專利名稱：水力壓裂方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種地下地層(subterranean formation)中水力壓裂(hydraulic fracturing)技術，具體而言，涉及一種優(yōu)化特別是高滲透性地層中的斷口(fracture)導流性(conductivity)的方法和裝置。
背景技術：
烴(油、天然氣等)是通過鉆取一穿入含烴地層的井而從地下地質層(即“儲層”)獲得的。這種方法提供了一種烴到達地面的局部流路(flowpath)。為了“產出”烴，即烴從地層進到井筒(wellbore)中(并最終到達地面)，從地層到井筒必須具有一個充分通暢的流路。
水力壓裂技術是通過鋪設或延長井筒到儲層的通道來提高井的產率的主要手段。這種操作本質上是通過向穿入地下地層的井筒液壓注入壓裂流體并通過壓力迫使壓裂流體擠壓地層巖層(stratum)。迫使地層巖層或巖石破裂或破碎。在斷口中設置支撐劑以防止斷口閉合，進而改善可采出流體，即油、氣或水的流動。
在低滲透性儲層中實行的常規(guī)水力壓裂技術中，主要目的是產生長且窄的斷口。相反，在高滲透性儲層中，上述處理目的一般在于產生一個填充有支撐劑的寬而短的斷口，以便防止通常與固結較差的地層相關聯的碎屑(fines)移動。通過促進末梢掩蔽(tip-screenout)(或TSO)現象，即通過有意地使支撐劑填充在特定位置進而阻止斷口擴展，可以有效地實現上述情況。
高滲透性地層中壓裂工作的一個缺點是它們經常產生高表層(skin)。所述表層是在包括壓裂處理的鉆孔和填充過程中，地層由于外來物質(主要是鉆孔流體)侵入而被損壞的區(qū)域。對于瓜爾基(guar-base)流體，“外來物質”主要是聚合物或破膠劑留下的殘留物，所述破膠劑是用于通過將聚合物分裂成小分子碎片以減少壓裂處理末尾的凝膠的粘性的一種添加劑。這些物質在井和儲層之間產生一個稱作表層的薄的屏障。該屏障在井筒周圍引起壓降，該壓降的量由表層因子(skin factor)確定。表層因子用無量綱單位表示正值表示地層損壞；負值指示改善。顯然，凝膠劑(gelling agent)的濃度越高，損壞的風險越大且表層越嚴重。在高滲透性地層中，對常常用于獲得更寬支撐斷口的高支撐劑濃度的破壞無疑會增大這種風險。高表層也可能由于總是實現TSO而造成。
在低滲透性地層的情況中，在壓裂初始工序后，剪切速率以略微減小的趨勢而變得穩(wěn)定。另一方面，在高滲透性地層中，剪切速率急劇減小。剪切速率的這種減小有利于使用更低的瓜爾(guar)濃度；主要原因是非牛頓(non-Newtonian)交聯流體的粘性隨剪切速率的減小而增加。
流體剪切速率和儲層冷卻中的差異引起一種需求，即需要提供一種尤其在高滲透性地層中能夠產生較低的表層并更好地控制斷口的幾何形狀的壓裂以及支撐斷口的方法。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的第一方面，提供了一種設計地下儲層中的水力壓裂處理的方法，該方法包括以下步驟a)量化包括預期的動態(tài)底孔溫度的儲層參數，b)估算處理流體將經受的剪切速率(shear rate)，和c)設計最適于所述剪切速率和溫度的處理流體和泵送進度。
在大多數情況中，因為溫度變化例如依賴于注入速率和總的泵送體積，所以上述過程為一個反復過程。
應當記住，地下溫度通常顯著高于地面溫度，所述處理主要導致由于冷卻液，如清理、標定和破裂與充填流體的注入，地層臨時冷卻。在高滲透性地層中情況更是如此，在高滲透性地層中，較高的泄漏(leak-off)有助于調節(jié)地層的溫度。因為流體粘性隨溫度減小而增大，所以儲層冷卻有助于使用凝膠負荷低于典型的40ppt(每一千加侖基液中凝膠劑的磅數)或更高的流體，其中所述40ppt或更高的濃度是根據從低滲透性地層的常規(guī)處理中總結出來的經驗而最常使用的濃度。
除了降低地層和支撐劑充填損壞外，在高滲透性地層中運用具有低瓜爾濃度的交聯流體，可以根據在穿孔間隙上方和下方發(fā)生的額外的流體損耗控制高度增長。這種特性在水或氣頂限定的儲層中是有利的。
本發(fā)明的一個重要方面是不將儲層溫度看作靜態(tài)值，而是更真實地看作動態(tài)值。井筒附近和斷口內部的動態(tài)溫度可由溫度模擬器進行估算，所述模擬器例如為G.R.Wooley在SPE第8441頁的文章“Computing DownholeTemperature in Petroleum and Geothermal Wells”中所描述的模擬器。斷口內部的溫度要用Society of Petroleum Engineer中第3011頁上給出的方法估算。一般，處理期間易發(fā)生的化學反應與處理中特定時間的溫度相關聯。例如，在初始底孔溫度為200°F，并且由于一些流體的注入而使其降至150°F的情況中，如果在處理期間，一種在150°F下降解的流體在其大部分的暴露時間內沒有實際經受高于150°F的溫度，則該流體可以是一良好的溶液。這種方法比較廉價(設計用于更高溫度的流體通常是昂貴的)并且更安全(一旦井溫返回正常則該流體一定會破裂)。
在本發(fā)明的另一或可選方面中，本發(fā)明包括估算由于末梢掩蔽而提高的剪切速率的步驟，如上所述，末梢掩蔽阻止或限制斷口擴展，進而減小剪切速率。剪切速率變化優(yōu)選利用壓裂模擬器FracCADE或可選地利用R.HugoMorales在SPE第15305頁上的文章“Microcomputer Analysis of HydraulicFracture Behavior with a P3D Simulator”中所描述的壓裂模擬器進行估算。
根據本發(fā)明的一個方面，從流體效率導出泵送進度。流體效率被定義為所生成的斷口的體積與注入的壓裂流體的體積的比例。換句話說，對于30％的流體效率，注入的壓裂流體的70％實際泄漏到地層中。
此外，流體效率與斷口閉合時間直接相關，即在通過泵送流體擴展斷口之后，斷口隨流體泄漏而閉合。斷口閉合時間越長，流體效率越高。
壓力-時間下降曲線中的拐點示出了閉合時間和閉合壓力。
常見地，因為通常存在與正確拐點相似的其他特征(即，流態(tài)變化或氣體分離)，所以很難選擇閉合時間和閉合壓力。因此，本發(fā)明的另一方面是利用下文中描述的從平衡測試導出的變形的平衡測試，確定閉合時間和閉合壓力。
變形的平衡法包括在遞增的步驟q1、q2、q3，.......，qn中注入流體。之后，將速率減小至擴展速率并繼續(xù)泵送直至壓力變得穩(wěn)定。當泵送停止時，壓力下降中記載的第一現象為閉合壓力，其以時間曲線的平方根予以更好地描述。變形的平衡法的一個優(yōu)勢是通過q-壓力曲線圖中的斜率變化在不工作時估算擴展速率。
2002年6月24日遞交并轉讓給Schlumberger的美國專利申請No.10/178492中描述了上述平衡測試，該申請的內容通過引用被結合于此，并且在準備于2002年10月20-23日在得克薩斯州歐文市發(fā)表的、SPE第78173頁的文章“Equilibrium Test-A Method for Closure PressureDetermination”中，也描述了上述平衡測試。該平衡測試包括以第一基本恒定的速率Q向地層中注入流體，以生成具有一定體積的斷口，并將泵送速率降至顯著低于饋送速率q，使得斷口的體積變得恒定，換句話說，注入和泄漏達到平衡。當斷口體積在平衡狀態(tài)下變得恒定時，井被阻斷(shut-in)。監(jiān)視井筒壓力，利用無量綱“阻斷”時間ΔtD的時間函數，優(yōu)選基于“閉合”時間ΔtD的平方根，由對井筒壓力的分析確定閉合壓力。當進行平衡測試時，小的速率q應當比速率下降時斷口內的流體泄漏速率小。初始恒定速率Q優(yōu)選為滿額度處理的預期壓裂速率。速率的比例q/Q優(yōu)選小于0.2。
作為注入速率減小的結果，由于泄漏進入地層中的流體比注入其中的流體多，所以井筒壓力初始時下降。流體泄漏隨時間減少，并且在斷口接近閉合時，注入和泄漏達到平衡。當斷口體積在平衡狀態(tài)下變得恒定時，壓力穩(wěn)定，這種情況很容易確定。根據初始速率下降時和平衡時所測得的壓力，能夠估算出閉合壓力。閉合時的壓降反映出對應小注入速率的迂回和摩擦作用。因此，能夠糾正估算得到的閉合壓力，以考慮迂回和摩擦的影響。在本領域中，很容易操作實現這種方法。
盡管本發(fā)明在設計和實行最終同時設置砂礫充填的高滲透性地層壓裂方面特別具有優(yōu)勢，但本發(fā)明完全不應限制于這個方面。具體而言，本發(fā)明使得能夠更好地控制斷口的幾何形狀，從而通過控制末梢掩蔽現象和斷口高度，能夠確保其位于有價值開采的狹窄區(qū)域內而不延伸到鄰近區(qū)域。在本發(fā)明的最概括的方面中，本發(fā)明在于包括了作為被用于流體和處理設計的變量的流體和處理。


參照所附詳細說明和附圖，能夠更好地理解本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)勢，所述附圖中圖1在側視圖(圖1-A)和截面圖(圖1-B)中示出了一典型的斷口；圖2示出了作為時間和聚合物負荷的函數的粘性的變化；圖3示出了標定斷口處理過程中底孔溫度隨時間變化的曲線；
圖4示出了作為流體效率函數的歸一化溫度沿斷口長度的變化；圖5示出了壓裂處理不同階段的流體駐留時間分布；圖6示出了對于低滲透性斷口(圖6-A)和高滲透性斷口(圖6-B)，斷口剪切速率(右軸)和流體粘性(左軸)隨泵送時間變化的曲線；圖7示出了使用變形的平衡法進行閉合壓力估算的原理；圖8示出了使用本發(fā)明的工序獲得的、適于壓裂高滲透性地層的支撐劑濃度；圖9示出了所記載的利用傳統處理和利用本發(fā)明方法的95次測試中的表層與地層滲透性的關系曲線圖。
具體實施例方式
在大多數情況中，水力壓裂處理在于比流體能夠完全泄漏到地層中更快地將無支撐劑的粘性流體或填塞物(pad)(通常是帶有一些高粘性流體添加劑的水)泵送至井中，使得壓力上升，巖石破裂，產生人工斷口和/或擴展已存在的斷口。進而，諸如沙子之類的支撐劑被添加到流體中以形成泥漿，該泥漿將被泵送到斷口中以防止在泵送壓力減小時斷口閉合。基液的支撐劑運送能力依賴于添加到水基中的粘性添加劑的類型。
在壓裂技術中廣泛使用水基壓裂流體，其具有添加以形成粘性溶液的水溶聚合物。自從20世紀50年代晚期開始，一半以上的壓裂處理是利用以下流體進行的瓜爾膠、由甘露糖和半乳糖構成的高分子量多糖、或者諸如羥丙基瓜爾(HPG)、羧甲基羥丙基瓜爾(CMHPG)之類的瓜爾衍生物。基于硼酸鹽、鈦、鋯或鋁絡合物的交聯劑一般用于增加聚合物的有效分子量，并使其更適于在高溫井中使用。
在較小的范圍中，也使用具有或沒有交聯劑的纖維素衍生物，如羥乙基纖維素(HEC)或羥乙基纖維素(HPC)和羧甲基羥乙基纖維素(CMHEC)。黃原膠和硬葡聚糖這兩種生物高聚物已經顯示出具有良好的支撐劑懸浮能力，但是其比瓜爾衍生物昂貴，因此使用得較少。聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯聚合物以及共聚物一般用于高溫應用。
支撐劑材料可以是砂、中等強度的陶瓷支撐劑(從Carbo Ceramics、Norton Proppants等處可以購買到)，燒結鋁釩土以及工業(yè)上熟知的其他材料。所有這些基本的支撐劑可進一步涂覆有樹脂(從Santrol、Division ofFairmount Industries、Borden Chemical等處可以購買到)，以提高支撐劑的聚集能力。
在地層具有高滲透性(大于10mD)的情況下，壓裂/充填處理的主要目的是在一次泵送操作中獲得高導流性的斷口和環(huán)空充填(annular pack)。圖1示出了高滲透性地下地層中的斷口區(qū)。地下置入管道1的實際井筒或孔穿過所關注的開采區(qū)，烴通過所述管道從儲層流到地面上。故意產生一斷口2，砂礫被設置在井筒內圍繞管道的環(huán)形區(qū)中(環(huán)空充填3)并在斷口2內延伸。在高滲透性地層中，目標一般是形成圖1中截面圖A-A所示的短(小于50英尺)且寬(1至2英寸寬)的斷口。為了實現這點，關鍵是促進抑制斷口進一步擴展的末梢掩蔽(TSO)現象和在斷口和圍繞井筒的環(huán)狀空間內有效的支撐劑填充。
發(fā)明人研究了溫度依賴性，因為非牛頓流體的粘性隨溫度降低而增大，如圖2所示，圖2示出了溫度對六種水流體的粘性(以cP或s-1為單位，剪切為40s-1)的影向，所述水流體在每一千加侖基液中分別包括15(空心圓)、20(黑色方框)、25(空心三角形)、30(黑色圓)、35(空心菱形)和40(星形)磅的瓜爾。基于現場數據(底孔規(guī)格)，可以觀察到由于預壓裂/充填流體(酸和標定流體)的注入引起井筒內出現明顯的冷卻，如圖3所示，圖3示出了由于標定流體的注入引起的溫度下降。壓力情況(底孔壓力或BHP，右側Y軸)示出了標定處理和壓裂工作。該圖對于高滲透性地層是較為典型的，其示出了在泵送主要壓裂/充填處理流體(treatment)前述，底孔靜態(tài)溫度(或BHT，左側Y軸)從280°F降至180°F。該溫度下降是通過泵送酸和其他標定處理導致的。盡管在圖中未示出，但商業(yè)溫度模擬器能夠很接近地描繪溫度分布圖。
值得注意的是，所述冷卻并不限于井筒附近區(qū)域，也可延伸至斷口側翼部分。如圖4所示在假設泄漏速率均勻的情況下沿著斷口長度解決溫度冷卻的問題是已知的。圖4示出了歸一化溫度Td(斷口入口處Td＝0，斷口末端處Td＝1)，以及作為流體效率(用標記各條曲線的百分數來指示)的函數的斷口長度(斷口入口處X/L＝0，斷口末端處X/L＝1)。根據圖4，流體效率越低，對儲層溫度的影響就越小。在高滲透性地層中，TSO開始處的典型流體效率小于20％，而在的低滲透性地層中，所述流體效率大于40％。圖4顯示所述流體在斷口的大部分長度上保持斷口內的井筒溫度(冷卻作用)。這有利于在冷卻溫度的基礎上設計交聯壓裂流體。而在低滲透性地層中，盡管冷卻了井筒，但斷口內部的流體迅速上升至靜態(tài)儲層溫度。斷口內的冷卻流體使得能夠使用較低的凝膠濃度。因此，基于冷卻溫度，圖2也可用作流體選擇標準假設冷卻溫度為150°F(65.5℃)且所需粘度為40s-1，則150°F和300cP的相交給定了瓜爾負荷，在本示例中，對應于空心圓曲線，即每一千加侖基液15磅。
斷口幾何圖形和支撐劑設置高度依賴于粘性，我們的研究集中針對高滲透性和低滲透性地層中流體粘性性質。流體粘性是剪切速率和溫度的函數。非牛頓流體的粘性隨剪切速率的減小而增大。在低滲透性地層中，期望斷口較長且窄，這導致泵送時間更長(＞1小時)。因此，流體應具有較高的效率(＞45％)，這可轉換為更長持續(xù)時間上的更高的粘性?？墒?，在高滲透性地層中，斷口短而寬，使得泵送時間較短(在大多數情況中，＜30分鐘)。
圖5為斷口內流體駐留時間的一個模型。注意，較早和較晚泵送的流體具有比中間階段泵送的流體更少的暴露時間。流體在任何階段都沒有表現出大于整個泵送時間的30％。因此流體不必在比泵送時間的一部分(30％)更長的時間內保持穩(wěn)定。這意味著我們可以使用積極的破碎程序和低瓜爾濃度。
圖6a(低滲透性)和6b(高滲透性)中示出了粘性-剪切速率曲線。在低滲透性地層的情況中，壓裂初始工序之后，剪切速率隨時間的變化以略微減小的趨勢而變得穩(wěn)定，因此粘性以略微增大的趨勢也變得穩(wěn)定。相反，高滲透性地層中在TSO現象后，剪切速率急劇減小(減小一個量級)，因此粘性也急劇增大。粘性的增大使得能夠使用更低的凝膠濃度流體(25ppt或更低)。
平衡法(圖7)用于預計閉合情況。平衡法背后的原理為通過將速率減小至擴展速率，斷口區(qū)域閉合直至小斷口(平衡斷口)保持敞開。這種方法包括在不工作時泵送步進速率測試劑(step rate test)以確定擴展速率，并且一旦已經泵送至最大步進速率，將所述速率減至擴展速率并繼續(xù)泵送直至獲得穩(wěn)定狀態(tài)的壓力響應。當泵被停止時，壓力下降所表現出的第一現象為閉合壓力(閉合時間)。
本發(fā)明的方法一般逐步按照以下程序予以實施·利用經標定的溫度模擬器和/或從鄰近地層獲得的井下測量數據(downhole gage data)，確定冷卻溫度。
·確定流體暴露時間以輔助設計破裂進度。
·確定期望的剪切速率曲線(profile)。
·設計流體該流體設計是以冷卻溫度和期望的剪切速率為基礎的。
執(zhí)行·在分流器階段泵送酸。酸的用途是清理孔眼并消除濾餅損壞(filtercake damage)，以及幫助冷卻地層。
·泵送步進速率測試劑(經變形的平衡法)以估算閉合壓力。
·在閉合壓力基礎上，泵送標定處理流體(calibration treatment)以獲得流體效率。
·利用泵送進度發(fā)生器設計泥漿形成進度，所述泵送進度發(fā)生器根據流體效率或流體系數確定泥漿形成進度。
·泵送工作流體(job)并實現TSO。
本發(fā)明能夠設計出適于滲透性高于10md、楊氏模量小于1.5×106psi以及冷卻溫度小于300°F的儲層具有降低的瓜爾濃度的壓裂流體。
因為所述方法能夠實現高度和長度的精確控制，所以可在靠近水或氣頂接觸的情況下進行壓裂/充填處理。圖8示出了這種情況，該圖示出了沿斷口長度的支撐劑濃度。圖8示出了通過限制打孔間隙以在打孔間隙上方和下方留出泄漏區(qū)域，而實現高度控制。根據打孔間隙上方和下方額外的流體損耗(即，由于脫水引起的支撐劑橋連，且防止壓力轉移)來控制高度增長。
另外，瓜爾交聯凝膠的使用減少了支撐劑充填和井筒損壞。所有這些都有助于降低趨膚效應(增加產量)。在圖8中示出了這種情況。圖中示出了來自墨西哥灣的內建數據的表層隨kh.值的增加而增加。整體平均值為10.14時，運用在此描述的方法從壓裂/填充產生的表層具有3.4的平均值。
權利要求
1.一種設計地下儲層中的水力壓裂處理的方法，包括以下步驟a)量化包括底孔溫度和地層滲透性的儲層參數，b)估算由于處理流體注入而引起的地層溫度的臨時變化，和c)設計最適于所述臨時溫度的流體。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述臨時變化為冷卻。
3.根據前述任一權利要求所述的方法，其中，進一步包括估算流體效率的步驟。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，從斷口閉合時間和斷口閉合壓力的估算得出所述流體效率。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，利用平衡測試確定所述斷口閉合壓力。
6.根據前述任一權利要求所述的方法，其中，進一步包括估算在處理進行過程中作為時間函數的處理流體所經受的剪切速率。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于在臨時地層溫度下預期的粘性以及預期的剪切速率的基礎上設計所述流體。
8.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于進一步包括估算地層楊氏模量的步驟。
9.根據前述任一權利要求所述的方法，其中，將所述壓裂流體設計成在不超過整個注入時間的30％的期間上保持穩(wěn)定。
10.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于所述壓裂流體用于促進末梢掩蔽。
11.根據前述任一權利要求所述的方法，其特征在于將所述壓裂流體設計成使流體效率小于20％，以控制水或氣頂所限制的斷口高度。
12.一種設計地下儲層中的水力壓裂處理的方法，包括以下步驟a)量化包括底孔溫度和地層滲透性的儲層參數，b)估算在處理的工序過程中作為時間函數的處理流體所經受的剪切速率，和c)設計最適于所述剪切速率的流體和泵送進度。
13.一種壓裂地下地層的方法，其包括根據權利要求1至12中任一權利要求設計壓裂流體以及泵送所述壓裂流體。
14.一種用于壓裂地層滲透性大于10mD的地下地層的方法，其包括泵送包括基液和凝膠劑的壓裂流體，所述凝膠劑以每一千加侖基液包含大約10至25磅之間的一個比例存在于所述流體中。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述凝膠劑為交聯瓜爾。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種設計地下儲層中的水力壓裂處理的方法，其包括以下步驟a)量化包括底孔溫度和地層滲透性的儲層參數，b)估算由于處理流體注入而引起的地層溫度的臨時變化，和c)設計最適合所述臨時溫度的流體。
文檔編號E21B43/267GK1729346SQ200380106943
公開日2006年2月1日 申請日期2003年10月21日 優(yōu)先權日2002年11月6日
發(fā)明者雨果·莫拉爾斯, 巴爾克里什納·加迪亞 申請人:施藍姆伯格技術公司