專利名稱：支撐劑及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油氣方向，尤其涉及供在通過液力壓裂使油氣藏增產(chǎn)的方 法中使用的支撐劑。
背景技術(shù)：
液力壓裂的原理是在井眼區(qū)域的儲層中產(chǎn)生裂縫，以^f更增加井眼附近 的滲透性并提高石油產(chǎn)量。利用特殊的流體性質(zhì)和泵送壓力性質(zhì)來產(chǎn)生這 些裂縫。然而， 一旦泵送結(jié)束、壓力減小、或者用于液力壓裂的液體流回 或除去，則這些裂縫的壁往往會由于儲層壓力而閉合。為了防止這種閉合， 通常是將稱之為支撐劑的粒料加到壓裂液中。支撐劑與壓裂液一起輸送到
裂縫中。理想的情況是在壓力減小之后支撐劑保留在裂縫中，以便用;Wfe 方法防止儲層的閉合。因此支撐劑必需具有特殊的性能組，如合適的強(qiáng) 度，以便承受長期載荷；多孔性；并且必需具有特定的尺寸。支撐劑必須 足夠堅(jiān)固以便抵抗儲層壓力，并且重量足夠輕以便在沉降之前輸送到裂縫 中。因此，盡管大多數(shù)材料具有高耐久性和高密度，但最佳支撐劑應(yīng)具有 高強(qiáng)度和低密度。
目前，在研究支撐劑技術(shù)和化學(xué)組成方面的推進(jìn)力集中在降低支撐劑 的密度上，某些U趨勢可以等同于研究把高強(qiáng)度和低密度結(jié)合起來的新 材料。 一個領(lǐng)域是研究用于制造支撐劑的低密度材料例如， 一種建議是 利用聚合物粒料，尤其是基于聚苯乙烯二乙烯基苯的顆粒。具有高耐久性 能的低密度鋁礬土也已研究出來了。另一個領(lǐng)域是使用復(fù)合材料。在美國 專利No. 4,923,714中所i兌明的一種建i義是4吏用帶涂層的陶乾支撐劑，所述 涂層用薄的聚合物膜制成，所述聚合物薄膜防止流體滲入支撐劑，從而減小支撐劑的有效密度。在美國專利No. 6,632,527中所述的另一種建議利用 一種基于陶瓷顆粒和聚合物樹脂的混合物的復(fù)合材料。在美國專利No. 6,528,157中所說明的另一個建議涉及帶涂層的顆粒，所述涂層由樹脂和含 纖維的材料制造。在美國專利No. 4,547,468中說明了一種空心支撐劑。所 有上述參考文獻(xiàn)都引用在此作為參考。
已知一種將支撐劑輸入裂縫的方法是基于減小沉降速率。該效果用幾 種方法實(shí)現(xiàn)。 一種方法是通過增加用于液力壓裂的流體的粘度和密度。然 而，作為壓裂液需要使用特定的流體密度和粘度。因此，這些性能的任何 大的變化都難以實(shí)現(xiàn)。另一種方法是減小支撐劑的密度。然而，在大多數(shù) 情況下，支撐劑的密度的減小都導(dǎo)致它的強(qiáng)度減小。使用特殊材料常常導(dǎo) 致顯著的成本增加。另一種方法是通過將特殊添加劑，例如聚合物纖維， 加到用于壓裂液的流體中，以便通過用機(jī)械方法限制支撐劑的沉降來減小 支撐劑沉降速率。
然而，利用上述這些方法一般導(dǎo)致成本增加。獲得支撐劑的高強(qiáng)度和 低密度的最佳關(guān)系的好處不能補(bǔ)償或抵消生產(chǎn)的額外高費(fèi)用和復(fù)雜性。本 發(fā)明的目的是創(chuàng)造具有理想的物理性質(zhì)的支撐劑，該理想的物理性質(zhì)在4吏 用時提高經(jīng)濟(jì)性和效率。

發(fā)明內(nèi)容
一般地說，本發(fā)明提供一種支撐劑，所述支撐劑將必需的強(qiáng)度和合適 的浮力結(jié)合，上述必需的強(qiáng)度用于防止儲層閉合，而上述浮力用于防止支 撐劑在輸送到裂縫中時過早沉降。
本發(fā)明的實(shí)施例提供一種支撐劑，所述支撐劑包括芯部和由與芯部的 材料不同的材料制成的外殼，其中外殼用軟材料制造，并連接到芯部上， 使得外殼與芯部掩^的那些部位的總表面小于芯部的表面積。因此，外殼 和芯部接合的那些部位的組合的表面積小于芯部的總表面積。外殼可以用 與芯部的材料相比較軟的材料形成。
外殼的材料(例如在水中或在油中)可以是可溶性的或者不溶性的。在某些實(shí)施例中，外殼用纖維，更確切地說用聚合物纖維制成。 一根 或多根纖維可以分別與芯部具有一個以上的粘結(jié)點(diǎn)。纖維可以沿徑向延伸
等于或大于芯部半徑的距離。在芯部的表面上相鄰部位處接合的兩根或多 根聚合物纖維可以從芯部朝發(fā)散方向延伸?；蛘?，在芯部的表面上相鄰部 位處接合的兩根或多根聚合物纖維可以從芯部以基本平行的方向延伸。聚 合物纖維的不同部分可以具有不同的溶解速率。例如， 一部分聚合物纖維 可以是可溶性的，而另一部分聚合物纖維可以是不溶性的。優(yōu)選的是，聚 合物纖維具有三角形橫斷面。在另一些實(shí)施例中，外殼用海綿狀材料制成。 本發(fā)明的另 一個實(shí)施例提供一種支撐劑，所述支撐劑包括芯部(亦即 主要部分)、和由與芯部材料不同的材料制成并連接在芯部上的連接部分， 其中，連接部分為盤片的形式。該盤片可以用聚合物材料制成。通常，主 要部分基本上是球形，亦即具有約為l的縱橫比。芯部優(yōu)選地連接到盤片 的中央部分上。
本發(fā)明的另 一個實(shí)施提供一種支撐劑，該支撐劑包括許多涂覆有外殼 材料的粒料，該外殼材料與粒料材料不同，其中外殼用第一聚合物材料制 成，而粒料通過第二聚合物材料粘結(jié)在一起，該第二聚合物材料可以與第 一聚合物材料相同或者不同。第 一或第二聚合物材料或者二者可以是可降 解的(比如可溶于水和/或油)或者是不可降解的聚合物材料。粒料可以粘 結(jié)在一起，使得相鄰的粒料能相對于彼此撓性地移動。在某些實(shí)施例中， 上述許多粒料包括多于兩個粒料，并且粒料可以粘接在一起形成鏈。在另 一些實(shí)施例中，上述許多粒料包括多于三個粒料，并且粒料粘接在一起形 成網(wǎng)格。


現(xiàn)在，將參照

本發(fā)明的一些實(shí)施例，其中
圖l是按照本發(fā)明所述的支撐劑的不同實(shí)施例的示意圖；以及
圖2是具有盤片形"降落傘，，的顆粒的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例包括一種支撐劑，該支撐劑具有包括主要部分或芯部 以及外殼部分的組合，其中外殼部分連接或聯(lián)接到芯部上。當(dāng)在流體中移 動，例如在泵送壓裂液期間，本發(fā)明的支撐劑通過機(jī)械的相互作用來減小 支撐劑的沉降速率、降低支撐劑的有效密度而不減小其強(qiáng)度、或者產(chǎn)生降 落傘效應(yīng)。
本發(fā)明的實(shí)施例的例子通過這樣的支撐劑說明，該支撐劑具有包括主 要部分或芯部以及外殼部分的組合，該外殼部分包括聚合物纖維，其中纖 維連接或^t接到芯部上。當(dāng)在流體中移動，例如在泵送壓裂液期間，本發(fā) 明的支撐劑通過機(jī)械的相互作用來減小支撐劑的沉降速率、降低支撐劑的 有效密度而不減小其強(qiáng)度。
當(dāng)結(jié)合理論研究進(jìn)行解釋時，可以清楚地看到本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)計(jì)算
顆粒物在流體中的沉降速率時，通常使用Stokes定律，并且該Stokes定律
在這里用來粗略計(jì)算預(yù)期效果。對于球形顆粒物，Stokes定律可以表示為<formula>formula see original document page 7</formula>(1)
式中6是顆粒的沉降速率，r是顆粒半徑，Ppr是顆粒密度、pliq 是流體密度，ri是流體的粘度，g是重力加速度。從公式可以看出，可通 過增加流體的粘度來降低沉降速率。但是，若規(guī)定了液力壓裂的技術(shù)，則 流體粘度一般由儲層特性決定。因此在方程l中實(shí)際上只有支撐劑的密度 可以改變。
改變支撐劑的有效密度的一種方法是將支撐劑涂覆一種其重量比支撐 劑本身輕的材料。 一個例子是聚合物材料。盡管這種方法在技術(shù)上有效， 但即使用最便宜的聚合物， 一般成本也是支撐劑的3倍或4倍，因此使這 種方法不實(shí)用。
本發(fā)明所用的更有效的方法是通過減小支撐劑的有效密度或者增加顆 粒的有效粒徑來降低支撐劑的沉1^1率。
本發(fā)明的實(shí)施例包括支撐劑，該支撐劑包括主要部分或芯部、以及包括不連續(xù)的軟外殼的第二部分。軟外殼可以包括例如聚合物纖維、聚合物 海綿或其它材料。參見圖1，本發(fā)明的某些實(shí)施例示意性示出可以怎樣形
成這類支撐劑。如圖la所示，芯部101裝在外殼102內(nèi)，其中外殼102 包括許多纖維103。如圖lb所示，芯部101裝在外殼102內(nèi)，所述外殼102 示出為海綿狀材料104。
當(dāng)支撐劑放在流體流，如泵送的壓裂液中時，周圍的流體被不連續(xù)的 軟外殼如纖維或海綿夾帶或吸收。這導(dǎo)致顆粒的有效粒徑(此處用虛線表 示)增加，并因此導(dǎo)致顆粒的有效密度減小。利用Stokes定律(方程1)
計(jì)算表明，為使支撐劑沉降速率減半，纖維尺寸或不連續(xù)外殼的厚度應(yīng)等 于顆粒半徑。
這樣，沉降速率可通過增加或減少聚合物纖維的長度或者每單位支撐 劑表面積上的纖維數(shù)量來進(jìn)行調(diào)節(jié)。增加聚合物纖維的長度能有效減小支 撐劑沉降速率。利用Stokes定律(圖1)，可以證明，支撐劑沉f^逸率在 改變之前與之后的比值等于支撐劑有效半徑R在改變之后和之前的比值， 并且才艮據(jù)下面關(guān)系實(shí)際上不取決于流體和支撐劑的密度
(2)
9后 R前
也可以通過改變每單位支撐劑表面的聚合物纖維量來調(diào)節(jié)沉降速率。 增加每單位表面的纖維數(shù)起初導(dǎo)致支撐劑沉降速率減小，隨著纖維數(shù)進(jìn)一 步增加，導(dǎo)致達(dá)到沉降速率最小值。此后每單位表面纖維量的任何增加都 伴隨著沉降速率與最小值相比增加。然而，即使用每單位表面更高的纖維 量，支撐劑的沉降速率也仍然小于未改變的(表面未i殳置纖維的)支撐劑 的沉降速率。
應(yīng)該注意，支撐劑沉降速率的任何調(diào)節(jié)還與聚合物纖維的橫斷面、密 度和厚度有聯(lián)系。纖維的橫斷面形狀可以是任何形狀，例如圓形。優(yōu)選的 是橫斷面的形狀是三角形，這是從用于不同形狀物體的前緣阻力的流體力 學(xué)M得出的。
制備按照本發(fā)明的不同實(shí)施例所述的支撐劑樣品。在室溫下測試這些樣品在壓裂液中的沉降速率。也在相同的條件下測試普通支撐劑的沉降速 率。測試結(jié)果表明，按照本發(fā)明制備的支撐劑在壓裂液中比普通支撐劑沉
降得慢3倍以上。
在制造纖維時，優(yōu)選的是使用具有最小密度的聚合物。盡管在支撐劑 具有較少量聚合物纖維時，纖維的聚合物密度對支撐劑沉降速率沒有任何 大的影響，但當(dāng)有大量纖維時，聚合物密度對有效密度的計(jì)算起到很大的 作用。
使用在儲層條件下溶解的水溶性聚合物纖維還具有一些另外的優(yōu)點(diǎn)。 通過使用具有不同沉降速率的纖維或者使用不溶性聚合物纖維，可以調(diào)節(jié) 裂縫中聚合物填料的密度，以便更節(jié)省開支?；诓蝗苄跃酆衔锢w維的支 撐劑對于具有低儲層閉合壓力的裂縫是有用的。這導(dǎo)致支撐劑未致密地充 填裂縫，并增加裂縫的滲透性。
本發(fā)明的另一實(shí)施例包括一種支撐劑，所述支撐劑構(gòu)造成使用"降落 傘"效應(yīng)。在其一般形式中，Stokes定律表示為
式中6是顆粒的沉降速率，r是顆粒半徑，V是顆粒體積，p pr是顆粒 密度、P,iq是流體密度，T!是流體的粘度，g是重力加速度，7T等于3.14。
可以看出，假如密度、顆粒的體積以及粘度不變，則顆粒半徑必須增 加，以便實(shí)現(xiàn)沉降速率的減小。增加顆粒半徑的一種方式是通過增加少量 另外的材料，例如盤片，來改變芯部，上述另外的材料用類似于"降落傘" 的方式構(gòu)造并連接到顆粒上。這類顆粒的例子在圖2中示出。圖2a示出降 落傘110相對于芯部101的俯視圖。圖2b示出芯部101和降落傘110的仰 視圖，圖2c示出側(cè)視圖。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，外殼包括盤片。盤片 可以由不同的材料制成，并且優(yōu)選的由聚合物制成。
本發(fā)明的另一實(shí)施例包括由兩個以上顆粒構(gòu)成的支撐劑。例如，可以 生產(chǎn)由單個顆粒形成的鏈，如串珠或網(wǎng)格。顆?；蛄Ａ贤扛灿芯酆衔锊牧希?并用相同類型或另外類型的聚合物材料粘結(jié)成鏈。粒料之間的距離可以具有不同長度，但優(yōu)選的AA夠使鏈具有所需的撓性。鏈的長度或者串珠的 尺寸大小也可以改變(從幾亳米到幾厘米)，這取決于地面設(shè)備(例如，
Schlumberger POD 攪拌器)的工作能力和在油井中的孔眼尺寸。在制 備壓裂液期間，鏈和串珠將交織，從而形成類似于凝膠中復(fù)雜網(wǎng)格的物質(zhì)。 這些網(wǎng)格可以通過以有目的的方式粘合而產(chǎn)生。支撐劑顆粒將粘附到網(wǎng)格 上，并且支撐劑的損失將減至最小。
在生產(chǎn)這些鏈時，可以使用不同種類的可降解和不可降解的聚合物。 顆粒必須用這種方式涂覆，使得它們通過聚合物制成的"線，，相互接合。
為了避免由于地面設(shè)備的工作能力或穿孔直徑而引起的鏈長度上的任 何限制，(形成鏈的)過程直接在裂縫內(nèi)進(jìn)行，在此期間支撐劑顆?？梢?聚集成鏈，或者其它的聚合方式可以提供獲得支撐劑鏈或網(wǎng)格的其它方法。 在這些自聚合的過程中，可以應(yīng)用大不相同的力一一化學(xué)力(例如，緩慢 釋放使支撐劑顆粒粘結(jié)的聚合物)，物理力(例如，磁力或其它相互作用) 或才幾械力。
本發(fā)明為支撐劑的構(gòu)造及其4吏用提供了各種不同的實(shí)施例。這些實(shí)施 例可以提供一種高強(qiáng)度和低密度的組合，以防止支撐劑在被輸送到裂縫期 間過早沉降，并防止裂縫在儲層壓力下閉合。還可以在裂縫閉合之后使支 撐劑的損失減至最少。
盡管已結(jié)合上述示例性實(shí)施例說明了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù) 文中公開的內(nèi)容可以容易地進(jìn)行各種等效的修改和變型。因此，應(yīng)認(rèn)為上 述本發(fā)明的示例性實(shí)施例是說明性的而不是限制性的。可以對上述實(shí)施例 進(jìn)行各種改變，而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1. 一種支撐劑，包括芯部和外殼，其中外殼連接到芯部上，使得芯部上接合有外殼的各部位的總表面積小于芯部的表面積，并且制成外殼的材料比制成芯部的材料軟。
2. 如權(quán)利要求1所述的支撐劑，其特征在于，外殼包括聚合物纖維。
3. 如權(quán)利要求2所述的支撐劑，其特征在于， 一根或多根聚合物纖維 在多于一個部位與芯部粘結(jié)。
4. 如權(quán)利要求2所述的支撐劑，其特征在于，從纖維與芯部連接部位 開始計(jì)算的纖維的長度等于或大于芯部的半徑。
5. 如權(quán)利要求2所述的支撐劑，其特征在于，所述聚合物纖維中的至 少 一 些用可溶性材料制成。
6. 如權(quán)利要求2所述的支撐劑，其特征在于，外殼包括具有不同溶解 度的聚合物纖維。
7. 如權(quán)利要求2所述的支撐劑，其特征在于，外殼包括具有三角形橫 斷面的聚合物纖維。
8. 如權(quán)利要求1所述的支撐劑，其特征在于，
9. 如權(quán)利要求8所述的支撐劑，其特征在于，
10. 如權(quán)利要求l所述的支撐劑，其特征在于，外殼包括盤片。
11. 如權(quán)利要求10所述的支撐劑，其特征在于，所述盤片包括聚合 物材料。
12. —種包括權(quán)利要求l所述的支撐劑的壓裂液。
13. —種支撐劑，包括兩個或多個涂覆有外殼的粒料，制成外殼的材 料與制成粒料的材料不同，其中外殼包括聚合物材料而粒料用聚合物材料 粘結(jié)。
14. 如權(quán)利要求13所述的支撐劑，其特征在于，粘結(jié)粒料的聚合材 料與制成外殼的聚合物材料相同。
15. 如權(quán)利要求13所述的支撐劑，其特征在于，所述聚合物材料中外殼包括海綿狀材料。 海綿狀材料是聚合物。的至少一種是可降解的。
16. —種包括權(quán)利要求13所述的支撐劑的壓裂液。
17. —種壓裂與井目M目交的儲層的方法，包括將含有支撐劑的壓裂液 注入井眼以壓裂儲層，其中，支撐劑包括芯部和外殼，外殼連接到芯部上， 使得芯部上接合有外殼的各部位的總表面積小于芯部的表面積，并且制成 外殼的材料比制成芯部的材料軟。
18. 如權(quán)利要求17所述的壓裂方法，其特征在于，外殼包括聚合物 纖維。
19. 如權(quán)利要求17所述的壓裂方法，其特征在于，外殼包括海綿狀 材料。
20. 如權(quán)利要求17所述的壓裂方法，其特征在于，外殼包括盤片。
21. —種壓裂與井目M目交的儲層的方法，包括將含有支撐劑的壓裂液 注入井眼以壓裂儲層，其中，支撐劑包括兩個或多個涂覆有外殼的粒料，制成外殼的材料與制成粒料的材料不同，外殼包括聚合物材料而粒料用聚 合物材料粘結(jié)。
22. —種調(diào)節(jié)支撐劑沉降速率的方法，該方法包括提供支撐劑，該支 撐劑包括芯部和外殼，該外殼包括聚合物纖維，其中，纖維連接到芯部上， 使得芯部上連接有纖維的各部位的總表面積小于芯部的表面積；該方法還 包括增加或減少纖維的長度，或者增加或減小芯部每單位表面積的纖維數(shù)。
全文摘要
一種支撐劑，包括芯部和外殼，制成外殼的材料與制成芯部的材料不同。外殼包括軟材料，該軟材料剛性地連接到芯部上，使得外殼與芯部接合的部位的總表面積小于芯部的表面積。
文檔編號B32B9/00GK101426641SQ200680046498
公開日2009年5月6日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者A·米德維德夫, D·M·威爾伯格, M·J·米勒, M·布洛娃 申請人:普拉德研究與開發(fā)有限公司