本發(fā)明涉及用于同壓裂液一起使用的具有改進的沉降特性和空隙的支撐劑。

背景技術(shù)：

在過去十年里從頁巖氣儲層生產(chǎn)天然氣已經(jīng)示出快速的發(fā)展趨勢并且已經(jīng)變成美國國內(nèi)天然氣供應的重要來源。近來，壓裂與水平鉆井技術(shù)的組合已經(jīng)大大改進了從地下層如頁巖中開采天然氣的能力。

壓裂，有時稱為液壓壓裂，是用于從頁巖、特別是從相對深的井中開采天然氣的方法。隨著水平鉆井的改進，與豎直鉆井結(jié)合使用，可將高度加壓的壓裂液注入地下區(qū)域的頁巖層中。此壓力可以在該頁巖中打開或產(chǎn)生裂縫，從而提供通道以便允許天然氣以更高的速率流進井筒中。當該壓裂液的壓力超過該巖石或頁巖的壓裂梯度時，裂隙被打開和/或擴展。

當從該裂隙去除該壓力時，該裂隙，由于周圍壓力，趨向于閉合或重新密封。這降低了氣體可以逸入井筒的量或速率。液壓壓裂的井的生產(chǎn)力取決于具有有效支撐的在其長度和高度范圍內(nèi)打開的裂隙。將支撐劑添加到該壓裂液中這樣使得該支撐劑可以支撐這些裂縫打開。為了實現(xiàn)希望的結(jié)果，由于該壓裂液的低粘度，良好的或適當?shù)闹蝿┹斔褪腔锼畨毫烟幚碇械闹行膯栴}。裂隙內(nèi)的支撐劑輸送受到許多因素的影響，這些因素包括：裂隙寬度、注射速率、流體漏泄、流體流變學、流體之間的密度差、摩擦、阻力、以及支撐劑本身的物理特性。還有利的是該支撐劑具有足夠高的壓碎強度這樣使得裂縫的周圍力不引起該支撐劑壓碎(由此降低該支撐劑的有效性)。

關于降低或消除裂隙閉合的嘗試示于美國專利8,298,667，該專利針對組合物和用于制造支撐劑的方法并且利用球體。將球形用于支撐劑的顯著的缺點是沉降。當支撐劑穿過該流體時，該球傾向于“沉降”，限制該支撐劑行進到該井和裂縫中的距離。這種支撐劑沉降歷史地已經(jīng)是性能限制因素。

此外，當前現(xiàn)有技術(shù)水平使用砂、樹脂涂覆砂、輕質(zhì)陶瓷、中等密度陶瓷或高致密陶瓷嘗試制造更希望的支撐劑并且最終改進井的生產(chǎn)。在若干測試中，陶瓷提供了與砂的性能相比的優(yōu)越的性能。此外，不規(guī)則形狀的支撐劑似乎提供改進的性能，然而，這些形狀是支撐劑它們自身的不規(guī)則性的產(chǎn)物并且不是設計的結(jié)構(gòu)化的控制的支撐劑形狀。此外，砂具有更低的壓碎強度的附加缺點，從而使得其作為支撐劑是較不希望的。附加地，當支撐劑確實壓碎時，它破碎成更小的顆粒，這些顆粒可以導致阻塞裂隙，從減少該支撐劑中的空隙并且降低井生產(chǎn)。

最近，還已經(jīng)存在通過使用以下材料改進支撐劑的嘗試，該材料具有從1.7至浮起的比重以便減少沉降并且增加支撐劑遍及該井及其裂縫的分布。在PCT專利申請PCT/2012/061329中，披露了在改進的支撐劑上的嘗試，如可以用于壓裂的陶瓷超輕質(zhì)多孔支撐劑。該申請陳述了碳化硅和氮化硅可以有利地提供高的強度等級同時具有足夠的孔隙率以便保持輕質(zhì)并且促進流體輸送。再次，然而，此參考文獻披露了用于該支撐劑的球形。

美國專利7,836,952針對用于地下地層的支撐劑并且涉及支撐劑的橋聯(lián)和防止支撐劑回流?；亓?，當生產(chǎn)過程中支撐劑“回流”進井筒時，污染并且阻塞該井筒并且降低油生產(chǎn)?；亓鞯闹蝿┻€必須在石油商業(yè)有用之前與該石油分離。此參考文獻針對井筒注射并且設計為橋聯(lián)在該井筒的開口。此外，此參考文獻的設計包括很多邊，這些邊集中周圍力并且不利地降低所披露的形狀的壓碎和壓縮耐受性。

在設計最優(yōu)的支撐劑中，該支撐劑保持懸浮在該流體中的時間是重要的這樣使得該支撐劑不從該流體中沉降出來，從而防止有利量的支撐劑進入該裂縫至足夠的深度。支撐劑保持在流體中并且不沉降出來越長，該支撐劑可以行進進入該裂縫越深以便支持該裂縫打開用于天然氣和石油提取。因此，發(fā)生的沉降越少，該裂縫可以生產(chǎn)越多石油和天然氣。

已知的是不是所有的降落物在流體中以直線行進?；诤芏嘁蛩?，在流體中降落的物體可以擺動、滾動或二者。具有促進擺動和/或滾動的形狀的物體將懸浮在流體中更長，由此降低沉降速率。

因此，本發(fā)明的目的是提供具有改進的沉降速率和懸浮于流體中的支撐劑。

本發(fā)明的另一個目的是提供具有促進擺動、滾動或二者的形狀的支撐劑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

以上缺陷通過提供用于同壓裂液一起使用的支撐劑解決，該支撐劑包括多個三維結(jié)構(gòu)，其中每個結(jié)構(gòu)具有縱軸、質(zhì)心以及壓力中心，其中該壓力中心和該質(zhì)心當在流體中沉降時不以穩(wěn)定的方式對齊(由于通過在該結(jié)構(gòu)上的摩擦力引起的阻力，不管該結(jié)構(gòu)的取向)。該支撐劑可以包括為具有孔的圓柱體的至少一種三維結(jié)構(gòu)。每個結(jié)構(gòu)可以具有在100μm至3000μm范圍內(nèi)的寬度、在100μm至400μm范圍內(nèi)的壁厚、在100μm至200μm范圍內(nèi)的內(nèi)徑以及在100μm至3000μm范圍內(nèi)的長度。

多個結(jié)構(gòu)可以包括在結(jié)構(gòu)的混合物中，這些結(jié)構(gòu)具有在100μm至3000μm范圍內(nèi)的寬度、在100μm至400μm范圍內(nèi)的壁厚、在100μm至200μm范圍內(nèi)的內(nèi)徑以及在100μm至3000μm范圍內(nèi)的長度。該結(jié)構(gòu)的第一端可以具有第一平面，該第一平面具有偏離垂直于該縱軸的傾角θ¹；并且該結(jié)構(gòu)的第二端可以具有第二平面，該第二平面具有偏離垂直于該縱軸的傾角θ²。

該θ¹可以基本上等于θ²并且差異可以等于或小于30°。兩個結(jié)構(gòu)的θ¹與θ²之差可以在25°至65°范圍內(nèi)改變。至少一個結(jié)構(gòu)可以具有選自下組的截面，該組由以下各項組成：不對稱的圓、半圓、不對稱半圓、十字、具有狹長的中心條的形狀、I型梁以及T。阻力系數(shù)可以是大于2.3。由多個結(jié)構(gòu)限定的空隙可以是大于30％。這些結(jié)構(gòu)可以通過擠出制造并且選自下組，該組由以下各項組成：礬土、礬土化合物、氧化鋁以及莫來石(mulite)。與由與這些結(jié)構(gòu)相同的材料制成的并且具有這些結(jié)構(gòu)相同的寬度的立方體的沉降速率相比，水中的沉降速率可以是低至少15％。與由與這些結(jié)構(gòu)相同的材料制成的并且具有這些結(jié)構(gòu)相同的寬度的立方體的沉降速率相比，水中的沉降速率可以是低至少45％。

附圖說明

以下附圖用于更好地解釋和理解本發(fā)明并且在此是該說明書的一部分：

圖1A是本發(fā)明的方面的透視圖；

圖1B是本發(fā)明的方面的截面；

圖2A是本發(fā)明的方面的透視圖；

圖2B至2D是本發(fā)明的方面的截面；

圖2E是本發(fā)明的方面的透視圖；

圖3是本發(fā)明的方面的透視圖；

圖4A是本發(fā)明的方面的透視圖；

圖4B和4C是本發(fā)明的方面的截面；

圖5是本發(fā)明的方面的透視圖；

圖6是本發(fā)明的方面的透視圖；

圖7A至7C是本發(fā)明的方面的透視圖；并且

圖8是本發(fā)明的方面的流程圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將參照附圖在下文中更全面地說明本發(fā)明，在這些附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選的實施例。然而，本發(fā)明可以被實施為許多不同的形式并且不應被解釋為限于在此提出的這些實施例；而實際上，提供這些實施例是為了使得此披露將是全面和完整的，并且將對本領域技術(shù)人員充分傳達本發(fā)明的范圍。

當結(jié)構(gòu)在壓裂液中時，希望的是該結(jié)構(gòu)參加兩種運動以便保持該結(jié)構(gòu)懸浮在該流體中持續(xù)盡可能長以便減少沉降。希望的第一種運動是左右振蕩(擺動)并且該第二種運動是翻滾轉(zhuǎn)動(滾動)。當這兩種運動發(fā)生時同時該結(jié)構(gòu)在流體流中行進時，它被稱為擺動-滾動運動。

參考圖1A和1B，本發(fā)明提供了具有特定形狀的結(jié)構(gòu)(或顆粒)，當其被迫在該流體流中時，該形狀上的阻力施加力24，該力試圖在如26所示的方向上旋轉(zhuǎn)該形狀。壓力中心是壓力場的總和作用在主體上的點，在該點，從而引起力經(jīng)由那個點起作用。重心是點位置，在該點位置該形狀的組分的重量起作用。在一個實施例中，示出重心11。一旦該形狀如此旋轉(zhuǎn)了，第二側(cè)22受到該流體流的力的影響并且該形狀在如27示出的方向上旋轉(zhuǎn)。這引起該形狀擺動。

附加地，當該形狀被旋轉(zhuǎn)時，質(zhì)心可以相對于壓力中心移動離開平衡，存在該形狀返回平衡的希望，這可以幫助旋轉(zhuǎn)該形狀，如在方向28中示出的。在該結(jié)構(gòu)移動通過壓裂液時該結(jié)構(gòu)上的競爭力引起該結(jié)構(gòu)擺動，由此降低沉降。在一個實施例中，該結(jié)構(gòu)的外壁和內(nèi)壁包括微結(jié)構(gòu)。

在一個實施例中，作為斜的圓柱體的支撐劑10示出的三維結(jié)構(gòu)具有縱軸線12、外徑14、壁厚16、長度18、第一側(cè)20以及第二側(cè)22。該第一和第二側(cè)可以具有平面的截面。第一側(cè)壁包括角θ¹并且第二側(cè)壁包括角θ¹。在一個實施例中，該結(jié)構(gòu)的第一端具有第一平面，該第一平面具有偏離垂直于該縱軸的傾角θ¹。該結(jié)構(gòu)的第二端，在一個實施例中與該第一端相反，具有第二平面，該第二平面具有偏離垂直于該縱軸的傾角θ¹。在一個實施例中，θ¹基本上等于θ²，從而提供在第一側(cè)壁與第二側(cè)壁之間的對稱性。角θ¹和θ²可以是在25°和65°的范圍內(nèi)并且在一個實施例中，等于或小于30°。

在一個實施例中，該圓柱體不包括孔。該結(jié)構(gòu)可以包括在100μm至3000μm范圍內(nèi)的寬度、在100μm至400μm范圍內(nèi)的壁厚、在100μm至200μm范圍內(nèi)的內(nèi)徑以及在100μm至3000μm范圍內(nèi)的長度的物理尺寸。

在一個實施例中，這些結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)可以大于2.3。當這些三維形狀沉積在該裂縫中時，這些形狀可以在彼此之上堆疊。當這發(fā)生時，這些形狀的構(gòu)型和這些形狀的幾何結(jié)構(gòu)限定了其中呈氣體或液體形式的流體可以通過的空隙。在一個實施例中，由一組布置在裂縫中的三維形狀限定的空隙大于30％。

在制造這些形狀時，可以使用擠出法，產(chǎn)生實心形狀或具有孔的形狀。一旦擠出了，這些形狀可以通過激光切割、刻劃(scoring)，或通過穿過輥或板進一步加工以便進一步限定這些形狀?？梢杂糜谶@些形狀的材料包括礬土、礬土化合物、氧化鋁以及莫來石。

參考圖2A，示出了具有大體上“C”形狀的三維結(jié)構(gòu)的一個實施例21。截面可以是半圓形狀或不對稱的截面形狀像如23所示的像“J”的形狀。在一個實施例中，該形狀的支柱之一比其他的長，在該結(jié)構(gòu)在壓裂液中行進時當阻力施加在該結(jié)構(gòu)上時，這在壓力中心的競爭力嘗試返回質(zhì)心時引起該結(jié)構(gòu)的滾動。附加地，打開設計降低了部分密度，這有助于減少沉降。在操作中，該結(jié)構(gòu)傾向于擺動或滾動，其中彎曲端向下。

參考圖2D，示出了不對稱的“C”形狀27。在此實施例中，臂29a和29b具有不同的長度并且可以具有不同的寬度。當力(如流體流24)在該流體流中的一個點處施加在形狀27a上時，該形狀可以由于該流的力在如25a示出的方向上旋轉(zhuǎn)。當該形狀27b是在該流體流中的另一個點處并且在旋轉(zhuǎn)后，該形狀具有施用到相對臂的力24，引起該形狀在如25b示出的方向上旋轉(zhuǎn)。當該形狀27c是在該流體流中的另一個點處并且在旋轉(zhuǎn)后，該形狀具有施用到相對臂的力24，引起該形狀在如25c示出的方向上旋轉(zhuǎn)。這些力和旋轉(zhuǎn)引起該形狀在該液體流中擺動和/或滾動，從而降低該形狀從該液體流中沉降出來的傾向。在一個實施例中，這些臂之一包括部分31a，該部分具有弧AB，該弧具有比第二臂的部分32b的弧CD更長的長度。因此，圖2E中示出的結(jié)構(gòu)的形狀是不對稱的。

參考圖3，示出了大體圓形形狀33。該圓形形狀可以包括第一大體圓形的具有半徑36的延伸部分34。該圓形形狀還可以包括第二大體圓形的具有半徑40的延伸部分38。當該形狀被注入裂縫時，這些圓形延伸部分通過該流體流的力起作用，從而引起該形狀在方向32上擺動。在一個實施例中，該第一和第二延伸部分的中心總體上布置在該圓形形狀的周長上。在一個實施例中，該圓形形狀的截面的面積與較小的延伸部分的截面的面積的比率是約4:1。在一個實施例中，該圓形形狀的截面的面積與較大的延伸部分的截面的面積的比率是約2.4:1。

參考圖4，示出了斜的H形狀。此結(jié)構(gòu)包括如40和42示出的斜的側(cè)壁。斜的側(cè)壁40與水平軸線44之間的角是θ¹并且斜的壁42與該水平軸線的角是θ²。在一個實施例中，至少一個臂的厚度46小于連接器48的厚度。該H形狀，當從該流體流在其上施加力時，擺動或滾動或二者。參考圖5，示出了扭曲的H形狀。縱軸40總體上垂直于側(cè)壁延伸。第一臂對50可以通過連接器48附接到第二臂對52上。該連接器可以相對于縱軸偏移。該第一組臂可以包括斜的平面54，該平面可以相對于縱軸處于λ¹的角度。該第二臂對可以包括斜的平面56，該平面可以相對于縱軸處于角度λ²。當在壓裂液中行進時，此形狀，考慮扭曲的取向，將擺動、螺旋、滾動或任何組合。

參考圖7A到7C，示出了本發(fā)明的替代實施例。圖7B的形狀具有大體上十字的截面，其中臂60a至60d從中心部分68延伸。這些臂可以包括輻射式的部分70。該輻射式的部分可以是圓形的、橢圓的或不對稱的。該臂可以包括扁平的部分72。在示于圖7A的一個實施例中，臂60a可以包括由第一輻射式的部分64和第二輻射式的部分66限定的凹痕62。每個臂可以包括這種構(gòu)型。參考圖7C，該形狀可以大體上是H形狀，其中臂具有相對于縱軸73的角β¹。角β¹可以小于45°。臂74a至74d的末端可以包括輻射式的部分76。在一個實施例中，該輻射式的部分的直徑75可以大于該臂的長度。在一個實施例中，這些臂可以包括相對于橫軸78的角β²。角β²可以大于45°。

使用有限元分析(FEA)，進一步說明圖7A至7C的形狀。使用18,000psi的壓力并且以相對于擠出軸線40°的切割面填充0.5mm乘0.5mm的限定面積，測試這些形狀的應力、應變和位移。將這些形狀與圖4A中示出的形狀進行比較，具有以下結(jié)果：

這些結(jié)構(gòu)可以通過擠出制造并且可以由礬土、礬土化合物、氧化鋁以及莫來石制造。

下表提供了一個實施例中的每個結(jié)構(gòu)的尺寸：

在所有結(jié)構(gòu)上進行沉降測試，使用相同密度材料同時保持整體顆粒尺寸大致一樣。將具體結(jié)構(gòu)浸入水中，下降進入積水三英尺而不離開該液體介質(zhì)，其中以秒測量下落該三英尺距離的時間。將這些結(jié)果示于下表中：

以下是當與傳統(tǒng)的支撐劑砂相比時來自由氧化鋁制成的結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果。這些支撐劑顆粒沉降阻力測試結(jié)果示出了當與具有更小的尺寸和重量的支撐劑砂的降落時間相比時本發(fā)明的以上結(jié)構(gòu)的氧化鋁顆粒的降落時間的顯著增加。在水中沉降期間使全致密的氧化鋁支撐劑顆粒的結(jié)構(gòu)滾動并且擺動。與具有類似的整體尺寸和重量的支撐劑砂顆粒相比，此移動將沉降速率降低了大于40％，其中最好的三種設計的范圍在57％至81％之間。

在一個測試中，由陶瓷填充的塑料制成的具有約1.65g/cm³材料密度的結(jié)構(gòu)通過以下方式測試：將顆粒浸入水中持續(xù)至少10分鐘，使該顆粒下降進入填充有水的三英寸直徑塑料管中，其中記錄該顆粒降落至底部的時間，提供以下結(jié)果：

斜的C結(jié)構(gòu)比砂表現(xiàn)的更好。盡管比砂重5倍，這種結(jié)構(gòu)、這種設計表現(xiàn)的良好，其中平均降落時間比砂的降落時間快13％至23％。斜的空心圓柱體比沒有斜的側(cè)壁的圓柱體表現(xiàn)的更好。這證實了添加斜的特征以引起顆粒滾動的有效性。在一個實施例中，“C”結(jié)構(gòu)的尺寸圖6中示為側(cè)面A 500μm，寬度B 150μm和空間C 200μm。在一個實施例中，在此結(jié)構(gòu)上示為45的6ksi壓縮壓力將引起該結(jié)構(gòu)經(jīng)歷2.3lbs的公稱力。對于具有θ＝360ksi的氧化鋁，如目前設計的一種支撐劑顆粒可以承受6lbs的力，160％的安全因數(shù)。當該支撐劑顆粒經(jīng)歷一次破碎時，它變成保持空隙的2弓形的片段。阻力系數(shù)可以是約2.3。

參考圖8，說明了本發(fā)明的實施。在80提供具有流體和多個三維結(jié)構(gòu)的壓裂混合物。這些三維結(jié)構(gòu)在該流體中攜帶(其中每個結(jié)構(gòu)具有縱軸、質(zhì)心和壓力中心，其中該壓力中心和該質(zhì)心不以穩(wěn)定的方式對齊，引起該三維結(jié)構(gòu)在該流體中擺動)，由該流體輸送并且注入裂縫中。在82將該壓裂混合物在壓力下泵送入裂縫以打開地下裂縫，在這些裂縫希望的是移出流體(包括天然氣和石油)。在84一旦從該流體去除壓力，這些三維結(jié)構(gòu)可以支撐該裂縫打開使得可以從該裂縫中開采天然氣或石油或二者。

在一個實施例中，在86可以產(chǎn)生壓裂液和常規(guī)支撐劑的常規(guī)混合物。在88該常規(guī)混合物可以在壓力下被泵送進該裂縫中。在一個實施例中，該常規(guī)壓裂液和支撐劑可以被泵送進該裂縫中直到該裂縫的總體積的至少70％在泵送具有三維結(jié)構(gòu)的壓裂混合物之前被填充。在一個實施例中，將該常規(guī)壓裂混合物泵送進該裂縫可以在泵送該常規(guī)混合物之前發(fā)生。在一個實施例中，三維結(jié)構(gòu)與常規(guī)支撐劑的比率取自下組，該組由以下各項組成：0.5:10、1:9、2:8、3:7、4:6以及5:5百萬分率。

當用作支撐劑時，在此描述的顆?？梢耘c常規(guī)支撐劑階段的組合泵送以便實現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟途徑。例如，在通過以下方式實現(xiàn)例如更高的支撐裂隙的同時降低沉降速度可能是可能的：首先泵送90％的總體積的常規(guī)支撐劑來填充該裂隙的底部并且接著最后填充10％體積的在此描述的顆粒以便與該裂隙橋聯(lián)并且填充該裂隙的頂部。多種其他比率和方法可以采用，取決于多種因素如井裂隙下入(well landing)深度、穿孔的位置、厚度以及使用的流體的類型。例如，一種應用可以使用80％的常規(guī)支撐劑和20％的在此描述的顆?；蚍粗嗳?。其他組合可以具有70％-30％分割、60％-40％分割、或50％-50％分割。在一些地質(zhì)情況中，如果存在天然裂隙，可能有利的是首先泵送在此描述的顆粒以便實現(xiàn)更好的支撐高度，因此顛倒泵送的順序。在其他情況下，在此描述的顆粒和常規(guī)支撐劑的這種配對可以按多于單一的系列(如3、7或10系列，取決于設計)并且按范圍0.5ppg至10ppg、1至9ppg、2至8ppg或3至7ppg的濃度泵送。取決于應用，在此描述的顆?？梢酝ㄟ^尺寸、重量或以其他方式分開。較大的粒度分布可以在工作的開始以低濃度泵送。

應理解的是以上說明和圖解旨在是說明性的并且不是限制性的。除了所提供的實例之外的其他實施例以及很多應用將在本領域技術(shù)人員閱讀以上說明后變得清楚。因此，本發(fā)明的范圍應該不參考以上說明確定，而是應該反而參考所附的權(quán)利要求、連同這類權(quán)利要求所授權(quán)的等效物的全部范圍確定。出于所有目的將所有文章和參考文獻(包括專利申請和公開物)的披露內(nèi)容通過引入結(jié)合。以下權(quán)利要求中對在此披露的主題的任何方面的省略不是此類主題的放棄，也不應該看作發(fā)明人沒有將此類主題考慮為所披露的發(fā)明主題的一部分。