РАСКЛИНИВАЮЩИЙ НАПОЛНИТЕЛЬ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА НЕФТЯНЫХ ИЛИ ГАЗОВЫХ СКВАЖИН И СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ИЛИ ИСКЛЮЧЕНИЯ ЭФФЕКТА "ОБРАТНОГО ПОТОКА" В НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИНАХ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному расклинивающему наполнителю, используемому для гидравлического разрыва нефтяных или газовых скважин, который позволяет исключить или, по меньшей мере, значительно уменьшить эффект, известный как «обратный поток».

Предпосылки создания изобретения

Нефтяные скважины образованы залежами нефти или газа, твердыми остатками и водой, заключенной в каменистых или песчаных пластах. Такие буровые скважины могут иметь различные уровни залегания, меняющиеся от поверхностных до горизонтальных водопонизительных, средних или глубоких. Как только скважина пробурена, и в зависимости от проницаемости среды, начинается извлечение нефти или газа, которые проходят через пробуренную скважину по природным или искусственным разломам в скальном грунте до тех пор, пока не достигнут поверхности, обычно по металлической лифтовой колонне. Вследствие проницаемости среды поток нефти или газа может быть очень малым, требующим применения мер искусственного разрыва, чтобы увеличить его. Поэтому, как только фаза бурения завершена, можно начать извлечение нефти или газа или также применить технологию разрыва с использованием расклинивающих наполнителей для начала извлечения.

Кроме того, по мере непрерывного прохождения нефти или газа по природным или искусственным разрывам пласта начинается захват твердых остатков, которые постепенно заполняют их, окончательно забивают или снижают пространства внутри скальной породы, уменьшая таким образом поток нефти или газа с сопутствующим снижением производительности скважины. Это приводит к таким критическим ситуациям, что становится необходимым останавливать работу нефтяной скважины вследствие экономической нецелесообразности.

Разработано несколько способов с целью улучшения производительности новых скважин или восстановления скважин, которые имеют закупоренные разрывы, или даже повышения производительности скважин в условиях их работы. Эти способы, которые называются гидравлическим разрывом, состоят в нагнетании жидкостей, обогащенных твердыми агентами с высоким сопротивлением, в существующие нефтяные скважины или скважины, находящиеся в процессе бурения. Это вызывает образование разрывов в скальном грунте, которые заполняются указанными твердыми агентами, предотвращающими таким образом закрытие разрывов под действием внешнего давления, возникающего в момент прекращения действия давления, применяемого в процессе разрыва. Как только новые разрывы открыты и заполнены, нефть или газ более легко протекают через разрывы, заполненные твердыми агентами.

Такие твердые агенты, называемые расклинивающими наполнителями, должны обладать достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать давления, оказываемые на разрыв, без разрушения, должны обладать сопротивлением воздействию высоких температур, возникающих в среде, в которой они будут использованы, должны иметь максимально возможную сферическую форму, а также они должны иметь очень точный гранулометрический состав, чтобы обеспечить максимально возможную проницаемость и проводимость среды заполненного разрыва. Кроме того, поскольку среда их использования содержит несколько коррозионно-активных агентов, расклинивающие наполнители также должны обладать сопротивлением коррозии.

Различные твердые материалы уже традиционно применяются в качестве расклинивающих наполнителей, такие как пески, резинатные пески, стальная дробь, стеклянные шарики, помимо различных типов синтетических керамических материалов. Каждый из этих расклинивающих наполнителей имеет свои преимущества и недостатки и использован в многочисленных скважинах по всему миру.

Ряд патентных документов относится к упомянутым материалам и способам производства и использования керамических расклинивающих наполнителей, среди которых указаны следующие: BR 8903886, BR 9501449-5, BR 9501450-0, BR 9502864, BR 9700995, патент США 3491492, патент США 4068718, патент США 4440866, патент США 4427068, патент США 4443347, патент США 4522731, патент США 4522735, патент США 4555493, патент США 5464459, патент США 4623630, патент США 4639427, патент США 4644819, патент США 4658899, патент США 4688645, патент США 4713203, патент США 4717594, патент США 4746468, патент США 4879181, патент США 4894285, патент США 4921820, патент США 4921821, патент США 4944905, патент США 4977116, патент США 5171133, патент США 5188175, патент США 5120455, патент США 5325921, патент Японии 5784731, Европейский патент 0083974, Европейский патент 0112350, Европейский патент 0116369, WO 94/09454, DE 2921226, DE 29218584, DE 3617340, патент Великобритании 2037727, патент Франции 2090561, патент Франции 2437689 и другие.

Однако ни один из вышеуказанных документов не относится к керамическим расклинивающим наполнителям, разработанным в целях снижения или даже исключения процесса «обратного потока».

В целях настоящей патентной заявки важно определить, что термин «обратный поток» следует понимать как потерю расклинивающего наполнителя, использованного для разрыва, сразу же после очистки скважины и начала ее работы или даже как расклинивающий наполнитель, который выходит из скважины вместе с газом или нефтью в процессе производственной добычи. Это явление известно давно, но только недавно привлекло внимание пользователей процесса гидравлического разрыва. Эта потеря материала расклинивающего наполнителя, помещенного в разрыв, может вызвать проблемы загрязнения окружающей среды, а также проблемы значительных затрат, связанных с потерей всего расклинивающего наполнителя, помещенного в разрыв. Эффект «обратного потока» представляет собой длительный процесс с объемами, которые вызывают серьезные эксплуатационные проблемы и которые трудно предугадать.

Основные факторы, которые вызывают потерю расклинивающего наполнителя вследствие «обратного потока», могут быть связаны со следующими факторами:

низкое давление закрытия разрыва;

рабочая среда с высоким показателем рН, сохраняемым в течение длительного времени;

действие избыточных сил, действующих параллельно осям набивки расклинивающего наполнителя;

неверный выбор расклинивающего наполнителя;

ложная экономия, то есть использование расклинивающих наполнителей, которые имеют более низкую себестоимость единицы, но не пригодны для желательной операции;

схемное решение разрыва ниже желаемого оптимума.

Керамические расклинивающие наполнители особенно целесообразны для применения в скважинах низкого давления вследствие высокой проницаемости, которая достигается в случае расклинивающих наполнителей этого типа. Тот факт, что они представляют почти идеальную сферу, является очень важным фактором для получения разрывов высокой проницаемости. С другой стороны, такие керамические расклинивающие наполнители благоприятствуют возникновению ситуаций потери материала вследствие «обратного потока» именно потому, что они имеют такую высокую сферичность. Скважины низкого давления (горизонтальные водопонизительные скважины), связанные с расклинивающими наполнителями высокой сферичности и очень быстрым очищением скважины перед установлением эффективной стабилизации, приводят к тенденции дестабилизации колонны при транспортировке расклинивающего наполнителя к поверхности.

Предотвращение добычи «обратным потоком» требует набивки расклинивающего наполнителя, способного выдерживать изменения сил, возникающих в процессе нормальной добычи. Одновременно керамическая набивка должна быть способна выдерживать сжатие и перегруппировку действующих сил, вызванную периодической циклической добычей.

Известные решения для снижения, предупреждения или даже исключения эффекта «обратного потока» включают использование резинатных расклинивающих наполнителей, в которых смолы удерживают гранулы вместе, затрудняя таким образом возможность их вытекания из разрывов.

В качестве примеров патентных документов, в которых раскрыты резинатные расклинивающие наполнители для использования в целях снижения эффекта обратного потока, можно помимо прочих цитировать следующие: патент США 6528157, патент США 6311773, патент США 6116342, патент США 6079492, патент США 5924488, патент США 5908073.

Важно иметь в виду различие между «обратным потоком», когда использованы нерезинатные расклинивающие наполнители, когда нежелательный эффект почти всегда имеет место вследствие структурной нестабильности самого расклинивающего наполнителя, и «обратным потоком» резинатных расклинивающих наполнителей, когда он происходит вследствие конструкционных особенностей разрыва или по любой другой причине.

Недавно были даны рекомендации по свободному использованию резинатных расклинивающих наполнителей для любого типа скважины и разрыва. Однако, хотя смолы влияют на исключение или снижение «обратного потока», они снижают проницаемость разрывов, а следовательно, снижают производительность скважины вдобавок к их низкой теплостойкости и более низкой прочности на раздавливание под действием давления замыкания.

Серьезные проблемы также наблюдаются при использовании этих типов резинатных расклинивающих наполнителей, связанные с общей потерей расклинивающего наполнителя, который остается на стенках разрыва вследствие отделения смолы от субстрата.

Другие документы, характеризующие известный уровень техники, относятся к керамическим расклинивающим наполнителям, связанным с металлами, такие как патент Великобритании 2359316, который раскрывает композицию, включающую смесь расклинивающего наполнителя и деформируемого материала, например алюминия.

Целью настоящего изобретения является создание композиции расклинивающего наполнителя, которая может быть использована эффективным образом для снижения или даже исключения эффекта «обратного потока» без недостатков расклинивающих наполнителей, уже известных в данной области и предназначенных для этой цели.

Краткое изложение сущности изобретения

Указанная цель достигается тем, что расклинивающий наполнитель гидравлического разрыва нефтяных и газовых скважин согласно изобретению состоит из смеси от 10 до 95% по массе сферического керамического расклинивающего наполнителя и от 5 до 90% по массе угловатого керамического абразивного материала от общей массы смеси, при этом сферический расклинивающий наполнитель имеет следующий химический состав.

Предпочтительно расклинивающий наполнитель состоит из смеси 90% по массе указанного расклинивающего наполнителя и 10% по массе угловатого керамического абразивного материала от общей массы смеси, или из смеси 80% по массе указанного расклинивающего наполнителя и 20% по массе указанного угловатого материала от общей массы смеси, или из смеси 70% по массе указанного расклинивающего наполнителя и 30% по массе указанного угловатого материала от общей массы смеси.

Угловатый керамический абразивный материал может иметь следующий химический состав.

Согласно изобретению создан способ исключения или снижения эффекта «обратного потока» при эксплуатации нефтяных или газовых скважин, при котором используют вышеописанный расклинивающий наполнитель.

Подробное описание изобретения

Было обнаружено, что смесь конкретных количеств сферического и угловатого керамических материалов, последние называются «абразивами», обеспечивает композицию расклинивающего наполнителя, которая обеспечивает улучшенную эффективность за счет снижения эффекта «обратного потока» без необходимости включения смол или любых других добавок.

Поэтому изобретение относится к расклинивающему наполнителю для гидравлического разрыва нефтяных или газовых скважин, полученному смешением сферических расклинивающих наполнителей с высокопрочными угловатыми «абразивными» агентами, с целью получения расклинивающего наполнителя, обладающего уникальными характеристиками разрыва.

Как уже указывалось выше, недостатки процесса «обратного потока» регулируют сегодня добавлением резинатных природных или керамических расклинивающих агентов, которые более дорогостоящие и имеют пониженные характеристики проводимости. Поскольку расклинивающий агент настоящего изобретения не содержит смол, а использует только сферический и угловатый керамические материалы, он лишен недостатков резинатного материала и менее дорогостоящ.

Термин «сферический» материал следует понимать как определение тех материалов, которые имеют сферичность или округлость, близкую к идеальным пределам или очень близкую величине 0,9×0,9 при сравнении по таблице Крумбейна и Шлосса (the Krumbein and Sloss Table). “Сферичность” является мерой приближения частиц или гранул расклинивающего наполнителя к сферической форме, а традиционный метод, используемый для ее определения, использует устройство визуального сравнения, разработанное Krumbein и Loss (Stratigraphy and Sedimentation, 2^nd ed., 1955, W.H. Freeman & Co., San Francisco, CA, USA”). Это устройство визуального сравнения содержит изображение различных форм гранул и используется для визуального определения сферичности. В этом методе 20 исследуемых частиц статистически отделяют и изучают с помощью микроскопа, их форму оценивают с помощью устройства визуального сравнения. Величины, принятые в этом устройстве сравнения, лежат в интервале от 0,3 до 0,9. Определяют сферичность каждой частицы и среднее значение полученных величин сферичности принимают за сферичность расклинивающего наполнителя.

Для целей настоящей заявки на патент «сферическими» материалами являются те, которые имеют среднюю величину 0,9×0,9 при сравнении по шкале Krumbein и Sloss, тогда как материалами, определенными как «угловатые», являются те, которые дают сферичность и округлость ниже чем 0,8×0,8 согласно той же шкале. Чем меньше полученные величины, тем более угловатый материал.

С другой стороны, «округлость» является мерой относительной угловатости краев или кривизны частиц или гранул. Определение округлости осуществляется по тем же частицам, что использованы для определения сферичности, и при использовании того же устройства сравнения Krumbein and Sloss. Оценивают округлость каждой из 20 статистически отобранных частиц и за округлость всего образца принимают среднее арифметическое полученных результатов, то есть имеющих значение 0,9×0,9 при сравнении по шкале Krumbein and Sloss.

Предпочтительно композиция расклинивающего наполнителя настоящего изобретения состоит из 90% по массе сферического расклинивающего агента и 10% по массе угловатого материала, более предпочтительно 80% по массе сферического расклинивающего агента и 20% по массе угловатого материала, также более предпочтительно 70% по массе сферического расклинивающего наполнителя и 30% по массе угловатого материала, все проценты рассчитаны по общей массе смеси.

Для характеристики расклинивающего наполнителя используют несколько методов испытаний. Большинство из них рассмотрено и рекомендовано в публикации “Recommended Practices for Testing High Strength Proppants Used in Hydraulic Fracturing Operations, API Recommended Practice 60 (RP-60) American Petroleum Institute, Washington, DC, USA”, включая сферичность и округлость, уже упоминавшиеся выше.

Другой характеристикой, рассматриваемой для материалов, используемых в настоящем изобретении, и также рекомендованной в вышеприведенной цитированной нормативной публикации, является прочность на раздавливание, поскольку тесты на проводимость и проницаемость для этих материалов проводят при возрастающих величинах давления замыкания, и чем выше прочность на раздавливание, тем выше проводимость и проницаемость для этих материалов. Проводимость и проницаемость являются ключевыми понятиями при выборе расклинивающего наполнителя, потому что процесс разрыва направлен на увеличение производительности скважины за счет увеличения проводимости и проницаемости при использовании расклинивающего наполнителя.

Методом сопротивления на раздавливание измеряют сопротивление расклинивающего наполнителя раздавливанию под действием силы, прилагаемой к упомянутому расклинивающему наполнителю. В этом тесте определяют максимальное давление, под действием которого образец расклинивающего наполнителя образует большое количество мелких частиц. Наиболее часто используемые давления лежат в интервале от 146 до 1125 кгс/см² (от 2000 до 15000 фунт/кв. дюйм). Максимальные количества мелких частиц, допустимые для данного давления, меняются с гранулометрическим составом расклинивающего наполнителя, как показано ниже в таблице 1.

Тест на проводимость и проницаемость расклинивающего наполнителя является наиболее важным для рассмотрения. Чем выше проводимость и чем выше проницаемость среды, созданной расклинивающим наполнителем, тем выше производительность скважины. Меру проводимости и проницаемости определяют, поместив определенные количества расклинивающего наполнителя в ячейку под определенным давлением закрытия разрыва и на определенный промежуток времени. Жидкость принудительно протекает через слои расклинивающего наполнителя с определенными и постоянными скоростями потока, температурами и давлениями. Давления закрытия и слоев медленно и одновременно повышают до определенных величин давления, например, 140 кгс/см² и 422 кгс/см² (2000 фунт/кв. дюйм и 6000 фунт/кв. дюйм) соответственно, и они могут закончиться, например, при начальном давлении закрытия 844 кгс/см² (12000 фунт/кв. дюйм). Затем измеряют проводимость разрыва.

При измерении проводимости давление закрытия и температуру поддерживают постоянными и записывают поток жидкости и разницу давлений. В течение всего испытания слои расклинивающего наполнителя остаются под постоянным давлением закрытия разрыва, таким как 422 кгс/см² (6000 фунт/кв. дюйм), при постоянной температуре 121°С (250°F). Проводимость разрыва обычно измеряют через промежутки времени 10 часов. Давление разрыва повышают от 149 кгс/см² (2000 фунт/кв. дюйм) каждые 50 часов до тех пор, пока не будет достигнуто давление примерно 844 кгс/см² (12000 фунт/кв.дюйм).

Ниже в таблице 2 представлены результаты, полученные при оценке проницаемости и проводимости расклинивающего наполнителя 20/40 в слое 9,5 кгс/м² (2,0 фунт/фут²).

Учитывая все вышеупомянутые характеристики, предпочтительные материалы для использования в настоящем изобретении могут быть выбраны из следующих сырьевых материалов.

Сферический материал.

Это могут быть расклинивающие материалы для гидравлического разрыва, доступные на международном рынке под разными коммерческими названиями, такими как SinterBall Bauxite, SinterLite Bauxite, последние два производят авторы настоящего изобретения Curimbaba Ltda. (Cutimbaba mining company), с головным офисом в Po os de Caldas, MG, Brazil; Carbo HSP, CarboProp, CarboLite, Econoprop, последние четыре производит фирма Carbo Ceramics с головным офисом в Dallas, TX, USA; Sintered Bauxite, Naplite, Valuprop, последние три производятся фирмой Saint-Gobain Materials Cer micos, ex Norton Alcoa, c головным офисом в США; Borovich, производимый в России, помимо всех остальных. То, что характеризует эти расклинивающие агенты, заключается в том факте, что они являются синтетическими продуктами, полученными из самых разнообразных сырьевых материалов, которые измельчают, гранулируют и прокаливают при высоких температурах, со сферичностью и округлостью примерно 0,9×0,9, измеренными по шкале Krumbein и Sloss.

Предпочтительно сферический расклинивающий наполнитель, использованный в настоящем изобретении, представляет собой SinterLite Bauxite, сферический керамический расклинивающий наполнитель, используемый для гидравлического разрыва и производимый фирмой Curimbaba Ltda. из бокситовых руд в Po os de Caldas, MG, Brazil. Выбор этого материала в качестве сферического керамического расклинивающего наполнителя не ограничивается изобретением, поскольку возможно использовать любые материалы для этой же цели, либо керамические, либо синтетические, как например, SinterBall Bauxite, также производимый Curimbaba и описанный в Бразильской патентной заявке PI 9501449-7.

Наиболее предпочтительным сферическим расклинивающим наполнителем для настоящего изобретения является SinterLite Bauxite, который имеет следующие основные химические и физические характеристики, представленные в таблицах 3 и 4, и который не ограничивает объема притязаний изобретения.

Угловатый абразивный материал.

Он представляет собой продукт, полученный прокаливанием самых разнообразных сырьевых материалов при высоких температурах, их измельчают после процесса прокаливания с получением угловатых частиц всегда со сферичностью и округлостью ниже приблизительно 0,8×0,8, измеренных по шкале Krumbein и Sloss.

Предпочтительным материалом для использования в настоящем изобретении в качестве угловатого абразива является керамический материал. Однако тот факт, что он керамический не ограничивает применимости настоящей патентной заявки, поскольку любой продукт, природный или синтетический, будет отвечать требованиям настоящей патентной заявки, при условии, что является угловатым. Среди угловатых абразивных материалов, которые можно упомянуть, находятся кварц, пески, измельченный камень, керамические оксиды любого состава, такие как циркония мулит, шпинелит и другие по меньшей мере, или их смеси; не оксиды, такие как карбид кремния, нитрид кремния, оксинитрид кремния, кора бабасу и т.п. Это означает, что любой природный или синтетический материал можно рассматривать как пригодный для рассматриваемого процесса. Его применимость ограничивается механической прочностью. В основном, чем выше механическая прочность и ниже плотность, тем более целесообразным для применения в данном процессе он будет.

Предпочтительно абразивным материалом является материал, описанный в Бразильской патентной заявке PI 9700995-4 и коммерционилизированный o Curimbaba под торговой маркой SinterBlast. Он состоит из гомогенного, прокаленных угловатых абразивных частиц боксита и имеет высокую плотность, высокую прочность, высокую абразивность, высокую твердость и высокую ударную вязкость. До настоящего момента его обычно использовали для отделки и чистки поверхностей в операциях с использованием струи сжатого воздуха. Этот продукт дополнительно проявляет высокую шероховатость, которую авторы изобретения обнаружили как преимущество для использования в композиции согласно изобретению, поскольку она способствует снижению «обратного потока». Химические и физические характеристики вышеупомянутого угловатого абразива SinterBlast представлены в таблицах 5 и 6.

Процесс получения расклинивающего наполнителя настоящего изобретения состоит в физическом смешении двух компонентов: сферического материла и угловатого материала в конкретных пропорциях. Параметры и оборудование, используемые в процессе смешения, те же что традиционно, применяются для аналогичных смесей, легко идентифицируются и понятны специалистам в данной области.

Пояснительные примеры, представленные ниже, позволяют лучше описать настоящее изобретение. Однако представленные данные и методы просто относятся к некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, и их не следует рассматривать, как ограничивающие объем притязаний изобретения.

Пример 1

Готовят различные смеси согласно изобретению с использованием следующих сырьевых материалов:

1 - сферический материал: SinterLite Bauxite, гранулометрическая фракция 20/40;

2 - угловатый материал: SinterBlast, гранулометрическая фракция 20/40.

Полученные таким образом смеси содержали следующие количества компонентов:

а) 100% SinterLite Bauxite 20/40, обозначенный как 100 SL (контрольный),

b) 90% SinterLite Bauxite 20/40 + 10% SinterBlast 20/40, обозначенный как 90SL + 10SB,

c) 80% SinterLite Bauxite 20/40 + 20% SinterBlast 20/40, обозначенный как 80 SL + 20SB,

d) 70% SinterLite Bauxite 20/40 + 30% SinterBlast 20/40, обозначенный как 70SL + 3-SB.

Полученные смеси имели характеристики, показанные в таблице 7.

AD = кажущаяся плотность, г/см³

LD = объемная плотность, г/см³

Abs.D = абсолютная плотность, г/см³

CR = прочность на раздавливание, %, образующейся мелочи

Sol = растворимость, %

Составы полученных таким образом расклинивающих агентов оценивали на проводимость и проницаемость, результаты которых представлены в следующих таблицах.

Результаты, представленные в таблице 12, свидетельствуют о том, что при

422 кгс/см² (6000 фунт/кв.дюйм) и при добавлении 20% SinterBlast неожиданно оказывается возможным улучшить проводимость и проницаемость концентрированного SinterLite Bauxite 100%.

Поэтому вышеприведенные данные показывают, что добавление угловатых частиц к сферическому расклинивающему наполнителю обеспечивает получение расклинивающего наполнителя, обладающего уникальными характеристиками сопротивления «обратному потоку» и, следовательно, желательному результату общего исключения «обратного потока».