[發明專利]用于地層的水力壓裂的方法

有效

• 申請號: 201310283613.6
• 申請日: 2006-01-27
• 公開（公告）號: CN103362489B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: D·維爾貝格;M·米勒;I·V·科薩列夫;M·蒂埃瑟蘭
• 申請（專利權）人: 普拉德研究及開發股份有限公司
• 主分類號: E21B43/267
• 分類號: E21B43/267
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 蔡洪貴

本申請是2006年1月27日提交的發明名稱為“用于地層的水力壓裂的方法”的第200680051820.7號發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及地層中的水力壓裂，更特別地，涉及用于優化裂縫傳導性的方法。

背景技術

碳氫化合物（石油、天然氣等）通過鉆探穿過含碳氫化合物地層的井從地層中獲得。這為碳氫化合物到達地面提供了部分流路。為使碳氫化合物“產出”，即從地層行進到井眼并最終行進至地面，必須具有足夠暢通的流路。

水力壓裂是通過設置從井眼至儲層的高傳導性裂縫或使高傳導性裂縫從井眼延伸至儲層中提高井的產量的主要措施。在第一階段期間，水力壓裂流體通過井眼以高的速率和高的壓力注入地層。壓裂流體注入速率超過地層的滲入速率，從而在砂面（sandface）產生增大的水壓。當壓力超過臨界值時，地層或巖石破裂和產生裂縫。該地層裂縫比地層孔隙更有滲透性。

在下一個階段期間，支撐劑沉積在裂縫中，以防止裂縫在注入停止后閉合。最終形成的被支撐的裂縫能夠使可恢復的流體即油、氣或水的流動得以改善。砂、砂礫、玻璃珠、胡桃殼、陶瓷顆粒、燒結礬土以及其他物質可用作支撐劑。

水力壓裂流體是含有增稠劑例如可溶解多糖的水溶液，以便提供足夠的粘性來傳輸支撐劑。典型的增稠劑是聚合物，例如胍爾膠（phytogeneous polysaccharide，植物多糖）和胍爾膠衍生物（羥丙基胍爾膠，羧甲基羥丙基胍爾膠）。其他聚合物也可用作增稠劑。具有胍爾膠的水表現出具有與聚合物濃度成比例的粘度的線性凝膠。在聚合物鏈之間提供結合的交聯劑用于形成足夠強的偶聯來增加凝膠粘性和產生粘彈性。用于胍爾膠的常用的交聯劑包括硼、鈦、鋯和鋁。

支撐劑保持劑通常用于水力壓裂處理的較后階段期間，以限制放入地層中的支撐劑發生倒流。例如，支撐劑可涂覆有在井底條件下被激活的可固化樹脂。不同材料例如纖維束、或纖維狀材料或可變形材料也已用于保持裂縫中的支撐劑。可推測，纖維在支撐劑中形成三維網絡，從而對其加強并限制其倒流。

水力壓裂處理的成功取決于水壓裂縫傳導率和裂縫長度。裂縫傳導率是支撐劑滲透率與裂縫寬度的乘積；單位通常表示為毫達西-英尺。裂縫傳導率受多個已知參數影響。支撐劑顆粒尺寸的分布是影響裂縫滲透性的一個關鍵參數。裂縫面之間的支撐劑濃度為另一關鍵參數（以每平方英尺裂縫面的支撐劑的磅數表示）并影響裂縫寬度。可考慮采用高強度的支撐劑、具有優良的支撐劑傳輸特性的流體（本身使裂縫內的重力沉降最小化的能力）、高支撐劑濃度、或者大的支撐劑作為手段來提高裂縫傳導性。弱的材料、差的支撐劑傳輸和窄的裂縫都會導致井的低產量。相對價廉的低強度材料例如砂用于具有較小內應力的地層的水力壓裂。較高成本的材料例如陶瓷、礬土等用于具有較高內應力的地層中。產生的流體和支撐劑之間的相互化學作用可顯著改變支撐劑的特性。從而，由于油井和氣井通常運轉多年，因此應當考慮支撐劑的長期的抗壓碎能力。

支撐劑充填層必須生成比周圍地層巖石具有更高水力傳導率的層。裂縫內的支撐劑充填層可作為可滲透多孔結構建模，地層流體通過該層的流動通常通過眾所周知的Darcy定律（1）或Forchheimer公式（2）描述：

其中

P為裂縫中流體壓力；

x為從井眼沿裂縫的距離；

μ為地層流體的粘度；

u為地層流體的流動（滲入）速度；

k為支撐劑充填層的滲透率；

β為描述Darcy滲入定律的非線性修正的稱作β因子的系數；

ρ為地層流體的密度。

裂縫滲透率乘以裂縫寬度的結果稱為“水力傳導率”。裂縫設計最重要的方面是對特殊地層條件進行水力傳導率優化。裂縫設計理論和方法在多篇科技文章和專著中有充分描述。Reservoir Stimulation，3^rd，Economides,Michael J.和Nolte，Kenneth G.，John Wiley and Sons（1999）是提供良好裂縫設計方法的參考文獻的好的實例。