(12) Oversettelse av europeisk patentskrift

Transkript

1 (12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP B1 (19) NO NORGE (51) Int Cl. E21B 43/267 ( ) C09K 8/80 ( ) Patentstyret (21) Oversettelse publisert (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet (86) Europeisk søknadsnr (86) Europeisk innleveringsdag (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato (30) Prioritet , US, 9354 (84) Utpekte stater AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR (73) Innehaver Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc., Intellectual Property Departmet One New Bond Street P.O. Box 15008, Worcester, MA , USA (72) Oppfinner STEPHENS, Walter T., 1951 West 26th StreetUnit TH9, Cleveland, Ohio 44113, USA (74) Fullmektig Tandbergs Patentkontor AS, Postboks 1570 Vika, 0118 OSLO, Norge (54) Benevnelse Ledningsevneforbedrende strukturer for bruk med proppemidler i olje- og gassbrønner (56) Anførte publikasjoner GB-A US-A US-A US-A US-A US-A US-B US-B

2 1 Beskrivelse BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN [0001]Denne søknaden fordrer fordelen av US provisorisk søknad 61/009,354, inngitt 28. desember 2007, og innlemmes ved referanse. [0002]Denne oppfinnelse angår generelt proppemidler som benyttes i borehulls applikasjoner for å lette fjerningen av fluider slik som gasser og væsker fra geologiske formasjoner. Mer spesielt angår foreliggende oppfinnelse å forbedre ledningsevnen i proppemidlene som benyttes i borehulls applikasjoner. [0003]Mange patenter og publiserte patentsøknader avdekker modifikasjoner i proppemidlet for å forbedre bestemte aspekter av ytelsen. For eksempel beskriver publisert US patentsøknad 2007/ et proppemiddel som har en ikke-kuleformet og ikke-fibrøs form og som brukes til å redusere eller eliminere proppemiddel- og partikkeltilbakestrømning. Bestemte former er beskrevet i fig. 1A til fig. 1I. I US 4,462,466 har hver partikkel i det minste én passasjevei dannet vesentlige direkte gjennom denne for økt permeabilitet for strømmen av fluider fra den underjordiske formasjon. US publisert patentsøknad 2007/ , beskriver et proppemiddel som består av en blanding av vekt% av et sfærisk proppemiddel og 5-90 vekt% av et kantet materiale, idet prosentandelene er basert på den totale vekt av blandingen. Det oppnådde proppemiddel er beskrevet som nyttig for å eliminere eller redusere "tilbakestrømning" fenomen i operasjoner i olje- eller gassbrønner. US 6,780,804 beskriver proppemidler som har en utvidet partikkelstørrelsesfordeling som oppviser forbedrede egenskaper som knusestyrke og ledningsevne. OPPSUMMERING [0004]Utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse forbedrer ledningsevnen av proppemiddel brukt i borehullapplikasjoner. [0005]I en utførelsesform innbefatter den foreliggende oppfinnelse en blanding som omfatter flere første strukturer som er proppemiddelpartikler og flere andre strukturer som er resistivitets forbedrende strukturer. Hver av de første strukturer har en konveks overflate definert av en første radius. De første strukturenes første radier definerer en gjennomsnittlig første radius. Hvert av de andre strukturer har i det minste en første konkav overflate definert ved en andre radius. De andre strukturenes andre radier

3 2 definerer en gjennomsnittlig andre radius. Den gjennomsnittlige første radius er lik eller mindre enn den gjennomsnittlige andre radius. KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE [0006] Fig. 1 er et hypotetisk tverrsnitt av en konvensjonell proppemiddelpakke; Fig. 2 er et perspektivriss av en første utførelsesform av en ledningsevneforbedrende struktur og tre mot hverandre anliggende proppemiddelpartikler; Fig. 3 er et tverrsnitt av en blanding omfattende proppemiddel ledningsevneforbedrende strukturen ifølge fig. 2; Fig. 4 er et perspektivriss av en andre utførelsesform av en ledningsevneforbedrende struktur; Fig. 5 er et tverrsnitt av en blanding omfattende proppemiddel ledningsevneforbedrende struktur ifølge fig. 4, og Fig. 6 er et annet tverrsnitt av en proppemiddelblanding som omfatter flere firesidede ledningsevneforbedrende strukturer. DETALJERT BESKRIVELSE [0007]Oppfinnelsen angår proppemidler som er nyttige for å øke produksjonen av olje- og gassbrønner som kan befinne seg i porøse og permeable undergrunn geologiske formasjoner. Porøsiteten av formasjonen tillater formasjon for å lagre olje og gass, og permeabiliteten av formasjonen tillater olje- eller gassfluid å bevege seg gjennom formasjonen. Noen ganger er permeabiliteten av formasjonen som holder gassen eller oljen utilstrekkelig for økonomisk utvinning av olje og gass. I andre tilfeller, under drift av brønnen, faller permeabiliteten av formasjonen i en slik grad at ytterligere utvinning blir uøkonomisk. I slike tilfeller er det vanlig å frakturere formasjonen, og dermed skape sprekker inne i formasjonen ved å tvinge en passende mengde proppemiddel inn i sprekker og som derved holder dem åpne, slik at gasser og væsker som ellers ville være fanget lett kan strømme gjennom sprekker. Slik frakturering oppnås vanligvis ved hjelp av en hydraulisk pumpe for å tvinge et gellignende fluid ned i et borehull. Trykket økes til sprekker dannes i den underjordiske bergart. Proppemidlene som er suspendert i dette trykksatte fluidum blir tvunget inn i sprekker eller spalter. Når det hydrauliske trykket er redusert, forblir i det minste en del av proppemiddelmaterialet i sprekkene og funksjonerer for å hindre at de dannede sprekkene lukker seg.

4 3 [0008]Et bredt utvalg av proppemiddelmaterialer er kommersielt tilgjengelige. Proppemiddelmaterialet kan velges avheng av faktorer såsom geologiske forhold og den forventede verdi av fluidet som skal utvinnes. Vanligvis er proppemidler partikkelformede materialer, slik som sand, glassperler, eller keramiske pellets, som danner en porøs struktur. I fig. 1 er et tverrsnitts riss av flere10 proppemiddelpartikler 12, 14, 16 og 18 vist. Hver av partiklene har en konveks overflate 20, 22, 24 og 26, henholdsvis. Partiklene samvirker for dannelse av to mellomrom 28 og 30, som her blir referert til som porer, og gjennom hvilke fluider slik som råolje, naturgass og vann kan strømme. Tverrsnitts areal av mellomrommene kan bestemmes ved diameteren av partiklene. Ettersom diameteren av partiklene øker, øker tverrsnitts overflateareal av mellomrom også. Omvendt, ettersom diameteren av partiklene avtar, avtar tverrsnitts areal av mellomrommet. Mellomrommene mellom partiklene tillater at oljen eller gass kan strømme til oppsamlingsregioner. Pumper brukes for å flytte olje eller gass til brønnhodet. Over tid, kan trykket av steinmassene rundt knuse proppemidlene. De resulterende småpartikler fra denne mekaniske svikt kan migrere og plugge strømningspassasjehulrom i den proppede strukturen. Disse migrerende småpartikler kan drastisk redusere ledningsevnen av proppemidlet som er et mål på hvor lett med hvilken olje eller gass kan strømme gjennom proppemiddelstrukturen og kan være viktig for produktiviteten av en brønn. Når proppemidlets ledningsevne faller under et visst nivå, kan fraktureringsprosessen gjentas eller brønnen kan bli nedlagt. [0009]Keramiske proppemidler, noen ganger kalt kunstige proppemidler, foretrekkes ved visse anvendelser overfor naturlig proppemidler, slik som sand eller harpiksbelagt sand, på grunn av det keramiske proppemiddelets evne til å tåle høye trykk og temperaturer, og deres motstand mot korrosjon. Til tross for laget av høyere kostnads materialer enn naturmaterialer, og den ekstra kostnaden for å lage dem, gjør den økte knusestyrke av keramiske materialer, keramiske proppemidler egnet for forhold som er for harde for andre materialer, f.eks. ved trykk på over ca kg / cm 2 ( psi). Ettersom trykket øker med dybden, blir keramiske proppemidler vanligvis brukt på dyp på om lag 1500 meter eller mer under jordoverflaten. De er typisk dannet ved å kombinere finmalt materiale, så som leire, bauksitt, eller aluminiumoksid, med vann og deretter blandet i en roterende blander. Bladene i blanderen medfører at den våte blanding danner generelt sfæriske pellets, som ved tørking og tiring ved høy temperatur har den generelle ønskede partikkelstørrelse. Pellets som faller utenfor det ønskede område blir returnert til blanderen etter tørketrinnet for å bearbeides. [0010]En av de viktigste fysiske egenskapene til flere proppemiddelpartikler blir vanligvis referert til som ledningsevne, som er et estimat av den motstand som proppemidlet vil utøve mot fluidstrømning under brønnproduksjonen. Ledningsevnen

5 4 av et proppemiddel kan bestemmes ved hjelp av fremgangsmåten som er beskrevet i ISO "Procedures for Measuring the Long-term Conductivity of Proppants". Noen forsøk på å forbedre ledningsevnen av proppemidler har fokusert på metoder for å redusere antall småpartikler ved å bruke sterkere materialer, forbedre knusestyrken til en individuell proppemiddelpartikkel gjennom anvendelse av plast-belegg, endrer formen av proppemidlet og forandre proppemidlets partikkelstørrelsesfordeling. Å forbedre proppemidlers knusestyrke reduserer eller forsinker dannelsen av småpartikler som reduserer ledningsevne. Å forsinke eller å redusere generering av småpartikler opprettholder ledningsevnen i proppemidlene. Mens målbare forbedringer i ledningsevne er blitt oppnådd, er ytterligere forbedringer av ledningsevnen av proppekornene pakninger fremdeles ønskelig. [0011]I motsetning til de fleste kommersielt tilgjengelige proppemidler som generelt kan beskrives som flere sfæriske partikler, kan denne oppfinnelsen beskrives som en blanding av proppemiddelpartikler og ledningsevneforbedrende strukturer. Proppemiddelpartiklene kan også bli referert til heri som flere første strukturer. Tilsvarende kan ledningsevneforbedrende strukturer bli referert til heri som flere andre strukturer. Det fysiske forhold mellom flere første strukturer og flere andre strukturer vil bli beskrevet nedenfor. [0012]Som anvendt hvori, kan en første struktur være en proppemiddelpartikkel som har en konveks overflate som har krumning som er definert ved en første radius (r 1 ). Den konvekse overflate kan utgjøre så mye som 100 prosent av partikkelens overflateareal eller så lite som 50 prosent av partikkelens overflateareal. Prosentandelen av overflatearealet okkupert av den konvekse flaten kan bestemmes ved optisk undersøkelse av partikkelen. Flere av proppemiddelpartiklene kan fremstilles ved å blande tørre ingredienser, slik som bauxitt, og organiske bindemidler, og de våte ingredienser, slik som vann, for å danne store mengder av små kuler som vanligvis varierer fra 100 mikron til 2000 mikron i diameter. De sfæriske partiklene blir deretter brent i en ovn for å danne sintrede partikler. På grunn av normale variasjoner i formasjonen og sintringsprosessen, har en stor mengde av proppemiddelpartikler en fordeling av partikkelstørrelser som tilsvarer en fordeling av partikkeldiametere. Den sfærisiteten av partiklene kan være fra 0,5 til 1.0. For en gitt kvantitet av proppemiddelpartikler, kan en optisk mikroskopobservasjon eller en optisk størrelsesanalysator anvendes for å bestemme proppemiddelpartiklenes midlere partikkeldiameter, og dermed den midlere radius. Proppemiddelpartiklenes midlere radius kan beregnes og er heri beskrevet som de første strukturers første radius (r 1 ).

6 5 [0013]Som brukt heri kan en andre struktur være en ledningsevneforbedrende struktur som har en tredimensjonal struktur som inkluderer minst en konkav overflate. Den ledningsevneforsterkende strukturen kan ha to, tre, fire, fem, seks eller flere konkave overflater. Krumningen til hver konkave overflate er definert ved en radius som er definert heri for anvendelse som andre radius (r 2 ). Alle de konkave flater på en ledningsevneforbedrende struktur kan ha hovedsakelig den samme radius. To eller flere radier anses å være i det vesentlige den samme hvis radiene er innenfor ± 10% av at strukturens midlere radius. Hvis den ledningsevneforbedrende strukturen har en første konkav overflate med en radius r a som er mindre enn radien r b av en andre konkav overflate på den samme ledningsevneforbedrende struktur, da er den mindre radius r a definert som den andre radius (r 2 ). Enkelte partier av den ledningsevneforsterkende strukturen er ikke konkav. For eksempel kan et parti av en ledningsevneforsterkende strukturens overflate være plan eller konveks. Strukturen kan omfatte ett eller flere gjennomgående hull som fungerer som passasjer for fluider for å passere gjennom strukturen. [0014]Det fysiske interaksjon av proppemiddelpartikkelen og den ledningsevneforbedrende strukturen gir forbedret ledningsevne i forhold til et proppemiddel som omfatter utelukkende av de sfæriske proppemiddelpartikler. I en blanding av foreliggende oppfinnelse kan de første strukturers (dvs. proppemiddelpartiklenes) midlere radius (r 1 ) være lik eller mindre enn de andre strukturene "(dvs. ledningsevneforbedrende strukturer ') andre radius (r 2 ). Dette forholdet (dvs. r 1 mindre enn eller lik r 2 ) tillater at de første strukturers konvekse overflater "hviler" i den andre strukturens konkave overflater. For å fungere effektivt, trenger bare en del av den første strukturen i en gitt blanding av første og andre strukturer å hvile i en andre struktur er konkav overflate. Mens 100% samsvar av alle de første strukturers krumme flater, med alle de andre strukturers konkave flater kan være ønskelig, kreves det ikke oppnåelse fullstendig samsvar av alle de konvekse flater med alle de konkave flater for å oppnå fordelen med denne oppfinnelse. [0015]Det volumetriske forholdet mellom første strukturer til andre strukturer i en blanding av denne oppfinnelsen, kan forandres etter behov for å oppnå en ønsket ledningsevne. Faktorer som kan vurderes ved valg av forholdet innbefatter i det minste de følgende variable: dybden av brønnen; partikkelstørrelsesfordelingen av de første strukturer; knusestyrke av de første strukturer; knusestyrke av de andre strukturer; gjennomsnittlig antall konkave flater per andre struktur, og den økonomiske verdien av fluidet som trekkes ut fra brønnen. Forholdstall av første struktur til andre struktur som

7 6 antas å være anvendbart område fra volumprosent for den første struktur og 5 til 35 volumprosent for den andre struktur. [0016]Nå med henvises til tegningene og nærmere bestemt fig. 2 er det vist en første utførelsesform 32 av en ledningsevneforbedrende struktur. Utførelsesform 32 har tre konkave overflater 34, 36 og 38 hvis krumminger er definert av radier, 40, 42 og 44, henholdsvis. I denne utførelsesformen er radiene av de tre konkave flater den samme. I andre utførelsesformer kan radiene være forskjellige fra hverandre. Første utførelsesform 32 innbefatter også første endeoverflate 46 og andre endeoverflate 48. Endeflatene er parallelle med hverandre. Anbrakt gjennom senter av første utførelsesform 32 er hull 50 som tillater et fluid å passere derigjennom. [0017]Figur 3 er et tverrsnitt av en første utførelsesform 32 av en ledningsevneforbedrende struktur innsatt i flere10 av proppemiddelpartikler (12,14,16 og 18) som vist i fig. 1. Radiene av konvekse flater 20, 24 og 26 samsvarer med radiene av konkave overflater 34, 36 og 38. Ledningsevneforbedrende struktur 32 tvinge de første komponenter bort fra hverandre og danner dermed større interstitielle områder gjennom hvilke et fluid kan passere. Kanaler 54 og 56, og mellomrommet 58, øker tydelig tverrsnitts areal i forhold til de interstitielle tverrsnitts arealer 28 og 30 vist på fig. 1. Videre øker kontakten mellom de konvekse flater og de konkave flater kontaktflatearealet på proppemiddelpartikkelen og reduserer antallet punkt til punkt kontakter mellom tilstøtende partikler. Økning av kontaktflatearealet reduserer effektivt punktkontakt mekaniske påkjenninger som utøves på proppingsmidlet på en visst brønndybde. Følgelig vil proppemiddelpakningen være i stand til å overleve ved høyere endebelastninger enn en proppemiddelpakke som anvender de samme proppemiddelpartikler og ingen ledningsevneforbedrende strukturer. [0018]Fig. 4 viser et generell kubeformet ledningsevneforbedrende struktur 70 som innbefatter seks konkave overflater 72, 74, 76, 78, 80 og 82. Hull 84 danner en passasje gjennom strukturen 70. Selv om det ikke er vist, er utførelsesformer med flere passasjer fra overflaten 74 til overflaten 78 og/eller overflate 80 til overflaten 82 mulige. Økning av antall hull gjennom en ledningsevneforbedrende struktur kan øke den tilkoblende porøsitet gjennom proppemiddelet som forbedrer ledningsevnen i proppemidlet. [0019]Fig. 5 viser fire proppemiddelpartikler med krumme flater, og i en avstand fra hverandre ved hjelp av en ledningsevneforbedrende struktur 70 som vist i fig. 4. Radiene av de første komponenters konvekse flater er lik hverandre og radiene til de

8 7 ledningsevneforbedrende strukturer fire konkave overflater. Hull 84 forbedrer ledningsevnen i proppemiddelblandingen ved å muliggjøre strømning av fluider gjennom hullet som har en høyere tverrsnitts areal overflateareal enn overflatearealet interstitiell 28 eller 30 vist i fig. A. [0020]Vist i fig. 6 viser en mulig konfigurasjon av sfæriske proppemidler, 100, 102 og 104 og ledningsevneforbedrende strukturer 106, 108 og 110. Ved betraktning av tverrsnittet, definerer hver av de ledningsevneforbedrende strukturer fire sider et kvadrat. To motstående konkave overflater av hver ledningsevneforbedrende struktur tilstøter hver den konvekse overflate av et kuleformet proppemiddel. I denne konfigurasjonen definerer den ledningsevneforbedrende strukturer et sentralt område 112 som er mye større enn det interstitielle rom 28 eller 30 vist i fig. A. [0021]En annen mulig utførelsesform er en firesidet ledningsevneforbedrende struktur formet som et tetraeder. En eller flere konkave flater kan dannes i hver av tetraederets fire flater. I denne utførelsesformen definerer tetraederets fire overflater den ledningsevneforbedrende strukturens totale overflateareal. I kontrast overflatearealet av utførelsesformen som er vist på fig. 6 er lik summen av overflatearealene til seks konkave overflater. [0022]I visse borehullanvendelser kan forholdet mellom proppemiddelpartikler til ledningsevneforbedrende strukturer styres til ytterligere å forbedre proppemiddelets ledningsevne. Forholdet mellom proppemiddelpartikler til ledningsevneforbedrende strukturer kan velges for å oppnå en ønsket ledningsevne. Hvis den ledningsevneforbedrende strukturen har to, tre, fire, fem eller seks konkave overflater, så kan forholdet tilsvare eller overstige 2:1, 3:1, 4:1, 5:1 1 eller 6:1, henholdsvis. Som en generell retningslinje, kan antallet proppemiddelpartikler være omtrent lik eller overstige antallet konkave overflater. [0023]Ytterligere forbedringer av ledningsevnen av proppemidlet kan oppnås ved å kombinere proppemiddelpartikler med ledeevne forbedrende strukturer som har en første form, og en andre form. For eksempel i en blanding av proppemiddelpartikler og ledningsevneforbedrende strukturer, kan femti prosent av ledningsevneforbedrende strukturer ha en første form som innbefatter et ulikt antall konkave flater innlemmet deri, slik som de tre konkave overflater vist i utførelsesform som vist i fig. 2, og femti prosent av ledningsevneforbedrende strukturene kan ha en annen form som omfatter et likt antall konkave flater innlemmet deri, slik som seks konkave overflater i utførelsesformen som er vist i fig. 4.

9 8 [0024]Beskrivelsen ovenfor er bare ansett som spesielle utførelsesformer. Modifikasjoner av oppfinnelsen vil forekomme for fagfolk innen teknikken, og de som lager eller anvender oppfinnelsen. Derfor er det underforstått at de utførelsesformer som er vist på tegningene og beskrevet ovenfor, bare er for illustrerende formål, og er ikke ment å begrense oppfinnelsens omfang, som er definert ved de etterfølgende krav som skal tolkes i henhold til prinsippene i patentloven.

10 9 Patentkrav 1. Blanding, omfattende: flere første strukturer som er proppemiddelpartikler (12, 14, 16, 18) og flere andre strukturer som er ledningsevneforbedrende strukturer (32), hver av de nevnte første strukturer har en konveks overflate (20, 24, 26) definert ved en første radius, nevnte første strukturers først radier definerer en gjennomsnittlig første radius; hver av de nevnte andre strukturer har minst en første konkav overflate (34) definert ved en andre radius, nevnte andre strukturers andre radier definerer en gjennomsnittlig andre radius, og hvor nevnte første gjennomsnittlige radius er lik eller mindre enn nevnte gjennomsnittlige andre radius. 2. Blandingen ifølge krav 1, hvor minst en av nevnte andre strukturer videre omfatter en andre konkav overflate. 3. Blandingen ifølge krav 2, hvor minst en av nevnte andre strukturer videre omfatter en tredje konkav overflate. 4. Blandingen ifølge krav 3, hvor minst en av nevnte andre strukturer videre omfatter en fjerde konkav overflate. 5. Blandingen ifølge krav 4, hvor minst en av nevnte andre strukturer videre omfatter femte og sjette konkave overflater. 6. Blandingen ifølge krav 1, hvor nevnte første strukturer hver omfatter sfæriske overflater. 7. Blandingen ifølge krav 4, hvor minst en av nevnte andre strukturer omfatter et totalt overflateareal og nevnte fire konkave overflater definerer den andre strukturs totale overflateareal. 8. Blandingen ifølge krav 4, hvor den andre strukturens fire konkave overflater definerer fire sider av et tetraeder.

11 10 9. Blandingen ifølge krav 5, hvor den andre strukturens seks konkave overflater definerer en kube. 10. Blandingen ifølge krav 1, hvor minst en del av nevnte første strukturers konvekse flater tilstøter en del av nevnte andre strukturers konkave overflater. 11. Blandingen ifølge krav 1, hvor minst 20 vektprosent av de første strukturer har vesentlig de samme første radier. 12. Blandingen ifølge krav 1, hvor minst 20 vektprosent av de første strukturer har vesentlig forskjellig først radier. 13. Blandingen ifølge krav 1, omfattende en total synlig volum, hvor de første strukturer representerer minst 65 volumprosent av nevnte blandings totale volum. 14. Blandingen ifølge krav 13, hvor de første strukturer omfatter ikke mer enn 95 volumprosent av blandingens totale volum. 15. Blandingen ifølge krav 1, omfattende et total synlig volum, hvor de andre strukturer representerer minst 5 volumprosent av nevnte blandings samlede volum. 16. Blandingen ifølge krav 1, hvor de andre strukturer omfatter ikke mer enn 35 volumprosent av blandingens samlede volum. 17. Blandingen ifølge krav 1, hvor de flere andre strukturer omfatter en første form, og en andre form. 18. Blandingen ifølge krav 17, hvor nevnte første form innbefatter et likt antall konkave overflater. 19. Blandingen ifølge krav 17, hvor nevnte andre form omfatter et ulikt antall konkave overflater.

12 11 NO/EP

13 12 NO/EP

14 13 NO/EP