JP6926326B2 - ナノシリカキャリヤ流体によるパルス注入式水圧破砕 - Google Patents

Description

本願は、２０１７年９月２１日に出願された米国特許出願第１５／７１１，９５５号に基づく優先権を主張し、当該米国特許出願のすべての記載内容を援用する。

本発明は、独立したプロパント柱を貯留層内に生成するための、ナノシリカキャリヤ流体による、貯留層におけるパルス注入式水圧破砕に関する。

破砕刺激処理の成功の可否は、生成された亀裂が処理後に閉じてしまうのを防ぐために用いられるプロパント（支持材）の強度及び分布に、少なくとも部分的に左右される。亀裂形状全体にわたって高いプロパント配置効率をともなう、単純で広いフィーチャ（特徴）に対してさえ、現行の数学的及び工学的概念では、依然として、亀裂の流下能力（フローキャパシティ）が桁違いに過大に見積もられる。プロパントパック体の透過率は、ゲルの回収不足が原因で残った損傷、細粒分の移動、多相流（混相流）、流体運動量の喪失、抗力、毛管力、並びに、プロパントの潰れ及び埋没など、の要因の組み合わせによって低下すると考えられる。場合によっては、従来のプロパントパック体は、ゲルの損傷、細粒分の移動、混相流、非ダルシ流れに起因して、当初の伝導性の最大９９％を喪失することになる。

第１の一般的な態様において、貯留層を破砕するステップは、坑井内の坑井穴を介してパッド流体を前記貯留層へ提供して前記貯留層に亀裂を生成するステップと、前記坑井穴を介して破砕流体を前記亀裂へ提供するステップと、前記坑井穴を介してナノシリカキャリヤ流体を前記亀裂へ提供するステップと、活性剤を用いてナノシリカ粒子を活性化してナノシリカゲルを生成するステップと、前記坑井穴において坑井の圧力で閉じることによって前記ナノシリカゲルが前記亀裂内にプロパント柱を形成するステップと、を含む。前記ナノシリカキャリヤ流体はナノシリカ粒子を含み、前記ナノシリカキャリヤ流体を前記亀裂へ提供するステップは、ある量の前記ナノシリカキャリヤ流体を前記破砕流体の連続する流れにパルス注入するステップ、又は、ある量の前記ナノシリカキャリヤ流体とある量の前記破砕流体とを交互にパルス注入するステップを含む。前記ナノシリカキャリヤ流体をパルス注入する間の経過時間（前記ナノシリカキャリヤ流体のある量のパルス注入とある量のパルス注入との間の経過時間）は２秒から１０分である。

前記第１の一般的な態様を実施する際に、以下の特徴の１つ以上を含んでもよい。

前記パッド流体は、典型的には、反応性流体、スリックウォータ、線状ゲル、架橋ゲル、粘弾性界面活性剤流体、及び発泡ゲル、のうちの少なくとも１つを含む。前記破砕流体は、典型的には、反応性流体、スリックウォータ、線状ゲル、架橋ゲル、粘弾性界面活性剤流体、及び発泡ゲル、のうちの少なくとも１つを含む。場合によっては、前記破砕流体は、１ガロン当たり最大１２ポンド（最大約１．４ｋｇ／Ｌ）の追加されたプロパントを含む（ここでいう最大１２ポンドは最大約１２ポンドである）。場合によっては、前記破砕流体はプロパントを含まない（ここでいうプロパントを含まないとは実質的にプロパントを含まないことである）。

実施によっては、前記ナノシリカキャリヤ流体は、１ガロン当たり最大１２ポンド（最大約１．４ｋｇ／Ｌ）の追加されたプロパントを含む（ここでいう最大１２ポンドは最大約１２ポンドである）。前記ナノシリカキャリヤ流体は、コロイダルナノシリカ粒子を含んでもよい。場合によっては、前記ナノシリカゲルの粘度は、１５０°Ｆ（約６５．６℃）から４００°Ｆ（約２０４．４℃）の範囲の貯留層温度で少なくとも１０００ｃＰ（１Ｐａ・ｓ）である。前記ナノシリカキャリヤ流体は、活性剤、透過率増強剤、促進剤、及び遅延剤、のうちの少なくとも１つを含んでもよい。前記透過率増強剤は、ポリ乳酸を含んでもよい。前記ポリ乳酸は、ビーズ、繊維、又は布の形態であってもよい。前記透過率増強剤は、樹脂、塩、安息香酸、及びワックスビーズ、のうちの少なくとも１つを含んでもよい。前記塩は、酸性塩を含んでもよい。

実施によっては、前記ナノシリカキャリヤ流体をパルス注入する間の前記経過時間は、１０秒から１分である。ある量の前記ナノシリカキャリヤ流体をパルス注入するステップは、前記ナノシリカキャリヤ流体の個別の量を前記破砕流体の前記連続する流れにパルス注入するステップ、又は、前記ナノシリカキャリヤ流体の個別の量と前記破砕流体の個別の量とを交互にパルス注入するステップを含んでもよい。前記ナノシリカキャリヤ流体の個別の量は、典型的には、互いに間隔が離隔する。ある量の前記ナノシリカキャリヤ流体をパルス注入するステップは、毎分１バレル（約１５９リットル）から毎分１２０バレル（約１９０７９リットル）の流量で前記ナノシリカキャリヤ流体を注入するステップを含んでもよい。場合によっては、ある量の前記ナノシリカキャリヤ流体をパルス注入するステップは、毎分５バレル（約７９５リットル）から毎分５０バレル（約７９４９リットル）の流量で前記ナノシリカキャリヤ流体を注入するステップを含む。

前記第１の一般的な態様を実施することには、前記破砕流体と前記ナノシリカキャリヤ流体とを前記亀裂へ提供するステップの後に、追加の流体の連続する流れを前記亀裂へ提供するステップを含んでもよい。前記追加の流体は、１ガロンあたり最大１２ポンド（最大約１．４ｋｇ／Ｌ）の追加されたプロパントを含む第２のナノシリカキャリヤ流体であってもよい。場合によっては、前記破砕流体は第１の破砕流体であり、前記追加の流体は第２の破砕流体であり、前記第２の破砕流体は１ガロンあたり最大１２ポンド（最大約１．４ｋｇ／Ｌ）の追加されたプロパントを含む。

前記プロパント柱の圧縮強度は、典型的には、前記貯留層のオーバーバーデン圧（地下の地層や岩石等の物体に対して、それより上にある物体の重量によって生ずる鉛直下向きの圧力であり、岩圧又は閉じ込め圧という場合もある）を超える。前記プロパント柱の前記圧縮強度は、１平方インチあたり５００ポンド（約３．４５ＭＰａ）から１平方インチあたり２０，０００ポンド（約１３７．９ＭＰａ）の範囲であってもよい。前記プロパント柱の透過率は、０．００００１ダルシから２０，０００ダルシの範囲であってもよい。場合によっては、前記プロパント柱の透過率はゼロである（ここでいう透過率がゼロとは透過率が実質的にゼロであることである）。

坑井における例示の水圧破砕処理を示す図である。 キャリヤ流体としてのナノシリカを用いるパルス注入式水圧破砕の方法のフローチャートである。 破砕流体の連続する流れにおけるナノシリカキャリヤ流体のパルス注入される量の間の経過時間を示す図である。 ナノシリカキャリヤ流体及び破砕流体のパルス注入される量の間の時間関係を示す図である。 ナノシリカキャリヤ流体及び破砕流体のパルス注入される量の間の時間関係を示す図である。 ナノシリカキャリヤ流体及び破砕流体のパルス注入される量の間の時間関係を示す図である。 亀裂内のプロパント柱の断面図である。

貯留層内のプロパントパック体の伝導性の喪失を回避するために、独立したプロパント柱を形成し、亀裂を支えてそれを開いた状態に保つ。独立したプロパント柱は、炭化水素類の流れに対して高い伝導性を持つ経路を提供する伝導性流路を形成する。ここで述べるように、安定したプロパント柱の生成は、破砕圧力で坑井を通って貯留層内へ入る、相応する破砕流体中のナノシリカキャリヤ流体のパルスを提供することによって、又は、ナノシリカキャリヤ流体のパルスと相応する破砕流体のパルスとを交互に提供することによって、なされる。ナノシリカキャリヤ流体は、典型的には、ナノシリカ粒子とプロパントとを含む。破砕流体（フラクチャリング流体）は、典型的には、プロパントを含まないクリーンな（混じりけのない）破砕流体である。ナノシリカキャリヤ流体は、処理中も閉止中も、プロパントの沈降がほとんど又はまったくない状態でプロパントを担持する。パルス注入パターンにより、ナノシリカキャリヤ流体は、独立したパターン形状の亀裂へプロパントを送り込み、亀裂内にプロパント柱を形成する。破砕流体を分断することにより、炭化水素類のために亀裂内に経路を提供するオープン流路が生成される。

図１は、坑井１２のための例示の破砕処理１０を示す。坑井１２は、例えば、従来の回収操作に加えてさらなる回収操作を行って、採取した炭化水素類を回収する、従来型ではない貯留層である、貯留層又は地層１４であり得る。この従来型ではない貯留層の例として、タイトガスサンド、ガス及びオイルシェール、炭層メタン、重油及びタールサンド、ガスハイドレート堆積、が挙げられる。実施によっては、地層１４には、炭化水素類（例えば、石油、ガス、又は両方）を含有する自然に亀裂の入った岩石の地下層が含まれる。例えば、地層１４は、亀裂の入った頁岩（シェール）を含むことがある。実施によっては、坑井１２は、有意な量の自然な亀裂が無い貯留層を含め、他の適切な種類の地層１４を横断することがある。

坑井１２は、坑井穴２０、ケーシング２２、及び坑井ヘッド２４を含むことができる。坑井穴２０は、垂直の穴であっても垂直でない穴であってもよい。ケーシング２２を、坑井１２内に、固めることができ、さもなければ適切に固定することができる。ケーシング２２内の地層１４の高さのところに穿孔２６を形成することにより、石油、ガス、及び副産物は坑井１２へ流入することができるとともに、地表２５へ向けて産生することができる。穿孔２６は、成形爆薬、穿孔銃などを用いて形成することができる。

破砕処理１０のために、坑井穴２０内にワークストリング３０を配設できる。ワークストリング３０は、コイル状の管、接続された管（区画された管）、あるいは他の適切な管であり得る。破砕ツール３２は、ワークストリング３０の端部に結合することができる。パッカ３６は、地層１４の上側及び下側で、坑井穴２０の環状部３８を封止することができる。パッカ３６は、機械式、流体膨張式、又は他の適切な方式のパッカであり得る。

１台又は複数台のポンプトラック（ポンプ車）４０を、地表２５でワークストリング３０に結合することができる。ポンプトラック４０は、流体５８をワークストリング３０の先に圧送して破砕処理１０を実行し、亀裂６０を生成する。流体５８は、パッド流体、破砕流体、ナノシリカキャリヤ流体、他の適切な流体、又はそれらの任意の組み合わせを含むことができる。ポンプトラック４０は、移動車両、スキッド（車輪止め）などの機器、又は他の適切な構造物を含むことができる。

１台又は複数台のインスツルメントトラック（観測車）４４も地表２５に設置することができる。インスツルメントトラック４４は、破砕制御システム４６及び破砕シミュレータ４７を含むことができる。破砕制御システム４６は、破砕処理１０を監視及び制御する。破砕制御システム４６は、ポンプトラック４０及び流体弁を制御して、破砕処理１０を停止及び開始するとともに、破砕処理１０のパッド段階、プロパント段階及び／又はフラッシュ段階を停止及び開始することができる。破砕制御システム４６は、破砕処理１０を監視及び制御するために地表及び／又は地下のインスツルメント類（機器・計器）と通信する。実施によっては、地表及び地下のインスツルメント類には、表面センサ４８、ダウンホールセンサ５０、及びポンプ制御装置５２を含むことができる。

貯留層又は地層１４内に亀裂６０を生成するために破砕制御システム４６によって与えられるエネルギー量は、地層内の貯留岩の特性だけでなく、岩石マトリックスに絡んだ有機物（例えば、ケロゲン７５）の影響も受けることがある。

図２は、ナノシリカキャリヤ流体を用いて貯留層を破砕するための工程２００における操作を示すフローチャートである。ナノシリカキャリヤ流体を活性化して、ナノシリカゲルを形成することができる。ナノシリカキャリヤ流体の７５°Ｆ（２４℃）での粘度は、通常、約５ｃＰ（約０．００５Ｐａ・ｓ）未満である。ナノシリカゲルは無機ゲル基系である。ナノシリカゲルの粘度は、７５°Ｆ（２４℃）から３５０°Ｆ（１７６．７℃）の温度範囲で、通常、少なくとも１０００ｃＰ（１Ｐａ・ｓ）以上である。ナノシリカ粒子は、ケイ酸アルカリ溶液が部分的に中和され、シリカ核の形成を導く多段工程で調製される。コロイダルシリカ粒子のサブユニットは、典型的には、約１ｎｍから約５ｎｍである。溶液のｐＨが７未満に低下した場合、又は、活性剤が添加された場合、ユニットは鎖状に融合しがちである。これらの生成物は、しばしば、シリカゲルと呼ばれる。ｐＨが中性から僅かにアルカリ側に保たれている場合、サブユニットは分離したまま徐々に成長する。これらの生成物は、しばしば、コロイドシリカ又はシリカゾルと呼ばれる。コロイダルシリカの表面からの水素イオンは、水溶液中で解離する傾向があり、高い負電荷を生成する。粒子サイズが非常に小さいため、コロイダルシリカの表面積は非常に大きい。

ステップ２０２では、坑井穴を介してパッド流体が貯留層へ提供されて貯留層に亀裂を生成する。適切なパッド流体としては、反応性流体、スリックウォータ、線状ゲル、架橋ゲル、粘弾性界面活性剤流体、及び発泡ゲルが挙げられる。「反応性流体」は、一般に、塩酸（例えば、１５％又は２８％）、ギ酸、及び酢酸などの酸性溶液を指す。「スリックウォータ」は、一般に、高速で注入される低粘度の流体を指し、低濃度のプロップ剤を用いて、狭く複雑な亀裂を生成する。「線形ゲル」は、一般に、グアー、誘導体化グアー、ＨＥＣ、又はキサンタンなどの多糖類の非架橋溶液を指し、その粘度は、表面温度で最高約１００ｃＰ（約０．１Ｐａ・ｓ）である。「架橋ゲル」は、一般に、ホウ素、ジルコニウム、チタン、アルミニウムなどの架橋剤で架橋されたグアー、誘導体化グアー、ＨＥＣ、キサンタンなどの多糖類を指し、その粘度は、表面温度で約１００ｃＰ（約０．１Ｐａ・ｓ）から約１０００ｃＰ（約１Ｐａ・ｓ）である。「粘弾性界面活性剤流体」は、一般に、ポリマ添加剤を用いずに破砕操作に適する粘度を生成する、ポリマを含まない流体を指す。「発泡ゲル」は、一般に、ＣＯ_２、Ｎ_２、又は、少量の液体中に分散される気体の任意の組み合わせなど、１つ以上の圧縮可能な気体成分を含む流体を指す。

ステップ２０４では、坑井穴を介して破砕流体が亀裂へ提供される。適切な破砕流体としては、反応性流体、スリックウォータ、線状ゲル、架橋ゲル、粘弾性界面活性剤流体、及び発泡ゲルが挙げられる。実施の形態によっては、破砕流体はクリーンな流体であり、プロパントを実質的に含まない。実施の形態によっては、破砕流体は、１ガロン当たり最大約１２ポンド（最大約１．４ｋｇ／Ｌ）を投入する追加されたプロパントを含む。

プロパントは、樹脂コーティングされたプロパントであっても、カプセル化された樹脂であっても、それらの組み合わせであってもよい。プロパントは、破砕処理中又は破砕処理後に、誘発された水圧亀裂を少なくとも部分的に開いた状態に保つ材料である。プロパントは、破砕流体又は別の流体などの流体を用いて貯留層中へ及び亀裂へ運ぶことができる。より高い粘度の流体は、プロパントをより効果的に運ぶことができ、特に、プロパントが大きいほど、流体内でプロパントをより効果的に懸濁状態に保つことにより、より効果的に亀裂内の望ましい位置に運ぶことができる。プロパントの例として、砂、砂利、ガラスビーズ、ポリマビーズ、クルミの外皮などの貝殻や種子からの粉砕物、並びに、人工材料（例えば、セラミックプロパント、ボーキサイト、テトラフルオロエチレン材料（例えば、デュポンから入手可能なテフロン（登録商標））、フルーツピット材料、加工木材、及び結合剤と細粒（例えば、アルミナ、ヒュームドシリカ、カーボンブラック、グラファイト、マイカ、二酸化チタン、メタケイ酸塩、ケイ酸カルシウム、カオリン、タルク、ジルコニア、ホウ素、フライアッシュ（飛散炭）、中空ガラス微小球、中実ガラス、又は、それらの混合物）とで調製される複合粒子）がある。実施の形態によっては、プロパントの平均粒子サイズが、粒子の最大寸法で、約０．００１ｍｍ〜約３ｍｍ、約０．１５ｍｍ〜約２．５ｍｍ、約０．２５ｍｍ〜約０．４３ｍｍ、約０．４３ｍｍ〜約０．８５ｍｍ、約０．８５ｍｍ〜約１．１８ｍｍ、約１．１８ｍｍ〜約１．７０ｍｍ、又は約１．７０ｍｍ〜約２．３６ｍｍであり得る。実施の形態によっては、プロパントの粒子サイズの分布は、１つ、２つ、３つ、又は４つの異なる平均粒子サイズのような複数の平均の付近に集まり得る。組成物又は混合物は、任意の適切な量のプロパント、例えば、約０．０００１重量％〜約９９．９重量％、約０．１重量％〜約８０重量％、又は約１０重量％〜約６０重量％、又は０．０００００００１重量％以下、又は約０．０００００１重量％、０．０００１、０．００１、０．０１、０．１、１、２、３、４、５、１０、１５、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、８５、９０、９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７、９８、９９、９９．９重量％、又は約９９．９９重量％以上、を含むことができる。

ステップ２０６では、坑井穴を介してナノシリカキャリヤ流体が亀裂へ提供される。ナノシリカキャリヤ流体には、活性剤及びナノシリカ粒子が含まれる。実施の形態によっては、ナノシリカキャリヤ流体には、プロパント、透過率増強剤、及び遅延剤、のうちの１つ以上が含まれる。

ナノシリカ粒子の平均粒子サイズは、典型的には、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの間である。ここで「粒子サイズ」とは、粒子の最大寸法を指す。ナノシリカ粒子は、コロイダルナノシリカの形態をとることもある。プロパントを投入することは、１ガロン当たり最大約１２ポンド（最大約１．４ｋｇ／Ｌ）を追加してもよい。

ナノシリカキャリヤ流体には活性剤が含まれる。適切な活性剤として、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、及び炭酸ナトリウムが挙げられる。活性剤は、典型的には、約０．１重量％〜約５０重量％の濃度で存在する。同等の濃度の場合、塩化ナトリウムは、通常、他の活性剤よりも短時間でより強いゲルを生成する。一例では、活性剤は、約１０重量％の塩化ナトリウムを含む水溶液である。ナノシリカの活性化は、通常、圧送後に時間の経過とともに発生する。例によっては、ナノシリカの活性化は、圧送後最長約２時間後に発生する。

実施の形態によっては、ナノシリカキャリヤ流体はプロパントを含む。追加できるプロパント量は、ナノシリカキャリヤ流体の１ガロン当たり最大約１２ポンド（ナノシリカキャリア流体１Ｌ当たり最大約１．４ｋｇ）である。

実施の形態によっては、ナノシリカキャリヤ流体は透過率増強剤を含む。透過率増強剤は、ナノシリカキャリヤ流体によって形成されたプロパント柱内に、伝導性を持つ空隙を生成する成分を含む。透過率増強剤は、貯留層内の周囲条件下で分解する成分、貯留層内に存在する水に溶解する水溶性成分、ナノシリカキャリヤ流体内の気体又は泡を放出する反応物質、及び植物油を含む。透過率増強剤の例として、ポリ乳酸（例えば、ビーズ、繊維、又は布の形態）、樹脂、塩、安息香酸、及びワックスビーズが挙げられる。適切なワックスビーズには、メッシュサイズ範囲が約２から約２００であるワックスビーズが含まれる。適切な塩には酸性塩が含まれる。酸性塩の例として、ポリ乳酸塩や、塩を生成するエステルが挙げられる。

実施の形態によっては、ナノシリカキャリヤ流体は、貯留層内のナノシリカゲルのゲル化及び硬化を加速する促進剤を含む。適切な促進剤の例として、ゲル化時間を数時間から数分に短縮するのに十分な濃度の、水酸化物、炭酸塩、重炭酸塩、アミン、又はそれらの任意な組み合わせの、ｐＨ緩衝流体が挙げられる。実施例によっては、ｐＨ緩衝流体の投入量は、ナノシリカキャリヤ流体の最大約１０体積％である。

実施の形態によっては、ナノシリカキャリヤ流体は、貯留層内のナノシリカゲルのゲル化及び硬化を遅延させる遅延剤を含む。適切な遅延剤の例は、グルタミン酸二酢酸（ＧＬＤＡ）、メチルグリシン二酢酸（ＭＧＤＡ）、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、Ｎ−（ヒドロキシエチル）−エチレンジアミン三酢酸（ＨＥＤＴＡ）などのキレート剤であって、最大１０体積％含まれる。遅延剤は、典型的には、ゲル化時間を数時間から数日に増やす。

実施の形態によっては、ナノシリカキャリヤ流体を亀裂へ提供するステップは、ある量の（所定の量の）ナノシリカキャリヤ流体を破砕流体の連続する流れにパルス注入（パルス状に注入）するステップを含む。ある量のナノシリカキャリヤ流体は、互いに離隔する個別の量であってよい。ある量のナノシリカキャリヤ流体を破砕流体の連続する流れにパルス注入するステップは、地表の破砕ポンプによって達成してもよい。実施の形態によっては、ナノシリカキャリヤ流体を亀裂へ提供するステップは、ある量のナノシリカキャリヤ流体とある量の破砕流体とを交互にパルス注入するステップを含む。これは、地表の破砕ポンプを用いて２つの流体間で切り替えることで達成できる。ある量のナノシリカキャリヤ流体は、ある量の破砕流体によって互いに離隔する個別の量であってよく、逆もまた同様である。

ある量のナノシリカキャリヤ流体をパルス注入するステップは、ナノシリカキャリヤ流体を、毎分１バレル（約１５９リットル）〜毎分１２０バレル（約１９０７９リットル）、又は、毎分５バレル（約７９５リットル）〜毎分５０バレル（約７９４９リットル）の流量で注入するステップを含んでもよい。ある量の破砕流体をパルス注入するステップは、破砕流体を毎分１バレル〜毎分１２０バレル、又は、毎分５バレル〜毎分５０バレルの流量で注入するステップを含んでもよい。ナノシリカキャリヤ流体と破砕流体との総体積又はパルス持続時間は、意図した処理に基づいて変えてもよい。ナノシリカキャリヤをパルス注入するある量とある量との間の経過時間は、２秒〜１０分、又は、１０秒〜１分であってもよい。

ステップ２０８では、坑井穴を介して追加の流体が亀裂へ任意に提供される。追加の流体を、（パルス注入でなく）連続して提供してもよい。実施の形態によっては、追加の流体は、ステップ２０６に関して説明したようなナノシリカキャリヤ流体である。実施の形態によっては、追加の流体は、ステップ２０４に関して説明したような破砕流体である。追加の流体は、１ガロン当たり最大約１２ポンド（最大約１．４ｋｇ／Ｌ）を投入する追加されたプロパントを含んでもよい。

ステップ２１０では、ナノシリカ粒子が活性剤で活性化され、プロパントを含むナノシリカゲルが生成される。活性剤と接触後の、時間と、ｐＨと、温度との関数として、ナノシリカ粒子を活性化する。活性化後の、貯留層温度でのナノシリカゲルの粘度は、典型的には、少なくとも１０００ｃＰ（約１Ｐａ・ｓ）以上である。典型的な貯留層の温度範囲は、約１５０°Ｆ（約６５．６℃）〜約４００°Ｆ（約２０４．４℃）である。ナノシリカゲルは、ハードプラグの形態であってもよい。

ステップ２１２では、坑井穴は、坑井圧力で閉ざされ、これによって、ナノシリカゲルは硬化し、亀裂内にプロパント柱を形成できる。プロパント柱は、流路を生成する破砕流体と、プロパント柱を形成するナノシリカキャリヤ流体と、を交互にパルス注入することによって形成される。

ナノシリカゲルの強度、つまりステップ２１２で形成されたプロパント柱の強度は、以下のうちの１つによって増加するかもしれない。それは、ナノシリカ粒子の濃度を増加する、活性剤の濃度を高める、ナノシリカキャリヤ流体を砂又は他のプロパントと組み合わせる、ナノシリカキャリヤ流体がさらされる温度を上げる、ナノシリカキャリヤ流体のｐＨを上げる、ナノシリカキャリヤ流体中の水の量を減らす、及び、ナノシリカキャリヤ流体の硬化時間をより長くする、のうちの１つである。ナノシリカキャリヤ流体中の活性剤の濃度を高めるなど、これらの要因の１つによってプロパント柱の強度を上げることにより、ナノシリカ前駆体流体からナノシリカゲルを形成するのに必要な時間を短くすることもできる。

図３Ａは、時間の関数として、破砕流体の連続する流れの中における、パルス注入したナノシリカキャリヤ流体の各量の間の経過時間を示す。波形３００は、ナノシリカキャリヤ流体のパルス注入された流れを表し、波形３１０は、破砕流体の連続する流れを表す。波形３００のナノシリカキャリヤ流体注入部分３０２は、ナノシリカキャリヤ流体を注入するポンプの作動（「ポンプ入」）に対応する。ナノシリカキャリヤ流体注入部分３０２の持続時間ｔ_ｇ１は、典型的には、２秒〜１０分、又は１０秒〜１分の範囲であり、１つ又は複数のナノシリカキャリヤ流体注入部分については同じとすることも、異なるようにすることもできる。ナノシリカキャリヤ流体注入部分３０２は、ナノシリカキャリヤ流体非注入部分３０４によって時間的に隔てられている。ナノシリカキャリヤ流体非注入部分３０４は、ナノシリカキャリヤ流体を注入するポンプの停止（「ポンプ切」）に対応する。ナノシリカキャリヤ流体非注入部分３０４の持続時間ｔ_ｇ０は、通常、２秒〜２０分の範囲である。

図３Ｂは、ナノシリカキャリヤ流体と破砕流体とをパルス注入した各量の間の経過時間を示す。波形３００は、パルス注入された破砕流体の流れを表し、波形３１０は、パルス注入されたナノシリカキャリヤ流体の流れを表す。波形３００のナノシリカキャリヤ流体注入部分３０２は、ナノシリカキャリヤ流体を注入するポンプの作動（「ポンプ入」）に対応する。ナノシリカキャリヤ流体注入部分３０２の持続時間ｔ_ｇ１は、典型的には、２秒〜１０分、又は１０秒〜１分の範囲であり、１つ又は複数のナノシリカキャリヤ流体注入部分については同じとすることも、異なるようにすることもできる。ナノシリカキャリヤ流体注入部分３０２は、ナノシリカキャリヤ流体非注入部分３０４によって時間的に隔てられている。ナノシリカキャリヤ流体非注入部分３０４は、ナノシリカキャリヤ流体を注入するポンプの停止（「ポンプ切」）に対応する。ナノシリカキャリヤ流体非注入部分３０４の持続時間ｔ_ｇ０は、典型的には、２秒〜２０分の範囲である。波形３１０の破砕流体注入部分３１２は、破砕流体を注入するポンプの作動（「ポンプ入」）に対応する。破砕流体注入部分３１２の持続時間ｔ_ｆ１は、典型的には、２秒〜１０分、又は１０秒〜１分の範囲であり、１つ又は複数の破砕流体注入部分については同じとすることも、異なるようにすることもできる。破砕流体注入部分３１２は、破砕流体非注入部分３１４によって時間的に隔てられている。破砕流体非注入部分３１４は、破砕流体を注入するポンプの停止（「ポンプ切」）に対応する。破砕流体非注入部分３１４の持続時間ｔ_ｆ０は、典型的には、２秒〜２０分の範囲である。ナノシリカキャリヤ流体注入部分３０２と破砕流体部分３１２とは、重なっていてもよく、さもなければ、持続時間ｔ_ｆｇだけ時間的に隔てられていてもよい。ナノシリカキャリヤ流体注入部分３０２と破砕流体部分３１２が重なる場合、ｔ_ｆｇは、典型的には、２秒〜２０分の範囲である。ナノシリカキャリヤ流体注入部分３０２と破砕流体部分３１２が時間的に隔てられている場合、ｔ_ｆｇは、典型的には、２秒〜２０分の範囲である。

図４は、プロパント柱４０２と、プロパント柱間の伝導性流路４０４と、を有する亀裂４００を示す。実施の形態によっては、ゲル形成及びナノシリカの硬化に必要な時間を短縮するために、促進剤がナノシリカキャリヤ流体に含まれる。実施の形態によっては、ゲル形成及びナノシリカの硬化に必要な時間を長くするために、遅延剤がナノシリカキャリヤ流体に含まれる。坑井は、典型的には、約２時間〜約２４時間の間、閉ざされる。

プロパント柱の圧縮強度は、貯留層のオーバーバーデン圧（上にある岩石等の材料の重量によって生ずる鉛直下向きの圧力であり、岩圧又は閉じ込め圧という場合もある）を超えることがある。実施の形態によっては、プロパント柱の圧縮強度は、約５００ｐｓｉ（約３．４５ＭＰａ）〜約２０，０００ｐｓｉ（約１３７．９ＭＰａ）の範囲である。実施の形態によっては、プロパント柱の透過率は、約０．０１ｍＤ（約０．０１×１０^−１５ｍ^２）〜約２０，０００Ｄ（約２．０×１０^−８ｍ^２）である。

ナノシリカゲルの形成におけるパラメータの変動の結果について、以下、説明する。

さまざまな濃度の活性剤がナノシリカのゲル化に及ぼす影響を調べるために、活性剤をナノシリカキャリヤ流体と１：１の比率で混合した。ナノシリカである、アクゾノーベル（ＡｋｚｏＮｏｂｅｌ）社のＣＥＭＢＩＮＤＥＲ１７には、４０重量％のＳｉＯ_２が水に分散している。ＣＥＭＢＩＮＤＥＲ１７のｐＨは９、粘度は室温にて６ｃＰ（約０．００６Ｐａ・ｓ）である。ナノ粒子の平均サイズは１７ｎｍである。下記のように、異なる活性剤濃度に対して比率１：１のＣＥＭＢＩＮＤＥＲ１７を用いた。

必要に応じて、酢酸を用いてｐＨを下げ、水酸化ナトリウムを用いてｐＨを上げた。１００％ケイ酸カリウムと１００％ケイ酸ナトリウム（濃縮塩）とでは、ゲルが形成されなかった。１００％炭酸ナトリウム（濃縮塩）の場合、１時間〜８時間で弱いゲルが形成された。１０％塩化カルシウムの場合、２０分〜１時間で弱いゲルが形成された。１０％塩化ナトリウムの場合、１秒〜５秒で強いゲルが形成された。１０％塩化ナトリウムの場合、重量比１：１の活性剤とナノシリカキャリヤ流体内のナノシリカ粒子とを混合して７５℃で一晩加熱することにより形成されたナノシリカゲルは、亀裂を開いた状態に保つのに十分な強度を有するハードプラグを生成した。

ナノシリカをゲル化する際のｐＨの影響を調べるために、活性化剤として２つの異なる塩（１０％塩化カリウム及び１０％塩化ナトリウム）を用いて、異なるサンプルを異なるｐＨ値で調製した。ナノシリカと活性剤との体積比は１：１であった。

結果は、ｐＨがゲル形成の要因であることを示した。ｐＨを変更しなかった場合、ナノシリカゲルはわずかにアルカリ性であった（１０％塩化ナトリウム及び１０％塩化カリウムで、それぞれｐＨ８．８及び８．７）。さらに、得られた塩は両方とも硬いゲルであった。高いｐＨ（ｐＨ＝１３）では、ゲルの約半分が水に変換され、残りの半分は強いゲルになることが分かった。したがって、例えば、ｐＨを高めることを有利に用いて、ナノシリカゲル中でプロパントを濃縮し、得られたプロパント柱の強度を高めることができる。酢酸の添加によってナノシリカキャリヤ流体のｐＨを酸性にした場合、得られたゲルは、ｐＨを変更しない場合に得られたゲルと何ら変わらないようであった。

ナノシリカゲルに対するさまざまなプロパントの効果を調べるために、ナノシリカゲルを砂と混合した。結果は、ナノシリカゲルが砂を懸濁させることができることを示した。ナノシリカゲルは容器のガラス壁に付着することにより沈降に抗った。４０重量％のナノシリカと６０重量％の破砕流体とを含む組成物に、１ガロン当たり４ポンド（約０．４７ｋｇ／Ｌ）のプロパントを添加した。ナノシリカゲルの存在下で破砕ゲルにプロパントを懸濁させた。時間の経過とともに、これらのゲルに亀裂が入り始め、ゲルに流路が形成された。対照的に、破砕ゲルを含むがナノシリカゲルを含まない制御では、プロパントの懸濁液は不完全であった。

プロパントとクリーンな破砕流体（無プロパント）とを含むナノシリカキャリヤ流体をパルス注入する効果を調べた。クリーンな破砕流体を調製した。４０重量％のナノシリカと６０重量％の破砕流体とを含むナノシリカキャリヤ流体であって、１ガロン当たり４ポンド（約０．４７ｋｇ／Ｌ）のプロパントを含むナノシリカキャリヤ流体を調製した。パルス注入手順（地表条件における、２秒〜２０分のパルス長と、２バレル／分（約３１８リットル／分）〜１２０バレル／分（約１９０７８リットル／分）の流量）によって、懸濁ゲルをもたらした。破砕流体ブレーカのガロンあたり１０ポンド（約１．２ｋｇ／Ｌ）のプロパントを用いて実験を繰り返した。破砕流体とナノシリカキャリヤ流体とを別々にメスシリンダに注入し、７５℃で一晩加熱した。この実験では、ナノシリカゲルが、プロパントの懸濁と流路の形成とを、時間の経過とともに促すことが明示された。

本発明をその詳細な説明とともに述べたがが、先の説明は、付帯する特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲の例示であって限定を意図するものではないことを理解すべきである。他の態様、利点、及び改変は、以下の特許請求の範囲に含まれる。

１０ 破砕処理
１２ 坑井
１４ 貯留層又は地層
２０ 坑井穴
５８ 流体
６０、４００ 亀裂
４０２ プロパント柱

Claims (25)

1. 貯留層を破砕する方法であって：
   坑井内の坑井穴を介して、パッド流体を前記貯留層へ提供して前記貯留層に亀裂を生成するステップと；
   前記坑井穴を介して、破砕流体を前記亀裂へ提供するステップと；
   前記坑井穴を介して、ナノシリカ粒子を含むナノシリカキャリヤ流体を前記亀裂へ提供するステップであって、前記ナノシリカキャリヤ流体を、前記破砕流体の連続する流れにパルス注入するステップ、又は、前記ナノシリカキャリヤ流体と前記破砕流体とを交互にパルス注入するステップを備え、前記ナノシリカキャリヤ流体をパルス注入する間の経過時間は２秒から１０分である、ナノシリカキャリヤ流体を前記亀裂へ提供するステップと；
   活性剤を用いて前記ナノシリカ粒子を活性化してナノシリカゲルを生成するステップと；
   前記坑井穴において坑井の圧力で閉じることによって前記ナノシリカゲルが前記亀裂内にプロパント柱を形成するステップと；を備える、
   方法。
2. 前記パッド流体は、反応性流体、スリックウォータ、線状ゲル、架橋ゲル、粘弾性界面活性剤流体、及び発泡ゲル、のうちの少なくとも１つを含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記破砕流体は、反応性流体、スリックウォータ、線状ゲル、架橋ゲル、粘弾性界面活性剤流体、及び発泡ゲル、のうちの少なくとも１つを含む、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記破砕流体は、１ガロン当たり最大１２ポンド（最大約１．４ｋｇ／Ｌ）の追加されたプロパントを含む、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記破砕流体はプロパントを含まない、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記ナノシリカキャリヤ流体は、１ガロン当たり最大１２ポンド（最大約１．４ｋｇ／Ｌ）の追加されたプロパントを含む、
   請求項１に記載の方法。
7. 前記ナノシリカキャリヤ流体は、コロイダルナノシリカ粒子を含む、
   請求項１に記載の方法。
8. 前記ナノシリカゲルの粘度は、１５０°Ｆ（約６５．６℃）から４００°Ｆ（約２０４．４℃）の範囲の貯留層温度で少なくとも１０００ｃＰ（１Ｐａ・ｓ）である、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記ナノシリカキャリヤ流体は、活性剤、透過率増強剤、促進剤、及び遅延剤、のうちの少なくとも１つを含む、
   請求項１に記載の方法。
10. 前記透過率増強剤は、ポリ乳酸を含む、
    請求項９に記載の方法。
11. 前記ポリ乳酸は、ビーズ、繊維、又は布の形態である、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記透過率増強剤は、樹脂、塩、安息香酸、及びワックスビーズ、のうちの少なくとも１つを含む、
    請求項１０に記載の方法。
13. 前記塩は、酸性塩を含む、
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記ナノシリカキャリヤ流体をパルス注入する間の前記経過時間は、１０秒から１分である、
    請求項１に記載の方法。
15. 前記ナノシリカキャリヤ流体をパルス注入するステップは、前記ナノシリカキャリヤ流体の個別の量を前記破砕流体の前記連続する流れにパルス注入するステップ、又は、前記ナノシリカキャリヤ流体の個別の量と前記破砕流体の個別の量とを交互にパルス注入するステップを備える、
    請求項１に記載の方法。
16. 前記ナノシリカキャリヤ流体の個別の量は、互いに間隔が離隔する、
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記ナノシリカキャリヤ流体をパルス注入するステップは、毎分１バレル（約１５９リットル）から毎分１２０バレル（約１９０７９リットル）の流量で前記ナノシリカキャリヤ流体を注入するステップを備える、
    請求項１に記載の方法。
18. 前記ナノシリカキャリヤ流体をパルス注入するステップは、毎分５バレル（約７９５リットル）から毎分５０バレル（約７９４９リットル）の流量で前記ナノシリカキャリヤ流体を注入するステップを備える、
    請求項１７に記載の方法。
19. 前記破砕流体と前記ナノシリカキャリヤ流体とを前記亀裂へ提供するステップの後、追加の流体の連続する流れを前記亀裂へ提供するステップを更に備える、
    請求項１に記載の方法。
20. 前記ナノシリカキャリヤ流体は第１のナノシリカキャリヤ流体であり、前記追加の流体は第２のナノシリカキャリヤ流体であり、前記第２のナノシリカキャリヤ流体は１ガロンあたり最大１２ポンド（最大約１．４ｋｇ／Ｌ）の追加されたプロパントを含む、
    請求項１９に記載の方法。
21. 前記破砕流体は第１の破砕流体であり、前記追加の流体は第２の破砕流体であり、前記第２の破砕流体は１ガロンあたり最大１２ポンド（最大約１．４ｋｇ／Ｌ）の追加されたプロパントを含む、
    請求項１９に記載の方法。
22. 前記プロパント柱の圧縮強度は、前記貯留層のオーバーバーデン圧を超える、
    請求項１に記載の方法。
23. 前記プロパント柱の前記圧縮強度は、１平方インチあたり５００ポンド（約３．４５ＭＰａ）から１平方インチあたり２０，０００ポンド（約１３７．９ＭＰａ）の範囲である、
    請求項２２に記載の方法。
24. 前記プロパント柱の透過率は、０．００００１ダルシから２０，０００ダルシの範囲である、
    請求項１に記載の方法。
25. 前記プロパント柱の透過率はゼロである、
    請求項１に記載の方法。
    

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