RU2692716C1 - Способ получения и применения подложки, покрытой цементом - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к частицам, применяющимся в подземной формации, и способам получения и применения. Частица для обработки подземной формации, содержащая подложку и слой цемента, где по меньшей мере часть цемента является частично гидратированной и находится в состоянии приостановленной гидратации на подложке, и указанный цемент связан с указанной подложкой. Способ обработки подземной формации через ствол скважины, включающий введение множества указанных выше частиц в подземную формацию через ствол скважины. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы. Технический результат – повышение эффективности обработки подземной формации. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

В этой заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке США № 62/001,443, поданной 21 мая, 2014, полное содержание которой включено в это описание путем ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к частицам, которые применяются в подземной формации. Более конкретно, настоящее изобретение относится к частицам, образованным из подложки и цемента, и способам получения и применения таких частиц.

Уровень техники

Обычно углеводороды добывают путем бурения скважины в земле, таким образом, что образуется ствол скважины, который обеспечивает путь от поверхности земли вниз, внутрь горной породы. Различные характерные черты под поверхностью являются частью подземной формации, в которой может быть расположена нефть или другие углеводороды. Гидравлический разрыв пласта обычно используется с целью повышенной добычи углеводородов из подземной формации. В ходе такого гидравлического разрыва пласта инициируются трещины или разрывы от ствола скважины внутрь подземной формации, причем разрывы часто удерживают от смыкания небольшими частицами, названными расклинивающим наполнителем, что позволяет углеводородам вытекать из формации без закрытия разрывов. Песок является одним из часто используемых расклинивающих наполнителей. Однако песок имеет относительно низкое сопротивление высокому напряжению, что приводит к образованию мелких частиц, потере проницаемости разрыва и в конечном счёте, к низкому извлечению углеводородов из формации. Альтернативы песку, такие как керамические или спечённые частицы боксита могут обеспечить более прочный расклинивающий наполнитель с улучшенным сопротивлением напряжению, однако они гораздо дороже и обычно запрещены при эксплуатации нетрадиционных газовых ресурсов и трудноизвлекаемой нефти плотных коллекторов.

Многие расклинивающие наполнители вводятся в формацию в сочетании с полимерным носителем (линейным или поперечносшитым). После размещения, полимер “разрушается”, и таким образом, текучие среды могут проходить между частицами набивки расклинивающего наполнителя. Это разрушение может быть осуществлено химическими реагентами. Однако, при низкой проницаемости формации, может потребоваться некоторое время на закрытие разрыва (время смыкания разрыва). Таким образом, может быть затруднительным выбор химического реагента, позволяющего растворить полимерный носитель, без повреждения береговых углеводородных проектов. Таким образом, уменьшение воды или других текучих сред гидравлического разрыва пласта, присутствующих в обратном потоке, или при начальной добыче, может помочь при откачивании набивки расклинивающего наполнителя путем уменьшения количества расклинивающего наполнителя, перенесенного этой водой или текучими средами гидравлического разрыва пласта в ствол скважины.

В настоящее время имеется тенденция к внедрению прочных расклинивающих наполнителей в поверхность разрыва, или плоскость разрыва формации. В частности, в береговых углеводородных проектах, для расклинивающих наполнителей, таких как керамика, имеется тенденция к внедрению в плоскость разрыва глинистого сланца. Внедрение в формацию может вызывать уменьшение эффективной ширины разрыва, поскольку часть расклинивающего наполнителя может стать частью плоскости разрыва. Неразрешённое внедрение может снизить проницаемость разрыва и, таким образом, извлечение углеводородов.

Наконец, частицы расклинивающего наполнителя, если они не держатся вместе внутри разрыва, могут вытекать обратно в скважину, вызывая закупорку скважины с течением времени и увеличение эксплуатационных затрат. Возникновение указанного явления может быть вызвано сочетанием таких факторов, как тип горной породы, контраст напряжённого состояния и тип заканчивания скважины. В промышленности эта проблема обычно решается путем добавления смолистого покрытия в расклинивающий наполнитель (керамику и/или песок) для того, чтобы обеспечить связь между частицами. Это решение (смолистое покрытие) является дорогим и может увеличить вдвое или втрое общие затраты на материал расклинивающего наполнителя.

Раскрытие изобретения

Частица может содержать подложку и слой цемента на подложке. Цемент может находиться в состоянии приостановленной гидратации.

Способ обработки подземной формации через ствол скважины может включать введение множества частиц внутрь подземной формации через ствол скважины, причем каждая частица имеет подложку и слой цемента на подложке. Цемент может находиться в состоянии приостановленной гидратации, причем способ может включать введение влаги в подземную формацию через ствол скважины. Кроме того, способ может включать обеспечение контакта частиц и влаги между собой. Контакт между частицами и влагой может вызвать переход цемента из состояния приостановленной гидратации в состояние вторичной гидратации. Другой способ может включать обеспечение множества частиц, причем каждая частица содержит подложку и слой цемента в состоянии приостановленной гидратации на подложке. Способ может включать обеспечение контакта частиц и влаги и обеспечение контакта между частицами, прежде чем цемент по существу не затвердеет. Кроме того, способ может включать поддержание контакта между частицами, при обеспечении по существу затвердения цемента, что вызывает связывание частиц вместе, с образованием агломерированной матрицы.

Еще один способ может включать обеспечение подложки, обеспечение цемента, и обеспечение влаги. Способ может включать обеспечение контакта между цементом и влагой, таким образом, чтобы цемент входил в состояние первичной гидратации, и контактирование подложки с цементом в состоянии первичной гидратации, таким образом, покрывая подложку цементом с образованием частицы. Способ может включать прекращение гидратации до того, как частица будет помещена в положение, несущее нагрузку.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 показан вид в поперечном разрезе частицы, образованной из подложки, и слоя цемента на подложке, согласно одному варианту осуществления изобретения.

Фигура 2 иллюстрирует способ формирования частицы на фигуре 1, согласно одному варианту осуществления изобретения.

Фигура 3 иллюстрирует способ формирования агломерированной матрицы, содержащей частицу с фигуры 1, согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фигуре 4 показан способ обработки подземной формации с использованием частицы с фигуры 1, согласно одному варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение относится к альтернативе песчаного расклинивающего наполнителя или других расклинивающих наполнителей, используемых в настоящее время. Как описано ниже, частица, имеющая внешнее цементное покрытие или наружный слой, который находится в гидратированном (пластичном) состоянии, может лучше адаптироваться к поверхности разрыва, и таким образом, происходит меньшее внедрение. Кроме того, с использованием описанных в изобретении способов, можно обеспечить лучшее связывание между частицами и предотвратить проблемы обратного потока с меньшими затратами, чем с использованием смолы. Обычно частица 110 может быть образована из подложки 112 со слоем цемента 114 на ней. Цемент 114 может повысить сопротивление раздавливанию подложки 112, увеличить округлённость частицы 110, и упорядочивать возможность сортировать частицы 110. Цемент 114 может обеспечить применение частиц песка, которые в другом случае, считаются неподходящими для использования в качестве расклинивающего наполнителя по причине несоответствующей прочности, неподходящей округлённости, и/или низкой эффективности сортировки, в качестве материала расклинивающего наполнителя, например, для того, чтобы сохранить целостность и проницаемость. В некоторых случаях, указанную целостность и проницаемость можно поддерживать при напряжении больше, чем 5000 фунт/кв.дюйм. Когда частица 110 объединяется с другой подобной частицей, образующийся соответствующий каркас матрицы может обеспечить образование стабильного каркаса заполнителя, который может повысить сопротивление набивки расклинивающего наполнителя до более высокой нагрузки и периодического изменения напряжения.

До формирования частицы 110, подложку 112 можно промыть для того, чтобы удалить загрязнения с поверхности подложки. Кроме того, подложку 112 можно обработать на ситах, или пропустить через сито, с целью удаления частиц подложки меньшего или большего размера, чем желаемый диапазон размеров.

В ходе формирования частицы 110, цемент 114 может содержать влагу при нанесении на подложку 112. Таким образом, цемент 114 на подложке 112 может находиться в состоянии первичной гидратации при нанесении на подложку 112. После того, как слой цемента 114 нанесен на подложку 112, частица 110 может быть нагрета или высушена другим способом, чтобы удалить влагу из цемента 114 с целью прекращения взаимодействия цемента и поддержания связывающей реакционной способности между частицами 110.

В ходе сушки частицы 110 может быть желательным использование системы пылеулавливания для того, чтобы захватывать частицы цемента или другие твёрдые частицы, увлеченные с высушивающей средой, такой как нагретый воздух.

Удаление влаги из цемента 114 может привести к значительному замедлению или даже прекращению гидратации цемента 114. Таким образом, когда достаточное количество влаги удалено путем сушки частицы 110, цемент 114 может находиться в состоянии приостановленной гидратации. На этой стадии, можно считать, что цемент 114 на частице 110 является частично гидратированным или предварительно гидратированным. В то время, когда цемент 114 находится в состоянии приостановленной гидратации, его можно хранить, транспортировать, или обращаться с ним другим образом, как с сухим материалом. Затем, когда желаемо, частицы 110 можно снова подвергать действию влаги, и на этой стадии может продолжаться процесс гидратации цемента 114, входя в состояние вторичной гидратации. Вторичная гидратация может продолжаться до тех пор, пока цемент 114 по существу не затвердеет. В качестве альтернативы, вторичная гидратация может замедляться или прекращаться на время, до перехода в одно или несколько последующих состояний гидратации (т.e. третичная гидратация, четвертичная гидратация, и т.д.).

Обратимся теперь к фигуре 1, где частица 110 может быть сферической. Например, частица 110 может обладать сферичностью больше, чем 0,5 или округлённостью больше, чем 0,5. Частица 110 может иметь размер в любом диапазоне от 20/40 US Меш, 20/50 US Меш, 30/50 US Меш, 40/70 US Меш, 50/70 US Меш или 100 US Меш. Например, частица 110 может иметь относительную плотность от 1 до 5, от 1,3 до 1,8, от 1,7 до 2,2, от 2,0 до 2,5, от 2,1 до 2,8, от 2,7 до 3,5, или от 3,2 до 3,8. Вариации размера, формы, классификации и массы могут зависеть от конкретной подложки 112, конкретного цемента 114, и соотношения между подложкой 112 и цементом 114 для того, чтобы были достигнуты желаемые характеристики сцепляемости, прочности и стоимости. В некоторых вариантах осуществления соотношение между подложкой 112 и цементом 114 может быть 3/1, 2/1, 1/1, или 0,5/1, или по массе, или по объему. Образование мелких частиц может составлять меньше, чем 10% после проведения испытания периодического изменения напряжения или проницаемости по методике API. Частица 110 может объединяться с любым числом других частиц с образованием структуры, или частица 110 может быть использована без контактирования с другими частицами. В некоторых областях применения частица 110 может быть использована в качестве расклинивающего наполнителя.

При использовании в качестве расклинивающего наполнителя частица 110 может сцепляться с другими частицами под действием напряжения с образованием стабильного каркаса матрицы заполнителя (т.e. агломерированной матрицы) в формации. Частицы 110 могут быть выполнены таким образом, чтобы или сцепляться вместе в процессе закрытия разрыва, или чтобы свободно скользить в набивке расклинивающего наполнителя в результате нагрузки напряжения. Частица 110 может обладать способностью поглощать текучую среду (например, воду) из набивки расклинивающего наполнителя и таким образом, ослабляется ущерб, связанный с блокированием текучей среды, обеспечивая лучшую проницаемость при использовании в разрыве.

Частица 110 может обладать самоподдерживающей способностью внутри набивки расклинивающего наполнителя за счет связывания с формацией и/или другими частицами, таким образом, реализуется возможность улучшенного размещения в разрыве, с меньшей степенью осаждения расклинивающего наполнителя. Связывающая структура, созданная цементом 114, может снизить сосредоточенную нагрузку, создавая материал, который является более совместимым с напряжением, создаваемым циклами добычи. Частицы 110 могут создавать конструкцию более совместимых материалов, которые имеют характеристики пластического твёрдого вещества, когда они связаны вместе с другими частицами 110, вместо набивки расклинивающего наполнителя, поддерживающего концентрацию нагрузки в точках контакта. Частица 110 может обладать способностью ускорять действие окисляющих агентов, таким образом, обеспечивается более мощное разрушающее гель действие, что приводит к снижению стоимости агента разрушения. Наконец, когда частицы 110 образуют связанный 20 материал или матрицу, можно уменьшить образование мелких частиц и поток расклинивающего наполнителя обратно в ствол скважины.

Подложка 112 может иметь любой размер в диапазоне от 20/40 US Меш, 20/50 US Меш, 30/50 US Меш, 40/70 US Меш, 50/70 US Меш до 100 US Меш. Подложка 112 может иметь относительную плотность, например, от 1 до 1,5, от 1,3 до 1,8, от 1,7 до 2,2, от 2,0 до 2,5, от 2,1 до 2,8, от 2,7 до 3,5, или от 3,2 до 3,8. Вариации размера, формы, классификации и массы могут зависеть от конкретной подложки 112, конкретного цемента 114, и соотношения между подложкой 112 и цементом 114 для того, чтобы были достигнуты желаемые характеристики сцепляемости, прочности и стоимости. Примеры подходящих подложек включают (но не ограничиваются указанным) кварцевый песок (например, с низкой или высокой угловатостью), песок, который является смесью различных минералов, алюминиевых шариков, скорлупы грецких орехов, стеклянных шариков, пластмассовых шариков, керамики, плакированный смолой песок, оксид алюминия, силикаты титана, оксид железа, легковесные материалы (например, материалы более легкие, чем песок), полые микросферы, повторно используемые частицы измельченного бетона из строительной промышленности или другой измельченный бетон, зола уноса, материалы вторичного сырья, дроблёное стекло или другие стеклянные частицы, дроблёную горную породу, дроблёные легковесные заполнители, клинкер, отработанный катализатор (например, выщелоченные тяжелые металлы), различные типы цемента, в том числе портланд-цемент, микро-цемент, шлак и/или цемент золы уноса, любые типы цемента и композиции, упомянутые в Европейском стандарте EN 197-1, включая типы от I до V и подтипы (например, подтипы 7 в типе II), любые типы и композиции, упомянутые в стандарте ASTM С150, и любые типы и композиции, упомянутые в стандарте ASTM C595, минеральные остатки, или любые другие частицы, гранулы, семена, или объекты, пригодные для по меньшей мере частичного покрытия слоем цемента. Когда частица 110 предназначена для использования в качестве расклинивающего наполнителя, подложка 112 может включать любые указанные выше подложки 112, наряду с любым количеством традиционных расклинивающих наполнителей. Когда подложка 112 является материалом с низкой плотностью, размещение частиц 110 в плоскости разрыва может быть более эффективным, и для транспорта нет необходимости в загущённой текучей среде, таким образом, уменьшается или исключается возможные разрушающие эффекты загущённой текучей среды на разрыв. В одном примере, в качестве подложки 112 может быть использован песок не расклинивающего сорта, обеспечивая материал пониженной стоимости, по сравнению с традиционными расклинивающими наполнителями.

Частицы, предназначенные для использования в операциях, отличных от гидравлического разрыва пласта, могут включать частицы, описанные выше, и/или частицы, традиционно используемые в областях, аналогичных предполагаемой области применения.

Цемент 114 может быть минеральным порошком с гидравлическими характеристиками, плотностью частиц в диапазоне от 2,0 до 4,0 кг/л, и средним размером частиц в диапазоне от 0,1 мкм до больше, чем 100 мкм. Цемент 114 может быть покрытием, нанесенным в виде одного или нескольких слоев (например, 114a и 114b), чтобы покрыть подложку 112, по меньшей мере частично. Будучи расположенным на подложке 112, цемент 114 облицовывает, покрывает, или другим образом обеспечивает некоторую степень покрытия подложки 112. В некоторых областях применения, цемент 114 главным образом, существенно, или даже полностью инкапсулирует подложку 112, для того чтобы защитить подложку 112 от воздействия условий за пределами цемента 114. Однако естественные дефекты покрытия, или конструкционные соображения могут привести к областям уменьшенного покрытия, в том числе к областям, где одна или несколько частей подложки 112 не покрыта цементом 114. Независимо от уровня покрытия, слой цемента 114, покрывающий подложку 112, может иметь множество промежуточных слоев, или совершенно отдельных, или образованных интегрально.

В конечном счёте, окончательный слой цемента 114 может иметь толщину 116 приблизительно от 10 мкм до 200 мкм. Указанная толщина 116 может варьировать по сечению частицы 110, в зависимости от формы подложки 112, используемого способа нанесения цемента 114 на подложку, конструкционных соображений, или других факторов. Таким образом, толщина 116 может быть измерена как минимальная толщина, как максимальная толщина, или предпочтительно, как средняя толщина. В некоторых областях применения, цемент 114 может включать портланд-цемент, микро-цемент, шлак и/или цемент золы уноса, клинкер и любые типы цемента и композиции, упомянутые в Европейском стандарте EN 197-1, включая типы от I до V и подтипы (например, подтипы 7 в типе II), любые типы и композиции, упомянутые в стандарте ATSM C150, и любые типы и композиции, упомянутые в стандарте ASTM C595, или их комбинации. Указанные различные типы цемента или цементных материалов классифицируются как гидравлический материал, способный взаимодействовать с водой, с образованием водонепроницаемого вяжущего материала. Когда частица 110 используется в качестве расклинивающего наполнителя, выбор цемента 114 может быть осуществлен по характеристикам увеличения сопротивления раздавливанию и обеспечения сооружения каркаса матрицы, когда частицы 110 находятся в непосредственной близости. Дополнительно, цемент 114 может включать стеклянные волокна, нанотрубки, или некоторые другие элементы армирования, или другие химические реагенты, такие как (но без ограничения) полимеры, наполнители, добавки, или примеси для того, чтобы повысить сопротивление раздавливанию или связующую способность/сцепляемость частиц 110.

Нанесение цемента 114 на подложку 112 может быть осуществлено различными способами. Например, сухая смесь цемента 114 и подложки 112 может быть предварительно гидратирована небольшим количеством воды для того, чтобы покрыть подложку 112 тонким слоем цемента 114.

В последующем смесь можно перекачивать с избытком воды или метилцеллюлозы в качестве транспортирующей среды. Предварительная гидратация может обеспечить легкое связывание частиц цемента с отдельными частицами подложки 112, и в то же время остается достаточная степень гидратации, чтобы позже образовать проницаемую связанную структуру в разрыве.

В общих чертах, один способ может включать обеспечение подложки 112, обеспечение цемента 114, и обеспечение влаги на установке, или другом устройстве, или производственном оборудовании, предназначенном для указанной операции. Способ может включать инициирование или обеспечение другим образом контакта между цементом 114 и влагой, таким образом, чтобы цемент 114 переходил в состояние первичной гидратации. В ходе гидратации, может протекать необратимый химический процесс между цементом 114 и влагой. Таким образом, в ходе первичной гидратации может начаться химический процесс, который может продолжаться, пока что-то не прекратит протекание химического процесса. В то время, как цемент 114 находится в состоянии первичной гидратации, подложка 112 может быть введена в контакт с цементом 114. Таким образом, подложка 112 может быть покрыта цементом 114 с образованием частицы 110. После того, как частица 110 сформируется, но прежде, чем цемент 114 по существу затвердеет, частица 110 может быть высушена, причем протекание химического процесса замедляется или прекращается, и инициируется переход цемента 114 в состояние приостановленной гидратации.

Например, ссылаясь на фигуру 2, из источника цемента 210 и источника подложки 212 цемент 114 и подложка 112, соответственно, могут подаваться в смеситель 214. Каждый из источника цемента 210 и источника подложки 212 может иметь устройство непрерывного или периодического дозирования и подачи. Регулирование массового потока может осуществляться или путем взвешивания цемента 114 и подложки 112 или путем объемного дозирования цемента 114 и подложки 112. Как показано, каждый из источника цемента 210 и источника подложки 212 может включать загрузочные люки, ленточные транспортёры, пневматические толкатели и/или устройства ручной подачи, с соответствующими устройствами регулирования с целью обеспечения точного контроля соотношения между подложкой 112 и цементом 114, направляющимися в смеситель 214. Подложка 112 может подвергаться предварительному просеиванию или другой операции, после добычи руды из земли, чтобы обеспечить конкретно заданный размер и/или параметр распределения. Такой процесс может включать промывку, гидро-сортировку по крупности, сушку с помощью природного газа или, по-другому, классификацию полученной сухой подложки 112, хранение, и/или транспорт подложки 112 на буровую площадку, где она будет вводиться в цемент 114.

Смеситель 214 может включать бетономешалку свободного падения, вращающийся барабан, резервуар, ротационный или другой гранулятор, плужный смеситель, ротационный барабан, чашечный гранулятор, смеситель с высоким усилителем сдвига, смеситель с низким усилителем сдвига, штыревой смеситель, глубокий барабанный гранулятор, лопастной смеситель, агломерационное оборудование, оборудование для порошкового покрытия, самоочищающаяся бетономешалка, распылительное сопло для дозирования текучей среды, или любая другая емкость или оборудование, позволяющее инициировать контакт между подложкой 112, цементом 114, и источником влаги в ручном и/или автоматизированном режиме. Источник влаги 216 может обеспечить влагу для цемента 114 в смесителе 214. Источник влаги 216 может быть резервуаром или другой емкостью, причем влага может быть водой, которая разбрызгивается с помощью форсунки, шланга, трубопровода, или подается другим образом в смеситель 214 в ручном и/или автоматизированном режиме. Вода может быть свежей водой, подходящей для производства бетона, и/или строительным раствором, и не вредной для гидратации цемента или цементного материала.

Воду можно дозировать в смеситель 214 регулируемым образом для того, чтобы обеспечить желаемое соотношение между водой и цементом.

Смесь может включать добавки полимерных волокон, таких как полиакриламид, полиакрилат, гуаровая смола, производные гуара, полисахариды, смеси полисахаридов и других гидрофильных полимеров; полимеры, такие как полипропилен, полиамид, полиимид, полиэфир, арамид, металлы, такие как оцинкованная сталь, нержавеющая сталь, бронза, латунь, алюминий, стекло с покрытием или без него, углерод, волокна закалённого расплава горной породы (например, базальта), и др., чтобы обеспечить увеличение прочности будущего связывания частиц между собой и агломерации частиц с образованием суспензии.

Иллюстративные соотношения компонентов состава в смесителе 214 могут включать приблизительно 83% песка, 14% цемента и 2-4% воды. Типичные диапазоны могут составлять 25-80% песка, 13-70% цемента и 3-15% воды. В качестве альтернативы, диапазоны могут включать 50-70% песка, 25-50% цемента и 5-10% воды. При контакте с влагой (например, водой), может начаться первичная гидратация цемента 214. Указанная первичная гидратация может протекать одновременно со смешиванием подложки 112 с цементом 114, таким образом, что увлажнённый цемент 114 контактирует и образует слой на подложке 112. В качестве альтернативы, влага может контактировать с цементом 114 или до или после того, как цемент 114 вступит в контакт с подложкой 112. Влага, цемент 114, и подложка 112 могут перемешиваться в смесителе 214 в течение заданного периода времени, соответствующего получению слоя цемента 114 на подложке 112, имеющего подходящую толщину 116 и степень покрытия. Например, процесс первичной гидратации может продолжаться в течение по меньшей мере 2 часов. После формирования слоя цемента 114 на подложке 112 с образованием частиц 110, эти частицы 110 можно удалять из смесителя 214.

После того, как частицы 110 выгружены из смесителя 214, слой цемента 114 на подложке 112 еще может быть весьма неустойчивым и легко повреждаться. Для цемента 114 может потребоваться некоторая степень твердения. Следует отметить, что влага, находящаяся в цементе 114, может продолжать процесс гидратации, даже если не вводится дополнительная влага. Таким образом, без дополнительного вмешательства может продолжаться процесс гидратации и твердения цемента 114. Количество присутствующей влаги, время первичной гидратации и характеристики цемента 114 и подложки 112 могут определять предел степени гидратации и соответствующего твердения. Предпочтительно, цемент 114 будет подвергаться первичной гидратации в достаточной степени, чтобы обеспечить стабильные частицы 110 с цементом 114, который достаточно схватился, чтобы прикрепиться к подложке 112. С целью обеспечения достаточной гидратации, может быть обеспечен транспортёр 218, чтобы обеспечить продолжающуюся первичную гидратацию, пока цемент 114 схватывается до заданной степени, чтобы получить частицу 110 с заданными характеристиками. Дополнительно, или альтернативно, может быть предусмотрено временное хранилище (не показано), чтобы обеспечить твердение цемента 114 в некоторой степени. Например, частицы можно выдерживать в течение от 30 минут до часа, от 1 часа до 72 часов, или любое время меньше, чем 72 часа, пока не будет достигнута достаточная степень гидратации. Могут быть добавлены ускорители цемента, например, триэтаноламин-хлорид кальция, хлорид калия, формиат натрия, нитрат натрия и другие галогениды, формиаты, нитраты, карбонаты или другие соли щелочных и щелочноземельных металлов, замедлители (например, тартрат натрия, цитрат натрия, глюконат натрия, итаконат натрия, винная кислота, лимонная кислота, глюконовая кислота, лигносульфонаты и синтетические полимеры и coполимеры, тиксотропные добавки, сахара или другие), суспендирующие агенты, или тому подобные также могут находиться в строительной суспензии, и др. в процессе смешивания и/или перекачки для ускорения гидратации.

После прохождения достаточной первичной гидратации частицы 110 могут быть дегидратированы (например, высушены), до того как цемент 114 по существу затвердеет. Указанная дегидратация может остановить или по меньшей мере замедлить гидратацию, так что цемент 114 в частице 110 переходит из состояния первичной гидратации в состояние приостановленной гидратации, таким образом, предотвращается переход частиц 110 в неактивное состояние при наличии дополнительной влаги. Различные способы дегидратации могут включать использование химических реагентов, таких как ацетон или спирт, поток сухого газа (например, воздуха), и/или воздействие тепла. В одном иллюстративном варианте осуществления, указанный процесс сушки может начинаться на транспортере 218 или в хранилище, и может продолжаться в сушилке. В сушилке 220 может удаляться существенное количество влаги из цемента 114 на частице 110 путем испарения (например, за счет использования тепла или потока сухого воздуха). Например, сушилка 220 может быть пламенной сушилкой, сушилкой с псевдоожиженным слоем, сушилкой с вращающимся барабаном, или другим нагревательным оборудованием или устройством с циклическим нагреванием. В одном примере в сушилке 220 могут нагреваться частицы 110 при температуре от 100°C до 150°C в течение 3 - 30 минут. В другом примере в сушилке 220 могут нагреваться частицы при температуре от 80°C до 170°C в течение 5 - 20 минут. В качестве альтернативы, сушка может включать введение химических реагентов, таких как спирты, силикагели, ацетон, гликоли, внутренние олефины, или другие композиции. Полагают, что содержание влаги в частицах 110 до сушки может составлять до 15% воды. Предпочтительно содержание влаги в частицах 110 будет снижаться путем сушки до 2% или меньше. Например, содержание влаги в частицах 110 после сушки может быть в диапазоне от 0,5 до 5%. В некоторых вариантах осуществления может быть достигнуто содержание влаги меньше, чем 1%. После удаления достаточного количества влаги, цемент 114 на частице 110 может переходить в состояние приостановленной гидратации, причем дальнейшая гидратация не может протекать без введения дополнительной влаги. Если в сушилке 220 используется теплота, частицы 110 могут охлаждаться на транспортере 222, по мере того, как частицы 110 поступают на дополнительные этапы обработки.

Когда частицы 110 уже высушены и необязательно охлаждены, затем эти частицы 110 можно подвергать процессу просеивания для того, чтобы удалить любой избыток свободного цемента и/или любые слишком крупные агрегаты, образовавшиеся путем слипания частиц 110. Некоторые слипшиеся частицы 110 все еще могут иметь желаемый размер и могут быть использованы, тогда как другие агрегаты частиц могут считаться слишком крупными, и поэтому они нежелательны. Процесс просеивания может включать пропускание множества частиц 110 и других выходящих потоков из сушилки 220 через одно или несколько сит. Таким образом, материал из сушилки 220 может проходить через сито 224 для того, чтобы отделить пыль или частицы, имеющие неподходящий размер 226, от частиц 110, имеющих желаемые характеристики. В одном примере, сито 224 может включать сито 20 меш для того, чтобы выделить один размер частиц 110, и материал, проходящий через сито 20 меш можно подавать на сито 40 меш для того, чтобы выделить другой размер частиц или материал. Могут быть использованы другие размеры и комбинации сит, в зависимости от конкретной области применения. Просеивание может включать механическое просеивание, циклоны, орбитальное просеивание, наклонные встряхиватели, множественное параллельное просеивание, и др.

После охлаждения и необязательного сортирования или выделения, затем частицы 110 могут направляться в приёмный резервуар 228, например, с помощью транспортерной ленты. Приёмный резервуар 228 может быть использован для длительного или краткосрочного хранения, и в некоторых случаях, также может быть использован для транспортировки. Некоторые типичные устройства хранения и/или транспортируемые приёмные резервуары включают влагозащищенные емкости, пакеты, предохраняющие от источников влаги, тележку, высококачественный мешок, транспортное средство для песка, трейлеры с донной разгрузкой, рельсовая тележка, цементная автоцистерна, судно-контейнер или настил, контейнер с авиационным грузом, смеситель свободного падения, участок с открытым покрытием, бункер, складское помещение, горный тягач, или любой другой контейнер для хранения или буровая площадка, где частицы 110 могут быть защищёны от влаги. В приёмном резервуаре-хранилище 228 может по существу отсутствовать влага или в нем могут находиться текучие среды, которые препятствуют гидратации цемента, такие как масла или другие химические реагенты. Транспорт частиц 110 в приёмный резервуар 228 или из него может включать пневмотранспорт, транспортерную ленту, или другие устройства, которые обычно используются для транспорта сухих материалов. Манипуляции могут быть осуществлены в окружающей среде с контролируемыми условиями, причем загрузка может быть выполнена как загрузка холодного продукта с пакетами осушителя, воздушными клапанами, пластмассовым покрытием, или другими аналогичными средствами защиты на месте.

До тех пор, пока частицы 110 защищены от влаги, имеющей тенденцию взаимодействовать с цементом, цемент 114 на частице 110 может оставаться в состоянии приостановленной гидратации. Например, может быть предусмотрена гидратация на 40% для того, чтобы поддерживать целостность слоя цемента, оставляя 60% цемента 114 еще не обработанным, для которого остается возможность вторичной гидратации. Хотя цемент 114 находится в состоянии приостановленной гидратации, частицы 110 могут иметь внешний вид сухого материала, наподобие песка.

В альтернативном варианте осуществления (не показан), частицы 110 могут образоваться с помощью полимерной дисперсии. Тонкая дисперсия термопластичного полимера в воде может быть нанесена тонким слоем на подложку 112 путем распыления, с использованием грануляционной плиты, или другим способом. Затем можно добавить сухой цемент, причем толщина 116 слоя цемента 114 может составлять приблизительно половину среднего диаметра частиц 110. В некоторых вариантах осуществления нижняя часть (например, нижняя половина) частиц 110 погружена в тонкий слой полимерной дисперсии, таким образом, что цемент 114 взаимодействует с водой в дисперсии. В указанной компоновке верхняя часть (например, верхняя половина) частиц 110 может оставаться сухой, и в результате цемент 114 в этой части также остается сухим. Взаимодействие цемента может привести к сильному связыванию цемента 114 с подложкой 112. С использованием соответствующей температуры для формирования пленки полимерной дисперсии, образовавшиеся частицы 110 могут приклеить твердый и частично эластичный цементный слой к подложке.

Частицы 110 в хранилище могут быть использованы спустя некоторое время. Время пребывания в хранилище может быть таким же коротким, как время транспорта между местом получения частиц 110 и производственным участком. Например, частицы 110 могут быть получены в центральном устройстве, используемом для облагораживания качества исходных материалов, и они сразу транспортируются на буровую площадку. В качестве альтернативы, время пребывания в хранилище 10 может составлять часы, сутки, недели, месяцы, или даже годы. В некоторых случаях, время пребывания в хранилище может быть ограниченным или хранение отсутствует. Например, производство частиц 110 может быть налажено на месте ожидаемого применения (например, на буровой площадке), и частицы сразу используются. Независимо от времени пребывания в хранилище, цемент 114 на частице 110 может оставаться в состоянии приостановленной гидратации, до использования частиц. Частица 110 может быть использована любым из ряда способов, в том числе в подземных работах, строительных проектах и др. Когда предполагается использование частиц 110 в качестве компонента структуры, способ применения частиц 110 может включать объединение частицы 110 с другими подобными частицами и обеспечение влаги с целью повторного инициирования гидратации цемента 114, для того чтобы цемент 114 переходил в состояние вторичной гидратации.

Теперь обратимся к фигуре 3, где частицы 110 могут быть удалены из приёмного резервуара 228 или другим образом, обеспечены на месте использования. Влага может быть обеспечена на месте использования, например, из источника 310 вторичной влаги. Добавки 318 также могут быть обеспечены на любой стадии процесса. Добавки могут включать ускорители, замедлители, пластификаторы, поверхностно-активные вещества, утяжелители, загустители, гидрофобные покрытия, гидрофильные покрытия, буферы pH, наполнители, такие как известняк, микроволокна для повышения прочности и др. Более конкретно добавки могут включать любые вещества из следующих: хлорид кальция, хлорид натрия, хлорид калия, нитрит кальция, нитрат кальция, формиат кальция, формиат натрия, триэтаноламин, X-затравка (фирма BASF), наночастицы СаСОз, примеси на основе сахаров (лигнин, и др.), производные углеводов, растворимые соли цинка или свинца, растворимые бораты, растворимые фосфаты, лигносульфонат кальция, примеси указанные в стандарте ASTM C494, гипс, сульфоалюминат кальция, свободная известь, металлический алюминий, реакционноспособный диоксид кремния, клинкер, зола уноса, шлак, микрокремнезем, известняк, прокаленный глинистый сланец, пуццолан, НЕС, XL, гуар, обычные полисахариды и целлюлоза, понизители трения, соляные растворы, биоциды, агенты, разрушающие гель и режим работы разрушающих агентов, и др.

Добавки можно смешивать друг с другом, и/или с частицами 110, и/или с влагой. Указанное смешивание может быть осуществлено на месте эксплуатации как показано, вне места эксплуатации, периодически, непрерывно, полунепрерывно, или другим способом, как известно специалистам в этой области техники.

Влага может быть приведена в контакт с частицами 110, например, в смесителе 312. частицы 110 могут быть приведены в контакт между собой, прежде чем цемент 114 на них по существу затвердеет. Такой контакт между частицами 110 может происходить до введения влаги, в ходе или после ввода влаги, при условии, что цемент 114 по существу не затвердел до контакта между частицами 110. Таким образом, в варианте осуществления на фигуре 3 частицы 110 и влага поступают в смеситель 312. Затем частицы 110 могут покидать смеситель 312, в то время как цемент 114 на них подвергается вторичной гидратации. Затем частицы 110 могут контактировать между собой в подземной формации, в форме 316, сооруженной для обеспечения конфигурации, или другим способом. Контакт между частицами 110 может поддерживаться, в то время как цемент 114 подвергается существенному твердению. Таким образом, твердение цемента 114 может привести к частицам 110, которые соединены вместе, с образованием агломерированной матрицы 314. Если частицы 110 находились в форме 316, затем эта форма может быть удалена, если это желаемо. Следует отметить, что хотя на фигуре 3 показан смеситель 312 между приёмным резервуаром 228 и формой 316, частицы 110 могут быть расположены непосредственно в форме 316, и влага может быть введена непосредственно из источника 310 вторичной влаги в форму 316, и окончательно получают такую же агломерированную матрицу 314, даже в отсутствии смесителя 316.

Обратимся теперь к фигуре 4, где частицы 110 могут быть использованы таким же образом, как описано выше, но вместо того, чтобы находиться в форме, частицы 110, с нанесенным цементом 214, еще находящимся в состоянии приостановленной гидратации, могут быть использованы для обработки подземной формации 410 через ствол скважины 412. Частицы 110 могут быть обеспечены на месте эксплуатации, например, из резервуара-хранилища 228. Затем частицы 110 могут быть введены в подземную формацию 410 через ствол скважины 412. Кроме того, влага, например, в виде воды 416, из резервуара 414 может быть введена в подземную формацию 410 через ствол скважины 412. Введение частиц 110 и введение воды 416 в подземную формацию 410 через ствол скважины 412 может быть осуществлено любым из множества способов. Например, частицы 110 могут комбинироваться с носителем, таким как вода 416, соляной раствор, гель, или другими текучими средами, с целью повышения текучести, причем текучая среда и частицы 110 можно закачивать в ствол скважины 412. В качестве альтернативы, частицы 110 могут двигаться без добавления какой-либо текучей среды и их можно закачивать непосредственно в ствол скважины 412. Кроме того, частицы 110 и воду 416 можно вводить в подземную формацию 410 через ствол скважины 412 или в виде смеси, или раздельно. Другими словами, частицы 110 можно смешивать с водой 416 до введения частиц 110 или воды 416 в подземную формацию 410. Например, смесь, такую как смесь, покидающая смеситель 312, как показано на фигуре 3, может доставлять как воду 416, так и частицы 110, в ствол скважины 412 для подачи в подземную формацию 410, после того как частицы 110 и вода 416 были помещены в смеситель 312 и перемешаны с образованием суспензии. В некоторых случаях, смесь, покидающая смеситель 312, или частицы 110, в которых цемент 114 подвергается вторичной гидратации другим образом, может храниться в течение ограниченного времени (например, до одного часа). Введение частиц 110 и воды 416 может происходить одновременно, независимо от того, смешаны эти два компонента до поступления в ствол скважины 412, или нет. Кроме того, добавки, такие как те, что описаны в связи с фигурой 3, могут быть введены на любой стадии этого процесса. Независимо от стадии, на которой добавки контактируют с другими компонентами, добавки могут быть введены в подземную формацию 410 через ствол скважины 412, например, наряду со смесью частиц 110 и воды 416 или одновременно со смесью, или отдельно от такой смеси. В этом варианте осуществления вода 416 также может содержать другие химические реагенты или добавки. Такие химические реагенты или добавки могут включать, например, компоненты, выполняющие роль буфера pH. Использование буфера pH может помочь предотвратить изменения pH, которые могли бы вызвать осаждение других ионов, растворимость которых может быть чувствительной к величине pH среды.

В некоторый момент времени частицы 110 и вода 416 могут быть приведены в контакт между собой. Указанный контакт может быть осуществлен до того, в ходе, или после того, как частицы 110 и вода 416 попали в подземную формацию 410. Контакт между частицами 110 и водой 416 может привести к тому, что цемент 114 на частицах 110 переходит из состояния приостановленной гидратации в состояние вторичной гидратации. Таким образом, частицы 110 могут прилипать или другим образом поддаваться связыванию между собой. Состояние вторичной гидратации может наступить, когда частицы 110 и вода 416 контактируют непосредственно, или вторичная гидратация может наступить, когда вода 416 затягивается в пустоты между частицами 110. Непосредственный контакт между частицами 110 и водой 416 может не быть обязательным, при условии, что существует достаточное взаимодействие между частицами 110 и водой 416, чтобы подвергать цемент 114 воздействию достаточного количества воды, чтобы вызвать возобновление гидратации. Протекание этой вторичной гидратации может быть обеспечено до тех пор, пока цемент 114 на частицах 110 не свяжет вместе частицы 110, независимо от того, отвердел цемент полностью или нет. Таким образом, частицы 110 могут играть роль расклинивающего наполнителя даже до того, как они стали полностью гидратированными.

Частицы 110 могут циркулировать с водой при регулируемой температуре (с охлаждением или нагреванием), чтобы инициировать или замедлить взаимодействие цемента, чтобы дополнительно регулировать время состояния слипаемости частиц в формации. Добавки в текучую среду-носитель могут быть введены до, после или в комбинации текучих сред в концентрированном, разбавленном виде или в желаемой концентрации на единственной или в многочисленных стадиях.

Это необходимо для адаптации к имеющемуся в наличии оборудованию, такому как установки гидратации, камеры выдержки, периодическому или непрерывному режиму, различным логистическим условиям эксплуатации, таким как погода (арктические, болотистые, на побережье, в пустыне, на озере, канале или в море) и типу деятельности на нефтяных и газовых месторождениях, такому как поисково-разведочные работы, аттестация, разработка или переустройство, которые влияют на налаживание процесса.

В ходе вторичной гидратации, контакт между частицами 110 до того, как нанесенный на них цемент 114 по существу отвердеет, и поддержание указанного контакта, в то время как цемент 114 по существу отвердевает, может привести к твердению цемента 114, что вызывает связывание частиц 110 вместе, с формацией, со стволом скважины, включая слой цемента внутри буровой скважины, с образованием залитого жидким цементным раствором разрыва или агломерированной матрицы 418 в подземной формации 410.

В ходе вторичной гидратации, поддержание контакта между частицами 110 и водой 416, в то время как цемент 114 по существу отвердевает, может обеспечить полную гидратацию цемента 114 и получение индивидуальных частиц 110 и/или агломерированной матрицы 418, имеющей желаемые характеристики. Например, характеристики могут включать свойства, присущие твёрдому веществу: физическую целостность, химическую совместимость с формацией и углеводородами, разрушаемость при бурении внутри буровой скважины, более высокую проницаемость, чем из формации в материал подложки, и др. Отмечается, что индивидуальные частицы 110 могут быть подвергнуты воздействию вод 416 без воздействия на другие индивидуальные частицы. Таким образом, множество частиц 110 может поступать в ствол скважины 412 и полностью гидратироваться раздельно, без образования агломерированной матрицы 418. Однако для большинства областей применения, предполагается, что частицы 110 будут контактировать друг с другом с образованием структуры, в которой цемент 114 одной частицы 110 химически связан с цементом 114 другой частицы 110.

Следует отметить, что в ходе первичной гидратации, цемент 114 может схватываться и даже может затвердевать до некоторой степени. Однако при переходе в состояние приостановленной гидратации, твердение цемента 114 может останавливаться таким образом, что только частичное твердение произошло до вторичной гидратации. Затем, когда начинается вторичная гидратация, может происходить дополнительное твердение и обеспечивается продолжение твердения в течение нескольких минут, часов, суток или больше, пока цемент 114 по существу не затвердеет с обеспечением желаемых характеристик.

Когда способ обработки подземной формации включает гидравлический разрыв пласта, определенные стадии могут предшествовать или следовать за введением частиц 110 внутрь подземной формации 410. Таким образом, до введения частиц 110 и введения воды 416, в формации 410 может быть создан разрыв вблизи ствола скважины 412. Затем введение частиц 110 внутрь формации 410 может включать введение частиц 110 в разрыв. Подобным образом, введение воды 416 внутрь формации 410 может включать введение воды 416 в разрыв. Когда вода 416 взаимодействует с частицами 110 в разрыве, частицы 110 могут обеспечить опору для формации. Если множество частиц 110 связываются вместе, то может образоваться агломерированная матрица внутри разрыва, которая обеспечивает опору. Когда частицы 110 обеспечивают опору для формации, являясь или частью агломерированной матрицы, или действуя индивидуально, углеводороды можно добывать из подземной формации 410 через ствол скважины 412, в то время как частицы 110 продолжают обеспечивать опору.

Когда частицы 110 используются в разрывах, эти частицы могут быть использованы в комбинации с непокрытыми частицами расклинивающего наполнителя. За счет использования смеси непокрытого расклинивающего наполнителя и частиц 110 можно снизить затраты на материал, необходимый для конкретного разрыва, причем результатом может быть расклиненный разрыв с повышенной проницаемостью.

Обработка подложки 112 и цемента 114, с целью получения частиц 110 с цементом в состоянии приостановленной гидратации, может быть осуществлена в непрерывном режиме на месте, или в периодическом режиме, в котором частицы 110 получают вне места эксплуатации и суспендирование проводят на месте эксплуатации. Полагают, что периодическое производство вне места эксплуатации может быть более целесообразным, с учетом того типа оборудования, которое обычно имеется на месте эксплуатации. Однако процесс в периодическом и/или непрерывном режиме на месте также может быть осуществлен при соответствующих модификациях.

При использовании в качестве расклинивающего наполнителя, частицы 110 можно закачивать на ряде стадий с традиционными расклинивающими наполнителями с целью реализации оптимального экономичного подхода. Например, скорость прилипания с поверхности может быть возможной, например, при достижении более сильно расклиненных разрывов путем первоначального закачивания 90% от общего объема традиционного расклинивающего наполнителя для того, чтобы заполнить дно разрыва, и последующих 10% объема описанных в изобретении частиц 110, в конце, с целью перекрыть разрыв и заполнить верх разрыва. Различные другие соотношения и способы могут быть использованы в зависимости от различных факторов, таких как глубина спуска буровой скважины, расположение перфорационных каналов, толщина разрыва и тип используемой текучей среды. Например, в одном применении может быть использовано 80% традиционного расклинивающего наполнителя и 20% частиц 110 сформованных с цементом или наоборот. Другие комбинации могут иметь доли от 70% до 30%, от 60% до 40 %, или соотношение 50% на 50% традиционного расклинивающего наполнителя и частиц 110. В некоторых геологических условиях может быть предпочтительным сначала закачивать частицы 110, имеющие цемент 114, с целью достижения более высокого расклинивания, если существуют разрывы, таким образом, изменяется порядок закачивания. В других условиях указанные комбинации частиц 110 и традиционных расклинивающих наполнителей могут закачиваться больше, чем в одном цикле, например, в 3, 7 или 10 циклах в зависимости от разработки, и в концентрации в диапазоне от 0,5 ppg (фунт на галлон) до 10 ppg, от 1 до 9 ppg, от 2 до 8 ppg или от 3 до 7 ppg. В зависимости от области применения, частицы 110 можно разделять по размеру, массе, или иначе. Распределения по более крупным размерам могут закачиваться в начале работы при более низких концентрациях.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, после затвердения цемента 114, или достижения вторичной гидратации, в формации 410 с образованием агломерированной матрицы 418, разрыв можно подвергать действию еще одного импульса давления текучей среды, достаточного для дополнительного раскрытия разрыва, и получения дополнительных трещин в агломерированной матрице и/или отделения агломерированной матрицы от поверхности разрыва горной породы. После импульса давления, треснувшая агломерированная матрица может демонстрировать дополнительную проницаемость, оставаясь еще достаточно агломерированной, чтобы обеспечить преимущества настоящего изобретения.

Длительность импульса давления, предусмотренного в этом варианте осуществления изобретения, может быть достаточно большой для того, чтобы повышенное давление достигло полной длины расклиненного разрыва. Импульс давления может прилагаться в любое время эксплуатации буровой скважины, в том числе до начала потока углеводородов, или также после того, как уже установился поток углеводородов.

Текучая среда, используемая для обеспечения импульса давления в этом варианте осуществления изобретения, может представлять собой воду, текучую среду для разрыва пласта, текучую среду на основе углеводородов, или газ, такой как азот или метан. Использование газа, такого как азот или метан, позволяет избежать размещения дополнительных твёрдых веществ и/или жидкостей внутри агломерированной матрицы и формации вблизи поверхности разрывов, и таким образом, устранить любые вредные эффекты от воздействия импульса. Для использования газа может потребоваться, чтобы в устье скважины можно было поддерживать давление, достаточное для раскрытия разрыва без помощи дополнительного гидростатического напора, обеспечиваемого жидкостью в стволе скважины. Если в качестве текучей среды для импульса потребуется жидкость, то она может представлять собой жидкость, содержащую расклинивающий наполнитель, для того чтобы дополнительный расклинивающий наполнитель также внедрялся внутрь вновь образовавшихся трещин в агломерированной матрице, или между поверхностью разрыва горной породы и агломерированной матрицей.

Предполагается, что рекомендации изобретения могут обеспечить ряд преимуществ, включающих (но без ограничения) следующие. Расстояние между скважинами может быть увеличено, вплоть до 100%, таким образом, уменьшается число буровых скважин в данном месторождении, вплоть до 50% за счет лучшего размещения, обеспечиваемого сцепляемостью частиц, покрытых цементом. В толстых формациях, высота расклиненного разрыва также может увеличиваться, благодаря сцепляемости частиц, таким образом, предотвращается осаждение и добыча увеличивается вплоть до 100%, или любая комбинация результатов с улучшенной длиной. Другим возможным преимуществом является снижение затрат. В указанной системе возможно использование дешевого песка, не обладающего нерасклинивающими свойствами (например, низкосортного, остроугольного, химически нестабильного, и/или недостаточно прочного) в качестве расклинивающего наполнителя, поскольку покрытые цементом частицы, используемые в качестве расклинивающего материала, могут компенсировать недостатки подложки и, таким образом, значительно снижаются затраты (от 30 до 50%, от 40 до 60% или от 50 до 80% или от 70 до 95%) по порядку величины по сравнению с местными и/или завезенными традиционными источниками. Кроме того, смешанная угловатость частиц 110, обусловленная соответствующей угловатостью соответствующих подложек 112, может обеспечить смеси с лучшей упаковкой.

Цементный слой может приводить к связыванию частиц подобно слоям смолы, но с большей прочностью и меньшей стоимостью (например, затраты снижаются на 50%, на 70%, или на 90%). Эффективность воды (вода, используемая для экстракции некоторого объема углеводородов), при условии лучших характеристик размещения расклинивающего наполнителя, может быть снижена вплоть до 75%. Стоимость обработки обратного потока воды, (или воды и текучих сред гидравлического разрыва, перенесенных обратно в ствол скважины при начальной добыче) может быть снижена, поскольку с покрытой подложкой настоящего изобретения, воду с более высокой соленостью можно рециркулировать и использовать в способе изобретения, без эффекта несовместимости в системе. Указанные преимущества могут возникнуть по ряду причин. В настоящее время, при нетрадиционной добыче углеводородов, гидравлический разрыв пласта с использованием воды вместо гелей дает улучшенные эксплуатационные показатели. Однако гидравлический разрыв пласта с помощью воды имеет ограниченную транспортирующую способность для традиционных расклинивающих наполнителей. С использованием комбинации частиц 110 с водой в качестве текучей среды гидравлического разрыва может обеспечить вторичную гидратацию в результате контакта между частицами 110 и текучей средой гидравлического разрыва пласта без дополнительной воды для гидратации. Кроме того, предполагается, что когда текучая среда гидравлического разрыва поступает в часть формации, перенесенные с текучей средой частицы 110 также будут поступать в эту часть формации, и так как цемент 114 на этих частицах гидратируется, частицы 110 могут обеспечить опору для любого разрыва, образующегося за счет текучей среды гидравлического разрыва в этой части формации. Использование покрытых частиц 110 в качестве расклинивающего наполнителя для гидравлического разрыва пласта также может предотвратить обратный перенос расклинивающего наполнителя в ствол скважины за счет обратного потока при начальной добыче, как например, покрытые смолой частицы песка, которые иногда используются в настоящее время.

Описанный выше источник влаги включает воду. Указанная вода для гидратации может находиться в форме капель в воздухе, жидкой воды, соляного раствора, пластовой воды, свежей, рециркулирующей воды, или потока сточных вод (например, морской воды, бассейновой, речной, озерной, ручейной, ледниковой, расплавленного льда или снега, отливной воды, канализационной воды, солончаковой воды, и др.). Кроме того, влага может быть обеспечена без использования воды. Аналогично, суспензия, закачиваемая внутрь скважины может включать воду или вода может отсутствовать. Другие альтернативы, которые могут быть использованы в связи с водой, или в качестве замещения воды, включают загущенные текучие среды и гели.

Описание изобретения главным образом, относится к использованию частиц 110 в качестве расклинивающего наполнителя в текучей среде гидравлического разрыва. При использовании в текучей среде гидравлического разрыва пласта частицы 110 могут иметь размеры в диапазонах от 20/40, 30/50 и 40/70 ед. меш США. Для использования в качестве расклинивающего наполнителя в текучей среде гидравлического разрыва желательны более узкие диапазоны размера частиц. Выбор размера частиц может быть связан с типом текучей среды-носителя, используемой для гидравлического разрыва и с шириной образовавшегося разрыва при закачивании, а также с величиной проницаемости, необходимой для хорошего потока в разрыве. В общем, проницаемость частиц может быть выше, чем отношение [10 x (проницаемость формации) x (половина длины разрыва) /(ширина расклинивания)]. Однако множество применений может быть практически приемлемым для частиц 110, описанных в изобретении. Например, частицы 110 могут быть использованы при борьбе с поступлением песка и/или в гравийной набивке. При использовании для борьбы с поступлением песка и/или в гравийной набивке выбор размера частиц 110 может быть связан с распределением размера частиц в формации, в которой осуществляется борьба с поступлением песка. Например, путем использования критерия G. Saucier: минимальный размер частиц составляет 3xD50; и максимальный размер частиц равен 6xD50; где D50 –распределение средневзвешенного размера частиц в формации. Частицы 110 могут быть расположены или в открытой скважине или в заканчиваемой скважине с обсаженным забоем с использованием стандартного оборудования для гравийной набивки, частицы 110 могут подаваться в ствол скважины с загущённой водой или с низкой, или с высокой вязкостью, в зависимости от таких факторов, как длина контроля поступления песка, глубина скважины, температура, межтрубное пространство, и др. Концентрация частиц в фунтах на галлон текучей среды может составлять от 2 до 12.

В другом примере частицы 110 могут быть использованы в буровом растворе в качестве добавки, снижающей водоотдачу. Частицы 100 с реакционноспособным цементом и характеристикой активной сцепляемости могут закачиваться для прилипания в участках с большим поглощением бурового раствора. В отличие от гидравлического разрыва, где требуется проницаемость сквозь набивку, в этом случае применения желательна низкая проницаемость. Указанная низкая проницаемость может быть реализована за счет наличия частиц с широким диапазоном и с равномерным распределением по размеру. Например, размеры от 100 до 50 меш, 70 - 30 меш, или 50 - 10 меш. При использовании в буровом растворе, частицы 110, с подходящим распределением по размеру и обладающие низкой проницаемостью, могут закачиваться в качестве материала, снижающего поглощение бурового раствора.

В случае слабого участка ствола скважины, частицы 110 могут быть использованы для заполнения этого участка с целью сохранения целостности при обеспечении хорошей коммуникации из ствола скважины в формацию, благодаря высокой проницаемости цемента. Таким образом, частицы 110 могут стабилизировать формацию при сохранении коммуникации.

В нагнетательных скважинах для воды, другие жидкости, наподобие водного раствора полимера, газ или водяной пар для повышения нефтеотдачи или захоронения могут обеспечить лучшую поверхность впрыскивания в межтрубное пространство между обсадной колонной и открытой скважиной в цементированных заканчиваемых скважинах. На буровых площадках с этими частицами и образовавшимися перфорационными каналами, текучая среда может просачиваться в остальную часть формации. Кроме того, частицы 110 могут быть использованы для фокусирования закачки в более конкретные области с переменным размером частиц 110. В заканчиваемых скважинах с наружной набивкой обсадной колонны для скважин открытого типа коммуникации и инициирования разрыва, межтрубное пространство может быть заполнено частицами 110 для того, чтобы обеспечить дополнительную поддержку нагрузки (меньше, чем наружная набивка обсадной колонны), однако обеспечивая предварительно заданное просачивание при нагнетании.

Частицы 110 могут улучшить нагнетание, чтобы снизить трение вблизи ствола скважины при операциях интенсификации добычи. При операциях цементирования пробки и перфорации, использование частиц 110 позади обсадной колонны в производственном участке может улучшать давление гидравлического разрыва как в случае нагнетательных скважин (вода и газ для повышения нефтеотдачи или захоронения) и может обеспечить лучшую поверхность нагнетания при перфорировании, так как текучая среда может просачиваться в остальную область формации. Кроме того, частицы 110 могут быть использованы для фокусирования закачки в более конкретные области с переменным размером частиц 110. В заканчиваемых скважинах с наружной набивкой обсадной колонны для скважин открытого типа коммуникации и инициирования разрыва, межтрубное пространство может быть заполнено частицами 110 для того, чтобы обеспечить дополнительную поддержку нагрузки (меньше, чем наружная набивка обсадной колонны), однако обеспечивая предварительно заданное просачивание при нагнетании.

Частицы 110 могут быть использованы в качестве прокладки. Вместо эксплуатации цементированной прокладки в открытой скважине, участок, представляющий интерес, может быть заполнен частицами 110 с последующим перебуриванием, таким образом, снижаются или исключаются затраты на трубопроводы и цементировочные работы. Этот участок может служить в качестве производственного, инжекционного и/или контрольного канала или для поддерживания отверстия скважины. При подходящей синхронизации и размещении изоляционного цемента, это также может обеспечить изоляцию.

Частицы 110 могут быть использованы для регулирования утечки воды в зонах высокой проницаемости, вместо полимеров. Например, может быть осуществлено нерегулируемое изолирование воды путем комбинирования фазы проницаемого цемента с последующим уплотнением, причем сначала закачивается высоковязкий цемент, чтобы изолировать воду снизу. Указанный способ может быть более дешевым, чем набивка для изолирования воды с многостадийным цементированием. Когда гидравлический разрыв может распространиться до формации ниже той, что является водоносной, и генерировать ненужную добычу воды, решением проблемы может быть предшествующее введение частиц 110 с уплотняющим цементом, которые будут осаждаться на дно. Сначала может закачиваться непроницаемый цемент для того, чтобы изолировать водоносные зоны, и затем закачивают частицы 110, которые могут обеспечить поток углеводородов из продуктивной зоны.

Частицы 110 могут быть использованы в качестве предварительно смешанного сухого строительного раствора, в качестве закачиваемого материала для крупных трещин или разрывов, как проницаемый или непроницаемый фундамент для дорог, спортивных площадок, игровых площадок, зданий, в качестве полупродукта для производства строительных материалов на месте эксплуатации, особенно в сельской местности, в качестве фильтрационного материала, или в любом ряду других промышленных применений или других областях. Частицы 110 могут быть использованы в бетоне, используемом для сооружения зданий или дорог или дренажных структур или грунтовых фундаментов или других структур.

В некоторых частицах может отсутствовать подложка и слой цемента, но вместо этого они могут формоваться полностью из цемента. Указанные частицы могут быть изготовлены путем гранулирования цемента. Такие гранулы могут увеличить поглощение воды, обеспечивая лучшую очистку разрыва и проницаемость.

Хотя приведенное выше описание, главным образом, относится к использованию частиц, в которых цемент находится в состоянии приостановленной гидратации, по меньшей мере в течение некоторого времени, в других вариантах осуществления возможно обеспечить исключение стадии приостановленной гидратации. В таких вариантах осуществления, частицы все еще могут быть покрыты цементом, но гидратация может происходить, пока цемент не потеряет способность взаимодействовать в присутствии дополнительной влаги (то есть, в состоянии полной гидратации). Указанные полностью гидратированные частицы могут быть использованы вместо любых частиц, описанных выше. Таким образом, прекращение гидратации может включать или сушку частиц для того, чтобы вызвать переход частиц в состояние приостановленной гидратации или обеспечить полную гидратацию цемента. В любом случае, гидратация может прекратиться (или временно, или навсегда) прежде, чем частицы размещаются в области, несущей нагрузку, такой как упомянутый выше ствол скважины, или в любой другой области, где такие частицы могут быть использованы (например, дороги, мосты, плотины, сооружения и др.). Полностью гидратированные частицы могут иметь множество описанных выше преимуществ, включая округлённость, прочность и пониженную стоимость, по сравнению с традиционными расклинивающими наполнителями, такими как песок сорта расклинивающего наполнителя.

Для целей настоящего описания, предполагают, что цемент “схватывается”, когда он способен поддерживать конфигурацию без внешней опоры. Схватившийся цемент еще может быть пластичным, пока не будет достигнута достаточная гидратация, чтобы предотвратить манипулирование без разрушения. Аналогично, для целей настоящего описания, предполагают, что цемент “отвержден”, когда он приобретает окончательную способность нести нагрузку. Поскольку гидратация продолжается в течение длительного времени, цемент редко твердеет полностью. Поэтому используется термин “по существу отвердевший”, который относится к цементу, который достиг заданного уровня способности нести нагрузку. Выражение “приостановленная гидратация” обычно относится к условиям, в которых в цементе начался процесс гидратации, но реакция отсутствует по причине отсутствия доступной влаги. Выражение “полностью гидратированный” обычно относится к условиям, в которых в цементе начался процесс гидратации и он продолжался до тех пор, пока цемент уже не реагирует с влагой.

Специалисты в этой области техники могут признать, что возможны многочисленные модификации и вариации в отношении описанных вариантов осуществления, конфигураций, материалов и способов, без отклонения от их объема. Соответственно, объем притязаний и их функциональные эквиваленты не должны ограничиваться конкретными вариантами осуществления, которые описаны и иллюстрированы, поскольку по своей природе они приведены просто для примера, причем описанные отдельно элементы при необходимости могут сочетаться.

Claims (20)

1. Частица для обработки подземной формации, содержащая:

подложку; и

слой цемента, причем по меньшей мере часть цемента является частично гидратированной и находится в состоянии приостановленной гидратации, на подложке, причем указанный цемент связан с указанной подложкой.

2. Частица по п. 1, в которой часть цемента находится в состоянии полной гидратации.

3. Частица по п. 1 или 2, в которой подложка содержит песок.

4. Частица по п. 3, в которой песок содержит кварц.

5. Частица по любому из пп. 1-4, в которой цемент содержит портландцемент.

6. Частица по любому из пп. 1-5, на которой слой цемента, в среднем, имеет толщину от 10 до 200 мкм.

7. Частица по любому из пп. 1-6, в которой слой цемента по существу инкапсулирует подложку.

8. Способ обработки подземной формации через ствол скважины, включающий:

введение множества частиц по п. 1 в подземную формацию через ствол скважины, причем каждая частица содержит подложку и слой цемента на подложке.

9. Способ по п. 8, в котором цемент находится в состоянии приостановленной гидратации, и этот способ дополнительно включает:

введение влаги в подземную формацию через ствол скважины; и

обеспечение контакта частиц и влаги между собой;

причем контакт между частицами и влагой вызывает переход цемента из состояния приостановленной гидратации в состояние вторичной гидратации.

10. Способ по п. 9, который включает смешивание частиц с влагой до введения частиц или влаги в подземную формацию.

11. Способ по п. 10, который включает размещение частиц и влаги в смесителе до смешивания частиц с влагой.

12. Способ по п. 9, в котором введение частиц и введение влаги происходит одновременно.

13. Способ по п. 9, в котором введение множества частиц в подземную формацию через ствол скважины включает введение множества частиц в разрыв внутри подземной формации путем введения множества частиц в подземную формацию под давлением, которое превышает давление, вызывающее разрывы, причем указанное давление поддерживают до тех пор, пока не будет достигнуто состояние вторичной гидратации.

14. Способ по п. 13, в котором указанное множество частиц объединяют с непокрытым расклинивающим наполнителем.

Images