[发明专利]滑溜水压裂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于由井筒穿透的地下岩层的水力压裂的新方法。

背景技术

水力压裂技术被广泛用于增产来自低渗透性储层的产油和产气。在水力压裂过程中，将流体在导致裂缝的高压下注入井筒中来扩大井筒周围和进入地下岩层。通常支撑剂例如砂子被包括在所述压裂流体中，从而在处理完成时保持裂缝打开。理想的，水力压裂产生了与大面积岩层的高导通(high conductivity communication)，这能够提高产油和产气的速率。

滑溜水压裂(slickwater fracturing)是一种类型的水力压裂，其使用了低粘度含水流体来引起地下裂缝。滑溜水流体基本上是新鲜水或者盐水，其具有足够的减摩剂来使得管式摩擦压力最小。这样的流体通常具有仅仅略高于未掺杂的新鲜水或盐水的粘度。典型的，滑溜水中存在的减摩剂不会将所述压裂流体的粘度增加超过1-2厘泊(cP)。

滑溜水流体经常包含支撑剂。由于所述滑溜水流体的低粘度，它携带支撑剂的能力低于用于非滑溜水压裂的交联的聚合物凝胶。较低浓度的支撑剂需要更高体积的压裂流体来将足量的支撑剂放入所产生的裂缝中。还关注了支撑剂从井筒水平段、歧管管线和泵内的低粘度压裂流体的沉降。在放置期望的体积之前，水平井筒内过多的支撑剂沉降会导致必须停止压裂处理。所述支撑剂还会在它完全到达井口之前沉降在歧管管线中。所述支撑剂甚至会沉降在泵中，导致活塞损坏。当支撑剂由高压缩强度的物质例如陶瓷构成时，这个问题尤其突出。典型的，当淤浆流动速度和/或粘度不足以使支撑剂悬浮时，会出现沉降。为了缓解沉降问题，使用高的泵送速率来有效悬浮所述支撑剂，用于输送。但是，高泵送速率会导致高于期望的泵送压力和过大的裂缝高度增长。此外，因为歧管具有不同的尺寸，因此仅仅改变一个区域中的流体泵送速率不会解决另一区域的问题。因为需要大量的压裂流体，因此高速的流体流动和地下岩层的不规则形、摩擦导致的能量损失经常会阻止岩层的有效压裂。

流体流过管道引起了摩擦能量损失。所述管道中所述液体压力在流体流动方向上降低。对于具有固定直径的管道来说，这种压力降低随着流动速率的增加而增加。所述压力降低意味着能量损失。滑溜水压裂依赖于典型的高于100bpm的高泵送速率；因此，大量的能量损失可归因于管道和压裂流体之间的摩擦。

在流变学中，雷诺数是在流动条件下流体的惯性力与粘性力的无量纲比率。雷诺数可以用于表征作为层流或湍流的流体流动。当粘性力超过惯性力时发生了层流，产生了低的雷诺数。当惯性力超过粘性力时发生湍流，产生了高的雷诺数。当流体在平行片或者同轴层中流动时发生了层流，在层之间几乎没有混合。湍流与层流相反，并且在存在垂直于流体流动的错流时发生，这产生了横向的混合和漩涡。

通常，高分子量线性聚合物被用于改变流体的流变性，以使得湍流最小化，由此防止随之发生的流体在泵送穿过管道时流体中的能量损失。良好的减摩剂将在小浓度时引起摩擦力大的降低，这将是不昂贵的，将是环境友好的和将具有高剪切、温度和压力的稳定性。

最常见的减摩剂是聚丙烯酰胺(PAM)聚合物。还开发了各种共聚物来进一步提高聚丙烯酰胺减摩剂的性能。丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸钠(AMPS钠)和丙烯酸是这些共聚物中除了丙烯酰胺之外的常见单体，用于改进减摩剂的水合。

通常，处理这样的高分子量聚合物是困难的，这归因于在制成淤浆时它们低的水合速率和高的粘度。为了避免这些问题，基于聚丙烯酰胺的聚合物经常被配制到乳液中或者被制成乳液，在其中将所述聚合物分散到烃类溶剂例如矿物油中，并且用表面活性剂稳定。但是，这也具有缺点，其归因于在如果溢出的情况中烃类和表面活性剂的环境毒性和与烃类溶剂有关的潜在的火灾危险。

许多聚合物减摩剂在低分子量添加剂如酸、碱和盐存在下表现出降低的性能。离子带电的聚合物特别易于受影响。例如，含有丙烯酸酯单体的聚合物，无论是作为共聚物加入还是来自聚丙烯酰胺水解，都具有与高钙盐水降低的相容性。所述添加剂掩蔽了聚合物主链上的电荷，这降低了聚合物的流体力学半径。随着有效聚合物长度的降低，减少摩擦作用也降低。

水力压裂已经给油气工业带来了益处。许多油气井已经由于所述程序而产生了更大的生产率。但是，水力压裂工业现在面临着日益增加的详细审查和政府管制。所述工业被要求研究更加环境友好的化学品来放置到它们的水力压裂流体中。

另外，水力压裂操作需要大体积的水。新鲜的水在某些区域会是一个限制因素。滑溜水压裂组合物(其可以使用多种水源，例如在充分处理后由岩层或者回流水所产生的水)能够显著增强油田适用性。