Уменьшение выноса материалов при обработке буровых скважин
Изобретение относится к композициям на основе частиц, применяемых при обработке подземных пластов. Способ обработки подземных пластов включает введение в трещины гидроразрыва пласта частиц, содержащих композитный проппант, содержащий основу подложки проппанта с приклеенным покрытием магнитных металлических частиц, составляющих 0,1-10% от массы композитного проппанта, по меньшей мере, 90 масс.% которых имеет распределение по размеру 20-150 мкм, по меньшей мере, 90 масс.% подложки имеет распределение частиц по размеру 8-60 меш (250-2380 мкм), подложка достаточно прочная, чтобы выдерживать давление закрытия трещины, по меньшей мере, 3000 фунтов/кв. дюйм. Дисперсный композитный проппант, содержащий подложку проппанта с приклеенным покрытием магнитных металлических частиц, составляющих 0,1-10% от массы композитного проппанта, по меньшей мере, 90 масс.% которых имеет распределение по размеру 20-150 мкм, по меньшей мере, 90 масс.% подложки имеет распределение частиц по размеру 8-60 меш, подложка достаточно прочная, чтобы выдерживать давление закрытия трещины, по меньшей мере, 3000 фунтов/кв. дюйм. Изобретение развито в зависимых пунктах. Технический результат - усиление устойчивости пласта и уменьшение выноса частиц. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 пр.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к композициям на основе частиц, которые применяются при обработке пласта гидроразрывом (т.е. в качестве композитного расклинивающего агента, проппанта), и которые также пригодны при заполнении гравием в методе защиты от выноса песка, или в других случаях обработки пластов скважин. В частности, изобретение направлено на использование композитного проппанта в способе усиления устойчивости и уменьшения выноса частиц и переноса мелких фракций в пластах скважин. Композитный проппант состоит из подложки, содержащей магнитные частицы, прикрепленные к внешней поверхности проппанта с использованием адгезивного связующего в качестве покрытия на подложке проппанта.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Проппанты применяют для удержания в раскрытом состоянии трещин, созданных гидроразрывом подземного пласта (ГРП), например, в нефте- и газоносных пластах. Обычно гидроразрыв осуществляют в подземных пластах для увеличения добычи нефти или газа. Гидроразрыв может возникать в результате закачки в скважину под высоким давлением вязких жидкостей для разрыва. Сразу после образования трещины дисперсный материал, называемый здесь "расклинивающий агент" или "проппант", помещают в пласт для поддержания разрыва в "расклиненном" открытом состоянии после снятия давления закачки. В процессе формирования трещины разрыва проппанты вносятся в скважину с жидкостью в суспендированном виде и заполняют трещину шламом частиц проппанта. При сбросе давления проппанты застревают в трещинах так, что трещины не закрываются после понижения давления гидроразрыва. Использование проппантов увеличивает производство нефти и/или газа из подземного пласта путем обеспечения высокопроводящих каналов через пласт для протекания нефти и/или газа в забой скважины.
Эксплуатация таких каналов обеспечивает интенсивный приток различных флюидов, например углеводородов, таких как природный газ и нефть.
Широко используемые материалы для проппантов включают: (1) дисперсную спеченную керамику, обычно оксид алюминия, диоксид кремния или боксит, часто с использованием связующего на основе глиноподобных материалов или других добавок для увеличения прочности на сжатие дисперсных материалов, особенно спеченного боксита; (2) природный, сравнительно грубодисперсный, песок с приблизительно сферическими частицами, известный как "расклинивающий песок", и (3) частицы (1) и (2), покрытые полимерной смолой, т.е. проппант с полимерным покрытием.
Одной из проблем, с которыми обычно сталкиваются при использовании этих или других таких проппантов, применяемых для удерживания в открытом состоянии трещин, созданных в подземном пласте, является вынос как проппанта, так и других частиц из пласта с добываемым углеводородом.
Один из методов подавления такого выноса основан на использовании покрытого проппанта, когда проппант покрывают термореактивным полимерным покрытием. Такой полимер предназначен для отверждения по месту, создавая твердую проницаемую массу после заклинивания проппанта в пласте. Обычно покрытый полимером проппант осаждают в трещинах после первоначального осаждения большого количества непокрытого материала проппанта. Другими словами, последнюю порцию проппанта, осажденного в каждой трещине, которую в нефтедобыче часто называют "хвостовой", составляет проппант с термореактивным полимерным покрытием. После отверждения полимера хвостовая порция проппанта превращается в твердую проницаемую массу с высокой прочностью на сжатие. Создав такую структуру в пласте, можно надеяться, что не связанные проппанты и дисперсные частицы пласта не будут выноситься из разрывов с добываемыми углеводородами.
Другой подход к уменьшению выноса частиц описан в находящейся одновременно на рассмотрении заявке США 11/456897. Согласно этому изобретению, проппант покрывают слоем термопластичного полимерного адгезива. Одним из наиболее предпочтительных классов используемых термопластичных материалов являются вещества, называемые термоклеями. При использовании таких материалов покрытие проппанта проявляет латентную клейкость, т.е. клейкость покрытия не проявляется до того момента, пока проппант не попадет в нефтеносный пласт. Латентная клейкость способствует свободному обращению с таким покрытым проппантом вплоть до его помещения в забое скважины, где начинается агрегация, поскольку при этом термопластичное покрытие размягчается или, по меньшей мере, частично плавится с образованием клейкого (липкого) материала (адгезива) и образует агломераты частиц за счет мостиков между ними и тем самым формирует устойчивую структуру внутри трещины для обеспечения внутри подземной формации участка, проницаемого для флюидов.
Патент США 6 116 342 описывает другой подход к предотвращению выноса при проведении гидроразрывов. Согласно раскрытому способу, комбинацию проппанта и отдельного намагниченного материала помещают в разрыв пласта. Намагниченный материал состоит из металла, способного намагничиваться, который может быть в виде микросфер, волокон, полосок, частиц и т.п., или этот металл может быть либо внедрен в неметаллический материал, либо покрывать его. В процессе движения намагниченного материала в пустотах или каналах, находящихся в слое проппанта, через который из пласта могут выноситься как частицы осажденного проппанта, так и природные частицы пласта, намагниченный материал образует кластеры, удерживаемые вместе силами магнитного притяжения. Такие кластеры целенаправленно способствуют образованию проницаемых мостиков проппанта. Такие мостики из проппанта и намагниченного материала задерживают вынос проппанта и твердых частиц пласта, способствуя протеканию углеводородов через пласт.
В этом предшествующем патенте указывается на то, что намагниченный материал, используемый с проппантом, имеющим определенный размер частиц, должен также иметь подобный проппанту размер частиц с тем, чтобы обеспечить необходимую проницаемость массе проппанта, содержащей намагниченный материал. В патенте также предлагается вводить намагниченный материал вместе с проппантом в трещину или трещины в количестве примерно 0,1-25% от массы проппанта, и предпочтительно в интервале 1-5% от массы проппанта.
Поскольку такие методы могут применяться для борьбы с нежелательным потоком твердых частиц через пласт в процессе добычи углеводородов, в этой области продолжается поиск других методов осуществления гидроразрыва и помещения проппанта в подземных формациях для осуществления ограничения выноса как проппанта, так и выбуренных частиц с потоком добываемых углеводородов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено, в частности, на использование композитного проппанта в способе усиления устойчивости пласта и уменьшения выноса частиц и мелких фракций в пласте скважины. Композитный проппант по настоящему изобретению состоит из подложки проппанта с магнитными частицами в виде покрытия на поверхности подложки проппанта, прикрепленными к ее поверхности с помощью клейкого связующего. В таком виде настоящее изобретение представляет усовершенствование способа, описанного в патенте США 6 116 342.
Подложки проппантов, подходящих для использования в настоящем изобретении, включают традиционные материалы проппантов, такие как (1) дисперсная спеченная керамика, обычно оксид алюминия, диоксид кремния или боксит, возможно с глиноподобными связующими или другими добавками для увеличения прочности частиц на сжатие, в частности, спеченного боксита, и (2) природный, сравнительно грубозернистый, песок с частицами примерно сфероидальной формы, обычно называемый "расклинивающий песок". Как будет описано ниже, также могут применяться и другие материалы, которые, как раскрыто, пригодны для применения в качестве проппантов, такие как новейшие разработанные материалы с повышенным сопротивлением раздавливанию.
В одном варианте изобретения магнитные частицы прикрепляются к поверхности таких устойчивых к раздавливанию подложек проппанта, включая перечисленные выше традиционные подложки проппанта. Магнитные частицы могут крепиться к подложке проппанта разнообразными методами, например, с использованием адгезивного покрытия. Количество магнитных частиц, закрепленных на поверхности подложки проппанта, может быть в интервале приблизительно от 0,1 до 10% от массы подложки проппанта, предпочтительно в количестве примерно от 0,5 до 5 % от массы проппанта. (В более широком аспекте настоящего изобретения, подобные покрытия магнитных частиц можно также наносить на подложки проппанта с более низкой плотностью, например, на пустотелые стеклянные бусинки, скорлупу грецких орехов и легковесную керамику с изолированной пористостью, с целью достижения того же эффекта.)
С практической точки зрения настоящего изобретения магнитные частицы могут быть изготовлены из металлов, способных намагничиваться, выбранных из группы, состоящей из железа, феррита, низкоуглеродистой стали, железо-кремниевых сплавов, железо-никелевых сплавов, железо-кобальтовых сплавов и других металлов, способных намагничиваться. Такие металлы, способные намагничиваться, используются в виде малых частиц, которые наносят в порошкообразном виде на внешнюю поверхность подложки проппанта с помощью адгезивного покрытия. Металлические частицы могут быть намагничены либо до, либо после нанесения покрытия. Предпочтительным источником магнитных частиц является магнетит, который представляет собой ферромагнитный минерал с химической формулой Fe3O4, один из нескольких оксидов железа, принадлежащий к группе шпинели.
Как отмечалось выше, малые частицы магнетита являются удобным источником магнитных частиц с магнитными свойствами. Магнетит является ферромагнитным минералом, также известным как оксид железа(II, III). Магнетит имеет химическую формулу Fe3O4, которую иногда представляют как FeO·Fe2O3, чтобы полнее отразить структуру минерала.
Частицы магнетита коммерчески доступны в виде частиц различных средних размеров и размерных интервалов. Предпочтительно используют частицы с размерами, значительно меньшими размеров частиц проппанта. Обычно частицы, имеющие средний (среднечисловой) размер частиц около 10-100 000 нм, предпочтительно примерно от 200 до 80 000 нм и чаще всего примерно от 1000 до 50 000 нм, можно смешивать с подходящим клеем для нанесения покрытия на частицы проппанта. Как альтернатива, частицы магнетита можно приклеивать к адгезивному покрытию после того, как покрытие было нанесено на частицы проппанта, но до того, как клей высох (или затвердел). Средний размер частиц подбирается специалистом так, чтобы обеспечить необходимые магнитные свойства проппанта наряду с минимальной стоимостью. Например, преимуществом малых частиц является легкость их приклеивания и удержания на поверхности частиц проппанта. Однако такие малые частицы являются относительно дорогостоящими по сравнению с более крупными частицами. Аналогично, крупные частицы обладают более сильным магнитным действием и дешевле более мелких частиц. Можно использовать частицы смешанных размеров. В том случае, когда используют их смесь, предпочтительно очень тщательно перемешивать частицы. Специалист в данной области может осуществить подбор размера магнитных частиц, пользуясь рекомендациями, изложенными в данном изобретении.
Композитные проппанты, имеющие сердцевину в виде подложки проппанта с высоким сопротивлением раздавливанию и покрытие из магнитных частиц (описанных выше), приклеенных к поверхности проппанта, могут быть изготовлены разными способами. Подложка проппанта композитного проппанта по настоящему изобретению должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать давление закрытия трещины, по меньшей мере, величиной 3000 фунтов/кв. дюйм, предпочтительно, сопротивление проппанта раздавливанию должно быть достаточным, чтобы выдерживать давление закрытия трещины, по меньшей мере, величиной 5000 фунтов/кв. дюйм, а еще предпочтительнее, сопротивление проппанта раздавливанию должно быть достаточным, чтобы выдерживать давление закрытия трещины, по меньшей мере, величиной 7500 фунтов/кв. дюйм и выше. В одном примере подложка проппанта с высоким сопротивлением раздавливанию, например, частицы керамики или кварцевого песка, могут быть нагреты и смешаны с адгезивной смолой и магнитным дисперсным материалом. Полимерную смолу добавляют к смеси как адгезив для приклеивания магнитных частиц к поверхности подложки проппанта. После перемешивания подложки проппанта с клеящей смолой и магнитными частицами в течение предварительно определенного времени, смесь выгружают, просеивают и охлаждают.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к композитным проппантам, состоящим из подложки проппанта и покрытия на подложке в виде малых магнитных частиц, приклеенных к подложке с использованием адгезивного связующего. Композитный проппант можно применять при добыче нефти и газа для "поддержания/расклинивания" трещин гидроразрывов в подземных пластах. Проппант удерживает гидроразрывы в открытом состоянии для притока нефти и/или природного газа, а когезивные силы между покрытиями магнитных частиц на отдельных частицах проппанта способствуют образованию сплошного слоя, который, в основном, действует подобно фильтру для задержания выноса.
Данное изобретение также рассматривает покрытую подложку проппанта в качестве композитного проппанта и способы изготовления и применения этих композитных проппантов.
Согласно одному или нескольким положениям настоящего изобретения, трещины в подземных формациях могут быть созданы путем закачивания специальных жидкостей (например, жидкостей для трещинообразования или жидкостей разрыва) в подземную формацию. Способы осуществления гидроразрыва пласта (ГРП) и соответствующие трещинообразующие жидкости, используемые в таких операциях, общеизвестны специалистам в данной области и не являются частью данного изобретения (см., например, патенты США 6 059 034 и 6 330 916). Жидкость для такой обработки (жидкость для гидроразрыва) вводится под высоким давлением, чтобы принудительно создать подземные трещины. При бурении на нефть подземные трещины могут увеличивать размер и количество каналов, через которые извлекают нефть и/или другие углеводороды. Создание трещин в подземных пластах обычно увеличивает приток углеводородных материалов (например, нефти), извлекаемых в процессе добычи.
Широко известно, что проппанты вводят и заклинивают в трещинах с целью удержания этих разрывов в открытом состоянии. Без такой поддерживающей структуры (обеспеченной проппантом), удерживающей трещины в открытом состоянии, эти разрывы, вероятно, будут закрываться до определенной степени, препятствуя последующему притоку жидких углеводородов через трещины в пласте. Проппанты обычно вводят при первом введении жидкости разрыва или могут быть включены при последующем введении жидкости в формацию для удержания трещины пласта в открытом состоянии. Во многих случаях трещины могут создаваться на участках, отдаленных от точки введения жидкости. Химические составы подходящих жидкостей разрыва для транспортирования проппантов через подземный пласт известны и не нуждаются в подробном описании здесь, поскольку такие жидкости не составляют критическую часть настоящего изобретения. Как только покрытые композитные проппанты по настоящему изобретению достигают трещины, эти проппанты заклиниваются внутри трещины и с помощью покрытия магнитных частиц на их поверхности агломерируются с образованием устойчивой структуры внутри трещины, обеспечивая проницаемую для флюидов зону.
С целью приготовления композитного проппанта по настоящему изобретению, подложка проппанта с высоким сопротивлением раздавливанию, которая обычно включает дисперсный материал, например, песок, природный минерал, например, плавленный диоксид циркония, керамический материал, например, спеченный боксит или спеченный оксид алюминия, или другие, некерамические огнеупорные материалы, такие как молотая или стеклянная дробь, а также все вышеперечисленные, покрытые полимерными смолами, покрывается магнитными частицами. Подложка проппанта, используемая для приготовления композитного проппанта по настоящему изобретению должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать давление закрытия трещины, по меньшей мере, величиной 3000 фунтов/кв. дюйм, предпочтительно, сопротивление подложки проппанта раздавливанию должно быть достаточным, чтобы выдерживать давление закрытия трещины, по меньшей мере, величиной 5000 фунтов/кв. дюйм, а еще более предпочтительно, сопротивление подложки проппанта раздавливанию должно быть достаточным, чтобы выдерживать давление закрытия трещины, по меньшей мере, величиной 7500 фунтов/кв. дюйм и выше.
Подложка проппанта, например песок или керамика (произвольно покрытая полимерной смолой), обычно характеризуется распределением частиц в интервале от 4 до 100 меш (по номерам системы стандартных сит США) (то есть частицы проходят через отверстие сита размером около 4760 микрон (4 меш) и удерживаются на сите с размером отверстия около 150 микрон (100 меш)). Предпочтительно подложки проппантов имеют распределение частиц по размерам в интервале от 8 до 60 меш, и наиболее часто в интервале от 16 до 50 меш ((предпочтительно, по меньшей мере, 90 масс.% частиц удовлетворяют такому интервалу размеров в меш)). Особенно предпочтительны подложки проппантов с таким распределением частиц по размерам, чтобы, по меньшей мере, 90 масс.% частиц имело размер в интервале от 20 до 40 меш, т.е. в промежутке приблизительно от 425 до 850 мкм.
В соответствии с настоящим изобретенем, подложка проппанта впоследствии обеспечивается покрытием из магнитных частиц. В самом широком аспекте данного изобретения подложку проппанта можно покрыть и, предпочтительно, покрывают предварительно намагниченными металлическими частицами, такими как магнетит. Магнитные частицы могут быть включены в покрытие на подложке проппанта путем предварительного смешивания их с полимерной композицией, применяемой для покрытия подложки проппанта, или путем отдельного добавления частиц в процессе покрытия проппанта. Альтернативно, вместо этого таким же образом подложку проппанта можно покрыть металлическими частицами, способными намагничиваться, и затем композитный проппант можно пропустить через магнитное поле для намагничивания частиц в готовом покрытии. В этом последнем случае магнитную обработку можно осуществлять до или после суспендирования покрытого проппанта в жидкости разрыва.
Предпочтительно, магнитные частицы имеют меньшие размеры частиц, чем частицы подложки проппанта, обычно магнитные частицы имеют средний (то есть, среднечисловой) размер частиц на 50% меньше, чем 90 масс.% частиц проппанта, и более предпочтительно, магнитные частицы имеют средний (то есть, среднечисловой) размер частиц на порядок величины меньше, чем 90 масс.% частиц проппанта. В одном способе осуществления изобретения магнитные частицы имеют распределение частиц по размерам в интервале от 30 до менее, чем 635 меш (согласно системе стандартных сит США), то есть размер частиц меньше, чем 600 микрон и, возможно, меньше, чем 20 микрон. Традиционно, когда ссылаются на интервал размеров, выраженный в меш, имеют в виду, что это распределение частиц, прошедших через сито с большим открытым размером меш, в упомянутом интервале, и удерживающихся на сите, имеющем меньшие открытые (более закрытые) размеры меш, в упомянутом интервале. В большинстве случаев предполагается, что, по меньшей мере, 90 масс.% частиц в данном образце имеют указанное распределение. Обычно магнитные частицы имеют распределение по размерам в интервале от 100 меш до менее чем 635 меш, то есть размеры частиц меньше, чем 150 мкм и вплоть до 20 мкм. Предпочтительно, магнитные частицы имеют распределение по размерам в интервале от 170 меш до менее чем 635 меш, то есть размеры частиц меньше, чем 90 мкм и вплоть до 20 мкм.
Чтобы приготовить композитный проппант по настоящему изобретению, магнитные (или способные намагничиваться) частицы приклеивают к поверхности подложки проппанта. В предпочтительном варианте настоящего изобретения это осуществляется фиксацией частиц на поверхности подложки проппанта, используя адгезивное связующее. Адгезив обычно применяют в количестве от 1 до 10 процентов от массы подложки проппанта, и более часто, в количестве от 2 до 5%. В наиболее широком аспекте настоящего изобретения, можно использовать большое разнообразие адгезивов, включая фенольные смолы, карбамидные смолы, изоцианатные смолы, эпоксидные смолы и тому подобное. Природа адгезивной смолы не является критичной.
Одним из наиболее широко применяемых адгезивов по настоящему изобретению является класс фенолформальдегидных новолачных смол, обычно используемых для покрытия традиционных проппантов. Фенолформальдегидные новолачные смолы можно получить путем реакции молярного избытка фенола с формальдегидом в присутствии кислотного катализатора, такого как серная кислота, соляная кислота или щавелевая кислота (обычно в количестве 0,2-2,0 масс.% по отношению к фенолу). поддержание такого молярного отношения фенола к формальдегиду, как, например, 1:0,7-0,9, является широко принятым в процессе приготовления таких смол. Однако настоящее изобретение не ограничивается каким-либо особым типом новолачных смол.
Новолачные смолы являются термопластичными, то есть они не сшиваются самопроизвольно. Новолачные смолы превращаются в отвержденные смолы, например, путем реакции под воздействием тепла со сшивающим агентом, таким как гекса (также называемым гексамин или гексаметилентетрамин), или, например, при смешивании их с твердым кислотным катализатором и параформальдегидом путем реакции под воздействием тепла. Новолачные смолы можно отверждать с помощью других сшивающих агентов, таких как резолы или эпоксиды.
Новолачные смолы достаточно долго применяют для покрытия проппантов. Твердые новолачные смолы, обычно в виде хлопьев, добавляют к подогретому проппанту (200-400˚F) (93-204˚С) в соответствующем производственном аппарате для нанесения покрытий, с температурой выше температуры плавления новолака (обычно 170-200˚F) (77-93˚С). Тепло способствует расплавлению новолачной смолы, а перемешивание позволяет равномерно покрывать поверхность проппанта. Вслед за достижением равномерного покрытия обычно добавляют водный раствор гексамина. Добавляемая вода охлаждает покрытый проппант путем испарения, в то время как гексамин равномерно распределяется в объеме смолы. Такое охлаждение быстро снижает температуру покрытого проппанта и первоначально предотвращает отверждение новолачной смолы в результате добавления гексамина. Покрытый таким образом проппант можно выгрузить на этой стадии, дополнительно охладить и просеять. При использовании проппанта присутствующий в новолачном покрытии гексамин допускает отверждение покрытия в условиях повышенной температуры, имеющей место в подземных условиях (отверждение по месту). В альтернативном процессе, могут быть созданы условия для полного отверждения новолачно-гексаминового покрытия в самом смесителе, до выгрузки покрытого проппанта (предварительно отвержденное покрытие). Такие методы покрытия и отверждения хорошо известны и понятны из предшествующего уровня техники и могут быть приспособлены к использованию путем обычного эксперимента при закреплении магнитных (или способных намагничиваться) частиц на подложке проппанта в соответствии с настоящим изобретением.
В соответствии с настоящим изобретением, общепринятый способ получения покрытого проппанта с помощью новолачной смолы модифицирован так, что включает магнитные (или способные намагничиваться) частицы вместе с расплавленной новолачной смолой и проппантом в процесс смешивания. Таким образом, после остывания покрытия эти частицы оказываются приклеенными к поверхности подложки проппанта в результате адгезивного действия новолачной смолы. Альтернативно, магнитные (или способные намагничиваться) частицы можно добавлять к твердой новолачной смоле в отдельной операции, то есть, до операции покрытия. Этот пример осуществления изобретения проиллюстрирован в следующих подробных примерах.
В другом примере осуществления данного изобретения адгезив, используемый для приклеивания магнитных (или способных намагничиваться) частиц к подложке проппанта, может быть термопластичным полимером такого типа, который раскрывается в находящейся одновременно на рассмотрении заявке США 11/456897, которая включена в данное изобретение посредством ссылки.
В частности, различные типы термопластичных материалов, которые могут применяться в качестве адгезивов для приклеивания магнитных (или способных намагничиваться) частиц к подложке проппанта в этом примере осуществления изобретения, в широком смысле включают полиэтилен; полипропилен; сополимеры СИС (стирол-изопрен-стирол); сополимеры АБС (то есть акрилонитрил-бутадиен-стирол); сополимеры СБС (стирол-бутадиен-стирол); полиуретаны; сополимеры ЭВА (этилен-винилацетат); полистирол; акриловые полимеры; поливинилхлорид и другие подобные фторопластики; сосновые канифоли и модифицированные канифоли, например, эфиры канифоли, включая эфиры глицерина с канифолью и эфиры пентаэритрита с канифолью; полисульфид; сополимеры ЭЭА (этилен-этилакрилата); стирол-акрилонитрильные сополимеры; найлоны; фенолформальдегидные новолачные смолы, воски и другие подобные материалы и их смеси. Особо предпочтительными при использовании в качестве термопластичного адгезивного материала являются такие вещества, которые принято называть термоклеи. Например, в качестве адгезивов для приклеивания магнитных (или способных намагничиваться) частиц к подложке проппанта с высоким сопротивлением раздавливанию могут применяться термоклеи такие, как Opt-E-Bond™ HL0033, производимый компанией HB Fuller Co., и Cool-Lok™ 34-250A, производимый компанией National Adhesives. Другие варианты адгезивов включают сосновую канифоль и модифицированные древесные смолы, предлагаемые компанией Georgia Pacific Corporation как NOVARES® 1100 и NOVARES® 1182.
Одним из преимуществ использования такой термопластичной смолы в качестве адгезива примени к композитному проппанту по настоящему изобретению является то, что после помещения покрытого термопластичным клеем проппанта в трещину термическая энергия подземной формации приводит к проявлению липкости (клейкости) термопластика и его связывание с другими проппантами, покрытыми термопластиком подобным образом, действуя тем самым совместно с магнитными частицами покрытия и образуя распирающую структуру для удержания трещины гидроразрыва в открытом состоянии. Более того, ожидается, что липкие (клейкие) по своей природе покрытые термопластиком проппанты будут содействовать предохранению магнитных частиц от стирания с подложки проппанта и/или содействовать улавливанию любых частиц, возникающих в процессе износа, и могут также улавливать другие свободные твердые частицы из выносного потока. Таким образом, количество твердого материала, уносимого с добываемыми углеводородами, например, нефтью, можно дополнительно регулировать или уменьшать, способствуя дальнейшему уменьшению выноса.
В одном примере настоящего изобретения порошок магнетита смешивают с расплавленной термопластичной смолой, и этот расплав смеси наносят как покрытие на подложку пропанта для получения композитного проппанта. В качестве альтернативы, порошок магнетита (или другого равнозначного материала) можно смешать с расплавленной термопластичной смолой, которую затем охлаждают с образованием смолы в твердой форме (например, хлопьев) с магнитными (или способными намагничиваться) частицами, распределенными в ее массе. Полученную таким образом смолу применяют в дальнейшем для покрытия подложки проппанта. Таким образом, композитный проппант не только приобретает свойственную ему липкость, но он также приобретает улучшенную связность частиц, благодаря адгезии магнитных частиц к проппанту.
Количество магнитных частиц, используемых для покрытия подложки проппанта, может изменяться в широких пределах примерно от 0,5 до 50,0% от массы подложки проппанта. При желании, данное изобретение позволяет приклеивать большие количества магнитных частиц к подложке проппанта, например, свыше 25% и вплоть до 50% от массы проппанта. Наиболее часто количество магнитных частиц, используемых в покрытии на подложке проппанта, может быть в пределах приблизительно от 1% до 5% от массы подложки проппанта.
Как было отмечено выше, подложки проппанта, покрытые магнитными частицами, могут включать любой дисперсный материал с достаточным сопротивлением раздавливанию для применения в качестве проппанта и могут включать широко используемые подложки проппанта такие, как кварцевый песок, керамика, боксит и им подобные, а также все перечисленные материалы, предварительно покрытые смолой.
Относительно размеров, композитные проппанты по настоящему изобретению типично имеют распределение частиц по размерам в пределах 4-100 меш (с размерами меш, соответствующими системе стандартных сит США). Обычно, по меньшей мере, 90 масс.% частиц (например, композитного проппанта), добавленных в жидкость для обработки или разрыва пласта, имеют распределение частиц в этих пределах. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, 90 масс.% частиц имело распределение по размерам в интервале 8-60 меш, и более предпочтительно, 16-50 меш. В некоторых особо предпочтительных случаях, по меньшей мере, 90 масс.% частиц имеют распределение частиц по размерам в интервале 20-40 меш.
Согласно одному или нескольким примерам осуществления данного изобретения можно также применять подложки проппантов с пониженным кажущимся удельным весом. Такие типы проппантов могут включать природные или синтетически полученные материалы и структуры, такие как пустотелые стеклянные шарики, скорлупа грецких орехов и пористая керамика. Применение проппантов с пониженным кажущимся удельным весом позволяет снизить вязкость и давление при прокачивании жидкости-носителя проппанта через подземный пласт.
Поскольку приводимая здесь дискуссия относится в частности к операциям бурения скважин, то специалисту в данной области будет понятно, что композитные проппанты по настоящему изобретению можно также применять в ряде других случаев и операций. Например, в дополнение к применению в операциях бурения на нефть, обсуждаемых выше, композитные проппанты можно применять в процессах заполнения скважинного фильтра гравием, при которых ситовое устройство помещается в забое скважины. Использование композитных проппантов по настоящему изобретению может также быть полезным в других операциях при добыче углеводородов, что очевидно для специалиста в области таких применений.
Как отмечалось выше, описанные здесь композитные проппанты можно изготавливать с использованием ряда различных процессов. В одном примере кварцевый песок, покрытый порошком магнетита, можно получать предварительным подогревом непокрытого песка, добавлением горячего расплавленного клея и смешиванием песка с клеем в течение предварительно определенного времени. Затем, порошок магнетита можно добавить к разогретой смеси, покрывая кварцевый песок частицами магнетита. Получение композитного проппанта может включать многоступенчатое добавление адгезива с тем, чтобы обеспечить достаточно эффективное покрытие кварцевого песка частицами магнетита. Как только песок будет покрыт частицами магнетита в достаточной мере, композитный проппант охлаждают и выгружают, а затем просеивают для получения желаемого распределения частиц по размерам.
Рядовые специалисты в данной области понимают, что количества подложки, смолы и магнитных частиц, покрывающих материал, могут изменяться в зависимости от желаемой степени покрытия, массы подложки, типа подложки, типа смолы и других факторов.
Настоящее изобретение также относится к способу удержания подземного пласта в открытом состоянии с использованием композиции проппанта, содержащей в существенной мере композитный проппант по настоящему изобретению в качестве твердотельного компонента, и жидкость-носитель проппанта. В частности, в способе применения композитного проппанта по настоящему изобретению, когда композитный проппант по настоящему изобретению вводится в пласт скважины с помощью жидкости-носителя, то частицы композитного проппанта составляют, по меньшей мере, 60 масс.%, предпочтительно 70 масс.%, более предпочтительно 80 масс.%, и обычно 90 масс.% и более (то есть вплоть до 100 масс.%) от массы частиц проппанта, вводимого таким образом в пласт. Другими словами, проппант, не имеющий покрытия из магнитных частиц, вводят лишь в незначительном количестве или, более предпочтительно, не вводят, за исключением очень незначительных количеств (если вообще вводят), в пласт скважины в то же самое время (то есть с той же самой жидкостью-носителем в композиции проппанта), когда вводят частицы композитного проппанта по настоящему изобретению. Таким образом, способность композиции проппанта формировать жесткую удерживающую структуру внутри пласта, которая может успешно снижать вынос пластовых частиц, существенно улучшается по сравнению со способом, описанным в патенте США 6 116 342.
Способ по настоящему изобретению особенно полезен в случае, когда композитный проппант применяют на так называемой "хвостовой" стадии операции обработки скважины, то есть когда завершающая порция композиции проппанта в процессе обработки скважины состоит в основном из композитного проппанта по настоящему изобретению.
Для того чтобы предотвратить налипание за счет магнитного притяжения композитного проппанта, имеющего покрытие из намагниченных частиц, к креплению скважины или нижней трубе обсадной колонны в пробуриваемой скважине перед его попаданием в зону гидроразрыва, жидкость разрыва, содержащую композитный проппант, необходимо закачивать со значительной скоростью, чтобы сорвать или смыть любой прилипший проппант со стенок крепления или трубы.
Несмотря на то что данное изобретение описано в применении к частным примерам, включающим предпочитаемые в настоящее время варианты выполнения изобретения, для специалиста в данной области вполне очевидно, что может существовать значительное число вариантов и видоизменений описанных выше систем и методов, которые охватываются сущностью и объемом данного изобретения, как изложено в формуле изобретения, приведенной ниже.
ПРИМЕР 1
Получали смолу проппанта с внедренными частицами магнетита. Около 1210 граммов новолачной смолы в виде твердых хлопьев (поставляемых компанией Georgia Pacific как смола для проппанта GP-2202) расплавляли при температуре 140-150˚С. К этому расплаву новолака добавляли порошок магнетита со средним размером частиц 15 микрон (15 000 нанометров) в количестве 173 грамм вместе с 12 граммами растворителя DBE-2 (известно, что DBE-2 содержит около 20-35% диметиладипата, около 65-80% диметилглютерата и максимум до 3% диметилсукцината, и поставляется компанией DuPont, Уилмингтон, Делавэр) для регулирования вязкости. Расплавленную смесь формовали в виде тонкого листа и оставляли для остывания. Остывшую импрегнированную магнетитом смолу разбивали на мелкие куски.
ПРИМЕР 2
Подложку проппанта в количестве 3000 граммов нагревали в печи до 400-500˚F (232-260˚С) и затем вводили в подогретый миксер. В качестве подложки проппанта применяли как стандартный расклинивающий песок (кварцевый песок 20/40 от компании US Silica), так и керамический проппант 20/40 от компании Carbo Ceramics. Когда температура внутри миксера, измеренная методом ИК, достигала 400˚F (204˚С), добавляли 107 граммов магнитной смолы из Примера 1 (что обеспечивало около 0,5 масс.% магнитных частиц от массы проппанта). После перемешивания в течение примерно 10 секунд добавляли 15,8 граммов порошкообразного гексамина (гексаметилентетрамина) и 2 грамма воска. Затем перемешивание продолжали еще в течение двух минут, после чего покрытый проппант выгружали и оставляли для остывания до комнатной температуры. Покрытые магнетитом примерно до 0,5 масс.% проппанты не проявляли магнитного сцепления сами по себе, хотя они притягивались и удерживались магнитом.
ПРИМЕР 3
Покрытый композитный проппант из Примера 2 подвергали намагничиванию путем пропускания покрытых частиц проппанта через пластиковую трубку с диаметром пол-дюйма (12,7 мм) и длиной 15 дюймов (381 мм), которую окружали пять постоянных магнитов, прикрепленных к ней на равных расстояниях и сдвинутых на 90˚ друг по отношению к другу. Покрытый материал проппанта пропускали несколько раз через магнитное поле, созданное в этом приборе, перед тем как подвергнуть испытаниям.
Для испытания свойств образующегося в результате композитного проппанта на его относительную когезивность, равные количества композитного проппанта по этому Примеру и обычный покрытый новолаком керамический проппант помещали на горизонтальную стеклянную пластинку. Пластинку поднимали и наклоняли под углом примерно 45˚, а затем стучали по ней несколько раз. Керамический проппант, покрытый смолой без магнетита, скатывался с пластинки, тогда как проппант с полимерным покрытием с добавлением магнитных частиц оставался в виде общей массы на пластинке, тем самым демонстрируя эффективность магнитного сцепления.
Настоящее изобретение было описано здесь со ссылкой на конкретные примеры осуществления. Однако эта заявка претендует на охват тех изменений и замен, которые могут быть сделаны специалистами в этой области, не выходя за пределы сущности и объема данного изобретения. За исключением особо указанных случаев, все проценты представляют собой массовые проценты. Во всем описании и в формуле изобретения термины "около", "приблизительно" и "примерно" означают +/- 5%.
1. Способ обработки подземных пластов, включающий введение в трещины гидроразрыва пласта частиц, содержащих композитный проппант, причем композитный проппант содержит основу подложки проппанта с приклеенным покрытием магнитных металлических частиц, при этом магнитные металлические частицы составляют от 0,1% до 10% от массы композитного проппанта, причем по меньшей мере 90 мас.% магнитных частиц имеют распределение по размеру от 20 мкм до 150 мкм, и по меньшей мере 90 мас.% подложки проппанта имеет распределение частиц по размеру от 8 до 60 меш (250 до 2380 мкм), при этом подложка проппанта является достаточно прочной, чтобы выдерживать давление закрытия трещины, по меньшей мере 3000 фунтов/кв. дюйм.
2. Способ по п.1, в котором подложку проппанта выбирают из группы, состоящей из боксита, кварцевого песка и пористой керамики.
3. Способ по п.1, в котором магнитные частицы содержат магнетит.
4. Способ по п.1, в котором подложка проппанта представляет собой боксит или керамику.
5. Способ по п.1, в котором магнитные частицы составляют от 0,5 до 5,0% от массы композитного проппанта.
6. Способ по п.1, в котором магнитные частицы приклеивают к подложке проппанта при помощи адгезива.
7. Способ по п.1, в котором магнитные частицы приклеивают к подложке проппанта с помощью новолачной смолы, сшитой гексамином.
8. Способ по п.6, в котором по меньшей мере 90 мас.% магнитных частиц имеют рапределение по размеру от 20 мкм до 90 мкм.
9. Способ по п.6, в котором магнитные частицы приклеивают к подложке проппанта с использованием в качестве адгезива, выбранного из группы, состоящей из: полиэтилена, полипропилена, сополимеров стирол-изопрен-стирол, сополимеров акрилонитрил-бутадиен-стирол, сополимеров стирол-бутадиен-стирол, полиуретанов, сополимеров этилен-винилацетата, полистирола, акриловых полимеров, поливинилхлорида, сосновых канифолей, эфиров канифоли, эфиров глицерина с канифолью, эфиров пентаэритрита с канифолью, полисульфида, сополимеров этилен-этилакрилата, стирол-акрилонитрильных сополимеров, найлонов, карбамидных смол, изоцианатных смол и эпоксидных смол.
10. Дисперсный композитный проппант, содержащий подложку проппанта с приклеенным покрытием магнитных металлических частиц, при этом магнитные металлические частицы составляют от 0,1% до 10% от массы композитного проппанта, причем по меньшей мере 90 мас.% магнитных частиц имеют распределение по размеру от 20 мкм до 150 мкм, и по меньшей мере 90 мас.% подложки проппанта имеет распределение частиц по размеру от 8 до 60 меш (250 до 2380 мкм), при этом подложка проппанта является достаточно прочной, чтобы выдерживать давление закрытия трещины, по меньшей мере, 3000 фунтов/кв. дюйм.
11. Дисперсный композитный проппант по п.10, дополнительно содержащий адгезив, приклеивающий магнитные частицы к подложке проппанта.
12. Дисперсный композитный проппант по п.10, дополнительно содержащий адгезив, приклеивающий магнитные частицы к подложке проппанта.
13. Дисперсный композитный проппант по п.12, в котором адгезив представляет собой новолачную смолу, сшитую гексамином.
14. Дисперсный композитный проппант по п.10, в котором магнитные частицы содержат магнетит.
15. Дисперсный композитный проппант по п.10, в котором по меньшей мере 90 мас.% магнитных частиц имеют распределение по размеру от 20 мкм до 90 мкм.
16. Дисперсный композитный проппант по п.10, в котором подложка проппанта содержит, по меньшей мере, одно из следующих: пористая керамика, кварцевый песок, боксит и пустотелое стекло.
17. Дисперсный композитный проппант по п.10, в котором подложка проппанта представляет собой пористую керамику или боксит.
18. Дисперсный композитный проппант по п.11, в котором подложка проппанта является достаточно прочной, чтобы выдерживать давление закрытия трещины, по меньшей мере, 7500 фунтов/кв. дюйм.
19. Дисперсный композитный проппант по п.18, в котором магнитные частицы составляют от 0,5 до 5,0% от массы композитного проппанта.
20. Способ обработки подземных пластов по п.1, в котором композитный проппант по настоящему изобретению вводят в трещины подземного пласта с помощью жидкости-носителя с образованием композиции проппанта, а частицы композитного проппанта составляют, по меньшей мере, 80% от массы частиц в жидкости-носителе.
