專利名稱：完善固結差的地層的方法
技術領域：
本發明涉及地下井的完善方法，具體地涉及完善固結差的地層(porlyconsolidated formation),由此消除或減少出砂(sand production)的方法和裝置。
背景技術：
如石油和天然氣等油氣流體(hydrocarbon fluid)是通過鉆井穿透含油氣層段，從地下地質層，即油藏(reservoir)獲得的。一旦井筒已經被鉆探，就必須完井；完井包括設計、選擇和安裝井筒內或周圍的設備和材料，以于輸送、泵送或控制流體的生產或注入。在完井后，就可以開始石油和天然氣的開采。水力壓裂法是通過從井筒到油藏設置或延伸通道來提高井產量的主要方法。該作業主要如下進行用將壓裂液水力注入到穿透地下地層的井筒中，通過壓力迫使壓裂液緊壓地層。地層或巖石被壓裂并破碎。將支撐劑填充到裂縫中，以防止裂縫閉合，并因此增加可采流體(即石油，天然氣或水)的流量。在地層是“松軟”或固結差的情形下，地層中存在的微粒，通常是砂的細小顆粒，會隨油氣移動。這種出砂是非常不受歡迎的，因為它侵蝕表面和地下設備，因此在可以對油氣進行加工之前需要除沙步驟，最終這將抵消增產技術(例如酸增產)的所需效果。將細小顆粒的流動減到最小的最常用手段，是使采出液過濾通過保留在篩板(screen)上的礫石充填物。在進入井筒之前，采出液經過礫石充填物和篩板，而沒有顯著減少產量，同時更小的顆粒被阻止。然而，該方法相當復雜并費時，沙礫和篩板也會被積垢堵塞或被砂子侵蝕。這解釋了所謂的無篩完井工藝(screenless completion techniques)的發展。典型地，這些技術包括固結液(consolidating fluid)的注入,所述固結液包括樹脂,硬化劑，催化劑和油濕潤劑。樹脂在地層中凝固，從而使地層固結，并減少了游離的細小顆粒的濃度。固結液和其使用方法的實例，例如報道于美國專利US5806593、US5199492、US4669543、US4427069 和 US4291766 中。傳統固結液的凝固時間往往相對長。因此，流體往往會持續流進阻力最小的區域，而導致其它區域未被處理。這嚴格限制了井筒的長度，單次操作中能夠處理的長度不超過大約6米(20英尺)。此外，由于由例如具有不同滲透性的層構成的不均勻地層的原因，獲得了較差的結果。已經知道基于樹脂的固結系統使用時十分復雜，例如要求高達五個處理步驟，而且還經常產生環境問題。為了避免常規流體的這種缺陷，已經提出了多步井處理法。它們中的大多數要么包括乳液，要么包括泡沫。美國專利US5363917教導了一種發泡的固結液，其能夠支持油氣在地層中的燃燒。油氣燃燒的產物使地層固結。美國專利US5010953和US5567088公開了一種固結液，其為蒸汽中的氣溶膠。前一專利的教導是在可聚合化合物(例如糠醇)的凝固期間，蒸汽維持地層中的空隙空間。美國專利6364020教導了包含至少兩個非連續相的乳液，其中一相包括膠凝聚合物，例如多糖，其它相包括無機或有機交聯劑。其它采用或不采用固結處理來完善未固結地層的方法是已知的。美國專利US5551514提出了多步固結處理，然后進行水力壓裂處理，其中采用了支撐劑回流控制技術。美國專利US6450260描述了采用撓性凝膠系統而完成美國專利US5551514中的專利技術的技術的方法。其它使出砂最少化的方法包括確定裂縫延伸的方向，以及取向或定型穿孔(orienting or shaping perforations)(見美國專利 US5386875 和 US6283214)。美國專利US6431278限定了使流經不同相位穿孔(out-of-phase perforations)的流量百分比和裂縫導流能力(fracture conductivity)對地層滲透率的比率相關的曲線。給定所需的產品流量，便可以限定地層傳導率(formation conductivity)。這就允許井操作人員去設計并執行壓裂操作，以獲得在低于出砂的臨界生產壓降(critical drawdown pressure)的條件下開采油井所必須的傳導率。盡管前面提及工藝的多數已經獲得一定成功，但是沒有一個已經獲得了大規模商業認可，特別是從技術和成本限制上看。因此本發明的一個目的是提供一種完善未固結區域的改進方法。
發明內容
一方面，本發明涉及完善地下地層中易于產生細粒(例如砂)的未固結區域的方法，該方法包括向所述區域注入水溶液，以形成將微粒結合在一起(hold together)的硬凝膠，從而固結所述區域的步驟，所述水溶液含有膠體微粒和PH調節劑和/或離子強度調節齊U，以及水壓壓裂該固結區域的步驟。另一方面，本發明涉及完善地下地層中易于產生細粒(例如砂)的未固結區域的方法，該方法包括向所述區域注入水溶液和導向劑(diverting agent),以形成將顆粒結合在一起的硬凝膠，從而固結所述區域的步驟，所述水溶液為膠體微粒、PH調節劑和/或離子強度調節劑的混合物，所述導向劑用來提高水溶液流向滲透率不同區域的均勻流率，以及水力壓裂該固結區域的步驟。本發明包括以下項項1. 一種完善地下地層中未固結區域的方法，包括注入膠體顆粒水溶液和至少一種選自PH調節劑和/或離子強度調節劑的成分，用以形成將顆粒結合在一起的硬凝膠從而固結所述區域的步驟，和隨后的水力壓裂所述固結區域的步驟。項2.如項I所述方法，所述膠體顆粒平均直徑為4到100nm。項3.如項I或2所述方法，所述膠體顆粒是二氧化硅顆粒。項4.如項3所述方法，所述膠體二氧化硅顆粒以二氧化硅濃度為2到50wt%的溶液形式存在，且所述溶液可以含有濃度為0.1到10wt%的乙二醇、丙二醇或甲醇。項5.如上述項中任一項的方法，所述固結區域抗壓強度大于1. 72MPa，待固結區域的深度為約15到90cm。
項6.如上述項中任一項的方法，所述離子強度調節劑為鹽水，pH調節劑是酸或堿，且pH調節劑和/或離子強度調節劑的濃度為0.1到5wt%。項7.如上述項中任一項的方法，在水力壓裂步驟中，裂縫的長度要大于固結區域深度的2倍，注入的固結液的體積為待固結地層孔體積的約2到10倍。項8.如上述項中任一項的方法,還包括使用暫停方案(hesitation scheme)注入固結處理物。項9.如上述項中任一項的方法，所述膠體顆粒是帶電的。項10. —種完善地下地層中未固結區域的方法，包括向所述區域注入膠體二氧化硅、微米顆粒、PH調節劑和/或離子強度調節劑的水溶液來形成將顆粒結合在一起的硬凝膠從而固結所述區域的步驟，和隨后的水力壓裂所述固結區域的步驟。項11.如項10所述方法，所述微米顆粒選自下組，該組包括云母、沉淀二氧化硅、熱解二氧化娃、非膨脹粘土和淀粉,所述微米顆粒的80%粒度為約I到60iim。
參考以下的詳細描述和附圖，將會更好地理解本發明上述和其它目的，特征和優點。其中圖1是室溫下膠體二氧化硅溶液的膠凝時間隨鹽酸濃度的變化。圖2是用于評價膠體二氧化硅進入滲透率不同的沙粒充填物(sand pack)的注入能力(injectivity)的設備的示意圖。圖3顯示了對通過形成膠體二氧化硅顆粒的凝膠，對滲透率不同的砂粒充填物的無側限抗壓強度(unconfined compressive strength, UCS)的測量結果。圖4顯示了用于完成滲透率不同的砂粒充填物的固砂(sand consolidation)測試，以模擬滲透率不同區域的同時固結操作的裝置的基本配置。圖5顯示了在使用如圖4描述的裝置進行的實驗中，液體流經低滲透率(50_70mD)和高滲透率(750mD)砂粒充填物后，所收集的液體體積，和砂粒充填物的入口壓力(inletpressure)。在實驗中，觀察到低滲透率砂粒充填物被堵塞,接下來高滲透率砂粒充填物被擇優流過。圖6顯示了在使用如圖4描述的設備進行的實驗中，在將微米顆粒組合物添加到膠體二氧化硅溶液中以提高流體流向低滲透率砂粒充填物的導向性時，流體的平均流速(6-A)和容器出口處所收集的液體體積出-B)。圖7-A和圖7-B顯示了類似于圖6中顯示的結果，但使用另一微米顆粒組合物。圖8-A和圖8-B顯示了類似于圖6中顯示的結果，其時將沉淀二氧化硅顆粒添加至膠體二氧化硅溶液中，以提高流體流向低滲透率的砂粒充填物的導向性。圖9-A和圖9-B顯示了類似于圖6中顯示的結果，其時將云母顆粒和圖6所示實驗的淀粉添加至膠體二氧化硅溶液中，以提高流體流向低滲透率砂粒充填物的導向性，并且該系統用緩沖液來預沖洗以預調節砂粒充填物的pH。
具體實施例方式根據本發明，完善固結差的地層的方法的第一步是注入包括膠態懸浮液的液體，從而固結所述地層。膠態懸浮液是離散的微細顆粒(球狀或細長形狀，帶電的)的典型分散體，因而類似帶電的顆粒之間的排斥力使分散體變穩定。例如，除去水、改變PH或添加鹽或水混溶性有機溶劑而引起的電荷平衡紊亂，使得膠體顆粒聚集，從而最終形成凝膠。預先充填液體形式的分散體，在顆粒濃度相對較低時是透明的，而在更高的顆粒濃度時變成乳白色或乳狀。無論如何，分散體能夠以液體形式處理，這樣使配料大大簡化。商業化的膠體顆粒溶液一般包括二氧化娃(也稱作娃膠)和招、鋪、錫、鋪、釔和錯的氧化物。這些顆粒主要為球狀，其粒度(particle size)通常為約4nm到約250nm,但是長度高達300nm的細長顆粒(elongated particle)也是可用的，并且相信對于本發明也是可接受的。這些顆粒可以帶正電荷或負電荷。已經發現膠體二氧化硅顆粒的粒度在約4nm到約IOOnm的水溶液在滲透率低至50mD的砂粒充填物中具有優異的注入能力。優選的膠體顆粒的尺寸在4到22nm之間。這種獨特的性質使得能夠對深達數英尺的基巖(matrix)進行完整處理。不拘泥于理論，但認為當添加PH調節劑和/或離子強度調節劑時，顆粒間碰撞得以增加，并且形成了硅氧烷鍵(S1-0-Si)。這導致形成硬凝膠(hard gel)，硬凝膠將未固結地層中的松散顆粒(沙粒)結合在一起。實際上，在進行本發明的固結處理之后，處理前絕對不具備結合力的砂粒充填物(沙子象在沙漏中那樣流動)，呈現出不小于1. 72MPa的耐壓強度，而且變得象堅硬的巖石。濃度在15到50wt%的商業硅溶膠也是適用的。這些商業溶液可以原樣使用或者稀釋至較低二氧化硅含量。例如，含25到50wt% 二氧化硅的溶膠通常用于本發明的目的，但也可以稀釋降低到2wt%。需要注意的是，當使用稀釋的溶液時，注入的溶液的體積一般保持不變，但形成的凝膠耐壓強度變低。冷凝溫度會在膠體二氧化硅溶液中導致冰晶的出現，這會在未凍部分中導致二氧化硅濃度的增加，并加速富硅部分的凝膠化。在解凍時，膠凝的二氧化硅不會重新分散，而是保留在融化的冰中成為沉淀。結果，融化材料中二氧化硅分散顆粒的濃度也降低，并且該材料一般不再適合使用。通過將所述膠體二氧化硅溶液與濃度為0.1到10wt%，優選0.1到5wt%的乙二醇、丙二醇或甲醇混合，可以防止膠體二氧化硅在低于0°C時的不可逆凝膠化。凝膠的形成由pH調節劑和/或離子強度調節劑引發。根據本發明的一個實施方式，所述離子強度調節劑可以是鹽。在本例中，膠體二氧化硅懸浮液(例如Ludax )與鹽水(鹽水含有的鹽優選是氯化鉀，氯化鈉，或氯化鈣，但也可以是任何礦物鹽或有機鹽或適合調節膠體溶液離子強度的化合物)混合。當加入鹽以后，反離子(在無鹽溶膠中，平衡正/負表面電荷的正/負反離子在顆粒周圍擴散定向)更加向顆粒表面靠近，從而導致排斥力作用的距離縮短。通過增加顆粒間碰撞概率，引起溶膠穩定性降低，并且這導致硬凝膠的形成。膠凝期可以通過鹽水濃度或溫度來調整。粒度分布和顆粒濃度也會影響膠凝期。根據本發明的另一實施方案，所述pH調節劑是酸或堿。用于固砂的膠態二氧化硅分散體的PH通常在8到11之間，但也可以呈酸性(pH大約為4)。通過加入酸性溶液/堿性溶液，膠態分散體的PH可以降低/增加。這樣，二氧化硅顆粒表面上的電荷得以降低，并且顆粒可以得到接觸并形成硅氧烷鍵。在PH為5-6時，多數二氧化硅膠體形成凝膠的趨勢最明顯。對于給定的二氧化硅粒度和濃度，膠凝期可以通過溶液的PH和/或溫度來調整。pH調節劑的濃度和離子強度調節劑的濃度在0.1到5wt%之間，優選在0.1到1.5wt% 之間。注入的固結液的體積優選等于待固結地層區域中孔體積至少的兩倍。所述地層區域一般不超過待固結區域孔體積的10倍。通常，待固結區域的深度在約15和約90cm之間，一般為約30cm。在待固結地層為非均質的地方，固結步驟可以通過暫停技術(hesitationtechnique)來完成，由此泵送部分固結液，接著停止泵送一段時間，從而高滲透率區域-也就是高注入能力區域-被固結。重復該分段工序直至所有的固結液都被泵送。根據本發明的另一實施方案，固結液不僅包括膠體顆粒，還包括微米顆粒，例如沉淀二氧化硅顆粒。微米顆粒是指約0. 5到約100 u m的顆粒，更優選為至少80%的顆粒具有約I到約60 y m的粒度的系統。微米顆粒易于進入高滲透率區域，并在油藏壁上形成低滲透率濾餅，從而將固結液導向到低滲透率區域，并且促進流體以均勻速率流過滲透率不同的固結區域。所述微米顆粒例如可以是云母，沉淀二氧化硅，熱解二氧化硅，非膨脹粘土或淀粉。實施例1 :懸浮液的選擇對10種含水膠體二氧化硅的商業懸浮液進行測試。懸浮液的一些特征列于下表1，包括電荷(N:負，P :正)，平均粒度，二氧化硅含量，比表面(Ssp)和pH。懸浮液的凝膠化通過添加鹽(2ml的4M NaCl添加到14ml膠體懸浮液中，結果見表2)來實現，或者通過添加鹽酸(15wt%的酸水溶液添加到15ml膠體懸浮液中，結果見表3)來實現。在66°C下經過2天之后，通過施加低應力(凝膠耐力I)或高應力(凝膠耐力5)，用刮板來估算凝膠耐力(gel resistance) 0根據凝膠耐力(I為非常低的凝膠強度，5為高凝膠強度)，估計值在I至IJ 5之間。表I
權利要求
1.一種完善地下地層中未固結區域的方法，包括注入膠體顆粒水溶液和至少一種選自PH調節劑和/或離子強度調節劑的成分，用以形成將顆粒結合在一起的硬凝膠從而固結所述區域的步驟，和隨后的水力壓裂所述固結區域的步驟。
2.如權利要求1所述方法，所述膠體顆粒平均直徑為4到lOOnm。
3.如權利要求1或2所述方法，所述膠體顆粒是二氧化硅顆粒。
4.如權利要求3所述方法，所述膠體二氧化硅顆粒以二氧化硅濃度為2到50wt%的溶液形式存在，且所述溶液可以含有濃度為O.1到10wt%的乙二醇、丙二醇或甲醇。
5.如上述權利要求任一項的方法，所述固結區域抗壓強度大于1.72MPa，待固結區域的深度為約15到90cm。
6.如上述權利要求任一項的方法，所述離子強度調節劑為鹽水，PH調節劑是酸或堿，且PH調節劑和/或離子強度調節劑的濃度為O.1到5wt%。
7.如上述權利要求任一項的方法，在水力壓裂步驟中，裂縫的長度要大于固結區域深度的2倍，注入的固結液的體積為待固結地層孔體積的約2到10倍。
8.如上述權利要求任一項的方法,還包括使用暫停方案(hesitationscheme)注入固結處理物。
9.如上述權利要求任一項的方法，所述膠體顆粒是帶電的。
10.一種完善地下地層中未固結區域的方法，包括向所述區域注入膠體二氧化硅、微米顆粒、pH調節劑和/或離子強度調節劑的水溶液來形成將顆粒結合在一起的硬凝膠從而固結所述區域的步驟，和隨后的水力壓裂所述固結區域的步驟。
11.如權利要求10所述方法，所述微米顆粒選自下組，該組包括云母、沉淀二氧化硅、熱解二氧化娃、非膨脹粘土和淀粉,所述微米顆粒的80%粒度為約I到60 μ m。
全文摘要
一種完善地下地層中未固結區域的方法，該方法包括固結步驟。該固結步驟通過注入含有pH調節劑和/或離子強度調節劑的膠體顆粒水溶液來實現。形成的硬凝膠將顆結合在一起。固結后緊接著進行水力壓裂。流向低滲透率區域的導向性可以通過微米顆粒的使用來改善。
文檔編號C09K8/504GK103015944SQ20121039671
公開日2013年4月3日 申請日期2004年11月9日 優先權日2003年11月11日
發明者塞繆爾.達尼坎, 戈爾切里.薩拉馬特, 亞歷詹德羅.佩納, 埃里克.尼爾森 申請人:施藍姆伯格技術公司