CN101910556B - 与支撑剂一起在油气井中使用的增强传导性的混合物 - Google Patents

Abstract

本发明披露了支撑剂颗粒与传导性增强结构的一种混合物。这些球形的支撑剂颗粒具有凸出的表面。这些传导性增强结构包括凹陷的表面。这些支撑剂颗粒的凸出表面抵靠这些传导性增强结构的凹陷表面。

Description

与支撑剂一起在油气井中使用的增强传导性的混合物

背景技术

本申请要求于2007年12月28日提交的美国临时申请号61/009,354的权益，并通过引用将其结合在此。

技术领域

本发明总体上涉及在井下应用中用于协助从地质构层中移除流体如气体和液体的支撑剂。更具体地说，本发明涉及改进井下应用中使用的支撑剂的传导性。

很多专利以及公开的专利申请披露了对支撑剂的修改以便改进其性能的特定方面。例如，美国公开的专利申请2007/0131424披露了一种支撑剂，该支撑剂具有一种非球形且非纤维状的形状并且被用来减小或消除支撑剂及颗粒的回流。具体的形状披露在图1A至图1L中。在US4,462,466中，每个颗粒具有至少一个通路，该通路被形成为实质性地直接从中通过此以增大对来自地下构层的流体流动的通透性。美国公开的专利申请2007/0084602披露了一种支撑剂，该支撑剂构成为按重量计从10％至95％的一种球状支撑剂以及按重量计从5％至90％的一种有角度的材料的混合物，这些百分比是基于该混合物的总重量。所得到的支撑剂被描述为对于消除或减小在油或气井中的操作中的“回流”现象是有用的。US6,780,804披露的支撑剂具有一个扩大的粒度分布，该粒度分布展现了改进的特性，如压碎强度以及传导性。

发明内容

本发明的多个实施方案改进了在井下应用中使用的支撑剂的传导性。

在一个实施方案中，本发明包括一种混合物，该混合物包括多个第一结构以及多个第二结构。这些第一结构各自具有由一个第一半径所限定的一个凸出表面。这些第一结构的第一半径限定了一个平均第一半径。这些第二结构各自具有由一个第二半径限定的至少一个第一凹陷表面。这些第二结构的第二半径限定了一个平均第二半径。该平均第一半径是等于或小于该平均第二半径。

附图说明

图1是一种常规支撑剂装填体的一个假想截面；

图2是一个传导性增强结构以及三个抵靠的支撑剂颗粒的一个第一实施方案的透视图；

图3是含有图2的传导性增强结构的一种支撑剂混合物的截面；

图4是一个传导性增强结构的一个第二实施方案的透视图；

图5是含有图4的传导性增强结构的一种支撑剂混合物的截面；并且

图6是包括多个四面的传导性增强结构的一种支撑剂混合物的另一个截面。

具体实施方式

本发明涉及在增大油气井的输出量中有用的支撑剂，它们可以被定位在多孔的并且可渗透的地下地质构层中。构层的孔隙性允许该构层储藏油和气，并且构层的可渗透性允许油或气流体穿过构层运动。有时候，保持了气或石油的构层的孔隙性不足以进行石油和气的经济性回收。在其他情况下，在井的操作过程中，构层的可渗透性降低至这样一个程度使得进一步的回收变得不经济。在这样的情况下，通常使这种构层破裂，由此在构层中产生裂缝，通过将适当数量的支撑剂压入这些裂缝之中由此使它们保持开放，这样使得原本被封闭的气体和液体可以容易地穿过这些裂缝流动。这种破裂通常是通过使用一个液压泵迫使一种凝胶状流体流下钻孔中而实现的。压力被增大到直至在地下岩石中形成裂缝。这些支撑剂(它们被悬浮在这种加压的流体中)被压入这些裂缝或裂隙之中。当液体压力被降低时，至少一部分的支撑剂材料保留在裂缝中并且发挥作用以防止所形成的破裂闭合。

许多种支撑剂材料是可商购的。选择支撑剂材料可以取决于多种因素，如地质条件以及有待提取的流体的预期价值。典型地，支撑剂是颗粒材料，如砂、玻璃珠、或陶瓷粒料，它们产生一种多孔结构。图1所示的是一组10支撑剂颗粒12、14、16和18的一个截面视图。这些颗粒各自分别具有一个凸出表面20、22、24和26。这些颗粒相协调而限定了两个间隙空间28和30，它们在此可以称为间隙，并且流体(如原油、天然气和水)可以穿过它们而流动。这些间隙空间的截面的面积可以通过这些颗粒的直径来确定。当这些颗粒的直径增大时，这些间隙空间的截面表面积也增大。反之，当这些颗粒的直径减小时，这些间隙空间的截面面积减小。这些颗粒之间的间隙允许油或气流向收集区。使用泵来使油或气向井口运动。随时间推移，周围岩石的压力可能将这些支撑剂压碎。由这种力学破坏产生的细碎片可能迁移并堵塞在被支撑的结构中的间隙流动通道。这些迁移的细碎片可能大大减小支撑剂的传导性，该传导性是对油或气可能穿过该支撑剂结构流动的方便性的一种度量，并且对一口井的生产力可能是重要的。当支撑剂的传导性降低至某一水平以下时，可以重复破碎过程或者可以放弃这口井。

陶瓷支撑剂(有时被称为人造支撑剂)在某些应用中超过天然支撑剂(如砂或涂覆树脂的砂)是受到喜爱的，这是由于陶瓷支撑剂经受高压和高温的能力以及它们的耐腐蚀性。除了是用比天然材料更高成本的材料制造的、以及制造它们的附加成本之外，陶瓷的增大的压碎强度使得这些陶瓷支撑剂适用于对其他材料而言过于严苛的条件，例如，在超过约350至700kg/cm²(5,000-10,000psi)的压力下。因为压力随着深度而增加，陶瓷支撑剂常被用在地表以下约1500米或更大的深度处。它们典型地是通过使精细研磨的材料(如粘土、铝土矿、或氧化铝)与水相结合并且然后在一个旋转混合器中进行混合而形成。混合器中的叶片致使这种湿混合物形成大体上球状的粒料，它们在高温下进行干燥以及烧制时具有所希望的一般性粒度。在干燥阶段之后将落在希望的范围之外的粒料返回混合器中以便重新加工。

多个支撑剂颗粒的重要物理性质之一通常被称为传导性，它是对在井的生产过程中该支撑剂对抗流体流动将施加的阻力的一种估计。一种支撑剂的传导性可以使用ISO13503-5“测量支撑剂的长期传导性的程序(Procedures for Measuring the Long-term Conductivity ofProppants)”中说明的程序来确定。一些改进支撑剂传导性的尝试集中在几种方法上，这些方法是通过使用更强的材料来减小细碎片数目、通过施加塑料涂层来改进一个单个支撑剂颗粒的压碎强度、改变支撑剂的形状以及改变该支撑剂的粒径分布。改进支撑剂的压碎强度减少或延迟了产生减小传导性的细碎片。延迟或减少细碎片的产生维持了这些支撑剂的传导性。虽然已经在传导性上获得了可测量的改进，在该支撑剂装填体的传导性上进一步的改进仍然是令人希望的。

不像大多数可商购的支撑剂(它们一般被描述为多个球状颗粒)，本发明可以被描述为多个支撑剂颗粒与多个传导性增强结构的一种混合物。这些支撑剂颗粒在此可以被称为多个第一结构。类似地，这些传导性增强结构在此可以被称为多个第二结构。该多个第一结构与该多个第二结构之间的物理关系将在下面进行说明。

如在此使用的，一个第一结构可以是具有一个凸出表面的一个支撑剂颗粒，该凸出表面的曲率由一个第一半径(r₁)限定。该凸出表面可以代表多达100％的颗粒表面积或低至50％的颗粒表面积。该凸出表面所占据的表面积的百分比可以通过颗粒的光学检查来测定。该多个支撑剂颗粒可以是通过将干组分(如铝土矿和有机粘合剂)、与湿的组分(如水)进行混合以形成大量的小球而制成，这些小球的直径范围典型地是从100微米至2000微米。然后将这些球状颗粒在窑中烧制以形成烧结的颗粒。由于在成形和烧结过程中的正常变异性，大量的支撑剂颗粒具有的粒度分布与颗粒直径的分布相对应。这些颗粒的球度的范围可以从0.5至1.0。对于给定量的支撑剂颗粒，可以使用一台光学观察显微镜或光学粒度分析器来测定这些支撑剂颗粒的平均颗粒直径以及因此得出平均半径。可以计算出这些支撑剂颗粒的平均半径并且在此将其描述为第一结构的第一半径(r₁)。

如在此使用的，一种第二结构可以是一种传导性增强结构，它具包括至少一个凹陷表面的一种三维结构。该传导性增强结构可以具有两个、三个、四个、五个、六个、或更多的凹陷表面。每个凹陷表面的曲率由一个半径限定，该半径为在此使用而被定义第二半径(r₂)。在一个传导性增强结构上的所有这些凹陷表面可以具有实质上相同的半径。如果这些半径是在该结构的平均半径的±10％之内，则认为两个或多个半径是实质上相同的。如果该传导性增强结构具有一个第一凹陷表面，该凹陷表面具有与同一传导性增强结构上的第二凹陷表面的半径r_b相比更小的半径r_a，那么将这个更小的半径r_a定义为第二半径(r₂)。该传导性增强结构的一些部分可以不是凹陷的。例如，一个传导性增强结构的表面的一部分可以是平面的或凸出的。该结构可以包括一个或多个穿通孔，它们的作用是作为流体通过该结构的通道。

支撑剂颗粒与传导性增强结构的物理性相互作用提供了相对于单独包含球状支撑剂颗粒的一种支撑剂而言改进的传导性。在本发明的一种混合物中，这些第一结构的(即，支撑剂颗粒的)平均半径(r₁)可以小于或等于这些第二结构的(即，传导性增强结构)第二半径(r₂)。这种关系(即，r₁小于或等于r₂)允许这些第一结构的凸出表面“停靠”在这些第二结构的凹陷表面中。为了有效地起作用，在第一和第二结构的一种给定的混合物中仅仅一部分的第一结构需要停靠在一个第二结构的凹陷表面中。虽然所有这些第一结构的凸出表面与所有这些第二结构的凹陷表面的100％匹配可能是令人希望的，对于实现本发明的益处也许不要求达到所有这些凸出表面与所有这些凹陷表面的完全匹配。

可以按照需要来改变本发明的一种混合物中的第一结构比第二结构的体积比以便实现一种希望的传导性。在选择该比率时可以考虑的因素至少包括以下变量：井的深度；第一结构的粒度分布；第一结构的压碎强度；第二结构的压碎强度；每个第二结构的凹陷表面平均数；以及从该井中提取的流体的经济价值。第一结构比第二结构的比率(它们被认为是可变的)的范围对于第一结构范围是从65至95体积百分比并且对于第二结构是5至35体积百分比。

现在参见附图并且更具体地参见图2，这里示出了一个传导性增强结构的一个第一实施方案32。实施方案32具有三个凹陷表面34、36以及38，它们的曲率分布由半径40、42和44限定。在这个实施方案中，这三个凹陷表面的半径是相同的。在其他实施方案中，这些半径可以彼此不同。第一实施方案32还可以包括第一端面46以及第二端面48。这些端面是彼此平行的。穿过第一实施方案32的中心布置的孔洞50允许流体从中通过。

图3是插入图1中披露的一组支撑剂颗粒(12、14、16和18)10中的一个传导性增强结构的第一实施方案32的一个截面。凸出表面20、24和26的半径与凹陷表面34、36和38的半径相匹配。传导性增强结构32迫使这些第一部件压彼此离开，由此产生更大的间隙区域，流体可以穿过这些间隙区域通过。相对于图1中披露的间隙截面的区域28和30，通道54和56、以及间隙58清楚地增大了截面的表面积。此外，这些凸出表面与这些凹陷表面之间的接触增大了支撑剂颗粒的接触表面积并且减小了在相抵靠的颗粒之间的点到点接触的数目。增大接触表面积有效地减小了在某一井深处施加在支撑剂上的点接触机械应力。其结果是，与利用同样的支撑剂颗粒但没有传导性增强结构的支撑剂填装相比该支撑剂填装将能够在更高的闭合应力下生存。

图4披露了一个总体上立方体形的传导性增强结构70，它结合了六个凹陷表面72、74、76、78、80和82。孔84产生了穿过结构70的一个通路。虽然未示出，但具有从表面74到表面78和/或从表面80到表面82的附加通路的实施方案是可行的。增加穿过一个传导性增强结构的孔洞的数目可以增大穿过支撑剂的孔隙性，这改进了支撑剂的传导性。

图5披露了四个支撑剂颗粒，它们具有凸出表面并且通过一个图4所示的传导性增强结构彼此隔开。这些第一部件的凸出表面的半径彼此相等，并且与这些传导性增强结构的四个凹陷表面的半径相等。孔84通过使得流体能够穿过该孔流动而改进了该支撑剂混合物的传导性，它具有一个与图1中所示的间隙表面积28或30相比更高的截面表面积。

图6中所示的是球状支撑剂100、102和104以及传导性增强结构106、108和110的一种可能的构型。当在截面中观看时，这些传导性增强结构的每四个侧面限定了一个正方形。每个传导性增强结构的两个相对的凹陷表面各自抵靠一个球状支撑剂的凸出表面。在这种构型中，这些传导性增强结构限定了一个中心区112，它与图1中所示的间隙空间28或30相比要大得多。

另一个可能的实施方案是一个形状像四面体的一种四面的传导性增强结构。在该四面体的四个表面的每一个中可以形成一个或多个凹陷表面。在这个实施方案中，该四面体的四个表面限定了传导性增强结构的总表面积。相比之下，图6中所示的实施方案的表面积等于这六个凹陷表面的表面积的总和。

在某些井下应用中，可以控制支撑剂颗粒与传导性增强结构的比率以便进一步改进支撑剂的传导性。可以选择支撑剂颗粒与传导性增强结构的比率以便实现希望的传导性。假如该传导性增强结构具有两个、三个、四个、五个或六个凹陷表面，那么该比率对应地等于或超过2∶1、3∶1、4∶1、5∶1和6∶1。作为一般性指导，支撑剂颗粒的数目可以近似等于或超过凹陷表面的数目。

通过将支撑剂颗粒与具有第一形状和第二形状的传导性增强结构相结合可以实现对该支撑剂传导性的进一步改进。例如，在多个支撑剂颗粒与多个传导性增强结构的一种混合物之中，百分之五十的传导性增强结构可以具有一种第一形状，该形状包括结合在其中的奇数个凹陷表面，如图2中所示的三个凹陷表面的实施方案，并且百分之五十的传导性增强结构可以具有一种第二形状，该形状包括结合在其中的偶数个凹陷表面，如图4中所示的六个凹陷表面的实施方案。

以上说明仅被视为具体实施方案。对于本领域的普通技术人员以及制造或使用本发明的人员将会想到对本发明的变更。因此，应该理解附图中示出的以及以上说明的实施方案仅仅是为了解说性目的，而且并非旨在限制本发明的范围，本发明的范围是由根据专利法的原则进行解释的以下权利要求来限定。

Claims (16)

1.一种混合物，包括：

多个第一结构以及多个第二结构，

所述第一结构各自具有由一个第一半径限定的一个凸出表面，所述第一结构的第一半径限定了一个平均第一半径；

所述第二结构各自具有由一个第二半径限定的至少一个第一凹陷表面，所述第二结构的第二半径限定了一个平均第二半径；并且

其中所述平均第一半径是等于或小于所述平均第二半径。

2.如权利要求1所述的混合物，其中所述第二结构中的至少一个进一步包括一个第二凹陷表面。

3.如权利要求2所述的混合物，其中所述第二结构中的至少一个进一步包括一个第三凹陷表面。

4.如权利要求3所述的混合物，其中所述第二结构中的至少一个进一步包括一个第四凹陷表面。

5.如权利要求4所述的混合物，其中所述第二结构中的至少一个进一步包括第五以及第六凹陷表面。

6.如权利要求1所述的混合物，其中所述第一结构各自包括一个球体。

7.如权利要求4所述的混合物，其中所述第二结构中的至少一个包括一个总表面积并且所述第一凹陷表面、所述第二凹陷表面、所述第三凹陷表面及所述第四凹陷表面限定了该第二结构的总表面积。

8.如权利要求4所述的混合物，其中所述第二结构的四个凹陷表面限定了一个四面体的四个侧面。

9.如权利要求5所述的混合物，其中所述第二结构的六个凹陷表面限定了一个立方体。

10.如权利要求1所述的混合物，其中所述第一结构的凸出表面的至少一部分抵靠所述第二结构的凹陷表面的一部分。

11.如权利要求1所述的混合物，其中至少20重量百分比的所述第一结构具有相同的第一半径。

12.如权利要求1所述的混合物，其中至少20重量百分比的所述第一结构具有不同的第一半径。

13.如权利要求1所述的混合物，其中所述第二结构包括不超过所述混合物总体积的35体积百分比。

14.如权利要求1所述的混合物，其中所述多个第二结构作为一个整体包括一个第一形状以及一个第二形状。

15.如权利要求14所述的混合物，其中所述第一形状包括偶数个凹陷表面。

16.如权利要求14所述的混合物，其中所述第二形状包括奇数个凹陷表面。