用于提高页岩资源产量的多阶段裂缝灌注法制造技术

本发明专利技术涉及在岩石地层中形成裂缝网络以便从地层中开采烃类或其他资源的方法。本方法包括步骤：i）在适于促进天然裂缝的扩张、剪切和/或液体流通的条件下，通过向钻井内灌注非浆液水性溶液而增强地层中天然裂缝和初期裂缝的网络，和后续的ii)通过在一系列灌注期间向所述井内灌注包含载体液及后续大粒度支撑剂的多种浆液，以诱发与增强的天然裂缝网络互相液体流通的大范围裂缝网。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于提高页岩资源产量的多阶段裂缝灌注法
本专利技术涉及通过水力压裂技术从页岩或其他低渗透性自然断裂(fractured)地层中开采烃类物质或其他资源，例如如地热能源。
技术介绍
在地表以下的页岩石地层和其他低渗透性地层中存在着大量可开采的烃类物质，如美国的蒙特利地层以及位于加拿大和美国的巴肯地层。然而，从技术、经济性以及环境的角度看来，以商业可用率在某些低渗透性地层开采烃类均被认为是一种挑战。从页岩或其他低渗透性岩石中开采烃类的一种方法原来是采用对通过井筒接触岩石的液体施以高液压来诱发形成大规模裂缝。但是，这种方法往往也会伴随很多严重的环境后果，如必要物资和设备留下的大面积“足迹”，以及较高的成本。另外，还必须考虑关注由于在水力压裂溶液中使用合成添加剂造成的潜在环境影响。这些经济或其他因素导致难以从页岩油床或其他低渗透性地层中商业性开采烃类。总的来说，传统的水力压裂或“压裂”（fracking）法会在岩石中产生大规模的新裂缝或裂缝网络，而并没有很好地利用自然形成裂缝的已有网络以及在页岩地层中特有的初期裂缝。典型的页岩地层或其他低渗透性储集岩包括：岩石基质（matrixrock），其被低传导性自然或天然裂缝10和全闭合初期裂缝12的裂缝网络分割，如图1所示。图1是含低渗透性基质的岩体的三维裂缝网络的二维描述。应理解，在现实中存在许多的三维效果，岩体受三个正交方向的主压应力作用，但在图1中，仅分别标出了作用于横断面的最大及最小远场压应力——σHmax14以及σHmin16。天然裂缝10和薄弱面通常会以高度网状化的结构存在，裂缝之间有交叉，且往往(但不总是)会在某些方向比其他方向产生更多的裂缝，这取决于过去的地质进程。在其自然状态下，一些裂缝可能会开放以便（液体）流过，但大多数情况下，需要增产处理（stimulation）。大部分裂缝是几乎完全闭合的或是没有完全成型的裂缝。这些是“初期”裂缝，它们可在灌注过程中通过适当的增产处理而形成开放的裂缝。岩石的相对刚度以及其地质历史造成了真正的或初期裂缝网络的自然地层。如图1所示，作用于岩石的高压应力以及岩体并未受到其他弯曲（力）或形变（力）的影响，因此，天然裂缝10是几乎闭合的。在其闭合状态下，裂缝中很少有路径以便油、气或水流向生产井。当闭合时，裂缝在烃类或热能的开采过程中并不能起到特别有效的作用。在现有的压裂法中，有时称为“高速压裂”或“压裂与充填法”(“frack-n-pack”)，将通常是高粘度的含颗粒支撑剂以及载体液的压裂液(fracturefluid)以高速（比如15-20罐/分钟bpm或更高）通过“井筒”18注入灌注井19。如图2和图3所示，这个方法易于产生自灌注井19的井筒18向外扩散的较宽裂缝。在典型的砂岩储集层中，该方法产生了主要为双向型的裂缝方向，其主要诱导缝的方向与最小地壳内应力约呈90°，如图2中的原生裂缝20所示。由图2可见，次生裂缝22可在一定范围内形成。生成裂缝的液体穿过裂缝壁面，沿着最大压力梯度的方向逐渐扩散，例如，压裂液顺梯度漏失(fracturefluiddown-gradientleak-off)24(图2)。在现有的高支撑剂压缩法(highproppantconcentrationmethod)中，采用颗粒型支撑剂含量极高的粘性液体(图3)，在高水力压裂速率下，所述支撑剂还易被压(forced)在井筒18和岩石21之间，从而形成完全或基本上完全围绕灌注井19的支撑剂区带23。如此能与诱发裂缝11良好接触，并与自井筒18区域扩散出的原生20及次生裂缝22连接(图2)。由于水力裂缝两翼28的范围很大，会与自然应力场30(图2)相互作用，因此必需在基本上高于最低远场压应力最小值σHmax14的压力下灌注(图1和2)，现有技术认为，必须联合灌注悬浮在粘性液体中的较大量支撑剂，以便在高灌注压力终止后能维持诱发的裂缝11仍处于开放且可渗透的状态。至少某些现有技术方法产生的裂缝格局的特点是，相对受限的双向裂缝方向，且由于裂缝臂(fracturearm)数量有限造成的裂缝波及体积(volumetricfracturesweep)较小。在这样的情况下，据信，地层内产生的裂缝以及天然裂缝流动体系之间相互作用的效率较低，而最低有效性与狭缝的水力诱发裂缝11相关，其仅由两条对立的侧翼构成，且没有次生裂缝。在某些现有的压裂方法中，通过使用凝胶、聚合物以及其他添加剂，刻意使得液体更粘稠，从而能将支撑剂在纵向或横向上更深地带入裂缝。此外，在所述的现有压裂方法中，可向粘性载体液中加入极细粒度的颗粒状物质，以进一步填塞孔隙并降低液体渗漏至地层的速度，从而使压裂液能将支撑剂带入更远的诱发裂缝。现有技术中的压裂法主要设计为灌注期间无间断的连续过程，且无压力衰减(pressuredecay)，也无压力积蓄。在该过程中使用PFOT、SRT等测试来评估对天然裂缝10网络上的增产效果或在所形成的互通延伸裂缝网络中的流体性质。通常，现有技术中的压裂方法不会关井(shutdown)，而在某些实际情况下，提高在具体方法中压裂支撑剂的浓度，以产生短且宽的裂缝。专利技术概述本专利技术涉及采用较低的裂缝灌注速率、较长灌注时间，和多阶段、循环周期，利用水和压裂支撑浆液压裂目标地层—称为浆液裂缝灌注法“SFI”TM——以便形成较大裂缝影响体积，从而提高地层中油、气或热能等资源的开采量。一方面，用于本方法的裂缝液体包括基本不含添加剂的水、盐水或水/颗粒浆液。一方面，本专利技术涉及产生水力压裂裂缝以及水力增强地层中天然裂缝形成的方法，这种方式可加速和提高烃类或地热能源的开采。本专利技术还涉及通过顺序灌注来产生和增强在地下地层中由天然裂缝及诱发裂缝所形成网络的裂隙径及传导性的系统和方法，所述网络包括现有的天然裂缝系统以及诱发的液压裂缝系统，尤其是在页岩、泥灰岩、粉砂岩或其他低渗透性地层。一方面，本专利技术尤其寻求最大程度增加灌注点周围较大范围的体积改变，以诱发产生在增产位点周围大量岩体内的较大压力变化，从而使天然裂缝开放、剪切并使初始裂缝转变为真正开放的裂缝。一种适用的目标地层为页岩，但应注意本专利技术描述的方法或其改进方法可适用于其他任何低渗透性岩石种类。本专利技术的一个方面涉及在岩石地层中产生增强和互相连通的裂缝网络的方法，其中所述岩石地层包括但并不限于页岩，该方法使得岩体更适用于从地层经济性开采烃类或热源。含烃类的地层包括岩石基质及天然裂缝网络，其中岩石基质在孔隙中含有大量的自然烃类，天然裂缝网络在性质上包括天然开放的、完全关闭的或初期的。总的说来，所述方法包括以提供至少一口伸入所述地层的灌注井以及用于在适用于诱发该地层产生液压裂缝的压力和条件下注入所述灌注井的加压水和支撑剂浆液，并按序实施以下阶段：阶段1：在适于裂缝面扩张、剪切以及偏移(offsetting)的条件下，向灌注井19内灌注不含颗粒的水溶液，从而增强所述地层中的天然裂缝网络；并使这些增强的天然裂缝网络在所述地层中延伸。更佳地，所述水溶液是无添加剂的水或是盐水溶液。该溶液可不含任何类型的颗粒物，即不会在岩石裂缝或孔隙中沉淀下矿物质颗粒。阶段2：在适于进一步延伸和支撑由阶段1所述步骤打开、加强并互相连通的天然裂缝网络的条件下，向所述灌注井本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.12.22 US 61/426,131;2010.12.31 US 61/428,9111.一种在岩石地层中形成裂缝网络的方法，所述地层具有以下特征：天然裂缝、初期裂缝的网络,和具有最小水力压裂产生压力和速度，所述方法包括：步骤i)在适于促进天然裂缝和初期裂缝的孔隙压力增高、剪切、扩张和/或液体流通的条件下，以稍高于最小压裂压力和速度的压力和速度通过向伸入所述地层的钻井内灌注非浆液水性溶液，其中，所述步骤i)产生自支撑裂缝，其形成与灌注井相连的永久性高渗透性通道；且进行所述步骤i)直到地层反应测试表明在该位点的条件下已接近可获得的最大增产量；步骤ii)向所述地层中灌注包含细粒度颗粒支撑剂的第一浆液，从而对步骤i)中产生的裂缝的一部分进行支持以在所述自支撑区域中形成沙石支撑的区带；和步骤iii)向所述地层中灌注包含粗粒度颗粒支撑剂的第二浆液，从而在所述沙石支撑的区带中产生大型裂缝，且在所述沙石支撑的区带中的裂缝和所述自支撑区域互相连通，其中，所述的细粒度支撑剂的颗粒粒径比所述粗颗粒支撑剂更小。2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤iv)：对步骤i、ii或其组合进行序贯重复以逐渐扩张所述自支撑区域。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤iii的实施条件有利于形成延伸至步骤ii产生的沙石区带之外的裂缝。4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤ii和/或iii还包括步骤：产生地层体积改变以影响地层应力，而地层应力与地层中体积改变的幅度具有函数关系；和，任选的控制和优化所述地层体积改变以利于应力旋转和裂缝旋转。5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括顺次循环步骤i、ii和iii的多个循环，或重复步骤i、ii或iii，或重复步骤i、ii或iii中任意一对，从而逐渐扩张所述的自支撑和沙石区带。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水性溶液不含颗粒。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水性溶液包括水或盐水，不含有添加剂。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤ii继于步骤i之后，基本无时间间隔。9.如权利要求1的方法，其特征在于，所述的步骤ii包括通过对所述地层内所述天然裂缝的开放、剪切、和支撑而在所述地层内形成永久性体积改变，从而在周围的岩石中造成应力改变。10.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫里斯·B·杜西奥尔特，罗曼·布莱克，
申请(专利权)人：莫里斯·B·杜西奥尔特，罗曼·布莱克，
类型：
国别省市：