сферический керамический расклинивающий наполнитель для гидравлического разрыва нефтяных или газовых скважин и способ формирования углублений на поверхности сферических керамических расклинивающих наполнителей

Формула изобретения

1. Сферический керамический расклинивающий наполнитель, предназначенный для использования при гидравлическом разрыве нефтяных или газовых скважин, отличающийся наличием углублений на его поверхности.

2. Расклинивающий наполнитель по п.1, отличающийся тем, что упомянутый наполнитель получают из боксита, глины или их смесей.

3. Расклинивающий наполнитель по п.2, отличающийся тем, что упомянутый наполнитель получают из бокситового материала, включающего от 50,0 до 85 мас.% Аl₂О₃ в расчете на кальцинированный боксит, от 8,0 до 15 мас.% Fe₂O ₃ в расчете на кальцинированный боксит, от 5 до 15 мас.% SiO₂ в расчете на кальцинированный боксит и от 1,0 до 2,0 мас.% TiO₂ в расчете на кальцинированный боксит.

4. Способ формирования углублений на поверхности сферического керамического расклинивающего наполнителя, отличающийся тем, что данный способ включает стадии сушки, измельчения и гранулирования сырья с последующей стадией спекания гранулированного материала, причем упомянутый способ не включает стадии кальцинирования до упомянутой стадии гранулирования.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что сырье выбирают из боксита, глины или их смесей.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что стадию сушки осуществляют при максимальной температуре, составляющей от 95 до 115°С.

7. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что стадию спекания осуществляют при температуре, составляющей от 1000 до 1200°С.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что стадию спекания осуществляют при температуре, составляющей от 1000 до 1200°С.

9. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что сырье представляет собой бокситовый материал, включающий от 50,0 до 85 мас.% Аl ₂О₃ в расчете на кальцинированный боксит, от 8,0 до 15 мас.% Fе₂О₃ в расчете на кальцинированный боксит, от 5 до 15 мас.% SiO₂ в расчете на кальцинированный боксит и от 1,0 до 2,0 мас.% ТiO₂ в расчете на кальцинированный боксит.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что сырье представляет собой бокситовый материал, включающий от 50,0 до 85 мас.% Аl₂О₃ в расчете на кальцинированный боксит, от 8,0 до 15 мас.% Fe₂O₃ в расчете на кальцинированный боксит, от 5 до 15 мас.% SiO₂ в расчете на кальцинированный боксит и от 1,0 до 2,0 мас.% TiO ₂ в расчете на кальцинированный боксит.

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что сырье представляет собой бокситовый материал, включающий от 50,0 до 85 мас.% Аl₂О ₃ в расчете на кальцинированный боксит, от 8,0 до 15 мас.% Fe₂O₃ в расчете на кальцинированный боксит, от 5 до 15 мас.% SiO₂ в расчете на кальцинированный боксит и от 1,0 до 2,0 мас.% TiO₂ в расчете на кальцинированный боксит.

12. Способ по п.8, отличающийся тем, что сырье представляет собой бокситовый материал, включающий от 50,0 до 85 мас.% Аl₂О₃ в расчете на кальцинированный боксит, от 8,0 до 15 мас.% Fe₂O₃ в расчете на кальцинированный боксит, от 5 до 15 мас.% SiO₂ в расчете на кальцинированный боксит и от 1,0 до 2,0 мас.% ТiO ₂ в расчете на кальцинированный боксит.

13. Способ гидравлического разрыва нефтяных или газовых скважин, отличающийся тем, что в качестве расклинивающего наполнителя для гидравлического разрыва используют расклинивающий наполнитель, описанный в любом из пп.1-3.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к улучшенному сферическому керамическому расклинивающему наполнителю для гидравлического разрыва нефтяных и/или газовых скважин.

Уровень техники

Нефтяные скважины формируются отложениями различных видов нефти и/или газа с присутствием воды, рассолов или других жидкостей в дополнение к органическому материалу и другим твердым остаткам, заключенными в каменистые или песчаные горные породы. Такие скважины могут иметь различные уровни глубины, от поверхностных до мелких, средних или глубоких скважин. При бурении скважины начинается извлечение нефти или газа, при этом такая нефть или газ выходит из окружающей горной породы либо благодаря естественной проницаемости скважины, либо через естественные трещины в породе до тех пор, пока не достигнет поверхности, обычно через металлический трубопровод.

После завершения фазы бурения, и даже до начала извлечения как такового, уже может быть осуществлен гидравлический разрыв с использованием натуральных или синтетических расклинивающих наполнителей для получения более глубоких скважин. В любом случае, после начала извлечения, с течением времени и в результате непрерывного прохождения нефти или газа вместе с увлеченными ими твердыми остатками через поры и трещины проходы трещин постепенно закрываются, что приводит к уменьшению сообщающихся пространств, имеющихся в скважине. Поток нефти или газа уменьшается с последующим снижением производительности до тех пор, пока она не достигнет такого критического состояния, при котором извлечение прекращают из-за его неэкономичности. Были разработаны методы гидравлического разрыва для восстановления таких бесперспективных скважин или для повышения производительности работающих скважин, а также для осуществления операций по бурению, целью которых является более высокая первоначальная производительность скважин. Такие методы заключаются в нагнетании жидкостей, обогащенных твердыми агентами с высокой устойчивостью, в существующие стволы скважин или в пробуренные отверстия для получения новых трещин в породе, заполняемых такими твердыми агентами, образующими проходы с высокой проницаемостью и не позволяющими трещинам закрываться под действием внешнего давления при снижении давления, используемого в процессе разрыва. После образования и заполнения новых трещин нефть или газ начинает более свободно течь через трещины, заполненные твердыми агентами.

Такие твердые агенты, а именно расклинивающие наполнители, должны иметь прочность, достаточную, для того чтобы противостоять ограничивающему давлению, испытываемому трещиной, без разрыва; они должны выдерживать встречающиеся высокие температуры и агрессивное воздействие среды; они должны иметь как можно более близкую к сферической геометрическую форму, а также очень хорошо отрегулированные гранулометрические размеры, для того чтобы гарантировать максимальную проницаемость и проводимость среды внутри трещины.

В качестве расклинивающих наполнителей использовались некоторые твердые материалы, такие как пески, осмоленные пески, стальная дробь, синтетические керамические материалы в виде шариков, материалы на основе боксита, глинистые материалы и некоторые другие материалы. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки и используется в бесчисленных скважинах во всем мире.

Из нескольких документов, известных из предшествующего уровня техники и относящихся к сферическим керамическим расклинивающим наполнителям, заявитель может назвать, например, патент США 44440866, относящийся к расклинивающему наполнителю, получаемому из каолинитовых глин, обогащенных бокситовыми включениями, обнаруженными в Eufala, Alabama, USA, и содержащими около 46% SiO₂ и 51% Al₂O₃. Такое сырье после тонкого размалывания и добавления достаточного количества воды для получения отмученной глины, добавления диспергаторов и контролирующих рН агентов, распыляют в установке для получения гранул (гранулирование).

В патенте США 4427068 описаны расклинивающие наполнители, гранулы которых должны содержать по меньшей мере 40% глины. Патент США 4522731 относится к расклинивающему наполнителю с высоким удельным сопротивлением, содержащему от 40 до 60% Al₂O₃ и имеющему плотность менее 3,0 г/см³, в то время как патент США 4639427 относится к расклинивающему наполнителю с высоким удельным сопротивлением, получаемому из боксита с добавлением диоксида циркония.

Патент США 4623630 также относится к бокситовым материалам, смешанным с другими материалами, поскольку в нем описан расклинивающий наполнитель, гранулы которого получают по существу из смеси глин, бокситов и оксида алюминия, подвергаемых предварительному кальцинированию.

Другим документом, описывающим расклинивающие наполнители, полученные из боксита, смешанного с глиной, является патент США 4668645, относящийся к расклинивающему наполнителю, изготовленному из предварительно кальцинированного боксита с глиной и содержащему после кальцинирования от 16 до 19% SiO₂.

Другие примеры документов, относящихся к бокситовым смесям, включают патент США 4879181, касающийся расклинивающих наполнителей с гранулами, состоящими из смеси кальцинированной глины и кальцинированного боксита, содержащего по меньшей мере 40% глины; патент США 4894285, относящийся к расклинивающему наполнителю, содержащему глину в качестве своего основного компонента, при этом упомянутая глина присутствует в гранулах в концентрации, составляющей по меньшей мере 40%; и патент США 4921820, а также его повторно опубликованный вариант US Re. 34371, в которых описан расклинивающий наполнитель, изготовленный из смеси кальцинированной каолинитовой глины и от аморфного до микрокристаллического диоксида кремния, имеющего удельный вес менее 3,0 г/см³ и изготовленного по существу из каолинитовой глины.

В патенте США 4921821 описан расклинивающий наполнитель, изготовленный по существу из кальцинированной каолинитовой глины, содержащей менее 2% оксида железа и около 5% свободного диоксида кремния в виде кварца, имеющего удельный вес менее 3,0 г/см³.

Патент США 4977116 относится к расклинивающему наполнителю, изготовленному из смеси каолина, кальцинированного при низких температурах, и от аморфного до микрокристаллического диоксида кремния, имеющего удельный вес менее 2,70 г/см³. Патент США 5188175 также относится к расклинивающему наполнителю, получаемому из каолинитовой глины или смесей каолинитовой глины со светлыми заполнителями, при этом содержание оксида алюминия в таком расклинивающем наполнителе составляет от 40% до 60% в виде Al₂O₃, а его удельный вес составляет менее 3,0 г/см³. Бразильский патент PI 89003886-0 относится к расклинивающему наполнителю, изготовленному из смеси каолина, кальцинированного при низких температурах, и от аморфного до микрокристаллического диоксида кремния, имеющего удельный вес менее 2,60 г/см³.

В патенте ЕР 112350 описан расклинивающий наполнитель, в котором предварительно кальцинированный боксит используют вместе с флюсом из щелочноземельного металла в виде талька, доломита и кальциевого бетонита в количествах, превышающих 3% каждого, с целью снижения температуры спекания.

С другой стороны, Бразильский патент PI 9501449-7 относится к расклинивающему наполнителю с высоким удельным сопротивлением, изготовленному из сухого боксита с использованием добавок из щелочноземельных соединений для гранулирования и спекания. Полученный таким образом расклинивающий наполнитель имеет максимальное содержание SiO ₂, составляющее 6,0%. В патенте PI 9501450-0 описан расклинивающий наполнитель низкой плотности, изготовленный исключительно из предварительно кальцинированных каолинитовых глин с использованием добавок из щелочноземельных соединений для гранулирования и спекания.

В патенте PI 0301036-8 описан расклинивающий наполнитель для гидравлического разрыва нефтяных или газовых скважин, подходящий для предотвращения эффекта, известного как обратный поток , и состоящий из смеси от 10 до 95% мас. сферического расклинивающего наполнителя и от 5 до 90% мас. остроугольного материала.

В Бразильском патенте PI 0303442-9, в свою очередь, описан сферический, керамический расклинивающий наполнитель низкой плотности, применимый для гидравлического разрыва мелких скважин или скважин средней глубины с ограничивающим давлением, составляющим до 844 кг/см ² (12000 фунтов на кв. дюйм). Расклинивающий наполнитель согласно данному изобретению получают исключительно путем спекания бокситов типа гиббсита, имеющего специфический химический состав, т.е. боксита с относительно высоким содержанием оксида железа.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к сферическому керамическому расклинивающему наполнителю, имеющему углубления на своей поверхности и применимому для гидравлического разрыва нефтяных или газовых скважин.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу получения сферического керамического расклинивающего наполнителя, имеющего углубления на своей поверхности, а также к способу формирования упомянутых углублений на поверхности расклинивающего наполнителя.

Описание чертежей

Фигуры 1-3 представляют фотографии гранул расклинивающего наполнителя, имеющего углубления согласно настоящему изобретению.

Фигуры 4 и 5 представляют фотографии сферических расклинивающих наполнителей, гранулы которых имеют ровную поверхность.

Фигуры 6 и 7 представляют графики, содержащие данные, относящиеся к проницаемости расклинивающих наполнителей согласно настоящему изобретению по сравнению с расклинивающими наполнителями, включающими гранулы с ровной поверхностью.

Подробное описание изобретения

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что сферические расклинивающие наполнители, имеющие углубления на своей поверхности, вызывают повышение турбулентности потока нефти и/или газа, проходящего через разрыв, в котором их используют, с последующим повышением эффективности извлечения нефти или газа из таких скважин по сравнению с расклинивающим агентом такого же типа, имеющим гладкую поверхность подобно агентам, известным из предыдущего уровня техники.

После этого авторы настоящего изобретения разработали способ формирования углублений на поверхности гранул расклинивающего наполнителя путем спекания гранул, полученных из природных руд, содержащих кристаллизационную воду, согласно которому первоначальная стадия способа включает всего лишь сушку исходного материала без его кальцинирования. Было установлено, что такой процесс обеспечивает получение и/или улучшает производство гранул с углублениями и/или выемками, которые могут быть сферическими и/или неправильными.

Используемый здесь термин углубления , который может также трактоваться как полости или выемки , означает углубления, распределенные по поверхности сферических гранул расклинивающего наполнителя, подобно мячику для гольфа. Иными словами, они означают углубления или выемки на поверхности каждой частицы керамического расклинивающего наполнителя. Такие углубления, имеющиеся на поверхности расклинивающих наполнителей, снижают сопротивление для потоков жидкости при их прохождении через пустоты, сформированные между гранулами внутри разлома, полученного в результате процесса гидравлического разрыва, что вызывает повышение их проницаемости.

Имеющие углубления сферические расклинивающие наполнители могут быть получены, например, из различных бокситовых и/или глинистых руд, подвергнутых только сушке и тонкому измельчению, без нанесения какого-либо покрытия или добавления иного компонента, отличного от упомянутой руды, а затем просто гранулированию водой без какой-либо гранулирующей добавки, после чего вновь сушке и спеканию при температурах, установленных в соответствии с качеством бокситовой и/или глинистой руды, используемой в таком процессе. Таким образом, они отличаются от традиционно известных сферических расклинивающих наполнителей, для получения которых требуется стадия кальцинирования для удаления кристаллизационной воды, содержащейся в первичном сырье.

Было установлено, например, что когда бокситы подвергают всего лишь сушке при температуре от 95 до 105°С, они все еще могут содержать до 30% мас. кристаллизационной воды. Такая кристаллизационная вода может быть удалена только постепенно при спекании гранул путем повышения температуры в печи для спекания после достижения температур, превышающих 300°С. Последние следы присутствия кристаллизационной воды исчезают только при температурах от 1000°С до 1200°С. Во время такой стадии при температурах от 1000°С до 1200°С сферические гранулы освобождаются от кристаллизационной воды и их первоначальный объем несколько изменяется, т.е. они подвергаются весьма незначительному сокращению объема и, следовательно, приобретают высокую пористость.

Начиная с 1000°С, температура процесса повышается до тех пор, пока не происходит спекания расклинивающего наполнителя. Температура спекания зависит от химического состава используемого сырья, степени его способности к помолу и от его тонины после помола. Она также зависит от времени, в течение которого гранулы остаются в печи.

Во время стадии спекания происходит снижение объема гранул, при этом упомянутые гранулы подвергаются весьма значительному сокращению объема, которое может достичь уровня 50%. Такое сокращение предпочтительно происходит в направлении пор, оставшихся в гранулах после удаления кристаллизационной воды с последующим образованием углублений на поверхности гранул.

Авторы данного изобретения неожиданно обнаружили, что расклинивающие наполнители, полученные из только лишь высушенного натурального сырья, в котором присутствует практически весь объем кристаллизационной воды, имевшейся в исходном сырье, имеют на своей поверхности сферические или неправильные углубления и/или выемки. Этого не происходит при использовании предварительно кальцинированного и/или кальцинированного сырья до его размалывания и гранулирования (под кальцинированием подразумевается стадия, предназначенная для удаления кристаллизационной воды). Поскольку гранулы больше не содержат подлежащей удалению кристаллизационной воды, количество остающихся в гранулах пор, полученных путем обычной и традиционной стадии кальцинирования, предшествующей процессу спекания, будет пренебрежимо малым и, в результате, в процессе спекания также произойдет небольшое сокращение объема гранул. Следовательно, расклинивающие наполнители, полученные в результате предварительного кальцинирования и/или кальцинирования сырья, во время которого кристаллизационную воду удаляют из исходного сырья до измельчения и гранулирования, имеют гладкие поверхности.

Для большей ясности, термин спекание в данном описании означает термическую обработку, определяемую стадией кальцинирования при высоких температурах от 1200°С до 1700°С. Температура спекания - это такая температура, при которой материал завершает свои химические реакции и определенно изменяет свою минералогию, оставаясь термопластичным и близким к своей точке плавления или размягчения. Температура спекания зависит от химического состава сырья, его тонины после помола, степени уплотнения во время фазы гранулирования и степени его способности к спеканию (более высокая или более низкая восприимчивость материала к спеканию). Она также зависит от времени, в течение которого гранулы остаются в печи при такой температуре.

Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения, сырьем, предпочтительно используемым для предлагаемого расклинивающего наполнителя, хотя и без ограничений, является боксит, залегающий в большом количестве на плато PoÇos de Caldas в штате Minas Gerais, Бриазилия. Боксит представляет собой смесь гидратированных оксидов алюминия неопределенного состава, содержащую дополнительные минералы, такие как железо, кремний, титан, натрий и калий. Основными компонентами боксита могут быть: гиббсит [Al(OH)₃], бемит [AlO(OH)] и диаспор [HAlO₂]. На плато PoÇos de Caldas преобладает гиббсит, представляющий собой тригидрат приблизительно с 33% кристаллизационной воды.

Что касается руд с плато PoÇos de Caldas Plateau, боксит загрязнен в основном глинистыми минералами, особенно из группы, включающей каолинит, оксид железа, в основном гетит и гематит, а также оксид титана, в основном ильменит. В очень небольших количествах могут присутствовать оксиды кальция и магния, оксид калия, пентоксид фосфора и оксид цинка. Количество оксида железа относительно велико, всегда выше 6%, а количество оксида титана относительно невелико, обычно менее 2%. Присутствие свободного кварца является практически пренебрежительно малым.

Поскольку количество глинистого минерала в таком материале (который вводит в систему диоксид кремния) может практически варьироваться от 1% до приблизительно 10%, количество руды обычно оценивают по соотношению SiO₂/Al₂O₃. Руды с очень высоким содержанием глинистого минерала могут быть обогащены путем промывания водой. Глинистый материал остается суспендированным в воде, отделяемой от системы через сита или центрифугированием, оставляя руду с очень низким содержанием диоксида кремния и высоким содержанием Al₂O₃. По этой причине для классификации существующих типов боксита обычно используют следующие границы:

1 - низкокачественная бокситовая руда (высокое содержание SiO₂ и низкое содержание Al ₂O₃):

SiO₂=28%

Al₂O₃=58%

соотношение SiO₂/Al₂O₃=0,482;

2 - высококачественная бокситовая руда (низкое содержание SiO ₂ и высокое содержание Al₂O₃):

SiO₂=1%

Al₂O ₃=85%

соотношение SiO₂/Al ₂O₃=0,11.

Содержание кристаллизационной воды в высококачественном боксите составляет более 30%, в то время как в низкокачественном боксите - менее 20%. В боксите среднего качества содержание кристаллизационной воды составляет от 20 до 30%. Было установлено, что при любом качестве используемой бокситовой руды всегда присутствует достаточное количество кристаллизационной воды, способствующей формированию углублений, полостей или выемок на расклинивающих наполнителях. Предварительно кальцинированные и/или кальцинированные руды более не содержат кристаллизационной воды, удаляемой в процессе предварительного кальцинирования и/или кальцинирования до измельчения и гранулирования.

Один из вариантов качества боксита, предпочтительно используемого для получения расклинивающих наполнителей согласно настоящему изобретению, представлен в таблице 1. Любой такой наполнитель содержит количество кристаллизационной воды (обозначенное как потеря в результате кальцинирования P.F. ), позволяющее формировать углубления, полости или выемки на поверхностях гранул.

Таблица 1
Оксид	Содержание (%)
Al 2O3	от 50,0 до 80,5
Fe2O3	от 8,0 до 15,0
SiO2	от 5,0 до 15,0
TiO2	от 1,0 до 2,0
P.F.	от 23,0 до 30,0

В зависимости от сезона года бокситы могут содержать влагу в количестве от 5 до 25%, удаляемую в процессе сушки.

Согласно предпочтительному способу получения расклинивающего наполнителя согласно данному изобретению, соответствующий боксит, выбранный исходя из упомянутых выше характеристик, промытый или не промытый, высыпают в подходящем месте на открытом воздухе, а затем сушат при помощи любого известного оборудования для сушки и подвергают тонкому помолу. Используемое в данном способе оборудование для помола не ограничено и может представлять собой любое оборудование, традиционно используемое для данной цели. Полученный таким образом высушенный и размолотый боксит затем смешивают с водой, без добавок, в грануляторах, формирующих сырые гранулы, имеющие самый различный гранулометрический состав.

Покидающие грануляторы гранулы сушат с целью полного или частичного удаления содержащейся в них влаги, а затем классифицируют через сита, отделяя более крупные и более мелкие фракции от фракций, подпадающих под желаемый гранулометрический диапазон. Для данного способа больше подходит промежуточная фракция. Отделенные более крупные и более мелкие фракции возвращают в производственный цикл, вводя их во время процесса измельчения.

Промежуточную фракцию классифицированных и высушенных гранул затем спекают в карусельных печах, печах с псевдоожиженным слоем либо печах периодического действия или любых других печах до получения описанного выше состояния спекания, и охлаждают во вращающихся охлаждающих установках или любых других известных охлаждающих установках, используемых для данной цели.

На данной стадии высушенные гранулы перемещают в противоположном от тепла направлении, т.е. гранулы поступают в часть печи, имеющую более низкую температуру, в то время как покидают печь из ее части, имеющей более высокую температуру. Такие печи работают противотоком. Постепенно, по мере нагревания гранул гиббсит [Al(OH)₃] распадается на различные минералогическое формы оксида алюминия, в то время как гранулы высвобождают водяной пар в атмосферу. Данный процесс происходит до определенного момента, при котором температура гранул не превышает 800°С; минералогической формой оксида алюминия преимущественно является -Al₂O₃ с различными количествами других неустойчивых форм оксида алюминия. Они представляют собой в высшей степени неустойчивые высокопористые формы оксида алюминия с высокой реакционной способностью.

Другие гидратированные соединения, присутствующие в исходном сырье, такие как глинистые минералы и оксиды железа, также распадаются во время данного процесса. Глинистые материалы в основном распадаются на кристобалит (SiO₂) и, вероятно, формы оксида алюминия, упомянутые в связи с гиббситом, высвобождая воду в атмосферу. Гидратированные оксиды железа распадаются на гематит -Fe₂O₃, также высвобождая воду в атмосферу. С этого момента, по мере повышения температуры гранул начинается процесс спекания. Оксид алюминия в неустойчивой форме превращается в имеющий таблитчатые кристаллы корунд ( -Al₂O₃) - единственную устойчивую форму оксида алюминия высокой твердости (9 по шкале Мооса) и высокой прочности. Кристобалит взаимодействует с частью оксида алюминия, образуя муллит (Al₆Si₂O₁₃ ) - устойчивый силикат алюминия. Оксиды алюминия в виде -Fe₂O₃ (гематит) остаются частично свободными в виде кристаллов гематита и частично поступают в твердый раствор с образующимся муллитом и корундом. Также практически весь диоксид титана, TiO₂, присутствующий в боксите, остается в твердом растворе с корундом и муллитом. Гематит вместе с гематитом и диоксидом титана в твердом растворе с корундом и муллитом осаждается вокруг кристаллов корунда и муллита, образуя сцементированные керамическим материалом частицы высокого качества.

На вышеописанной стадии спекания, помимо происходящих химических реакций, имеет место также объемное уменьшение частиц, обычно порядка 50% об., в направлении исходных внутренних пор все еще реакционноспособных гранул. Во время такого процесса объемного уменьшения формируются поры, распределенные по всей поверхности гранул. Полученные таким образом гранулы подвергают гранулометрической классификации через сита, для того чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым к размеру частиц.

Была исследована проницаемость и проводимость расклинивающих наполнителей, представляющих собой гранулы с углублениями на их поверхности согласно настоящему изобретению.

Проводимость и проницаемость являются ключевыми словами при использовании расклинивающего наполнителя для гидравлического разрыва газовых или нефтяных скважин. Целью всего процесса гидравлического разрыва газовых или нефтяных скважин является повышение производительности упомянутой газовой или нефтяной скважины путем повышения проницаемости разрываемой среды при помощи расклинивающего наполнителя.

Для характеристики расклинивающего наполнителя используют ряд исследований, большая часть которых описана и рекомендована в Recommended Practices for testing High strength Proppants used in Hydraulic Fracturing Operations, API Recommended Practice 60 (RP-60), American Petroleum Institute, Washington, DC, USA . Наиболее важное из них еще не стандартизовано, поэтому в настоящее время используется адаптация RP 61 с методикой, хорошо описанной международными лабораториями, такими как StimLab Laboratories, Duncan, Oklahoma, USA, и Fratech Ltd., London, United Kingdom.

Исследование на проницаемость расклинивающего наполнителя является одним из наиболее важных, поскольку, чем выше проницаемость среды, обеспечиваемая расклинивающим наполнителем, тем выше производительность скважины. Фактически, истинной целью способа гидравлического разрыва с использованием расклинивающих наполнителей является создание среды, имеющей большую проницаемость.

Измерение проводимости и проницаемости осуществляют, помещая определенные количества расклинивающего наполнителя в камеру под определенным ограничивающим давлением и на определенное время. Через расклинивающий наполнитель пропускают жидкость с определенной и постоянной скоростью потока, температурой и давлением. Ограничивающие давление и количество слоев медленно и одновременно повышают до установленного давления, например, 576,4 кг/см² и 14,1 кг/см² (8200 фунтов на кв. дюйм и 200 фунтов на кв. дюйм) соответственно, что означает исходное гидростатическое давление, составляющее 564 кг/см² (800 фунтов на кв. дюйм). Затем измеряют проводимость разрыва. При измерении проводимости конечное давление и температуру поддерживают на постоянном уровне, одновременно записывая скорость потока жидкости и дифференциальное давление. Во время всего исследования слой расклинивающего наполнителя подвергают воздействию постоянного давления разрыва, например, 564 кг/см² (800 фунтов на кв. дюйм) при постоянной температуре, составляющей 148,8°С (300°F). Проводимость разрыва измеряют с интервалами в 25 часов. Ограничивающее давление поднимают со 141 кг/см² (200 фунтов на кв. дюйм) каждые 50 часов, до тех пор пока давление не достигнет 1055 кг/см ² (15000 фунтов на кв. дюйм).

В таблице 2 представлены примеры результатов, полученных при оценке проницаемости и проводимости расклинивающего наполнителя 20/40 согласно настоящему изобретению в слоях с давлением 9,7 кг/см² (2,0 фунтов/фут).

Таблица 2
Ограничивающее давление, кг/см2 (фунты на кв. дюйм)	Проницаемость (md)	Ширина, см (дюймы)	Проводимость md.м (md-футы)
88 (1250)	284349	0,426(0,16761)	1210(3072)
176(2500)	252567	0,413(0,16249)	1042 (3420)
264 (3750)	222413	0,402(0,15816)	893(2931)
352 (5000)	216069	0,395(0,15540)	852 (2798)
439 (6250)	209683	0,389(0,15304)	815(2674)
527 (7500)	208619	0,383(0,15068)	791 (2594)
615 (8750)	199225	0,377 (0,14832)	750 (2462)
703(10000)	191507	0,370 (0,14556)	508 (2325)
791 (11250)	189489	0,367(0,14438)	695 (2280)
878 (12500)	179364	0,361 (0,14202)	647 (2122)

Фигуры 1-3 представляют фотографии сферических расклинивающих наполнителей согласно настоящему изобретению, называемых расклинивающими наполнителями типа А, гранулы которых имеют углубления на своей поверхности. С другой стороны, Фигуры 4 и 5 представляют фотографии известных сферических расклинивающих наполнителей, называемых расклинивающими наполнителями типа В и типа С соответственно, гранулы которых имеют гладкую поверхность, полученную путем спекания предварительно кальцинированного и/или кальцинированного сырья, и, следовательно, без кристаллизационной воды, достаточной для формирования углублений, полостей и выемок.

На фигуре 6 представлены данные по проницаемости расклинивающего наполнителя А по сравнению с двумя другими коммерческими расклинивающими наполнителями с гладкой поверхностью, называемыми расклинивающий наполнитель В и расклинивающий наполнитель С. Представленные данные были получены с использованием Ohio Standstone Core под давлением, составляющим 2 фунта/фут² (9,768 кг/м²), при температуре, составляющей 120°С (250°F) и 2% KCl.

Анализ фигуры 6 и представленной ниже таблицы 3 показывает, что расклинивающие наполнители с выемками и/или полостями имеют более высокую проницаемость, чем расклинивающие наполнители с гладкими поверхностями. Следовательно, благодаря такой всего лишь одной переменной величине может быть обеспечена более высокая производительность газовых или нефтяных скважин с использованием расклинивающего наполнителя А, имеющего выемки и/или отверстия, чем с использованием расклинивающих наполнителей типа В и типа С, имеющих гладкую поверхность.

Таблица 3 Проницаемость Х ограничивающее давление, кг/см 2 (фунты на кв. дюйм)
	141 (2000)	282 (4000)	423 (6000)	564 (8000)	703 (10000)
А	601	478	347	245	154
В	570	480	340	210	120
С	340	300	230	150	85

Другим фактором величайшей важности в предсказании и/или оценке качества расклинивающего наполнителя, обеспечивающего более высокую производительность скважины, является коэффициент, получаемый при определении бета коэффициента. Для лучшего понимания ниже приведены следующие соображения относительно законов, управляющих воздействиями, определяемыми с помощью дарсианского потока и недарсианского потока, закона Дарси и закона Форхгеймера.

Основные различия между уравнениями, относящимися к закону Дарси и закону Форхгеймера, заключаются в следующем.

Корреляция Генри Дарси: согласно закону Дарси за снижение ограничивающего давления отвечают только трение и давление вязкости.

Уравнение Форхгеймера добавляет к праметрам, рассматриваемым по Дарси, действие инерциальной жидкости по понижению ограничивающего давления.

Математическое выражение уравнения Дарси является следующим:

p/L= v/k,

где p/L - потеря давления по длине слоя расклинивающего наполнителя - она прямо пропорциональна скорости жидкости,

- скорость жидкого потока,

v - поверхностная скорость жидкого потока (при допущении, что пористость составляет 100%),

k - проницаемость пористой среды.

Математическое выражение уравнения Форхгеймера является следующим:

p/L= v/k+ v²,

где p/L - потеря давления по длине слоя расклинивающего наполнителя - она прямо пропорциональна квадрату скорости жидкости,

p/L - v/k - уравнение Дарси, представленное выше,

- бета-коэффициент (инерциальный коэффициент),

- плотность потока,

v - поверхностная скорость жидкости.

Правило проницаемости основано на законе Дарси, поэтому для применения закона Дарси поверхностные скорости должны быть низкими и, следовательно, при использовании данного правила поверхностные скорости составляют порядка от 0,2 до 2,0 дюймов/мин. (от 0,5 до 5 см/мин). При реальном осуществлении гидравлического разрыва поверхностные скорости могут превышать 3658 см/мин (2 дюйма/сек), что означает скорости в 1000 раз выше скоростей, используемых в лабораторных условиях и основанных на законе Дарси.

Это значит:

правило RP61=от 0,5 до 5 см/мин,

в действительности=3658 см/мин.

Следовательно, большая скорость потоков приведет к более высокому гидравлическому сопротивлению. Градиент давления, необходимый для большой скорости, выше градиента, определяемого согласно уравнению Дарси. Отклонение от уравнения Дарси повышается с повышением скорости потока и является пропорциональным плотности жидкости и квадрату поверхностной скорости жидкости.

Значения проницаемости, полученные согласно RP61, являются всего лишь указательными, поскольку в реальных случаях проницаемость намного выше получаемых значений.

Стараясь свести данную проблему к минимуму, Форхгеймер добавляет к уравнению Дарси коэффициент, называемый бета-коэффициентом. Потеря давления в разрыве связана с модификациями действительных скоростей течения жидкостей. Такие модификации напрямую связаны с характеристиками расклинивающего наполнителя. В уравнении Форхгеймера добавлен бета-коэффициент для реального определения скорости потока разрыва. Это обуславливает важность определения бета-коэффициента в качестве указательных данных для выбора наиболее подходящего расклинивающего наполнителя, обеспечивающего максимальную производительность.

На фигуре 7 приведен график, ясно показывающий превосходство расклинивающих наполнителей, имеющих поверхностные отверстия и/или выемки, представленных расклинивающим наполнителем А. Приведенные данные были получены при использовании расклинивающих наполнителей, имеющих гранулометрию 20/40 при температуре, составляющей 300°F (149°С), и давлении, составляющем 2 фунта/фут² (9,768 кг/м²).

Очевидно, что расклинивающий наполнитель А имеет более низкий бета-коэффициент, чем другие наполнители. С учетом того, что чем меньше бета-коэффициент, тем выше производительность нефтяных или газовых скважин, может быть сделан вывод о том, что нефтяные или газовые скважины, разорванные расклинивающим наполнителем А, имеют более высокие рабочие характеристики, чем скважины, разорванные известными расклинивающими наполнителями В и С, имеющими гладкие поверхности.

Таблица 4 Бета-коэффициент Х ограничивающее давление, кг/см2 (фунты на кв. дюйм)
	141 (2000)	282 (4000)	423 (6000)	564 (8000)	703 (10000)	743 (12000)
А	0,105	0,129	0,184	0,327	0,678	0,690
В	0,20	0,24	0,35	0,66	1,31	3,19
С	0,24	0,29	0,43	0,75	1,29	2,68