水力压裂方法

摘要

本发明涉及一种设计地下储层中的水力压裂处理的方法，其包括以下步骤：a)量化包括井底温度和地层渗透性的储层参数，b)估算由于处理流体注入而引起的地层温度的临时变化，和c)设计最适合所述临时温度的流体。

权利要求

1.一种设计地下储层中的水力压裂处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：a)量化包括井底温度和地层渗透性的储层参数，b)估算由于标定流体、清洗流体、或任何其混合物的注入而引起的地层温度的临时变化，和c)设计最适于所述临时温度的处理流体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述临时变化为冷却。

3.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，进一步包括估算所述处理流体的压裂液效率的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，从裂缝闭合时间和裂缝闭合压力的估算得出所述压裂液效率。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，利用平衡测试确定所述裂缝闭合压力。

6.根据权利要求1或者2所述的方法，其中，进一步包括估算在处理进行过程中作为时间函数的处理流体所经受的剪切速率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在临时地层温度下预期的粘性以及预期的剪切速率的基础上设计所述流体。

8.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于进一步包括估算地层杨氏模量的步骤。

9.根据权利要求1或者2所述的方法，其中，将所述处理流体设计成在不超过整个注入时间的30％的期间上保持稳定。

10.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于压裂液被注入，所述压裂液用于促进尖端脱砂。

11.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于将所述处理流体设计成使压裂液效率小于20％，以控制水或气顶所限制的裂缝高度。

12.一种压裂地下地层的方法，其特征在于，其包括根据权利要求1至11中任一权利要求设计压裂液以及泵送所述压裂液。

13.一种用于压裂地层渗透性大于10mD的地下地层的方法，其特征在于，其包括：估算由于注入标定流体、清洗流体或者任何其混合物而引起的所述地层的温度的临时变化；以及泵送包括基液和凝胶剂的压裂液，所述凝胶剂以每一千加仑基液包含大约10至25磅之间的一个比例存在于所述流体中。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述凝胶剂为交联瓜尔胶。

说明书

水力压裂方法

技术领域

[0001] 本发明总体上涉及一种地下地层(subterranean formation)中水力压裂(hydraulic fracturing)技术，具体而言，涉及一种优化特别是高渗透性地层中的裂缝(fracture)导流能力(conductivity)的方法和装置。

背景技术

[0002] 烃(油、天然气等)是通过钻取一穿入含烃地层的井而从地下地质层(即“储层”)获得的。这种方法提供了一种烃到达地面的局部流路(flowpath)。为了“产出”烃，即烃从地层进到井筒(wellbore)中(并最终到达地面)，从地层到井筒必须具有一个充分通畅的流路。

[0003] 水力压裂技术是通过铺设或延长井筒到储层的通道来提高井的产率的主要手段。这种操作本质上是通过向穿入地下地层的井筒液压注入压裂液(fracturing fluid)并通过压力迫使压裂液挤压地层岩层(stratum)。迫使地层岩层或岩石破裂或破碎。在裂缝中设置支撑剂以防止裂缝闭合，进而改善可采出流体，即油、气或水的流动。

[0004] 在低渗透性储层中实行的常规水力压裂技术中，主要目的是产生长且窄的裂缝。相反，在高渗透性储层中，上述处理目的一般在于产生一个填充有支撑剂的宽而短的裂缝，以便防止通常与固结较差的地层相关联的碎屑(fines)移动。通过促进尖端脱砂(tip-screenout)(或TSO)现象，即通过有意地使支撑剂填充在特定位置进而阻止裂缝扩展，可以有效地实现上述情况。

[0005] 高渗透性地层中压裂工作的一个缺点是它们经常产生高的表层效应(skin)。所述表层是在包括压裂处理的钻孔和完井过程中，地层由于外来物质(主要是钻井液)侵入而被损坏的区域。对于瓜尔胶基(guar-base)流体，“外来物质”主要是聚合物或破胶剂留下的残留物，所述破胶剂是用于通过将聚合物分裂成小分子碎片以减少压裂处理末尾的凝胶的粘性的一种添加剂。这些物质在井和储层之间产生一个称作表层的薄的屏障。该屏障在井筒周围引起压降，该压降的量由趋肤因子(skin factor)确定。趋肤因子用无量纲单位表示：正值表示地层损坏；负值指示改善。显然，凝胶剂(gellingagent)的浓度越高，损坏的风险越大且表层越严重。在高渗透性地层中，对常常用于获得更宽支撑裂缝的高支撑剂浓度的破坏无疑会增大这种风险。高的表层效应也可能由于总是实现TSO而造成。

[0006] 在低渗透性地层的情况中，在压裂初始工序后，剪切速率以略微减小的趋势而变得稳定。另一方面，在高渗透性地层中，剪切速率急剧减小。剪切速率的这种减小有利于使用更低的瓜尔胶(guar)浓度；主要原因是非牛顿(non-Newtonian)交联流体的粘性随剪切速率的减小而增加。

[0007] 流体剪切速率和储层冷却中的差异引起一种需求，即需要提供一种尤其在高渗透性地层中能够产生较低的表层并更好地控制裂缝的几何形状的压裂以及支撑裂缝的方法。

发明内容

[0008] 根据本发明的第一方面，提供了一种设计地下储层中的水力压裂处理的方法，该方法包括以下步骤：a)量化包括预期的动态井底(bottomhole)温度的储层参数，b)估算处理流体将经受的剪切速率(shear rate)，和c)设计最适于所述剪切速率和温度的处理流体和泵送进度。

[0009] 在大多数情况中，因为温度变化例如依赖于注入速率和总的泵送体积，所以上述过程为一个反复过程。

[0010] 应当记住，地下温度通常显著高于地面温度，所述处理主要导致由于冷却液，如清洗、标定和破坏与充填流体的注入，地层临时冷却。在高渗透性地层中情况更是如此，在高渗透性地层中，较高的泄漏(leak-off)有助于调节地层的温度。因为流体粘性随温度减小而增大，所以储层冷却有助于使用凝胶负荷低于典型的40ppt(每一千加仑基液中凝胶剂的磅数)或更高的流体，其中所述40ppt或更高的浓度是根据从低渗透性地层的常规处理中总结出来的经验而最常使用的浓度。

[0011] 除了降低地层和支撑剂充填损坏外，在高渗透性地层中运用具有低瓜尔胶浓度的交联流体，可以根据在射孔段(perforated interval)上方和下方发生的额外的流体损耗控制高度增长。这种特性在水或气顶限定的储层中是有利的。

[0012] 本发明的一个重要方面是不将储层温度看作静态值，而是更真实地看作动态值。井筒附近和裂缝内部的动态温度可由温度模拟器进行估算，所述模拟器例如为G.R.Wooley在SPE第8441页的文章“Computing DownholeTemperature in Petroleum and Geothermal Wells”中所描述的模拟器。裂缝内部的温度要用Society ofPetroleum Engineer中第3011页上给出的方法估算。一般，处理期间易发生的化学反应与处理中特定时间的温度相关联。
例如，在初始井底温度为200°F，并且由于一些流体的注入而使其降至150°F的情况中，如果在处理期间，一种在150°F下降解的流体在其大部分的暴露时间内没有实际经受高于150°F的温度，则该流体可以是一良好的溶液。这种方法比较廉价(设计用于更高温度的流体通常是昂贵的)并且更安全(一旦井温返回正常则该流体一定会破坏(break))。

[0013] 在本发明的另一或可选方面中，本发明包括估算由于尖端脱砂而提高的剪切速率的步骤，如上所述，尖端脱砂阻止或限制裂缝扩展，进而减小剪切速率。剪切速率变化优选利用压裂模拟器FracCADE或可选地利用R.HugoMorales在SPE第15305页上的文章“Microcomputer Analysis of HydraulicFracture Behavior with a P3D Simulator”中所描述的压裂模拟器进行估算。

[0014] 根据本发明的一个方面，从压裂液效率(fluid efficiency)导出泵送进度。压裂液效率被定义为所生成的裂缝的体积与注入的压裂液的体积的比例。换句话说，对于30％的压裂液效率，注入的压裂液的70％实际泄漏到地层中。

[0015] 此外，压裂液效率与裂缝闭合时间直接相关，即在通过泵送流体扩展裂缝之后，裂缝随流体泄漏而闭合。裂缝闭合时间越长，压裂液效率越高。

[0016] 压力-时间下降曲线中的拐点示出了闭合时间和闭合压力。

[0017] 常见地，因为通常存在与正确拐点相似的其他特征(即，流态变化或气体分离)，所以很难选择闭合时间和闭合压力。因此，本发明的另一方面是利用下文中描述的从平衡测试导出的变形的平衡测试，确定闭合时间和闭合压力。

[0018] 变形的平衡法包括在递增的步骤q1、q2、q3，......，qn中注入流体。之后，将速率减小至扩展速率并继续泵送直至压力变得稳定。当泵送停止时，压力下降中记载的第一现象为闭合压力，其以时间曲线的平方根予以更好地描述。变形的平衡法的一个优势是通过q-压力曲线图中的斜率变化在不工作时估算扩展速率。

[0019] 2002年6月24日递交并转让给Schlumberger的美国专利申请No.10/178492中描述了上述平衡测试，该申请的内容通过引用被结合于此，并且在准备于2002年10月20-23日在得克萨斯州欧文市发表的、SPE第78173页的文章“Equilibrium Test-A Method for Closure PressureDetermination”中，也描述了上述平衡测试。该平衡测试包括以第一基本恒定的速率Q向地层中注入流体，以生成具有一定体积的裂缝，并将泵送速率降至显著低于馈送速率q，使得裂缝的体积变得恒定，换句话说，注入和泄漏达到平衡。当裂缝体积在平衡状态下变得恒定时，井被关井(shut-in)。监视井筒压力，利用无量纲“关井”时间ΔtD的时间函数，优选基于“闭合”时间ΔtD的平方根，由对井筒压力的分析确定闭合压力。当进行平衡测试时，小的速率q应当比速率下降时裂缝内的流体泄漏速率小。初始恒定速率Q优选为满额度处理的预期压裂速率。速率的比例q/Q优选小于0.2。

[0020] 作为注入速率减小的结果，由于泄漏进入地层中的流体比注入其中的流体多，所以井筒压力初始时下降。流体泄漏随时间减少，并且在裂缝接近闭合时，注入和泄漏达到平衡。当裂缝体积在平衡状态下变得恒定时，压力稳定，这种情况很容易确定。根据初始速率下降时和平衡时所测得的压力，能够估算出闭合压力。闭合时的压降反映出对应小注入速率的迂回和摩擦作用。因此，能够纠正估算得到的闭合压力，以考虑迂回和摩擦的影响。在本领域中，很容易操作实现这种方法。

[0021] 尽管本发明在设计和实行最终同时设置砾石充填的高渗透性地层压裂方面特别具有优势，但本发明完全不应限制于这个方面。具体而言，本发明使得能够更好地控制裂缝的几何形状，从而通过控制尖端脱砂现象和裂缝高度，能够确保其位于有价值开采的狭窄区域内而不延伸到邻近区域。在本发明的最概括的方面中，本发明在于包括了作为被用于流体和处理设计的变量的流体和处理。

附图说明

[0022] 参照所附详细说明和附图，能够更好地理解本发明的上述和其他目的、特征和优势，所述附图中：

[0023] 图1在侧视图(图1-A)和截面图(图1-B)中示出了一典型的裂缝；

[0024] 图2示出了作为时间和聚合物负荷的函数的粘性的变化；

[0025] 图3示出了标定裂缝处理过程中井底温度随时间变化的曲线；

[0026] 图4示出了作为压裂液效率函数的归一化温度沿裂缝长度的变化；

[0027] 图5示出了压裂处理不同阶段的流体驻留时间分布；

[0028] 图6示出了对于低渗透性裂缝(图6-A)和高渗透性裂缝(图6-B)，裂缝剪切速率(右轴)和流体粘性(左轴)随泵送时间变化的曲线；

[0029] 图7示出了使用变形的平衡法进行闭合压力估算的原理；

[0030] 图8示出了使用本发明的工序获得的、适于压裂高渗透性地层的支撑剂浓度；

[0031] 图9示出了所记载的利用传统处理和利用本发明方法的95次测试中的表层与地层渗透性的关系曲线图。

具体实施方式

[0032] 在大多数情况中，水力压裂处理在于：比流体能够完全泄漏到地层中更快地将无支撑剂的粘性流体或缓冲液(pad)(通常是带有一些高粘性流体添加剂的水)泵送至井中，使得压力上升，岩石破裂，产生人工裂缝和/或扩展已存在的裂缝。进而，诸如沙子之类的支撑剂被添加到流体中以形成泥浆，该泥浆将被泵送到裂缝中以防止在泵送压力减小时裂缝闭合。基液的支撑剂运送能力依赖于添加到水基中的粘性添加剂的类型。

[0033] 在压裂技术中广泛使用水基压裂液，其具有添加以形成粘性溶液的水溶聚合物。自从20世纪50年代晚期开始，一半以上的压裂处理是利用以下流体进行的：瓜尔胶、由甘露糖和半乳糖构成的高分子量多糖、或者诸如羟丙基瓜尔胶(HPG)、羧甲基羟丙基瓜尔胶(CMHPG)之类的瓜尔胶衍生物。基于硼酸盐、钛、锆或铝络合物的交联剂一般用于增加聚合物的有效分子量，并使其更适于在高温井中使用。

[0034] 在较小的范围中，也使用具有或没有交联剂的纤维素衍生物，如羟乙基纤维素(HEC)或羟乙基纤维素(HPC)和羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC)。黄原胶和硬葡聚糖这两种生物高聚物已经显示出具有良好的支撑剂悬浮能力，但是其比瓜尔胶衍生物昂贵，因此使用得较少。聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯聚合物以及共聚物一般用于高温应用。

[0035] 支撑剂材料可以是砂、中等强度的陶瓷支撑剂(从Carbo Ceramics、Norton Proppants等处可以购买到)，烧结铝钒土以及工业上熟知的其他材料。所有这些基本的支撑剂可进一步涂覆有树脂(从Santrol、Division ofFairmount Industries、Borden Chemical等处可以购买到)，以提高支撑剂的聚集能力。

[0036] 在地层具有高渗透性(大于10mD)的情况下，压裂/充填处理的主要目的是在一次泵送操作中获得高导流性的裂缝和环空充填(annular pack)。图1示出了高渗透性地下地层中的裂缝区。地下置入管道1的实际井筒或孔穿过所关注的开采区，烃通过所述管道从储层流到地面上。故意产生一裂缝2，砂砾被设置在井筒内围绕管道的环形区中(环空充填3)并在裂缝2内延伸。在高渗透性地层中，目标一般是形成图1中截面图A-A所示的短(小于50英尺)且宽(1至2英寸宽)的裂缝。为了实现这点，关键是促进抑制裂缝进一步扩展的尖端脱砂(TSO)现象和在裂缝和围绕井筒的环状空间内有效的支撑剂填充。

[0037] 发明人研究了温度依赖性，因为非牛顿流体的粘性随温度降低而增大，如图2所-1 -1示，图2示出了温度对六种水流体的粘性(以cP或s 为单位，剪切为40s )的影响，所述水流体在每一千加仑基液中分别包括15(空心圆)、20(黑色方框)、25(空心三角形)、30(黑色圆)、35(空心菱形)和40(星形)磅的瓜尔胶。基于现场数据(底孔规格)，可以观察到：由于预压裂/充填流体(酸和标定流体)的注入引起井筒内出现明显的冷却，如图3所示，图3示出了由于标定流体的注入引起的温度下降。压力情况(底孔压力或BHP，右侧Y轴)示出了标定处理和压裂工作。该图对于高渗透性地层是较为典型的，其示出了在泵送主要压裂/充填处理流体(treatment)前述，底孔静态温度(或BHT，左侧Y轴)从280°F降至180°F。该温度下降是通过泵送酸和其他标定处理导致的。尽管在图中未示出，但商业温度模拟器能够很接近地描绘温度分布图。

[0038] 值得注意的是，所述冷却并不限于井筒附近区域，也可延伸至裂缝侧翼部分。如图4所示在假设泄漏速率均匀的情况下沿着裂缝长度解决温度冷却的问题是已知的。图4示出了归一化温度Td(裂缝入口处Td＝0，裂缝末端处Td＝1)，以及作为压裂液效率(用标记各条曲线的百分数来指示)的函数的裂缝长度(裂缝入口处X/L＝0，裂缝末端处X/L＝
1)。根据图4，压裂液效率越低，对储层温度的影响就越小。在高渗透性地层中，TSO开始处的典型压裂液效率小于20％，而在的低渗透性地层中，所述压裂液效率大于40％。图4显示所述流体在裂缝的大部分长度上保持裂缝内的井筒温度(冷却作用)。这有利于在冷却温度的基础上设计交联压裂液。而在低渗透性地层中，尽管冷却了井筒，但裂缝内部的流体迅速上升至静态储层温度。裂缝内的冷却流体使得能够使用较低的凝胶浓度。因此，基于冷却温度，图2也可用作流体选择标准：假设冷却温度为150°F(65.5℃)且所需粘度为-1
40s ，则150°F和300cP的相交给定了瓜尔胶负荷，在本示例中，对应于空心圆曲线，即每一千加仑基液15磅。

[0039] 裂缝几何图形和支撑剂设置高度依赖于粘性，我们的研究集中针对高渗透性和低渗透性地层中流体粘性性质。流体粘性是剪切速率和温度的函数。非牛顿流体的粘性随剪切速率的减小而增大。在低渗透性地层中，期望裂缝较长且窄，这导致泵送时间更长(＞1小时)。因此，流体应具有较高的效率(＞45％)，这可转换为更长持续时间上的更高的粘性。可是，在高渗透性地层中，裂缝短而宽，使得泵送时间较短(在大多数情况中，＜30分钟)。

[0040] 图5为裂缝内流体驻留时间的一个模型。注意，较早和较晚泵送的流体具有比中间阶段泵送的流体更少的暴露时间。流体在任何阶段都没有表现出大于整个泵送时间的30％。因此流体不必在比泵送时间的一部分(30％)更长的时间内保持稳定。这意味着我们可以使用积极的破碎程序和低瓜尔胶浓度。

[0041] 图6a(低渗透性)和6b(高渗透性)中示出了粘性-剪切速率曲线。在低渗透性地层的情况中，压裂初始工序之后，剪切速率随时间的变化以略微减小的趋势而变得稳定，因此粘性以略微增大的趋势也变得稳定。相反，高渗透性地层中在TSO现象后，剪切速率急剧减小(减小一个量级)，因此粘性也急剧增大。粘性的增大使得能够使用更低的凝胶浓度流体(25ppt或更低)。

[0042] 平衡法(图7)用于预计闭合情况。平衡法背后的原理为：通过将速率减小至扩展速率，裂缝区域闭合直至小裂缝(平衡裂缝)保持敞开。这种方法包括在不工作时泵送步进速率测试剂(step rate test)以确定扩展速率，并且一旦已经泵送至最大步进速率，将所述速率减至扩展速率并继续泵送直至获得稳定状态的压力响应。当泵被停止时，压力下降所表现出的第一现象为闭合压力(闭合时间)。

[0043] 本发明的方法一般逐步按照以下程序予以实施：

[0044] ·利用经标定的温度模拟器和/或从邻近地层获得的井下测量数据(downhole gage data)，确定冷却温度。

[0045] ·确定流体暴露时间以辅助设计破坏进度。

[0046] ·确定期望的剪切速率曲线(profile)。

[0047] ·设计流体：该流体设计是以冷却温度和期望的剪切速率为基础的。

[0048] 执行

[0049] ·在分流器阶段泵送酸。酸的用途是清洗孔眼并消除滤饼损坏(filtercake damage)，以及帮助冷却地层。

[0050] ·泵送步进速率测试剂(经变形的平衡法)以估算闭合压力。

[0051] ·在闭合压力基础上，泵送标定处理流体(calibration treatment)以获得压裂液效率。

[0052] ·利用泵送进度发生器设计泥浆形成进度，所述泵送进度发生器根据压裂液效率或流体系数确定泥浆形成进度。

[0053] ·泵送工作流体(job)并实现TSO。

[0054] 本发明能够设计出适于渗透性高于10md、杨氏模量小于1.5×106psi以及冷却温度小于300°F的储层具有降低的瓜尔胶浓度的压裂液。

[0055] 因为所述方法能够实现高度和长度的精确控制，所以可在靠近水或气顶接触的情况下进行压裂/充填处理。图8示出了这种情况，该图示出了沿裂缝长度的支撑剂浓度。图8示出了通过限制打孔间隙以在打孔间隙上方和下方留出泄漏区域，而实现高度控制。根据打孔间隙上方和下方额外的流体损耗(即，由于脱水引起的支撑剂桥连，且防止压力转移)来控制高度增长。

[0056] 另外，瓜尔胶交联凝胶的使用减少了支撑剂充填和井筒损坏。所有这些都有助于降低趋肤效应(增加产量)。在图8中示出了这种情况。图中示出了来自墨西哥湾的内建数据的表层随kh.值的增加而增加。整体平均值为10.14时，运用在此描述的方法从压裂/填充产生的表层效应具有3.4的平均值。