains water-soluble components.