破裂流体组合物、其制备方法和使用方法 【技术领域】
本发明描述了改善的破裂组合物、制备破裂组合物的方法及使用方法。重要的是，本发明克服了在使用雾(mist)作为有效的破裂组合物时所存在的问题，特别是考虑到雾具有将有效量的支撑剂运输到地层中的能力。由此，本发明提供了使用高比率气体破裂组合物的在经济上有效的技术方案，其中，该破裂组合物能够以连续(即非间歇)工艺制造，而无需现有纯气体破裂设备的维护费用(attendant capital)和操作成本。
背景技术
正如烃工业中所公知的，许多井需要“刺激”以促进从该井的生产区回收烃。
这些刺激技术之一被称作“破裂”，在所述破裂中，在高压下将破裂流体组合物和支撑剂一起泵入井中，从而产生新的裂缝并且由所述支撑剂保持生产区中的通道打开。在压力释放时，新的裂缝和已经被压入这些裂缝中的支撑剂的组合提高了烃从生产区流向井眼(wellbore)的能力。
存在促进生产区中裂缝形成和支撑剂在这些裂缝中的运输的大量破裂技术和液体/支撑剂组合物。最通常采用的方法寻求制造和利用具有高粘度的破裂流体组合物，所述破裂流体组合物可负载支撑剂材料以使得该支撑剂材料可在该破裂流体中有效地运输。换句话说，粘性流体将负载该流体中的支撑剂以使该支撑剂可在裂缝中被运输较长的距离或者在某些情况下被整体运输。而且，通常设计破裂流体以使得当采用降低(relaxation)粘度(或其它技术)时以及随着时间的流逝(通常约为90分钟)，该流体粘度下降且该支撑剂“落入”地层中并且该负载流体流回井眼。当支撑剂置于裂缝中时，该支撑剂寻求改善生产区的可渗透性，以使得烃更容易流向井。有效的破裂操作可将烃向井的流速提高至少一个数量级。许多井如果不通过例如破裂的方法刺激，则不能以经济的方式长期生产。
破裂流体组合物通常通过组合物中的主要组分表征。最通常使用的破裂流体为水基或烃基流体，这是根据特定组合物中的主要组分是水或者烃而定义的。通常基于地下地层的特征和经济性来选择各种破裂流体组合物。
在水基流体的情况下，为了提高水的粘度，可在地上(at the surface)将各种“增粘”添加剂加入到水基流体中，以显著提高水基流体的粘度，从而使得其可负载支撑剂。已知，这些水基流体可包括其它添加剂例如醇、KCl和/或其它添加剂，以对本领域技术人员已知的流体赋予各种特性。最通常使用的增粘添加剂为用于产生中等粘度线型凝胶的聚合糖。这些线型凝胶可进一步与产生高粘度交联凝胶的交联剂结合。
在破裂操作期间，最初以足以破裂地层的高的压力和流速将破裂流体(不含任何支撑剂)泵入井中。在已经引发破裂之后，将支撑剂加到该破裂流体中，并将组合的破裂流体和支撑剂压入生产区的裂缝中。当释放压力和随着时间的流逝(通常为90分钟)时，该破裂流体的粘度下降，以使得该支撑剂在地层内与破裂流体分离或者脱离，并使“去增粘(de-viscosified)”的破裂流体流回到井中，并从井中将其除去。
这种破裂类型的一个重要问题在于所需的水量、以及与已经泵入井下并最终作为烃污染流体而从井回收的水的处理有关的附带问题。因此，在一些情况下，工业上有利地使用那些利用高比例的气体(通常为氮气或者超临界二氧化碳)的技术而放弃使用纯粹基于水的破裂流体。
高比例的气体的应用具有多种优势，所述优势包括使地层破坏、流体供应成本最小化、并减小从井回收的流体的处理成本。例如，虽然水可能通过吸附到沙石上而减小生产区流出的能力和/或水可导致粘土的膨胀或迁移从而导致生产区堵塞，但是高气体组合物将使这种破坏或影响最小化并且另外将更容易从地层迁移。所注入的气体以及由此从井中回收的气体可简单地释放到大气中，从而无需对主要比例的从井中回收的材料进行净化和处理。
对于高比例气体破裂组合物，可通过使用添加剂类似地控制或影响组合物的特性。通常，气体破裂组合物地特征在于为纯气体破裂组合物(通常为包含约100％CO2或氮气的流体)或者赋能(energized)、发泡和乳化的流体(通常为包含少于约85体积％CO2或氮气的破裂组合物)。
纯的100％气体破裂组合物具有最小的粘度并因此在被泵入生产区时依赖于高湍流以运输支撑剂。不幸的是，虽然这些技术对于有限的间歇操作有效，但是对昂贵的、高度专业化的加压泵送、混合和容器设备的需求显著提高了有效破裂操作的成本。例如，只可利用间歇过程的破裂操作通常在尺寸上受限于单个泵送和容器装置的容积。由于在单个破裂操作中采用多个装置在经济上是不可行的，因此，只能在相对有限的情况下有效地采用非常大体积的气体破裂操作。例如，纯气体破裂操作通常限于将300～32000kg的沙子(支撑剂)泵送到井中并且限于可用于某些情况的支撑剂类型。
非赋能的、赋能的、发泡的和乳化的流体作为破裂流体的用途通常不限于间歇操作，这是因为，用于这种流体的流体混合和泵送设备通常在纯气体操作所要求的设备复杂性/成本方面不具有相同的规模。换句话说，用于非赋能的/赋能的/发泡的/乳化的流体破裂操作的混合和泵送设备明显更廉价，并且重要的是，这种混合和泵送设备可有效地制造连续大量的混合有支撑剂的破裂流体。即，虽然100％的气体破裂操作可以将最高达32000kg的支撑剂输送至地层，非赋能的/赋能的/发泡的/乳化的流体破裂操作可以将超过该量10倍的支撑剂输送至地层中。
在下文中，简要地概述本领域技术人员所公知的赋能的、发泡的和乳化的流体的特性。
赋能流体通常具有小于53％(体积％)的气体和常规的胶状水相。赋能的流体进一步的特征在于具有气泡的连续流体相，其中所述气泡的集中程度不足以彼此相互作用以提高粘度。例如，由线型凝胶和氮气组成的赋能流体的总粘度可为20cP左右，这是常规线型-凝胶水相粘度(30cP)和氮气相粘度(0.01cP)之间的“中点”。对于交联的凝胶，粘度范围可为150～1000cP(当与气体混合时通常为100～800cP)。众所周知，所测定的单位为厘泊(cP)的粘度值取决于剪切速率，其在本说明书的内容中也是如此。在本说明书中，所有粘度值均是基于170秒-1的剪切速率。
泡沫(foam)通常具有大于53体积％但小于约85体积％的气体，其余为胶状水相。泡沫的特征为具有在相邻气泡之间的连续流体膜，其中该气泡的集中程度足以彼此相互作用从而提高粘度。泡沫需要添加促进气泡稳定性的发泡剂。泡沫的粘度通常为200～300cP，其为胶状水相粘度(20～30cP)的10倍和气相粘度(0.01～0.1cP)的许多倍。
二氧化碳乳液(emulsion)(也称作二氧化碳泡沫)为其中内相为二氧化碳超临界流体且特征在于在相邻液滴之间具有第二液膜(即基于水的相)。通常当超临界流体的浓度大于53体积％且小于约85体积％时形成乳液。乳液需要添加发泡剂以促进稳定性。乳液的粘度也可为单独胶状水相和超临界气相的各自粘度的10倍。
最终，当气体浓度提高到约85％以上(通常为90～97％)时，常规乳液或泡沫的稳定性将下降，使得该乳液或泡沫“反转”，从而使气相变成连续的水相且水相通过气相分散为小滴或较大的塞。这通常称作“雾”。雾的粘度通常将回复到粘度的“中点”且接近气体的粘度(即，比乳液的粘度低约1～3个数量级)，其结果是失去了凭借粘度来负载支撑剂的能力。
因此，破裂组合物通常避免雾的形成并期望使泡沫稳定并另外使粘度最大化。
对现有技术的概述表明，目前还未考虑雾作为破裂组合物的积极促进和用途。
例如，美国专利7,261,158公开了作为“粗泡沫”的高浓度气体破裂组合物；美国专利6,844,297公开了包含提高粘度并且能够通过pH调节来控制组合物粘度的两性甘氨酸盐表面活性剂的破裂组合物；美国专利6,838,418公开了包含极性碱、聚丙烯酸酯和将聚丙烯酸酯离子化为吸湿性状态的“活化剂”的破裂流体；美国专利4,627,495公开了使用二氧化碳和氮气以产生高气体浓度泡沫的方法；美国专利7,306,041公开了含有气体组分的酸破裂组合物；美国专利公开2007/0204991描述了使用组合的液体丙烷/氮气混合物的用于破裂的方法和装置；美国专利公开2006/0065400描述了使用液化天然气的用于刺激地层的方法；和美国专利公开2007/0023184描述了使用气体和支撑剂的井产物回收方法。
【发明内容】
根据本发明，提供破裂流体组合物和这种组合物的制备方法以及使用这种组合物用于破裂井的方法。
从最宽泛的形式来说，破裂流体组合物包含：液体组分，其用于在地上(at surface)暂时负载所述液体组分中的支撑剂，该液体组分包含粘度足以暂时负载所述增粘(viscosified)水组分中所混入的支撑剂的增粘水组分；以及用于在预定时间内降低(relax)所述增粘水组分的粘度的破胶剂(breaker)。
在本发明的另一方面，本发明以最宽泛的形式提供破裂井内地层的方法，该方法包括下列步骤：
a.在地上、在混合器中制备液体组分，所述液体组分包含：
i.增粘水组分，其粘度足以暂时负载在所述增粘水组分中所混入的支撑剂；和
ii.破胶剂，其用于在预定时间内降低所述增粘水组分的粘度；
b.在所述混合器中将所述支撑剂混入所述液体组分中；
c.将所述支撑剂/液体组分引入高压泵中并将压力提高至井压；
d.将气体组分引入所述高压泵中并将压力提高至井压；
e.在高湍流条件下将所述气体组分与所述支撑剂/液体组分混合；和
f.将得自步骤e)的组合的气体和流体高速泵入所述井下。
对于所述组合物和方法，预定时间优选小于30分钟且更优选小于10分钟。在各种实施方式中，所述粘度降低至低于10cP。
在进一步的实施方式中，所述破裂流体组合物包含混入到所述增粘水组分中的支撑剂。
破裂流体组合物可进一步包含在足以负载组合的液体组分/气体组分混合物中的所述支撑剂的高湍流条件下与所述液体组分混合的气体组分，其中所述组合的液体组分/气体组分混合物的特征在于为雾或液塞(liquid slug)。优选所述气体组分为二氧化碳或氮气。
在各种实施方式中，不计算所述支撑剂，所述组合的流体/气体组分混合物含有3～15体积％的液体组分和85～97体积％的气体组分。
在其它实施方式中，在所述液体组分与支撑剂或气体组分混合之前，所述液体组分在170秒-1下的初始粘度为15～100厘泊(cP)和/或所述支撑剂的质量为所述液体组分质量的0.25～5.0倍。在优选实施方式中，所述支撑剂的质量为所述液体组分质量的1.0～2.5倍。
增粘水组分可包含最高达50体积％的醇(例如甲醇)以及其它添加剂，所述添加剂包括缓冲剂(例如乙酸)、粘土控制剂(例如40～80重量％的氯化四甲基铵、15～40重量％的乙二醇和水)、无泡表面活性剂和醇类中的任意一种或其组合。
在优选实施方式中，所述增粘水组分包含0.1～1.5重量％的瓜耳胶例如羧甲基羟丙基瓜耳胶。
在另一实施方式中，所述破胶剂优选为半纤维素酶。
在另一实施方式中，在地上通过湍流将所述支撑剂部分地负载在液体组分中。
在另一实施方式中，破裂过程是连续的。
【附图说明】
参考附图描述本发明，其中：
图1为用于本发明破裂操作的常规设备配置的概述。
图2为显示在不同破胶剂浓度下的液体组分粘度随时间变化的图，其中采用20℃下的线型胶状水，其使用水+0.28wt％CMHPG+0.19wt％乙二醇+0.11wt％乙酸+0.32wt％矿物油+0.09wt％表面活性剂+0.12wt％氯化四甲基铵+0.17wt％醇类+不同重量百分数的半纤维素酶。
图3为显示具有不同浓度的发泡或无泡表面活性剂的液体组分组合物的泡沫稳定性随时间变化的图，其中采用20℃下的线型胶状水，其使用水和0.28wt％CMHPG+0.19wt％乙二醇+0.11wt％乙酸+0.32wt％矿物油+0.12wt％氯化四甲基铵+0.005wt％半纤维素酶+不同的发泡型表面活性剂加载量+不同的无泡表面活性剂加载量。
图4为由通过具有不同浓度的发泡或无泡表面活性剂的破裂组合物落下的沙子样品累积时间而表示支撑剂负载特性的图，其中采用20℃下的线型胶状水，其使用水和0.28wt％CMHPG+0.19wt％乙二醇+0.11wt％乙酸+0.32wt％矿物油+0.12wt％氯化四甲基铵+0.005wt％半纤维素酶+不同的发泡型表面活性剂加载量+不同的无泡表面活性剂加载量。
图5为由通过具有不同破胶剂浓度的液体组分组合物落下的沙子样品累积时间而表示支撑剂负载特性的图，其中采用20℃下的线型胶状水，其使用水和0.28wt％CMHPG+0.19wt％乙二醇+0.11wt％乙酸+0.32wt％矿物油+0.12wt％氯化四甲基铵+0.03wt％无泡表面活性剂+不同的半纤维素酶加载量。
【具体实施方式】
概述
参考附图描述新型破裂组合物、制备方法和使用方法。重要的是，本发明克服了在使用雾作为有效的破裂组合物时所存在的问题，特别是考虑到雾具有将有效量的支撑剂运输到地层中的能力。由此，本发明提供了使用高比率气体破裂组合物的在经济上有效的技术方案，其中，该破裂组合物能够以连续(即非间歇)工艺制造，而无需现有纯气体破裂设备的维护费用和操作成本。
通常，根据本发明制备的组合物包含液体组分(水基组分)和气体组分且其比例促进雾的形成。在本说明书的内容中，气体组分是指在标准温度和压力(273K和100kPa)下为气态的化合物，例如氮气、二氧化碳、丙烷、甲烷或其它用于破裂的气体。本发明内容中的这些化合物在破裂过程期间的多个时刻可为超临界状态。因此，应该理解，虽然这些化合物可称作“气体”，但是它们可显示出其它性质，例如液体或超临界流体的性质。
更具体地说，本发明的组合物包含3～15％(通常为约5％)的液体组分和85～97％(通常为约95％)的气体组分。在其它实施方式中，所述液体组分中的某些水含量可由甲醇组成以进一步减少注入地层中的水的体积。在这些实施方式中，所述液体组分可包含最高达50体积％的甲醇。
参考图1，通常根据如下方法制备和利用破裂流体组合物：
a.在地上、在混合器20中利用来自化学品卡车22a的化学品添加剂制备具有期望性质的液体组分；
b.将支撑剂22加入到所述液体组分中；
c.将组合的液体/支撑剂混合物引入到高压泵24中并加压至井压；
d.将气体组分(通常为氮气或液态二氧化碳)引入到通向井28的高压管道中，在该井中，所述气体组分与所述组合的液体/支撑剂混合物混合；
e.将经过加压的组合的液体/支撑剂/气体高速泵入到井28下；
f.利用上述以不同比率在地上连续制备的破裂流体组合物进行破裂操作；
g.在完成时，停止地上混合和加压并且从所述井拆除并除去地上设备；
h.使所述井流出(flow)以除去尽可能多的破裂气体和支撑剂，并开始从生产区获得烃。
如图1所示，和以下更具体的描述，在井的位置利用便携设备实现液体和气体组分的制备和共混。
重要的是，与过去非赋能的、赋能的、发泡的或乳化的流体技术相比，本发明的技术无需提供大量用于注入的流体，也无需处理从井中回收的大量流体，因为总破裂流体组合物中的水的相对比例显著低于非赋能的、赋能的、发泡的或乳化的流体中的水的相对比例。与过去的100％纯气体技术相比，借助于在混合之前负载支撑剂的液体组分，本发明的技术无需专门的、加压间歇混合设备。
流体组合物
液体组分
液体组分通常包含(A)线型胶状水(linear gelled water)、(B)缓冲剂、(C)破胶剂、(D)表面活性剂、(E)粘土控制剂和(F)醇类。设计液体组分从而赋予该液体组分充足但短暂的粘度，使得支撑剂可以在地上暂时被负载在液体组分中而不沉淀和堵塞地上泵送设备。进行进一步的设计使得该液体组分的粘度在破裂期间和破裂之后快速降低以促进雾或液塞的形成并确保回流到井中。
A-线型胶状水
线型胶状水由约99重量％的水和1重量％的胶凝剂形成。适合的线型胶凝剂例如为瓜耳胶(包括本领域技术人员已知的瓜耳胶衍生物和其它胶凝剂)。优选的瓜耳胶为CMHPG(羧甲基羟丙基瓜耳胶)。瓜耳胶通常作为溶解在矿物油中的胶获得，从而促进简易的操作混合以及与水的连续混合。
B-缓冲剂
将缓冲剂加入到该线型胶状水中，以赋予破裂流体各种性能。例如，可引入缓冲剂以降低液体组分的pH值从而增强破胶剂动力学，最大化凝胶水合率以快速产生粘度或本领域技术人员所理解的其它功能。乙酸为用于优选缓冲剂的活性成分。
C-破胶剂
破胶剂通常为加入到液体组分中的用于以受控的方式降低粘度的酶，例如半纤维素酶。通常，选择破胶剂以便在最长30分钟期间并优选15分钟或更少的期间降低液体组分粘度。例如，在170秒-1的剪切速率下，液体组分的粘度最初可为18～30cP并且可以在5～60分钟期间有效地减少至1～10cP。控制液体组分的酶量、温度和pH值以提供粘度的降低。其它适合的破胶剂包括本领域技术人员所公知的氧化剂或包封的破胶剂。
在一个实施方式中，控制破胶剂活性以在10分钟内降低粘度，从而更容易地促进雾或液塞的形成。
D-表面活性剂
表面活性剂是旨在使破裂流体对生产区所产生的破坏最小化并防止泡沫形成的其它添加剂。更具体地说，通过允许较少流体被挤入储集层的孔中，设计表面活性剂以促进液体组分在压力释放之后返回到井中。还可通过使化合物包含于减少水和地层孔之间的接触角和表面张力的表面活性剂中来提高回流，从而如本领域技术人员所公知的那样使水更快地从孔中流出。
E-粘土控制剂
主要地是，基于地层的特定化学性质，加入粘土控制剂以使得对地层的破坏(例如水破坏)最小化。典型的粘土控制剂为KCl、NaCl、氯化铵、以及本领域技术人员所公知的其它物质。
F-醇类
主要地是，基于地层的特定化学性质，加入醇类以使得对地层的破坏(例如水破坏)最小化。所述醇类可减少接触角和表面张力，并且可以起到溶剂的作用。典型的醇类(例如甲醇)是本领域技术人员所公知的。
参考表1，描述各种液体组分组合物。根据本发明应该理解，液体组分的主要作用是在与气体组分混合之前暂时在地上短时间地负载支撑剂，而不是促进混合时稳定的泡沫/乳液的形成。因而，各种添加剂(包括表面活性剂、醇和粘土控制剂)不是本发明所必需的，因为基于具体的应用可以不向流体组合物中加入添加剂。同样地，特定的缓冲剂可能只是需要用于控制其它添加剂(例如破胶剂和胶凝剂)的性质。
表1-液体组分添加剂
野外(field)操作和设备
如上所述，图1显示了根据本发明的井破裂设备和方法的概述。根据流体组合物的期望性质，将包含水10(来自水罐10a)、胶凝剂12、缓冲剂14、表面活性剂/醇16和破胶剂18(来自化学品卡车12a)的基础流体以期望的浓度选择性地引入到混合器20(在混合器卡车20a上)中。在获得流体组合物的期望粘度时，在引入高压泵24(在泵卡车24a上)之前向该组合物加入支撑剂22(来自支撑剂存储装置22a)并共混。在引入到井28中之前，将气体26(来自气体罐车(gas truck)26a)引入到高压泵24和井28之间的高压管道中。为该设备配备数据车30以收集和显示用于控制设备的实时数据、并产生与破裂操作相关的报告。
混合器将基础流体、支撑剂和化学品共混，而且，混合器包括用于从水罐、化学品卡车和支撑剂存储装置引入所述基础流体的合适入口和阀门。该混合器优选包括能够在每立方米流体中混合1000～5000kg(优选约2200kg)支撑剂的高剪切桶(high shear tub)。
将包含胶、缓冲剂、表面活性剂、粘土控制剂、醇和破胶剂的基础液体组分以化学品卡车12a输送至野外位置。该化学品卡车包括所有合适的化学品运输箱(chemical tote)、泵、管道和计算机控制系统以将合适量的各种基础液体组分输送至混合器20。
水罐10a包括将水通过混合器软管输送至混合器的阀门。
高压泵通常各自具有1500kW的标称额定功率并且能够通过4.5～5”的泵头泵送最高达2m3/min的液体破裂流体和支撑剂以产生最高达15000psi的井下操作井压。根据破裂操作的规模，可能需要1～6个液体高压泵。
最通常地，氮气为在野外应用中用以稀释来自高压泵的流体和支撑剂的浆料的气体。为了清楚地描述破裂流体组合物，在工业上和本说明书的内容中，已知氮气按照其在标准条件(1atm和约15℃)下的体积进行购买、出售和测量，且其单位为“scm”(标准立方米或者在如上所述的标准条件下的立方米)。在井位置接收的氮气的物理状态为在约1atm表压(2atm绝对压力)和约-145℃～-190℃下存储的冷冻液体形式。所输送的1m3的液氮相当于标准大气压条件下的约682scm的氮气。氮气以其低温液态泵送，使其从储存压力变为井压，然后通过将其加热至20℃进行气化，从而使其进入高压管道，在高压管道中，氮气与破裂流体组合物和支撑剂混合。
然后，将该湍流的混合物泵送至井，在井中，该混合物升温至接近地层温度并达到用于使生产区破裂的压力。在生产区泵送条件下估计的温度和压力用于估计氮气的压缩，其形式为每立方米生产区的实际空间的标准立方米数。
例如，来自氮气罐车(nitrogen truck)的1m3/min的低温液体可加压至20MPa的地面压力、加热至20℃、与流体和支撑剂在期望的体积百分比率下混合并在井内泵送至地层中。如果生产区中破裂的泵送压力和温度为18MPa和30℃，则在这些条件下的压缩率为约160scm占据1m3的实际空间。如在野外操作中所提到的，682scm/min的氮气速率相当于破裂期间在生产区的4.26m3/min的实际流速(682scm/min除以160scm/m3的压缩率)。当破裂流体回流时，由于压力和温度的变化，随着氮气与流体一起流到位于地上的用于分离和处理的回流罐中，氮气发生膨胀。
通常，根据在地层条件下输入地层中的期望组成来配制破裂组合物。因此，在地上的流体组分和气体组分之间以体积％测量的比值可能不同于输送至地层的比值。如本领域技术人员所公知的，地上压力和井底压力(bottomhole pressure)之间的差值可能具有正偏差或负偏差，这取决于包括地上和地层之间的静液压力和摩擦压力在内的各种参数。例如，对于根据本发明的典型破裂组合物，当要向地层中注入10/90体积％的液体/气体组合物时，取决于地层的深度和特定组合物输送设备的摩擦压力，在给定的地面压力下需要较高或较低的液体/气体地上混合比。
在某些实施方式中，使用二氧化碳以稀释流体和支撑剂。在这种情况下，储存容器处于约150psi和约-30℃的储存条件下。二氧化碳容器也可由氮气加压至300psi以提高在破裂操作期间的容器压力。从大容器(bulk vessel)抽吸二氧化碳液体和/或二氧化碳液体与氮气一起推送至与流体泵相同的高压泵中，从而将所述二氧化碳提高至井压。将所述二氧化碳与流体和支撑剂混合，泵送到井中并最终进入生产区。所述二氧化碳的温度升高并变成气体，同时与任意井流体一起流回到位于地上的用于分离和处理的回流罐中。
实验室实施例
根据下述总体方法制备流体组合物的测试样品。以烧杯测量来自大量来源(bulk source)的一定体积的基础流体(例如水)并将其加入到速度可变的韦林氏混合器中。在一次性塑料注射器中测量来自大量来源的破裂液体组分添加剂。将该韦林氏混合器调至合适的速度并依次向该基础流体中加入添加剂。将样品混合约0.5分钟(或者根据需要稍长些的时间)。为使样品发泡，将韦林氏混合器调至较高的速度并设定为至少10秒。然后，准备好破裂流体测试样品以用于各种实验。
根据下述总体方法制备支撑剂(沙子)的测试样品。以烧杯从大量来源中取出大量20/40渥太华白沙(Ottawa white sand)。叠层设置两个API沙筛和一个盘(pan)，使得顶部为30目的盘，中间为35目的盘且底部为收集盘。将沙子样品缓慢倒在顶部筛子上并使用摇筛机搅动该叠置的筛子约5分钟。将通过30目筛子并保持在35目筛子上的沙子用于各种实验。另外，将工业上常规可获得的多种支撑剂的各种目范围用于各种实验。
在静态条件下使用下述总体方法测量流体测试样品对于支撑剂(沙子)的负载。根据前述方法制备破裂流体组合物并获得沙子样品。在一个韦林氏混合器中，在没有沙子的情况下混合90体积％的流体样品。将剩余的10体积％的流体样品与沙子在第二韦林氏混合器中混合。将所述不含支撑剂的流体样品快速置于量筒中并在其顶部放置该负载有沙子的流体样品。在量筒底部观察沙子的累积体积并与初始使用的支撑剂样品相比较。累积时间较长(即，颗粒的下落速率较低)，表示破裂流体更倾向于负载支撑剂。
利用下述总体方法测量流体测试样品的粘度。利用布鲁克菲尔德PVS流变仪(Brookfield Engineering Laboratories，Middleboro，MA)测量液体破裂流体组合物的粘度。根据各次实验，将油浴温度设定为特定温度。在韦林氏混合器中混合250mL的液体破裂流体组合物。使用50mL的塑料注射器将得自在韦林氏混合器中制备的液体破裂流体组合物的35mL样品转移到流变仪的杯中。将该杯旋拧在流变仪上使得测锤适当地浸没在流体中，将该密封的杯暴露于在流体上方的400psi的氮气压力，并且将该杯浸没在油浴中以根据本领域技术人员所公知的通常程序进行温控。
实验
粘度随时间的变化
图2显示不同破胶剂浓度对液体破裂流体组合物粘度的影响随时间的变化。流体组合物为水与具有不同浓度的下列添加剂的共混物：0.28重量％的CMHPG、0.19重量％的乙二醇、0.11重量％的乙酸、0.32重量％的矿物油、0.09重量％的无泡表面活性剂、0.12重量％的氯化四甲基铵、0.17重量％的醇和各种加载量的半纤维素酶溶液。粘度在20℃和170秒-1的剪切速率下测量。如图所示，随着破胶剂浓度从0.001重量％变化至0.010重量％，流体组合物的粘度降低至10cP(在170秒-1的剪切速率下)所需的时间从72分钟变为8分钟(约为72分钟的十分之一)。
大部分破裂刺激操作在大于8分钟的时间内完成。如本领域技术人员所公知的，该标准是为了具有较高的粘度值直至达到破裂刺激预计的时间，或者，该时间默认为约90分钟。本发明证实，破裂流体的暂时粘度在完成破裂刺激操作之前达到低于10cP(其被认为是“破坏的”或者松弛的流体)。
泡沫稳定性
通过测量泡沫稳定性随时间的变化，图3显示了与对发泡不具有影响的其它添加剂相比的引入称为发泡剂的添加剂的作用。图3中显示水基流体与具有不同浓度的下列添加剂的共混物：0.28重量％的CMHPG、0.19重量％的乙二醇、0.11重量％的乙酸、0.32重量％的矿物油、0.12重量％的氯化四甲基铵、0.005重量％的半纤维素酶、以及各种添加剂和加载量的发泡型表面活性剂与无泡表面活性剂。在这些实验中，在韦林氏混合器中以设定用于制造泡沫的100％(最大值)速度搅拌液体破裂流体组合物。在停止搅拌之后，立即测量泡沫的高度，并在其后按照时间间隔测量泡沫的高度。如图所示，将发泡型表面活性剂的量从0.0039重量％(用于制造乳液和泡沫的标准发泡剂和常规浓度)降低至0.0006重量％(非常少的量)均导致合理的泡沫稳定性。当0.0039重量％的发泡型表面活性剂与0.03重量％的无泡表面活性剂组合时也观察到合理的泡沫稳定性，这表明无泡表面活性剂既不促进也不阻止稳定泡沫的产生。然而，含有0.03重量％的无泡表面活性剂且不含发泡型表面活性剂的流体显示在停止搅拌之后，泡沫稳定性几乎立即丧失。
支撑剂负载
图4显示支撑剂负载在各种具有不同泡沫稳定性的破裂流体组合物中的效果。如图4所示，使用水基流体和具有不同浓度的下列添加剂生产350mL的常规破裂流体组合物(如果可以的话则进行发泡)：0.28重量％的CMHPG、0.19重量％的乙二醇、0.11重量％的乙酸、0.32重量％的矿物油、0.12重量％的氯化四甲基铵、0.005重量％的半纤维素酶、以及各种添加剂和加载量。当在破裂流体组合物中使用0.0039重量％的发泡型表面活性剂时，产生稳定的泡沫，并且在量筒底部100％累积30/35目沙子样品的时间为6分钟。这等于3.92cm/min的下落速率(对于整个样品而言)。当不使用发泡型表面活性剂时，使用0.03重量％的无泡表面活性剂，没有产生稳定的泡沫，且在量筒底部100％累积30/35目沙子样品的时间小于1分钟。这等于超过13.4cm/min的下落速率(对于整个样品而言)。
图5显示支撑剂负载在各种具有不同破胶剂加载量的破裂流体组合物中的效果。使用水基流体和具有不同浓度的下列添加剂生产350mL的常规破裂流体组合物：0.28重量％的CMHPG、0.06重量％的乙二醇、0.11重量％的乙酸、0.32重量％的矿物油、0.03重量％的表面活性剂、0.12重量％的氯化四甲基铵、0.17重量％的醇类、和各种加载量的半纤维素酶破胶剂。在将破裂组合物用于实验之前先混合5分钟，以使不同的破胶剂量产生粘度不同的样品。测量两种不同的具有不同的绝对SG和粒度范围的支撑剂。使用30/60目的加拿大沙子(SG为2.61)，并使用40/70目Santrol THS涂覆有预固化树脂的沙子(SG为2.43)。以0.002重量％和0.010重量％的“工业常规”破胶剂加载量下，测量两种沙子样品对于两种支撑剂类型中每一种的沉淀速率。图5显示了4次试验中每一次的沙子样品的累积时间。对于30/60目的加拿大沙子，当破胶剂加载量为0.002重量％和0.010重量％时，下落速率分别为2.75cm/min和3.36cm/min，增加了22％。对于40/70目Santrol THS涂覆有预固化树脂的沙子，当破胶剂加载量为0.002重量％和0.010重量％时，下落速率分别为2.83cm/min和3.5cm/min，增加了23.5％。对于两种支撑剂类型和粒度，破胶剂加载量越高，流体对支撑剂的负载效率越低。
野外实施例
以下是本发明技术的野外试验的示例性实施例。
野外实施例1：42-20W4
井的特征为在梅迪辛哈特(Medicine Hat)地层生产区的765～767m的钻孔。刺激沿114.4mm、14.14kg/m的J-55套管(casing)泵送，以尝试将10000kg的20/40沙子置于生产区中。
在破裂之前，井没有经济地流出(flowing)。
在工作位置，根据标准操作实践定位并连接所有的车载(truck-mounted)设备。所有的流体罐装有80体积％的新鲜水和20体积％的甲醇。在破裂操作之前，将水和甲醇加热至20～25℃。
井口压力测定为30MPa，最大工作压力为26.0MPa。
在钻孔区，将2006scm(标准立方米)的初始100％氮气垫注入生产区中，从而以576scm/min的速率产生至少一个裂缝。在该初始100％氮气垫之后，在混合器中制备具有基础流体以及添加剂的流体组合物，其中，所述基础流体包含20体积％甲醇和80体积％水，且所述添加剂为：0.28重量％的CMHPG、0.19重量％的乙二醇、0.11重量％的乙酸、0.32重量％的矿物油、0.03重量％的表面活性剂、0.12重量％的氯化四甲基铵、0.17重量％的醇类、7重量％的KCl、和0.005重量％的半纤维素酶。
将支撑剂(20/40目沙子)以每立方米流体2000kg沙子的比率混入到流体组合物中。如本领域技术人员所公知的，在井涌出(flush)之前，存在若干阶段并且流体和支撑剂比率是发展的。
流体/沙子浆料混合物的速率开始为0.63m3/min并在泵送支撑剂期间提高到0.96m3/min。预计地层中的气体、流体和支撑剂的总钻孔等同速率初始为5.09m3/min并在支撑剂阶段期间降低至3.16m3/min。
将氮气引入位于高压泵和井口之间的高压管道中。改变氮气速率以产生在577scm/min到284scm/min范围之间的4种不同速率，稀释了从井口向下泵送到地层中的流体和沙子组合物。气体量(gas quality)(钻孔处的气体体积除以钻孔处的气体和流体体积)在所述垫中为100％并且在支撑剂/流体阶段为93％到80％的范围之间，从而产生置于地层中的87.6％的总注入气体量。这不包括井中支撑剂的涌出，而仅包括通过钻孔进入生产区中的材料。沙子的总浓度开始为100kg沙子/m3的组合的流体和气体，并增加至400kg/m3的组合的流体和气体。
总体上说，在破裂期间的地上压力从大约11.2MPa的最低值变化到13.4MPa，其中，引发裂缝的初始地面破坏压力为15.2MPa。从破裂操作开始泵送的时刻到井涌出支撑剂的20分钟内，总计将9860kg的支撑剂输送到地层中。
在完成时，清空井并且从该井回收预计2.4m3的流体用于处理。与赋能流体破裂相比，这表示需要处理的水和甲醇的量减少了3倍。
在接下来的5周期间，来自该破裂后的井的气体流速平均为3.81E3M3/日流出。
野外实施例2：42-20W4
井的特征为在梅迪辛哈特地层生产区的784～787m的钻孔。刺激沿114.4mm、14.14kg/m的J-55套管泵送，以尝试将10600kg的20/40沙子置于生产区中。
在破裂之前，井没有经济地流出。
在工作位置，根据标准操作实践定位并连接所有的车载设备。所有的流体罐装有80体积％的新鲜水和20体积％的甲醇。在破裂操作之前，将水和甲醇加热至20～25℃。
井口压力测定为30MPa，最大工作压力为26.0MPa。
在钻孔区，将2070scm的初始100％氮气垫注入生产区中，从而以576scm/min的速率产生至少一个裂缝。在该初始100％氮气垫之后，在混合器中制备具有基础流体以及添加剂的流体组合物，其中，所述基础流体包含20体积％甲醇和80体积％水，且所述添加剂为：0.28重量％的CMHPG、0.19重量％的乙二醇、0.11重量％的乙酸、0.32重量％的矿物油、0.03重量％的表面活性剂、0.12重量％的氯化四甲基铵、0.17重量％的醇类、7重量％的KCl、和0.005重量％的半纤维素酶。
将支撑剂(20/40目沙子)以每立方米流体2000kg沙子的比率混入到流体组合物中。
流体/沙子浆料混合物的速率开始为0.63m3/min并在泵送支撑剂期间提高到0.96m3/min。预计地层中的气体、流体和支撑剂的总钻孔等同速率初始为5.09m3/min并在支撑剂阶段期间降低至3.16m3/min。
将氮气引入位于高压泵和井口之间的高压管道中。改变氮气速率以产生在577scm/min到284scm/min范围之间的4种不同速率，稀释了从井口向下泵送到地层中的流体和沙子组合物。气体量(钻孔处的气体体积除以钻孔处的气体和流体体积)在所述垫中为100％并且在支撑剂/流体阶段为93％到80％的范围之间，从而产生置于地层中的87.6％的总注入气体量。这不包括井中支撑剂的涌出，而仅包括通过钻孔进入生产区中的材料。沙子的总浓度开始为100kg沙子/m3的组合的流体和气体，并增加至400kg/m3的组合的流体和气体。
总体上说，在破裂期间的地上压力从大约11.1MPa的最低值变化到13.4MPa，其中，引发裂缝的初始地面破坏压力为15.1MPa。从破裂操作开始泵送的时刻到井涌出支撑剂的20分钟内，总计将10430kg的支撑剂输送到地层中。
在完成时，清空井并且从该井回收预计2.5m3的流体用于处理。与赋能流体破裂相比，这表示需要处理的水和甲醇的量减少了3倍。
在接下来的井全时生产的日历月中，来自该破裂后的井的气体流速为4.77E3M3/天。
野外实施例3：42-19W4
井的特征为在Belly River地层生产区的259～260m的钻孔，其中该井在270m以下隔离(isolate)。刺激沿114.4mm、14.14kg/m的J-55套管泵送，以尝试将7000kg的20/40沙子置于生产区中。
在破裂之前，在破裂该区域之前的日历年中，井的流速为0.42～0.59E3M3/日流出。
在工作位置，根据标准操作实践定位并连接所有的车载设备。所有的流体罐装有新鲜水。在破裂操作之前将水加热至20～25℃。
井口压力测定为30MPa，最大工作压力为26.0MPa。
在钻孔区，将1780scm的初始100％氮气垫注入生产区中，从而以296scm/min的速率产生至少一个裂缝。在该初始100％氮气垫之后，在混合器中制备具有基础流体以及添加剂的流体组合物，其中，所述基础流体包含水，且所述添加剂为：0.28重量％的CMHPG、0.19重量％的乙二醇、0.11重量％的乙酸、0.32重量％的矿物油、0.03重量％的表面活性剂、0.12重量％的氯化四甲基铵、0.17重量％的醇类、和0.005重量％的半纤维素酶。
将支撑剂(20/40目沙子)以每立方米流体1500～2000kg沙子的比率混入到流体组合物中。
流体/沙子浆料混合物的速率开始为0.57m3/min并在泵送支撑剂期间提高到1.58m3/min。在支撑剂阶段期间，预计地层中的气体、流体和支撑剂的总钻孔等同速率在4.82m3/min和5.18m3/min之间变化。
将氮气引入位于高压泵和井口之间的高压管道中。改变氮气速率以产生在262scm/min到216scm/min范围之间的4种不同速率，稀释了从井口向下泵送到地层中的流体和沙子组合物。气体量(钻孔处的气体体积除以钻孔处的气体和流体体积)在所述垫中为100％并且在支撑剂/流体阶段为93％到80％的范围之间，从而产生置于地层中的96.6％的总注入气体量。这不包括井中支撑剂的涌出，而仅包括通过钻孔进入生产区中的材料。沙子的总浓度开始为116kg沙子/m3的组合的流体和气体，并增加至400kg/m3的组合的流体和气体。
总体上说，在破裂期间的地上压力从大约7.5MPa的最低值变化到8.8MPa，其中，引发裂缝的初始地面破坏压力为12.5MPa。从破裂操作开始泵送的时刻到井涌出支撑剂的13分钟内，总计将7000kg的支撑剂输送到地层中。
在完成时，清空井并且从该井回收预计1.5m3的流体用于处理。与赋能流体破裂相比，这表示需要处理的水和甲醇的量减少了4倍。
在接下来的9个日历月中，来自该破裂后的井的气体流速为0.93～1.30E3M3/天。
野外实施例4：51-08W5
井的特征为具有之前正在生产的现有钻孔以及在埃德蒙顿(Edmonton)地层生产区的一组新的钻孔(如表2中“钻孔间隔”栏所示)。套管在665m以下隔离。刺激利用114.4mm、14.14kg/m的J-55套管中的层间隔离杯(zonalisolation cup)沿73mm(8.13kg/m HS70)的盘管泵送，以尝试按照表2“泵送的沙子”一栏中所述的方式将20000kg的20/40沙子置于生产区中。
表2-野外实施例4
在破裂之前，井在破裂前的12～24个日历月中的流量为0.51～1.30E3M3/日流出(平均为0.85E3M3/日流出)。关闭该井约12个日历月以积累压力。在破裂前的日历月中，瞬时流速平均为3.55E3M3/日流出，其中该流速受到短期内所积累的压力的影响。
在工作位置，根据标准操作实践定位并连接所有的车载设备。所有的流体罐装有80体积％的新鲜水和20体积％的甲醇。在破裂操作之前，将水和甲醇加热至20～25℃。盘管压力测定为44MPa且最大工作压力为40MPa。
在钻孔区，将初始100％氮气垫(其体积示于表2的“N2垫”栏中)注入生产区中，从而以585scm/min的速率产生至少一个裂缝。在该初始100％氮气垫之后，在混合器中制备具有基础流体以及添加剂的流体组合物，其中，所述基础流体包含20体积％甲醇和80体积％水，且所述添加剂为：0.28重量％的CMHPG、0.19重量％的乙二醇、0.11重量％的乙酸、0.32重量％的矿物油、0.03重量％的表面活性剂、0.12重量％的氯化四甲基铵、0.17重量％的醇类、和0.005重量％的半纤维素酶。
将支撑剂(20/40目沙子)以每立方米流体2000kg沙子的比率混入到流体组合物中。
流体/沙子浆料混合物的速率开始为0.61m3/min并在泵送支撑剂期间提高到1.14m3/min。在支撑剂阶段期间，预计地层中的气体、流体和支撑剂的总钻孔等同速率在6.00m3/min和6.11m3/min之间变化。
将氮气引入位于高压泵和井口之间的高压管道中。改变氮气速率以产生在525scm/min到485scm/min范围之间的4种不同速率，稀释了从井口向下泵送到地层中的流体和沙子组合物。气体量(钻孔处的气体体积除以钻孔处的气体和流体体积)在所述垫中为100％并且在支撑剂/流体阶段为94％到88％的范围之间，从而产生置于地层中的96.3％的总注入气体量。这不包括井中支撑剂的涌出，而仅包括通过钻孔进入生产区中的材料。沙子的总浓度开始为122kg沙子/m3的组合的流体和气体，并增加至235kg/m3的组合的流体和气体。
总体上说，在破裂期间的地上压力在表2的“最小压力”和“最大压力”栏中所述的最小压力和最大压力之间变化。在表2的“破坏压力”栏中显示了引发裂缝的初始地上破坏压力。如表2中“泵送的沙子”栏所示，总计将20000kg的支撑剂输送到地层间隙中。
在完成时，清空井并且从该井回收预计10m3的流体用于处理。与赋能流体破裂相比，这表示需要处理的水和甲醇的量减少了4倍。
在接下来的5个日历月中，从之前生产的生产区和一个新的生产区，该破裂后的井的气体流速为1.14～6.62E3M3/日流出(平均为3.23E3M3/日流出)。这表示产量提高4倍。
结论
总而言之，实验室和野外测试的数据表明，可使用显著较低量的水以制备破裂组合物，并且该破裂组合物与新的混合和泵送方法结合可有效地提供大量的支撑剂裂缝。重要的是，本发明的技术证明，可使用雾作为有效的破裂组合物，特别是考虑到雾具有使用常规破裂设备将有效量的支撑剂运输到地层中的能力。由此，本发明的技术提供了使用高浓度气体破裂组合物的在经济上有效的技术方案，该破裂组合物能够以连续(即非间歇)工艺制造，而无需现有纯气体破裂设备的维护费用和操作成本。