专利名称：在井下应用中的流体系统内流体段塞固结的方法
在井下应用中的流体系统内流体段塞固结的方法
背景技术：
本部分中的叙述仅提供与本发明有关的背景信息且可以不构成现有技木。在建造和开发地层中所形成的井(如用于生产石油和天然气的井)时，将实施各种操作，这些操作要求将不同类型的流体导入至井孔和/或井孔周围的地层中。在钻井期间，例如，钻探泥浆或流体一般循环通过钻柱，自钻柱末端的钻头开始向上通过井孔与钻柱之间的环形区。循环钻探流体是用于运载以钻粉或钻探固体形式存在的地层岩石，当钻探流体循环返回至地面时，这些岩石会自井孔移出。在钻探完成之后，可以将固井组合物用于使井孔内的套管或衬垫胶结。通常而言，钻探流体是通过将水泥导入至 井孔中而自井孔移出。但是，钻探流体与水泥之间的弱液-液界面稳定性可以导致水泥以不适当方式置换钻探流体，这可以表现为不均匀和/或不完全胶结或形成水泥指，这可以导致区域分离失败、微环形成等。水力压裂是在井中所进行的另ー操作，用来增进自地层产生流体。水力压裂涉及将流体以极高流速和压カ导入至井孔中，以促进周围地层的破碎和开裂。在水力压裂时，一般在压裂操作的特定阶段将支撑剂与压裂流体一起导入至地层中。支撑剂(例如，沙)沉积在地层形成的裂纹中，因此当降低压カ时，支撑剂防止裂纹闭合。这允许流体自地层经裂纹流向井孔，如此ー来，便可产生流体。存在各种压裂这些地层的方法。在一种技术中，压裂操作是通过将多个支撑剂段塞或脉冲用于使支撑剂非均匀布置的方式实施。这是通过导入交替的载支撑剂流体和无支撑剂流体阶段来实现，如此一来，将多个支撑剂簇提供于地层裂纹内。在这些处理中，要求分离和集中支撑剂簇。载支撑剂段塞与无支撑剂段塞之间的弱液-液界面稳定性可以导致支撑剂分散，进而抑制支撑剂簇的有效布置。在依序导入具有不同属性或特性的流体的井下作业中，使流体之间的液-液界面稳定化对于成功实施处理或操作极为重要。本发明是关于促进这些流体之间的液-液界面稳定化。发明概述本发明是关于ー种维持用于井下应用中的流体系统中的流体段塞固结的方法。所述流体系统具有邻接流体段塞的呈不同特性的界面流体。所述方法是通过将一定量粒状材料与流体段塞和邻接界面流体中的至少ー种混合来实施，其中在层流条件下，在段塞与邻接界面流体之间会形成离散界面流体边界。将所述流体系统导入至在地层中所形成的井的井孔中。在特定实施方案中，将粒状材料与流体段塞和邻接界面流体两者混合，而在其它实施方案中，将粒状材料与流体段塞和邻接界面流体中的仅ー种混合。在某些应用中，流体段塞含有支撑剂材料且邻接界面流体基本不含支撑剂。在其它应用中，流体段塞和邻接界面流体均不含支撑剂。在特定实施方案中，流体系统由胶凝液组成。邻接界面流体可以是钻探泥浆且流体段塞可以是固井液和钻探泥浆顶替液中的ー种。粒状材料可以是可降解或不可降解的，且可以呈粘合性或非粘合性。粘合材料的粘合性可以在流体系统导入至井孔之后改变。粒状材料可以由ニ维和三维形状颗粒中的至少ー种组成，且可以呈纤维形式。粒状材料的物理性质可以通过以下方式中的至少ー种改变I)粒状材料和与粒状材料混合的流体段塞和邻接界面流体中的至少ー种的相互作用，和2)所述井的井下条件。可改变的粒状材料的物理性质可以包括柔度、形状、粘附性、可降解性和强度中的至少ー种。在某些实施方案中，粒状材料可以与流体段塞和邻接界面流体中的至少ー种以约
0.lg/L至约100g/L的浓度混合。在其它实施方案中，粒状材料可以与液体段塞和邻接界面流体中的至少ー种以约10g/L或更大的浓度混合。在特定实施方案中，将粒状材料与含有支撑剂材料的流体段塞混合，其中至少ー部分支撑剂材料具有粘合性，以促进支撑剂材料和粒状材料聚结。流体系统可以由两个或更多个流体段塞和邻接界面流体阶段组成。可以将一定量粒状材料与流体段塞和邻接界面流体中的至少ー种混合，其中在层流条件下，在各阶段的段塞与邻接界面流体之间会形成离散界面流体边界。在特定应用中，形成流体段塞和邻接界面流体的基质流体的粘度基本相同。附图
简述为更全面理解本发明和其优点，现结合附图并參照以下论述，其中
图I是用于实施例I中的X-射线记录系统的示意图；图2是支撑剂段塞浓度对两种循环流体的距离的图，其中ー种流体含有一定量的纤维颗粒以提供离散界面流体边界且另ー种流体不含这些纤维颗粒；图3是含有不同量纤维颗粒的流体在不同剪切速率下的流体粘度的图；和图4是含有不同量纤维颗粒的不同流体的屈服应カ的图。发明详述论述和实施例仅针对说明本发明的不同实施方案的目的给出且不应视为对本发明范围和可应用性的限制。虽然本发明的任何组合物可以在本文中描述为包含特定材料，但是应理解，所述组合物可能任选地包含两种或更多种化学不同材料。此外，组合物也可以包含与已引述者不同的某些组分。虽然本发明可以就竖井处理方面进行描述，但是，也等效地适用于任何定向的井。本发明将针对烃生产井进行描述，但是应理解，本发明可以用于生产其它流体(如水或ニ氧化碳)的井或用于例如注射或储藏井。也应理解，在本说明书全文中，当将浓度或量范围描述为有用或适宜或类似物时，意欲视为已陈述在所述范围且包括端点在内的任何和每ー个浓度或量。此外，各数值应读作由术语“约”修饰一次(除非已明确依此修饰)且以后不再视作如此修饰，除非在文中另外说明。例如，“范围I至10”应视作指出在约I与约10之间连续的各个和每个可能数字。换句话说，当表示特定范围吋，即使仅明确出示或指出所述范围内的少数具体数据，或甚至不指出所述范围内的数据点时，应理解，本发明人了解且理解在所述范围内的任何和所有数据点应视为已阐明，且本发明人拥有支配整个范围和所述范围内的所有点的权利。已将纤维包含在压裂流体组合物中作为改良支撑剂悬浮的方式和防止支撑剂沉降和降低流体所需的增粘剂的量。且已将纤维用于防止支撑剂逆流。也将纤维用于固井组合物中以改良固井強度。但是，已发现，添加适当量的纤维和其它粒状材料可以改良流体的液-液界面稳定性。
本文中所描述的流体和流体系统是液体。如本文中所使用，术语“流体”和类似表述意指涵盖液态流体，其可以是单或多相流体，如包含气体的那些流体(例如泡沫)，和以液体方式使用或主要由液体组分形成的固体或粒状材料(例如，浆料)。在特定实施方案中，所使用的基质流体可以具有在lOOs—1下小于IOOOmPa · s的粘度。本发明适用于在地层中所形成的井中所使用的流体和流体系统。特定而言，本发明适用于由各自可以具有不同特性的两种或更多种界面流体组成的流体系统。因此，例如，在水力压裂流体中，界面流体可以是无衬垫或支撑剂的流体和载支撑剂流体，将这些流体各自导入至井孔中以促进水力压裂。在固井操作中，界面流体可以是钻探泥浆和水泥或钻探泥浆顶替液或间隔物。在各种情·况中，界面流体具有不同特性或组成且可以用于不同目的。它们的性质(例如密度、导电性、透光性等)可以存在极强差异。界面流体可以随流体段塞一起导入至井中或可以在导入至井中之后形成段塞。如本文中所使用，表述“段塞”意指涵盖具有相同特性或组成或用于基本相同目的的单连续流体物料。本发明促进流体段塞或界面流体的固结。在以下论述中，虽然大部分讨论是关于本发明尤其适宜的水力压裂流体，但是所属领域技术人员应了解，这些论述适用于具有不同界面流体的其它流体和流体系统。本发明方法涉及将粒状材料混合于流体段塞内，以使流体段塞具有离散流体边界。更特定而言，本发明方法涉及将一定量的粒状材料混合于流体段塞、邻接界面流体或两者内，其中在层流条件下，在段塞与邻接界面流体之间会形成离散界面流体边界。这些层流条件类似于地层裂纹内的那些流动条件且会造成最坏情况。通过在流体中提供充足量和充分特性的粒状材料，含有粒状材料的流体的屈服应力得以充分提高，以促进流体之间的液-液界面稳定化。在特定应用中，流体的屈服应力可为25Pa、30Pa、40Pa、50Pa、60Pa、70Pa、80Pa、100Pa或更大，其中颗粒或纤维负荷为101b/1000gal (I. 2kg/1000L)或更大。当流体在井孔中向下传输数千米并进入地层时,这维持含有粒状材料的流体的基本完整或固结，且促进离散界面流体边界的形成和界面流体段塞的液-液界面稳定化。流体也可以通过利用球式流体粘度测量系统所进行的粘度测量特征化，其中含有粒状物质的流体在ls<的剪切速率下的粘度较不含粒状物质的相同流体的粘度展现粘度增大至少3倍。在特定应用中，当在Is—1的剪切速率下测量时，因含纤维或粒状物质所获得的粘度增大可以是不含粒状物质的相同流体的粘度的5倍或甚至10倍或更大。流体段塞的流体分散度可以在传输实验中特征化，其中将含有粒状材料的流体段塞导入至导管中，接着导入邻接界面流体。通过测量在选择距离内在流体流动期间流体段塞在导管内的长度，便可以将流体的分散度特征化。在选择距离内在流动期间的流体段塞分散度可通过以下方程式(I)表示D = (La-Lb)/Lc X 100% (I)其中D是流体段塞分散度，La是含粒状物质的流体段塞在选择距离内流动之后的长度，Lb是含粒状物体的流体段塞在选择距离内流动之前的长度，和L。是邻接界面流体的长度，邻接界面流体可以是澄清流体。根据本发明，流体段塞的分散度D应小于100%。在特定应用中，流体段塞分散度D可以小于90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、5%或更小。
可用于使液-液界面稳定化的粒状材料可以是一 _、二 -或三-维形状粒状材料。粒状材料可以包括长形颗粒，如纤维，这些颗粒可以是平直、凹曲、弯曲或波浪形。其它非限制性形状可以包括大体球形、矩形、多边形等。颗粒可以由单颗粒实体或经粘结或偶合一起的多个实体形成。颗粒可以由具有自主体伸出的一个或多个凸起的主颗粒体(如星形体)组成。颗粒可以呈板、盘、棒、带等的形式。颗粒亦可以呈非晶形或不规则形状且是刚性、柔性或可塑性形变。可以将纤维或长形颗粒以束的形式使用。可以使用不同形状颗粒的组合且颗粒材料可以在使用这些材料的流体内形成三维网络。就纤维或其它长形颗粒而言，颗粒可以具有小于约Imm至约30mm或更大的长度。在特定实施方案中，纤维或长形颗粒可以具有12mm或更小的长度，直径或横断面尺寸为约200微米或更小，一般为约10微米至约200微米。就长形材料而言，材料的三个维度中的任何两个之间可以具有大于5比I的比。在特定实施方案中，纤维或长形材料的长度可以大于1mm，一般为约Imm至约30mm,约2mm至约25mm,约3mm至约20mm。在特定应用中，纤维或长形材料的长度为约Imm至约IOmm (例如6mm)。纤维或长形材料的直径或横断面尺寸可以为约5至100微米和/或其丹尼尔为约 O. I至约20，更特定而言，约O. 15至约6。粒状材料可以由可降解材料或不可降解材料形成。这些材料可以是有机或无机物。不可降解材料是其中颗粒在井流体内大体上保持其固体形式的那些材料。这些材料的实例包括玻璃、陶瓷、玄武岩、碳和碳基化合物、金属和金属合金等。在井流体中不可降解的聚合物和塑胶也可以用作不可降解颗粒。这些材料可以包括耐油且展现大于10%结晶度的高密度塑料。聚合性材料的其它非限制实例包括尼龙、丙烯酸系化合物、苯乙烯、聚酯、聚乙烯、耐油热固性树脂以及这些材料的组合。可降解粒状材料可以包括在井流体内可以软化、溶解、反应或以其它方式被降解的那些材料。这些材料可以溶于水性流体或烃流体中。可以使用在所生产的流体中会降解的油可降解粒状材料。可降解材料的非限制实例可以包括但不限于聚乙烯醇、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯、可溶解盐、多糖、蜡、苯甲酸、萘基材料、氧化镁、碳酸氢钠、碳酸钙、氯化钠、氯化钙、硫酸铵、可溶性树脂等以及这些材料的组合。也可以使用当与导入至井中以与粒状材料混合并使之降解的不同物质混合时会降解的粒状材料。可降解粒状材料也可以包括由固体-酸前体材料形成的那些材料。这些材料可以包括聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、羧酸、丙交酯、乙交酯、PLA或PGA共聚物等以及这些材料的组合。在许多应用中，将纤维单独或与其它非纤维粒状材料组合地用作粒状材料。纤维可以是任何纤维状材料，如但不必限于，天然有机纤维、粉碎植物材料、合成聚合物纤维(非限制性实例为聚酯、聚芳基酰胺、聚酰胺、酚醛或酚醛型聚合物)、原纤维化合成有机纤维、陶瓷纤维、无机纤维、金属纤维、金属细丝、碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、天然聚合物纤维以及这些材料的任何混合物。特别有用的纤维是经涂覆成高亲水的聚酯纤维，例如但不限于，购自 Invista Corp. , Wichita, Kans. , USA, 67220 的 DACRON 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)纤维。有用纤维的其它实例包括但不限于聚乳酸聚酯纤维、聚乙醇酸聚酯纤维、聚乙烯醇纤维等。纤维或粒状材料可以由提供粘滞或粘合性的材料形成或含有这些材料。粘合材料的粘合系数可以改变，包括粘合系数降低或提高。粒状材料可以具有固有粘合表面，或颗粒可以经化学或物理改性以原位提供粘合性。这可以涉及在颗粒上提供粘性涂料。将可以经预涂覆的粒状材料或可以作为微粒立即添加的这种涂料添加至所导入的井流体表面。涂料或粘性添加剂可以润湿和涂覆颗粒表面以提供粘合性。在特定情况中，可以在颗粒表面提供可移除的非粘性涂层，使粘性表面位于非粘性保护涂层下。随后可以移除非粘性涂层以暴露底层粘合材料。粘性涂层也可以移除。粘性或非粘性涂层可以以化学或物理方式移除，如通过溶解在流体中。粘合性也可以改变，如通过改变温度，以增大或减小粘合性。可移除涂层的厚度改变可以增大或减小粘合或非粘合性的持久性。可以对颗粒提供粘合性的粘性涂料的实例包括聚合物涂料，其中所述聚合物处于粘弹状态或位于或高于其熔点。另一实例是以浓缩聚合物溶液涂覆的颗粒。聚合物溶液可以乳液的形式导入。粘性化合物的其它实例可以参见国际公开案No. W02009/078745A1和WO 2009/079231A2,这些公开案是以引用的方式并入本文。进一步描述的树脂，如针对使用支撑剂材料所描述的那些树脂，也可以提供粘合性。颗粒可以具有自粘合表面，其中颗粒具有与其它颗粒聚结或粘连的趋势。在特定实施 方案中，颗粒可以不粘合至支撑剂或其它表面，如管道、泵和井孔管表面。颗粒可以具有亲水或疏水涂层或由这些材料形成以提供对特定流体或材料的亲和性或疏远性。在某些实施方案中，粒状材料的物理性质可以改变。这可以由粒状材料和与粒状材料混合的流体的相互作用所致或可以由井的井下条件所致。物理性质的这些改变可以包括如上所述的粘附性和降解改变。此外，颗粒可以在形状、大小、柔度、强度等方面改变。这些改变可以由热固性、热塑性、相改变特性等所导致。粒状材料可以在流体中溶胀，从而改变形状和/或大小。这些改变也可以由与提供或添加至流体的化合物的化学相互作用所导致。具有这些改变性质的某些材料包括形状记忆聚合物，公开在Journal of MaterialScience,第43卷；第254至269页，2008，该案是以引用的方式并入本文。改变也可以表现为聚合物的软化或熔化，例如，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)在80°C时软化。可溶胀材料的实例包括例如由聚丙烯酰胺和类似材料所形成的纤维或颗粒。粒状材料可以约O. lg/L至约100g/L的量存在于使用这些粒状材料的流体中。在特定实施方案中，粒状材料是以10g/L或更大的量使用。在特定应用中，纤维的量大于流体总重量的10%。在特定实施方案中，所使用的颗粒或纤维材料越多越好。因此，这些材料的量可以仅受用于传输这些材料的设备条件限制。就这方面而言，流体可视为由粒状材料饱和。在特定实施方案中，将粒状材料用于含有支撑剂的流体中。这些流体一般是压裂流体，其中在裂纹中的支撑剂防止已生成的裂纹闭合。支撑剂材料可以是天然或合成、经涂覆的或含有化学物质；可以将多于一种材料依序或以不同大小或不同材料的混合物形式使用。在同一井中的支撑剂和碎石可以是相同材料和/或彼此大小相同。术语“支撑剂”意欲包括在这章论述中的碎石。一般而言，所使用的支撑剂可以具有约0. 15mm至约2. 5mm的平均粒径，更特定而言，但不限于约0. 25至0. 43mm、0. 43至0. 85mm、0. 85至I. 18mm、l. 18至I. 70_和I. 70至2. 36mm的常见尺寸范围。通常而言，支撑剂是以每L运载流体添加约
0.12kg支撑剂至每L运载流体添加约3kg支撑剂的浓度存在于衆料中。在特定应用中,支撑剂浓度为每L运载流体添加约0. 12kg支撑剂至每L运载流体添加约I. 5kg支撑剂。在本发明的特定实施方案中，支撑剂材料基本不溶于地层流体中。支撑剂可以根据岩石强度、注射压力、注射流体类型或甚至完整设计来选择。适宜支撑剂材料可以包括但不限于沙、烧结铝土、玻璃珠、陶瓷材料、天然存在材料或类似材料。也可以使用支撑剂混合物。天然存在材料可以是未衍生和/或未加工天然存在材料，以及基于已经加工和/或衍生的天然存在材料的材料。用作支撑剂的天然存在材料的适宜实例包括但不必限于诸如核桃、椰子、美洲山核桃、杏仁、象牙棕榈果实、巴西果等坚果的研磨或破碎外壳；诸如李子、橄榄、桃子、樱桃、杏子等果实种子的研磨或破碎种皮(包括果核)；其它植物如玉米的研磨或破碎种皮(例如，玉米棒或玉米籽粒)等；经加工木材，如自诸如橡木、山核桃木、核桃木、白杨木、红木等树木获得的那些木材，包括已通过研磨、削片或其它形式的颗粒化、力口工等方式加工的这些树木，其某些非限制实例是以商标名LitePropTM供应的支撑剂，购自BJ Services Co.，由使用树脂浸溃和囊封的山核桃壳制成。关于其某些上述组成的进一步信息可以参见 Encyclopedia of Chemical Technology,由 Raymond E. Kirk 和 DonaldF. Othmer 编辑，第三版，John ffiley&Sons,第 16 卷，第 248 至 273 页(标题为 “Nuts”)，Copyright 1981，该文是以引用的方式并入本文。其他支撑剂材料可以包括与钻探流体一 起循环出井的钻粉。所有或某些支撑剂材料也可以具有粘合性。粘合性可以由树脂涂料提供。所使用的树脂可以包括例如环氧树脂、酚树脂(例如，酚醛树脂)、聚氨酯弹性体、氨基树脂、聚酯树月旨、丙烯酸系树脂等。树脂涂覆颗粒的实例描述在美国专利No. 3，929，191,4, 585，064和5，422，183中，这些专利案各自以引用的方式全文并入本文。涂层厚度可以改变，但可使用占树脂涂覆支撑剂(RCP)总重量的约I至约99%，更特定而言，RCP总重量的约I至约50%的树脂涂料。树脂涂覆支撑剂可以是经涂覆颗粒，其中当最初形成支撑剂浆料时，树脂最初未固化。未固化RCP在起始时可以基本上呈固态且在表面条件下不粘滞，因此促进颗粒浆料的操作或制备，因为支撑剂颗粒不会粘连一起。当导入至地层的裂纹中时，树脂由于所经受的高温而软化。此后，树脂会固化或交联，以致变硬和不熔化，但具有一定的柔度。促进固化的常见温度范围是约40°C至约250°C。在较低温度下，即低于约60°C的温度下，可使用固化助剂以于合理时间长度内提供充分固结。这类固化助剂是为所属领域技术人员已知且可以包括例如异丙醇、甲醇和含醇性化合物的表面活性剂。可以仅通过加热使树脂发生固化或交联。树脂可以经选择以使固化在特定温度下发生和需求特定时间周期来固化以保证树脂不会过快固化。可以使用具有约I小时至约75小时或更长固化时间的树脂以保证有充足时间放置支撑剂充填层。预固化树脂涂层支撑剂包括那些树脂涂覆支撑剂颗粒，其中树脂表面已在导入至井或裂纹前至少部分固化或交联。这些预固化RCP对压裂流体特别有用，因为这些预固化RCP与压裂流体更相容且无需活化温度。预固化树脂涂层支撑剂颗粒彼此可以仅以物理方式相互作用，而不发生化学键结。因此，可以要求比未固化RCP更厚的树脂涂层。所使用的涂料可以是可以在压力下轻易变形的可挠涂料。这种涂料与支撑剂表面上的较厚涂层偶合后，可以使颗粒之间产生更强相互作用。这些材料包括橡胶、弹性体、热塑胶或塑胶。适宜市售未固化树脂涂层颗粒的实例包括Super HS、Super LC、SuperTF、Super HT、MagnaProp> DynaProp> OptiProp 和 PoIaProp,所有这些材料均购自 Santrol, Inc.，Fresno, California 和 Ceramax 树脂涂覆支撑剂，购自 BordenChemical, Columbus, Ohio。树脂涂层颗粒也可以包括具有粘滞或类似涂层以对上述RCP提供类似特性的颗粒，如涂层沙，其在名称SandWedge下贩售，购自Halliburton EnergyServices, Inc.,可以立即添加至衆料。颗粒和/或支撑剂材料的粘合材料可以促进颗粒和/或支撑剂材料聚结。支撑剂也可以具有自聚结性质。在特定实施方案中，可以添加粘合材料以润湿或涂覆颗粒和支撑剂材料中的一种或两种。支撑剂材料可以具有粘合性，其促进可以呈非粘性的非支撑剂颗粒材料聚结。在特定实施方案中，可以将用于使液-液界面稳定化的粒状材料合并至压裂流体中。用于实施水力压裂的压裂流体和系统一般是水性流体。一般使水性流体增粘化以使其具有充足粘度来携带或悬浮支撑剂材料，防止流体泄漏等。为了对水性压裂流体提供较高粘度，常将水可溶或可水合聚合物添加至流体。这些聚合物可以包括但不限于瓜尔胶、由甘露糖和半乳糖组成的高分子量多糖或瓜尔胶衍生物，如氢丙基瓜尔胶(HPG)、羧甲基瓜尔胶 (CMG)和羧甲基羟丙基瓜尔胶(CMHPG)。也可以使用纤维素衍生物，如羟乙基纤维素(HEC)或羟丙基纤维素(HPC)和羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC)。可以使用呈交联形式，或不含交联剂呈直线形式的任何有用聚合物。已发现黄原胶、代坦胶和硬葡萄糖三种生物聚合物可用作增粘剂。对于高温应用，一般使用合成聚合物，例如但不限于聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯聚合物和共聚物。在本发明的某些实施方案中，将粘弹性表面活性剂(VES)用作水性流体的增粘齐U。VES可以选自由以下材料组成的组群阳离子性材料、阴离子性材料、两性离子性材料、两性材料、非离子性材料和其组合。某些非限制实例是在美国专利No. 6，435，277和6，703，352中所引述的那些材料，这些案各自是以引用的方式并入本文。当单独或组合使用时，粘弹性表面活性剂能够形成胶束，胶束在水性环境中形成使流体粘度增大的结构(也称为“增粘胶束”)。这些流体通常是通过混合适当量适宜实现所需粘度的VES而制备。VES流体的粘度可以源自由流体中的组分所形成的三维结构。当粘弹性流体中的表面活性剂的浓度显著超过临界浓度时，且在大部分情况中，在电解质存在下，表面活性剂分子会聚结成团(如胶束)，这些团可以相互作用以形成展现粘稠和弹性行为的网络。流体也可以含有气体组分。气体组分可以由任何适宜气体提供，当导入至水性介质中时，这些气体会形成增能流体或泡沫。参见例如美国专利No. 3，937，283 (Blauer等人)，以引用的方式并入本文。气体组分可以包括选自氮气、空气、氩气、二氧化碳和其任何混合物的气体。特别有用的是含有任何轻易实现量的氮气或二氧化碳的气体组分。流体可以含有基于总流体体积百分比的约10%至约90体积％的气体组分，更特定而言，基于总流体体积百分比的约20%至约80体积％的气体组分，和更特定而言，基于总流体体积百分比的约30%至约70体积％的气体组分。本发明特别适用于在水力压裂操作中的非均匀支撑剂布置，其中支撑剂簇是位于裂纹中。这类针对非均匀支撑剂布置的压裂操作的实例描述在美国专利No. 7，581，590和国际公开案No. W02007/086771A1中，这两案是针对所有目的以引用的方式全文并入本文。一般而言，这类非均匀支撑剂布置涉及使用多个交替载支撑剂和无支撑剂段塞，这些段塞是依序导入至地层中以促进间隔开的支撑剂簇在地层裂纹中定位。在非均匀支撑剂布置或在其中无支撑剂流体紧接或引领载支撑剂流体的其他压裂操作中，用于使液-液界面稳定化的粒状材料可以包含于这一种或两种这类邻接界面流体中。可以将粒状材料持续混合至压裂流体，同时以脉冲方式添加支撑剂。或者，可以脉冲方式添加无支撑剂粒状材料，同时将支撑剂持续添加至流体。在某些实施方案中，无支撑剂流体或脉冲可以具有较高粒状材料含量。在其它实施方案中，载支撑剂流体或脉冲可以具有较高粒状材料含量。在其它实施方案中，无支撑剂和载支撑剂流体中的粒状材料的量可以基本相同且基本上连续分布在整个流体中。此外，在不同流体界面流体阶段中，纤维或其它非支撑剂粒状材料可以相同或不同。这可以包括不同的颗粒。这可以包括材料、形状、粘合性、大小或其它特性的不同。在特定应用中，在无支撑剂流体中仅使用可降解粒状材料(如上述那些材料)，以使在处理后可以移除且不以其它方式污染地层。在载支撑剂流体中也可以使用可降解粒状材料。但是，那些含有支撑剂的流体也可以使用不可降解纤维或粒状材料。在载支撑剂流体中的粒状材料也可以防止支撑剂沉降。在特定实施方案中，用于界面流体的基质流体的粘度可以基本相同或相似。如本文中所论述，基质流体的粘度是在添加支撑剂或粒状材料之前的流体粘度。流体一般是利用如上所述的增粘剂增粘化。在特定应用中，在各阶段中所使用的基质流体可以相同，其中主要的差异仅为所使用的粒状材料或支撑剂的数量或类型或是否存在 粒状材料或支撑剂。具有实质相同粘度的两种流体显示对粘滞指的最小倾斜。如上所述，在特定实施方案中，流体可以具有在IOOiT1下小于IOOOmPa · s的粘度。除压裂处理外，本发明也特别适用于钻探流体置换。钻探泥浆置换方法描述在美国专利No. 4，453，598中，该案是以引用的方式并入本文。在这类应用中，以另一流体顶替钻探流体。粒状材料促进钻探流体与随后导入流体之间的液-液界面稳定化。随后流体可以包括非水泥间隔物或专门用于顶替钻探流体的顶替液或可以是用于胶结井孔的水泥。这些一般是水性流体，其可以含有盐或增重剂、增粘剂等以促进钻探流体的置换。上述粒状材料可以添加至间隔物或顶替液以使钻探流体与随后流体之间的液-液界面稳定化。或者，钻探流体可以由用于令井孔内的套管胶结的固井组合物置换。固井组合物含有灰浆或水泥质材料、水和其它添加剂。将上述粒状材料与固井组合物混合以促进液-液界面稳定化。含有粒状材料的固井组合物可以包含于水泥和在水泥之前使用的任何间隔物中。间隔物流体之后可以接着清洗流体或反之亦然。间隔物-清洗流体或清洗流体-间隔物顺序可以重复数次。间隔物展现经严谨设计的密度和流变性以保证良好水泥布置，同时维持用于控制其密度的增重剂悬浮。在绝大多数情况中，间隔物是以层流形式使用。其组成可经最优化以降低其粘度而不损害稳定性，进而允许在湍流中以小带状方式布置，只要管线支架相对较高。清洗流体是粘度极接近水或油的预冲洗流体。其密度一般也接近水或油，但水性清洗流体可以利用水可溶盐增密。清洗流体的共同特征是其可以轻易以湍流方式在相对高雷诺兹(Reynolds)数值下泵压。评价清洗流体的选择是基于相容性问题和基于置换过程的效率。就水性泥浆而言，最简单且较低成本的清洗流体由淡水组成。为实现更高效泥浆稀化和分散，常添加分散剂和表面活性剂。就非水性钻探流体而言，清洗流体是水、互溶剂和表面活性剂的混合物，或油接水性清洗流体，如SPE/IADC 105903中所描述，该案是以引用的方式并入本文。以下实施例用于进一步说明本发明。实施例实施例I测试载支撑剂流体段塞，以研究纤维颗粒对段塞分散的影响。形成两份201b/1000gal (2. 4kg/1000L)瓜尔胶交联的水性流体并用于测试。在各流体中以81b/gal (O. 95kg/L)支撑剂的支撑剂浓度形成载支撑剂段塞。所使用的支撑剂是20/40目(O. 84mm/0. 42mm)沙。将具有约6mm平均长度的可降解聚对苯二甲酸乙二酯(PET)聚合物纤维以约3. 6g/L的纤维浓度用于一种流体中。另一种流体不含纤维。利用2cm ID管在8L/分钟的层流速率下将两种流体注射至33米流体回路中。层流速率是用于模拟地层中的流体流动。将具有150kV阳极峰电压和40pF击穿电容的MIRA 2D X-射线系统用于检测实验期间的流体密度。X-射线记录系统具有如图I中所显示的配置。如图I中所显示，使用X-射线源(I)和感应器(2)(标准感应器I和测量感应器II)。将感应器I和II放置在距X-射线单元焦点相同距离的位置。在X-射线管与感应器II之间，放置具有凝胶流(3)的管。将所述管放置成经过感应器II两次，一次恰好在泵后方和另一次在通入再循环罐的排 出口前方。因此，支撑剂段塞在感应器轨道上经过两次。图2显示支撑剂段塞浓度对两种循环流体的距离的图，一种流体(20)含有纤维颗粒且另一种流体(18)不含这类纤维颗粒。区段A显示在管流动开始时的段塞且区段B显示在33m管流动之后的段塞。图2显示，在含有支撑剂的段塞的边界处，含有纤维的流体(20)很尖锐且不同于其余清洁凝胶段塞区间。相对地，不含纤维的流体(18)的支撑剂段塞未保持固结，表现为支撑剂浓度在循环流体内分散，说明支撑剂段塞与清洁段塞的液-液界面未保持完整。在不含纤维的流体(18)中未出现可识别的流体边界。实施例2利用含有301bs/1000 (3. 6kg/1000L)交联瓜尔胶与不同量的如实施例I中所描述的(PET)聚合物纤维的水性流体进行球式粘度测量。所使用的纤维的量为01b/1000gal(0kg/1000L)、101b/1000gal (I. 2kg/1000L)和 401b/1000gal (4. 8kg/1000L)。然后测量在不同剪切速率下的球式粘度。结果出示于图3中。实施例3在流变仪中测试两种不同的交联瓜尔胶流体，各含有301b/1000gal(3. 6kg/1000L)和401b/1000gal (4. 8kg/1000L)瓜尔胶和各种负荷的如实施例I所使用的PET纤维，以确定50°C下的屈服应力。所使用的纤维的量为01b/1000gal (0kg/1000L)、101b/1000gal (I. 2kg/1000L)和 401b/1000gal (4. 8kg/1000L)。对流体施加力矩以确定各流体的屈服点。结果出示于图4中。虽然仅以某些形式显示本发明，但是所属领域技术人员应了解，本发明并非限制于此，而是允许在不脱离本发明的范围下进行各种改变和修改。因此，应了解，所附权利要求是以广义方式出示且等同于本发明的范围。
权利要求
1.ー种维持用于井下应用中的流体系统中的流体段塞固结的方法，所述流体系统具有邻接所述流体段塞的呈不同特性的界面流体，所述方法包括 将一定量粒状材料与所述流体段塞和邻接界面流体中的至少ー种混合，其中在所述段塞与所述邻接界面流体之间形成离散界面流体边界；和将所述流体系统导入至地层中所形成的井的井孔中。
2.根据权利要求I所述的方法，其中 将所述粒状材料与所述流体段塞和所述邻接界面流体两者混合。
3.根据权利要求I所述的方法，其中 将所述粒状材料与所述流体段塞和所述邻接界面流体中的仅ー种混合。
4.根据权利要求I所述的方法，其中 所述流体段塞含有支撑剂材料且其中所述邻接界面流体基本不含支撑剂。
5.根据权利要求I所述的方法，其中 所述流体段塞和邻接界面流体均不含支撑剂。
6.根据权利要求I所述的方法，其中 所述流体系统由胶凝液组成。
7.根据权利要求I所述的方法，其中 所述邻接界面流体是钻探泥浆且所述流体段塞是固井液和钻探泥浆顶替液中的ー种。
8.根据权利要求I所述的方法，其中 将所述粒状材料与所述流体段塞和所述邻接界面流体中的至少ー种以约0. lg/L至约100g/L的浓度混合。
9.根据权利要求I所述的方法，其中 将所述粒状材料与所述流体段塞和所述邻接界面流体中的至少ー种以约10g/L或更大的浓度混合。
10.根据权利要求I所述的方法，其中 所述粒状材料由纤维组成。
11.根据权利要求I所述的方法，其中 所述粒状材料是可降解材料。
12.根据权利要求I所述的方法，其中 所述粒状材料是不可降解的。
13.根据权利要求I所述的方法，其中 所述粒状材料由粘合材料组成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中 在将所述流体系统导入至所述井孔之后所述粘合材料的粘合性改变。
15.根据权利要求I所述的方法，其中 所述粒状材料由ニ维和三维形状颗粒中的至少ー种组成。
16.根据权利要求I所述的方法，其中 所述粒状材料的物理性质是通过以下方式中的至少ー种改变1)所述粒状材料和与所述粒状材料混合的所述流体段塞和邻接界面流体中的至少ー种的相互作用，和2)所述井的井下条件。
17.根据权利要求16所述的方法，其中 改变的所述粒状材料的物理性质包括柔度、形状、粘附性、可降解性和強度中的至少ー种。
18.根据权利要求4所述的方法，其中 将所述粒状材料与含有所述支撑剂材料的流体段塞混合，至少一部分所述支撑剂材料具有粘合性，促进所述支撑剂材料与所述粒状材料聚结。
19.根据权利要求I所述的方法，其中 所述流体系统由两个或更多个流体段塞和邻接界面流体阶段组成，且其中将一定量所述粒状材料与各阶段的所述流体段塞和邻接界面流体中的至少ー种混合，其中在层流条件下，在各阶段的所述段塞与所述邻接界面流体之间形成离散界面流体边界。
20.根据权利要求I所述的方法，其中 形成所述流体段塞和所述邻接界面流体的基质流体的粘度基本相同。
21.ー种维持用于井下应用中的流体系统中的流体段塞固结的方法，所述流体系统具有邻接所述流体段塞的呈不同特性的界面流体，所述方法包括 将一定量粒状材料与所述流体段塞和所述邻接界面流体中的至少ー种混合，其中在层流条件下，在所述段塞与所述邻接界面流体之间形成离散界面流体边界；和 其中至少一部分所述粒状材料具有粘合性以促进在所述流体段塞和邻接界面流体中的至少ー种内的所述粒状材料聚结；和 将所述流体系统导入至地层中所形成的井的井孔中。
22.根据权利要求21所述的方法，其中 所述粘合性是在所述粒状材料与所述流体段塞和邻接界面流体中的至少ー种混合期间提供。
23.根据权利要求21所述的方法，其中 所述至少一部分粒状材料是通过将粘性提供材料合并至所述流体系统的流体段塞和邻接界面流体中的至少ー种中来获得粘合性。
24.根据权利要求21所述的方法，其中 至少一部分所述粒状材料由纤维制成。
25.根据权利要求21所述的方法，其中 所述粘合性是通过以下方式中的至少ー种提供I)至少一部分所述粒状材料和与所述粒状材料混合的所述流体的相互作用，和2)所述井的井下条件。
26.根据权利要求21所述的方法，其中 将所述粒状材料与所述流体段塞和所述邻接界面流体两者混合。
27.根据权利要求21所述的方法，其中 将所述粒状材料与所述流体段塞和所述邻接界面流体中的仅ー者混合。
28.根据权利要求21所述的方法，其中 所述流体段塞含有支撑剂材料且其中所述邻接界面流体基本不含支撑剂。
29.根据权利要求21所述的方法，其中 所述流体段塞和所述邻接界面流体均不含支撑剂。
30.根据权利要求21所述的方法，其中所述流体系统由胶凝液组成。
31.根据权利要求21所述的方法，其中 所述邻接界面流体是钻探泥浆且所述流体段塞是固井液和钻探泥浆顶替液中的ー种。
32.根据权利要求21所述的方法，其中 将所述粒状材料与所述流体段塞和所述邻接界面流体中的至少ー种以约0. lg/L至约100g/L的浓度混合。
33.根据权利要求21所述的方法，其中 所述粒状材料由纤维组成。
34.根据权利要求21所述的方法，其中 所述粒状材料是可降解材料。
35.根据权利要求21所述的方法，其中 所述粒状材料是不可降解的。
36.根据权利要求21所述的方法，其中 所述粘合性在将所述流体系统导入至所述井孔后改变。
37.根据权利要求21所述的方法，其中 所述粒状材料由ニ维和三维形状颗粒中的至少ー种组成。
38.根据权利要求21所述的方法，其中 所述粒状材料的物理性质是通过以下方式中的至少ー种改变I)所述粒状材料和与所述粒状材料混合的所述流体段塞和所述邻接界面流体中的至少ー种的相互作用，和2)所述井的井下条件。
39.根据权利要求38所述的方法，其中 改变的所述粒状材料的物理性质包括柔度、形状、粘附性、可降解性和強度中的至少ー种。
40.根据权利要求28所述的方法，其中 将所述粒状材料与含有支撑剂材料的流体段塞混合，至少一部分所述支撑剂材料具有粘合性，促进所述支撑剂材料与所述粒状材料聚结。
41.根据权利要求21所述的方法，其中 所述流体系统由两个或更多个流体段塞和邻接界面流体阶段组成，且其中将一定量的所述粒状材料与各阶段的所述流体段塞和邻接界面流体中的至少ー种混合，其中在层流条件下，在各阶段的所述段塞与所述邻接界面流体之间形成离散界面流体边界。
42.根据权利要求21所述的方法，其中 形成所述流体段塞和所述邻接界面流体的基质流体的粘度基本相同。
全文摘要
本发明涉及维持用于井下应用中的流体系统中的流体段塞固结。所述流体系统具有邻接流体段塞的呈不同特性的界面流体。所述方法通过将一定量粒状材料与流体段塞和邻接界面流体中的至少一种混合来进行，其中在层流条件下，在段塞与邻接界面流体之间会形成离散界面流体边界。将流体系统导入至在地层中所形成的井的井孔中。在特定应用中，至少一部分粒状材料具有粘合性以促进在流体段塞和邻接界面流体中的至少一种内的粒状材料聚结。
文档编号C09K8/80GK102869747SQ200980163361
公开日2013年1月9日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者A·V·梅德韦杰夫, A·I·季特科夫 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司