Расклинивающий агент, способ его получения и применение

013554 Область техники Настоящее изобретение в целом относится к воздействию на пористую среду, которое может включать перемещение твердых частиц или текучих сред (в нефтегазовой промышленности именуемых"флюидами"), жидкостей или газов, посредством индуцированного магнитострикцией нагнетательного действия. Более конкретно, настоящее изобретение может быть направлено на контролируемое применение магнитострикционного вещества, помещенного внутрь геологического пласта, с тем, чтобы избирательно преобразовывать закладку пласта, обеспечивая движение текучих сред "флюидов". Предшествующий уровень техники Пористые геологические породы, как правило, содержат матричный материал, такой как песчаник,песок или известняк. Частицы матричного материала имеют тенденцию к расположению вплотную друг к другу. Однако несмотря на то что частицы располагаются вплотную друг к другу, тем не менее между частицами могут остаться пустоты, или внутрипоровый объем. В зависимости от степени уплотнения эти пустоты формируют пористость и проницаемость пористой породы. Другие факторы влияют на максимальную величину внутрипорового объема и его соответствующей пористости и проницаемости. Частицы матричной породы, слегка сжатые, могут лишь незначительно контактировать друг с другом. Как правило, это приводит к образованию пустот большего объема и имеющих большую взаимосвязь друг с другом. Альтернативно, частицы матричной породы могут быть сжаты так, что окажутся слегка вдавленными друг в друга, что значительно уменьшит размер и взаимосвязь между пустотами. Кроме того,через пустоты могут протекать растворы, оставляя отложения внутри пор. Обычно это называют цементацией. Такие отложения проявляют тенденцию к уменьшению внутрипорового объема и взаимосвязи между этими пустотами, снижая пористость и проницаемость. Одним из способов увеличения проницаемости или также и пористости пористой породы является искусственное расширение пространства между частицами матричной породы. Это может быть осуществлено различными способами. Один из способов заключается во введении инородных частиц или включений, которые будут раскрывать пространство между исходными частицами. Эти инородные частицы имеют такую форму, которая будет способствовать размещению. На породу воздействуют давлением,инициируя расширение матричной породы. Инородные гранулы продавливаются в существующую матричную породу, после чего приложенное давление уменьшают. Матричная порода возвращается в исходное состояние, фиксируя инородные частицы в матричной породе. Приложенные давления также могут использоваться для инициирования трещин в самой матричной породе, при этом инородные гранулы могут применяться для того, чтобы сохранять трещины открытыми после уменьшения приложенного давления. Такие способы искусственного изменения пористости и проницаемости пористой породы являются очень результативными в нефтедобывающей промышленности. Однако суммарная добыча нефти зависит еще и от способности выводить углеводороды из пористой породы и перемещать их в ствол скважины. Ряд причин приводит к сокращению добычи углеводородов еще до извлечения всех углеводородов из пористой породы. Может произойти падение пластового давления, либо приспособления для выкачивания с поверхности могут перестать соответствовать требованиям, что приведет к снижению добычи. Результатом избыточного понижения может стать вода, добываемая вместо углеводородов, а возможно и образование водовода, который заблокирует подъем углеводородов на поверхность через скважину. Избыточное понижение также может привести к обвалу матричной породы, в результате чего извлекаться будет сама матричная порода. Например, может происходить вынос песка, что приведет к снижению добычи углеводородов и повреждению скважины. Сущность изобретения Предлагается новый способ перемещения твердых или текучих сред через пористую среду. В качестве иллюстрации использован геологический пласт, содержащий углеводородные флюиды, а именно нефтяной пласт. Однако легко видеть, что с помощью данного технического оснащения можно перемещать и другие твердые либо текучие среды, такие как вода или газы. Кроме того, пористая среда не обязательно может быть геологическим образованием или пластом. Для создания магнитострикционного нагнетателя согласно настоящему изобретению в изготовленную или природную пористую среду может быть внедрен магнитный расклинивающий агент, называемый в данной работе также "магнитный пропант" или "магнитопропант". Согласно настоящему изобретению магнитопропант не обязательно должен быть твердым материалом. Могут использоваться магнитострикционные текучие среды или гели. Настоящее изобретение представляет собой материал и способ, позволяющие создать нагнетательное действие в пласте (in situ) внутри самой матричной породы. Это нагнетательное действие может использоваться для перемещения материалов, а именно флюидов, через матричную породу к сборному пункту, как правило стволу скважины. Это нагнетательное действие также может применяться в качестве источника вибрации путем использования движения самой матричной породы в качестве излучателя колебательной, как правило звуковой, энергии. Такую колебательную энергию можно применять для различных целей.-1 013554 В настоящем изобретении может использоваться любой магнитострикционный материал, хотя для иллюстрации настоящего изобретения использован конкретный материал, известный как Терфенол D(Terfenol-D), сплав железа, тербия и диспрозия, в различных вариациях его состава. Магнитострикционные материалы изменяют по меньшей мере одну из размерных характеристик в присутствии или в отсутствие магнитного поля. Терфенол D в присутствии магнитного поля оказывает значительное механическое воздействие на единицу площади в определенном осевом направлении. Столь значительное воздействие на единицу площади делает Терфенол D особенно привлекательным в плане требуемого нагнетательного действия настоящего изобретения. Современная отраслевая практика производства работ использует оба термина: и "магниторестриктивный", и "магнитострикционный" для обозначения, по существу, одного и того же. Термин "магнитострикционный" использован в данном контексте для удобства. Для защиты магнитострикционного материала от разрушения требуется покрытие или инкапсулирование вещества. Кроме того, покрытие может использоваться для обеспечения необходимого типа поверхностного натяжения и формы отдельных частиц. Покрытие может быть отверждено таким образом,чтобы достигалась точная ориентация магнитострикционного материала относительно формы покрытия. Получающийся в результате материал, с покрытием или без него, может быть назван "магнитопропантом" (магнитным расклинивающим агентом). Краткое описание чертежей Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны, если обратиться к следующему подробному описанию и прилагаемым чертежам, на которых: на фиг. 1 дано схематическое изображение поперечного сечения, иллюстрирующее пласт, содержащий пористую породу, пробуравленную стволом скважины; на фиг. 2 представлено схематическое изображение поперечного сечения, иллюстрирующее место расположения магнитопропанта в контексте обычного применения; и на фиг. 3 показано схематическое изображение поперечного сечения, иллюстрирующее установленный в надлежащем месте магнитопропант, приведенный в действие магнитным источником. Обозначения позиций на фигурах Следующие элементы пронумерованы, как описано на фигурах и в подробном описании изобретения: 1 - геологическая порода; 2 - ствол скважины; 3 - материал матричной породы; 4 - магнитопропант; 5 - магнитный источник; 6 - пласт. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Магнитопропант. Для изготовления магнитного расклинивающего агента (магнитопропанта) выбирают магнитострикционное вещество требуемого размера и, необязательно, наносят покрытие. Покрытие, инкапсулирующее вещество, может служить для защиты магнитопропанта или для получения улучшенных характеристик расклинивающего агента (пропанта). В настоящее время в промышленности используют целый ряд покрытий. Примеры включают политетрафторэтилен, такой как тефлон (Teflon), силикон, гель, смолу, фенольную смолу, предварительно отвержденную фенольную смолу, отверждаемую фенольную смолу, жидкую термореактивную смолу, эпоксидную смолу, фурановую смолу и фуранфенольную смолу. Другие примеры включают высшую ортосмолу, гексаметилентетрамин, силановый усилитель адгезии,силиконовую смазку, увлажняющий агент и поверхностно-активное вещество. Один из способов изготовления таких покрытых магнитострикционных частиц состоит, по существу, из смешения неотвержденной термореактивной смолы с магнитострикционным корпускулярным материалом (термином "корпускулярный" в нефтяной промышленности называют материал в форме частиц, прим. перев.), предварительно нагретым до температуры в интервале приблизительно от 225 до 450F. Примеры такой смолы включают фуран, комбинацию фенольной смолы и фурановой смолы либо терполимер (тройной сополимер) фенола, фурфурилового спирта и формальдегида. Другие примеры включают новолачный бисфенолальдегидный полимер, новолачный полимер, резольный полимер, а также их смеси. Кроме того, смола может быть отвержденной в течение некоторого времени при повышенной температуре, например выше приблизительно 200F. Магнитострикционное вещество также может быть смешано с другим корпускулярным материалом(материалом в форме частиц), таким как песок, боксит, циркон, керамические частицы, стеклянная дробь и их смеси. Этот другой корпускулярный материал содействует размещению и расклинивающему действию.-2 013554 Инкапсулирующее вещество, кроме того, может использоваться для образования формы магнитопропанта. Согласно одному из примеров инкапсулирующее вещество может иметь такую форму, чтобы в основном ориентировать магнитострикционное вещество в вертикальном направлении при погружении в текучую среду. Некоторые покрытия могут воздействовать на способность магнитострикционного вещества изменять пространственную форму. В этом отношении покрытия, отчасти сохраняющие гибкие характеристики, могут быть предпочтительнее покрытий, крошащихся в напряженном состоянии, вызванном изменением формы магнитострикционного материала. Покрытие также может включать различные дополнительные материалы, такие как волокна, для улучшения поверхностных характеристик магнитопропанта. Эти волокна к тому же могут выступать за пределы покрытия. Примеры таких волокон включают: измельченное стекловолокно, измельченные керамические волокна, измельченные углеродные волокна, природные волокна и синтетические волокна,имеющие точку размягчения, по меньшей мере, около 200F. Согласно по меньшей мере одному из вариантов осуществления покрытие может включать приблизительно от 0,1 до 15% волокнистого материала, исходя из массы корпускулярного субстрата (т.е. субстрата в форме частиц). Согласно другому варианту осуществления покрытие может включать приблизительно от 0,1 до 3% волокнистого материала, исходя из массы корпускулярного субстрата. Согласно по меньшей мере одному из вариантов осуществления смола может присутствовать в количестве приблизительно от 0,1 до 10 мас.%, исходя из массы субстрата. Согласно другому варианту осуществления смола может присутствовать в количестве приблизительно от 0,4 до 6 мас.%, исходя из массы субстрата. Согласно по меньшей мере одному из вариантов осуществления волокнистый материал может иметь длину волокна приблизительно от 6 до 3200 мкм и величину отношения длины к поперечному размеру приблизительно от 5 до 175. Волокнистый материал может иметь круглое, овальное или прямоугольное поперечное сечение перпендикулярно продольной оси волокнистого материала. Размер магнитопропанта может варьироваться в зависимости от пористой среды и конкретного применения. Например, для углеводородных пористых сред размер фракций магнитострикционного вещества может быть в пределах от 10 до 100 меш. Согласно другому примеру, используя значения, измеренные согласно стандарту США USA Standard Testing, магнитострикционное вещество может иметь размеры частиц в пределах от 8 до 100. Способ применения Как показано на фиг. 1, в общем случае давлением на геологическую пористую породу 1 воздействуют через ствол скважины 2. Геологическая пористая порода содержит матричную породу 3. Геологическую пористую породу 1 может окружать пласт 6. Применяют давление, достаточное для того, чтобы обеспечить поток флюидов в пористую породу 1. Это давление может расширять или даже разрушать матричную породу 3. Как показано на фиг. 2, магнитопропант 4 вводят в пористую породу 1. Магнитопропант может добавляться вместе с другими материалами, такими как гуаровый гель. Сразу после введения магнитопропанта 4 в пористую породу 1 давление, приложенное к пористой породе 1, ослабляют. Магнитопропант 4 при этом оказывается помещенным внутрь матричной породы 3. Как показано на фиг. 3, магнитный источник 5 вводят в ствол скважины 2 или иным способом размещают вблизи введенного магнитопропанта 4. Магнитопропант 4, находящийся внутри матричной породы 3, далее может использоваться в качестве магнитострикционного нагнетателя либо другим способом активизировать геологическую пористую породу 1 или окружающий пласт 6. Альтернативным способом расположения магнитопропанта в матричной породе является приложение магнитного поля для ориентирования магнитопропанта перед ослаблением введенного давления. Магнитное поле способствует ориентированию магнитопропанта в требуемом направлении. Еще один альтернативный способ заключается в приложении магнитного поля такой напряженности, при которой магнитопропант будет изменять свою пространственную форму. Изменение формы будет происходить до определенного расстояния от источника магнитного поля. Чем выше напряженность магнитного поля, тем большее расстояние будет достигаться за счет изменения формы. Давление, приложенное к пористой породе, затем ослабляют, между тем как магнитопропант остается в своей измененной форме. Магнитопропант вводится в матричную породу. Далее магнитное поле убирают, дополнительно закрепляя магнитопропант в матричной породе. Величины давления могут быть измерены до, в процессе и после удаления магнитного поля, отображая эффективность введения магнитопропанта в пористую породу. Процесс. Магнитострикционный нагнетатель активизируют при помощи магнитного поля с напряженностью,достаточной для изменения формы или ориентации магнитопропанта либо лежащего в его основе магнитострикционного вещества. Свыше определенного расстояния от магнитного источника напряженность магнитного поля будет слишком низкой, чтобы активизировать способность магнитопропанта изменять форму. Это расстояние можно уменьшить с помощью уменьшения напряженности магнитного поля. Как правило, сначала прилагают магнитное поле при некотором максимальном значении напряженности,-3 013554 затем уменьшая напряженность с течением времени. Действие заключается в том, что в результате активизации изменяющего форму магнитопропанта происходит раскрытие матричной породы вдали от магнитного источника. С уменьшением напряженности магнитного поля удаленный магнитопропант больше уже не будет активизированным. Изменение его формы прекратится, в результате чего снизится напряжение матричной породы (иными словами, она будет релаксировать, т.е. переходить в равновесное состояние). Флюиды под давлением будут перемещаться по направлению к частям матричной породы, еще остающимся в открытом положении благодаря магнитопропанту. По мере уменьшения напряженности магнитного поля матричная порода будет продолжать релаксировать в направлении источника магнитного поля. Как правило, источник магнитного поля располагается в стволе скважины. Любой ствол скважины на пути такого распространяющегося поля или расположенный в или вблизи источника магнитного поля будет с большей легкостью принимать распространяющиеся флюиды, при этом ствол скважины обычно имеет значительную пористость, проницаемость и значительное снижение давления. Каждое нарастание и спад напряженности магнитного поля может быть названо циклом нагнетателя. Для создания нагнетательного действия нарастание и снижение напряженности магнитного поля,цикл нагнетателя, может быть повторяющимся. Это нагнетательное действие может использоваться в качестве источника колебательного действия,использующего движение самой матричной породы в качестве излучателя колебательной энергии. Форма нагнетательного цикла, а также продолжительность полного нагнетательного цикла и частота повторения нагнетательных циклов могут быть отрегулированы с целью оптимизации требуемого нагнетательного действия. В общем случае предпочтительной формой нагнетательного цикла является такая, при которой напряженность магнитного поля быстро нарастает до максимального значения, обеспечивая расширенное пространство или площадь пониженного относительного давления в матричной породе для заполнения флюидами. Далее напряженность магнитного поля постепенно падает, уменьшая напряжение матричной породы сначала в самых удаленных областях, затем по направлению к самым внутренним областям, проталкивая флюиды по направлению к самым внутренним областям. Выталкиваемые флюиды скапливаются в стволах скважин, расположенных в самых внутренних областях. Некоторые магнитострикционные материалы, такие как терфенол D, могут изменять форму при низких или относительно высоких частотах вплоть до 40000 раз в секунду или больше. Это либо позволяет нагнетательному циклу работать при относительно высоких частотах, либо делает возможным наложение относительно высоких частот на другой нагнетательный цикл с относительно низкой частотой. Например, нагнетательный цикл может длиться от 5 с до нескольких минут. Проникновение магнитного поля может происходить на достаточно большое расстояние вследствие относительно низкой частоты необходимого источника магнитного поля. На такой нагнетательный цикл может быть наложено переменное магнитное поле, скажем, 8000 циклов в секунду. Такое переменное магнитное поле может индуцировать колебание в магнитопропанте. Одно из применений таких колебаний заключается в уменьшении поверхностного натяжения внутри матричной породы, дающем возможность большего потока флюидов. Приложенное переменное магнитное поле, кроме того, может иметь волну определенной формы, что обеспечивает флюидам преимущественное направление движения. Многие магнитострикционные материалы, включая терфенол D, могут быть изготовлены с незначительными изменениями состава или способа изготовления для придания им различных магнитострикционных характеристик. Одной из таких характеристик является частота свободных колебаний, частота изменения приложенного магнитного поля, которая продуцирует наибольшее магнитострикционное действие. Например, частота свободных колебаний терфенола D может незначительно варьироваться в зависимости от его физических размеров и его состава. Эти различные магнитострикционные свойства могут быть использованы для создания ряда магнитопропантов, имеющих несколько различающуюся магнитострикционную реакцию. Регулируя местоположение, которое каждый из множества различных магнитопропантов занимает в пористой среде, можно получить дополнительное регулирование нагнетательного действия. В этом отношении варьирование частоты изменения приложенного магнитного поля будет вызывать изменение степени чувствительности со стороны различных магнитопропантов. Промышленная применимость Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности активизации пористой среды в пласте, в частности в геологическом пласте, представляющем собой геологическую углеводородную пористую породу. Еще одной задачей настоящего изобретения является использование активизации пористой среды для перемещения флюидов (текучих сред), таких как углеводороды, из пористой среды к приемному резервуару, такому как буровая скважина. Преимуществом настоящего изобретения является активизация самой пористой среды непосредственно, а не опосредованно, как, например, при помощи акустической стимуляции. Преимуществом настоящего изобретения является возможность активизации пористой среды при очень низких субакустических частотах. Хотя приведенное выше описание содержит много подробностей, их не следует интерпретировать как ограничивающие объем изобретения, а лишь как иллюстрирующие некоторые в данный момент-4 013554 предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Специалистам в данной области будет понятно, что способ и устройство, описанные здесь, могут применяться на практике, включая, но не ограничиваясь, описанные варианты осуществления. Кроме того, следует понимать, что изобретение не должно быть излишне ограничено изложенным выше материалом, приведенным в иллюстративных целях. Для специалистов будут очевидными различные модификации и варианты без отклонения от истинного объема изобретения, как определено в нижеследующей формуле изобретения. Поскольку проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, будет принято во внимание, что у специалистов в данной области появятся различные изменения и модификации,при этом предполагается в прилагаемой формуле изобретения охватить такие изменения и модификации,которые подпадают под истинную сущность и объем настоящего изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Расклинивающий агент, используемый для внедрения в пористое вещество, отличающийся тем,что он представляет собой магнитный пропант, включающий магнитострикционное вещество и инкапсулирующее вещество. 2. Расклинивающий агент по п.1, отличающийся тем, что инкапсулирующее вещество включает вещество, выбранное из группы, включающей политетрафторэтилен, силикон, гель, смолу, фенольную смолу, предварительно отвержденную фенольную смолу, отверждаемую фенольную смолу, жидкую термореактивную смолу, эпоксидную смолу, фурановую смолу, фуранфенольную смолу. 3. Расклинивающий агент по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает материал в виде частиц, выбранный из группы, состоящей из песка, боксита, циркона, керамических частиц, стеклянной дроби и их смесей. 4. Частица расклинивающего агента, используемого для внедрения в пористое вещество, как он определен в любом из пп.1-3, отличающаяся тем, что магнитострикционное вещество представляет собой магнитострикционный субстрат в виде частицы, а инкапсулирующее вещество представляет собой покрытие, включающее смолу и волокнистый материал, причем волокнистый материал включен в покрытие так, что он распределен по всему покрытию. 5. Частица расклинивающего агента по п.4, отличающаяся тем, что волокнистый материал выбран из группы, состоящей из измельченного стекловолокна, измельченных керамических волокон, измельченных углеродных волокон, природных волокон и синтетических волокон, имеющих точку размягчения по меньшей мере около 200F. 6. Расклинивающий агент, используемый для внедрения в пористое вещество, в частности для разрыва подземных пластов, отличающийся тем, что он включает магнитострикционное вещество, состоящее из сплава, дополнительно содержащего железо, тербий и диспрозий. 7. Способ изготовления расклинивающего агента по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что смешивают неотвержденную термореактивную смолу с магнитострикционным материалом в виде частиц,устойчивых к расплавлению при температуре ниже приблизительно 450F, и предварительно нагретым до температуры в интервале от 225 до 450F, при этом смолу выбирают из группы, состоящей из фурана,комбинации фенольной смолы и фурановой смолы или тройного сополимера фенола, фурфурилового спирта и формальдегида. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительно выдерживают смесь магнитострикционного материала в виде частиц со смолой при температуре выше 200F в течение периода времени, достаточного для отверждения смолы. 9. Применение расклинивающего агента, изготовленного способом по п.7 или 8, для разрыва подземных пластов. 10. Способ обработки гидравлически образованной трещины в подземном пласте, окружающем ствол скважины, заключающийся в том, что в трещину вводят расклинивающий агент по любому из пп.1-3 или 6 или расклинивающий агент, состоящий из частиц по любому из пп.4 или 5. 11. Применение расклинивающего агента по любому из пп.1-3 или 6 или расклинивающего агента,состоящего из частиц по любому из пп.4 или 5, для разрыва подземных пластов. 12. Расклинивающий агент по любому из пп.1-3 или 6, отличающийся тем, что он предназначен для внедрения в пористое вещество, представляющее собой пласт материала или геологическую пористую породу. 13. Расклинивающий агент по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он состоит из частиц по любому из пп.4 или 5 и предназначен для введения в пористое вещество, представляющее собой пласт материала или геологическую пористую породу. 14. Способ создания магнитострикционного нагнетателя в пористой среде, заключающийся в том,что прикладывают к пористой среде давление, достаточное для раскрытия пористой среды; размещают в пористой среде расклинивающий агент, включающий магнитострикционное вещество; ослабляют приложенное давление для релаксации пористой среды и-5 013554 размещают магнитный источник вблизи расклинивающего агента, размещенного в пористой среде. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что дополнительно прикладывают магнитное поле относительно высокой напряженности, посредством чего находящееся на расстоянии магнитострикционное вещество, по меньшей мере, частично внедряется в пористую среду. 16. Способ создания магнитострикционного нагнетателя в пористой среде, заключающийся в том,что прикладывают к пористой среде давление, достаточное для раскрытия пористой среды; размещают в пористой среде расклинивающий агент, включающий магнитострикционное вещество; размещают магнитный источник вблизи расклинивающего агента, размещенного в пористой среде; ориентируют расклинивающий агент, включающий магнитострикционное вещество, посредством приложения магнитного поля к пористой среде и ослабляют приложенное давление для релаксации пористой среды. 17. Способ по любому из пп.14-16, отличающийся тем, что пористая среда представляет собой пласт материала. 18. Способ по любому из пп.14-16, отличающийся тем, что пористая среда представляет собой геологическую пористую породу. 19. Способ перекачивания с помощью магнитострикционного нагнетателя, заключающийся в том,что прикладывают магнитное поле к магнитному расклинивающему агенту, включающему магнитострикционное вещество, размещенному в пористой среде, и ослабляют указанное магнитное поле. 20. Способ по п.19, отличающийся тем, что прикладывают магнитное поле, изменяющееся путем повторяющегося нарастания и снижения напряженности магнитного поля; и периодически изменяют частоту переменного магнитного поля, в результате чего осуществляют определение скорости колебания, оптимальной для производительности. 21. Способ по п.20, отличающийся тем, что изменение магнитного поля путем повторяющегося нарастания и снижения напряженности магнитного поля включает повторяющиеся циклы быстрого нарастания напряженности магнитного поля до максимального значения и последующего постепенного снижения напряженности магнитного поля. 22. Способ по любому из пп.19-21, отличающийся тем, что пористая среда представляет собой пласт материала. 23. Способ по любому из пп.19-21, отличающийся тем, что пористая среда представляет собой геологическую пористую породу. 24. Магнитострикционный нагнетатель для перемещения твердых или текучих сред, жидкостей или газов через пористую среду, включающий магнитострикционное вещество, предназначенное для размещения в пористой среде; и устройство для создания изменяемого магнитного поля, предназначенное для воздействия на указанное магнитострикционное вещество для приведения в движение указанных твердых или текучих сред,жидкостей или газов в пористой среде.