電氣地導電的支撐劑以及用于檢測、定位和特征化該電氣地導電的支撐劑的方法
【專利說明】電氣地導電的支撐劑以及用于檢測、定位和特征化該電氣 地導電的支撐劑的方法
[0001] 政府利益的聲明 本發(fā)明在為美國能源部運營的CARBO Ceramics，Inc?與Sandia National Laboratories之間的CRADA(SC11/01780. 00)下做出。政府在此發(fā)明中擁有某些權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明的實施例大致涉及地質(zhì)構(gòu)造（formation)的水力壓裂（hydraulic fracturing)，并且更具體地，涉及用于檢測、定位和特征化在氣體、石油或地熱儲備的水力 壓裂刺激中使用的電氣地導電的支撐劑（proppant)的電磁（EM)方法。本文中所描述的方 法涉及電氣地激勵在裂縫（fracture)的深度處的裂縫處或裂縫附近的土地，并且測量在 土地表面處或在相鄰的井/鉆孔（borehole)中的電和磁場響應。本發(fā)明的其它實施例涉 及用于形成電氣地導電的支撐劑的成分和方法，該電氣地導電的支撐劑用于在檢測、定位 和特征化此類支撐劑的電磁方法中使用。
[0003] 為了刺激且更有效地從井下（downhole)構(gòu)造（尤其是帶有低的孔隙度和/或低 透水性的構(gòu)造）產(chǎn)出碳氫化合物，含碳氫化合物構(gòu)造的誘發(fā)壓裂（稱為"壓裂操作（frac operation)"，水力壓裂"或簡單地稱為"壓裂（fracing)"）已經(jīng)是常使用的技術(shù)。在典型 的壓裂操作中，流體在高壓下栗送到井下，引起構(gòu)造在鉆孔周圍壓裂，產(chǎn)生了促進碳氫化合 物流入鉆孔中的高滲透性的導管（conduit)。這些壓裂操作可在水平且偏離的（以及垂直 的）鉆孔中進行，并且在無套管（uncased)井的間隔部（interval)中或在套管（cased)井 中經(jīng)由穿孔（perforation)進行。
[0004] 在垂直井中的套管鉆孔中，例如，高壓流體經(jīng)由穿孔來穿過套管和周圍的結(jié)合 劑（cement)離開鉆孔，并且通常在常發(fā)現(xiàn)石油和氣體的較深構(gòu)造中的薄的大致垂直的片 狀裂縫中引起構(gòu)造壓裂。這些誘發(fā)壓裂大致從井孔（wellbore)側(cè)向地延伸可觀的距離 進入周圍構(gòu)造中，并且垂直地延伸，直到裂縫到達在期望的壓裂間隔以上和/或以下的不 會容易地壓裂的構(gòu)造。構(gòu)造內(nèi)的最大和最小的水平應力的方向確定了誘發(fā)裂縫的方位角 (azimuthal)定向。一般地，如果在井下栗送的流體（有時稱為楽；（slurry))并不含有在流 體壓力放松時留在裂縫中的固體，則裂縫會再閉合，并且失去大部分滲透率導管增益。
[0005] 這些固體（稱為支撐劑）通常由砂粒（grain)或陶瓷顆粒（particle)構(gòu)成，并且 用于在井下栗送這些固體的流體常設(shè)計成足夠粘性的，使得當流體在井下移動且移出進入 誘發(fā)裂縫中時，支撐劑顆粒仍裹挾（entrain)在流體中。在產(chǎn)生壓裂構(gòu)造之前，也在壓裂流 體漿中在井下栗送的稱為"破裂物（breaker) "的材料在期望的時間延遲之后降低壓裂流體 的粘性，使這些流體在生產(chǎn)期間能夠容易地從裂縫除去，將支撐劑顆粒留在誘發(fā)裂縫中的 位置上，以保持裂縫不會閉合且由此大致排除產(chǎn)物流體流過那里。
[0006] 在稱為"水壓裂"或"滑溜（slick)水壓裂"的壓裂操作中，支撐劑還可以以低粘 性流體來置于誘發(fā)裂縫中。水壓裂中的壓裂流體是帶有很少聚合物或其它添加劑或者沒有 聚合物或其它添加劑的水。由于所使用的流體的較低成本，水壓裂是有利的。另外，在使用 交聯(lián)（cross-linked)聚合物時，重要的是破裂物是有效的，或流體不可從裂縫回收，有效 地限制構(gòu)造流體的流動。由于流體不是交聯(lián)的，故水壓裂并不依賴于壓裂物的有效性。
[0007] 常使用的支撐劑包括天然出現(xiàn)的砂、樹脂涂層（coated)的砂和陶瓷支撐劑。陶瓷 支撐劑典型地由天然出現(xiàn)的材料（如高嶺土和錯土質(zhì)粘土（bauxiticclay))制成，并且相 比于砂或樹脂涂層的砂提供了很多優(yōu)點，優(yōu)點主要由制造的陶瓷的抗壓強度和它們高度球 形的顆粒形狀引起。
[0008] 盡管誘發(fā)壓裂已是碳氫化合物儲備的產(chǎn)生中高度有效的工具，但由此過程提供刺 激的量很大程度上取決于生成新裂縫或者產(chǎn)生或延伸現(xiàn)有裂縫的能力，以及通過支撐劑的 適當放置來保持與裂縫連接的能力。在沒有適當放置支撐劑的情況下，在水力壓裂期間生 成的裂縫可趨于閉合，從而減小水力壓裂處理的利益。然而，用于檢測、定位和特征化支撐 劑在離井孔相對遠距離處的裂縫內(nèi)的放置且因此確認此類放置是否已為適當?shù)目煽糠椒?是不可用的。
[0009] 當前現(xiàn)有技術(shù)的支撐劑識別技術(shù)限于離井孔的相對短的距離（最大12英寸到18 英寸）。放射性和非放射性示蹤劑和支撐劑目前用來推斷支撐劑在附近井孔區(qū)域中的存在。 需要更好地知曉支撐劑在水力壓裂的遠場區(qū)域中的放置。
[0010] 用于大規(guī)模水力壓裂測繪的以前的工作在Bartel,L.C.、McCann,R.P?和 Keck,L.J?的"Useofpotentialgradientsinmassivehydraulicfracturemapping andcharacterization"中歸納，這是為美國石油工程師學會的第51屆秋季技術(shù)展會（New Orleans，1976年10月3-6日，paperSPE6090)準備的。在此之前的工作中，測量了在土 地表面處的垂直壓裂井周圍的電壓電極的兩個同心圓之間的電勢差。井在井套管的頂部處 或裂縫的深度處電氣地激勵。電接地（electricalground)在位于離壓裂井大約一英里距 離處的井處建立。此時，并未考慮接地線用作發(fā)射天線的事實。用于壓裂過程的水含有氯 化鉀（KC1)以增強其導電性，并且裂縫使用非導電砂來支撐。使用了 1Hz的重復率的方波 輸入電流波形，并且僅測量了電壓差幅度。使用基于從井套管和裂縫泄漏進入均質(zhì)土地中 的電流的基本理論的電壓被使用來產(chǎn)生預期的響應。將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與來自基本模型的結(jié)果相 比較示出了可推斷裂縫方位，然而，由于模型并未說明裂縫的細節(jié)，故其它裂縫性質(zhì)不可使 用基本模型來確定。
[0011] 檢測、定位和特征化置于離套管井孔超過若干英寸的距離處的水力壓裂中的支撐 劑的位置的方法目前是不可用的。此類用于在支撐劑材料置于裂縫中之后檢測、定位和特 征化支撐劑材料的方法將是有利益的。
【附圖說明】
[0012] 通過參照以下描述和用來圖示本發(fā)明的實施例的附圖可最佳地理解本發(fā)明。在附 圖中： 圖1為用于如本文中所描述的從漿制備大致圓形和球形的顆粒的系統(tǒng)的示意性圖示。
[0013] 圖2為垂直井或斜井的幾何布局的圖，其中繪出了具有變化的電氣和機械性能的 土地的層。
[0014] 圖3為橫穿了帶有支撐劑填充的裂縫的含碳氫化合物區(qū)域的安裝的水平井孔套 管柱（casingstring)的示意圖，其中繪出了具有變化的電氣和機械性能的土地的層。
[0015] 圖4為水力壓裂測繪系統(tǒng)的示意性橫截面圖示，其繪出了用于將電流引入井孔中 的兩個實施例，即，在表面處激勵井孔，以及經(jīng)由帶有在井孔中的穿孔附近的沉子（sinker) 桿的線繩來激勵。
[0016] 圖5為水力壓裂測繪系統(tǒng)的示意性平面圖示。
[0017] 圖6為水力壓裂測繪系統(tǒng)的示意性透視圖示。
[0018] 圖7A為電氣地絕緣的套管接頭的示意性圖示。
[0019] 圖7B為電氣地絕緣的套管圈（collar)的示意性圖示。
[0020] 圖8為用于測量支撐劑電阻的測試系統(tǒng)的示意性圖示。
[0021] 圖9為用于各種支撐劑樣品的電阻率（歐姆?厘米）對閉合壓力（psi)的圖表。
[0022] 圖10為用于涂布有鋁的CARB0Lite20/40和標準EconoProp20/40樣品的混合物 的電阻率（歐姆?厘米）對閉合壓力（psi)的圖表。
[0023] 圖11為用于涂布有錯的Hydroprop40/80和標準Hydroprop40/80樣品的混合 物的電阻率（歐姆?厘米）對閉合壓力（psi)的圖表。
【具體實施方式】
[0024] 在以下描述中，闡釋了許多具體細節(jié)。然而，所理解的是，本發(fā)明的實施例可在沒 有這些具體細節(jié)的情況下實施。在其它情況中，公知的結(jié)構(gòu)和技術(shù)并未已詳細示出，以免使 本描述的理解模糊。
[0025] 本文中描述的是用于檢測、定位和特征化在氣體、石油或地熱儲備的水力壓裂中 使用的電氣地導電的支撐劑的電磁（EM)方法。本文中還描述了電氣地導電的燒結(jié)的大致 圓形和球形的顆粒，以及用于由含有礬土（alumina)的原材料的漿制備用作電磁方法中的 支撐劑的此類電氣地導電的燒結(jié)的大致圓形和球形的顆粒的方法。當在本文中使用時，用 語"大致圓形和球形"和相關(guān)形狀限定為表示大約0. 8或更大的最小直徑與最大直徑的平 均比，或相比于Krumbein和Sloss圖表具有大約0. 8或更大的平均球度值。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，下文中稱為"電氣地導電的支撐劑"的電氣地導電的燒結(jié)的 大致圓形和球形的顆?？捎沙Ｒ?guī)支撐劑（如陶瓷支撐劑、砂、塑料珠和玻璃珠）制成。此 類常規(guī)支撐劑可根據(jù)任何適合的過程來制造，包括但不限于連續(xù)的噴霧霧化、噴霧流化、 噴霧干燥或壓縮。適合的常規(guī)支撐劑及用于它們的制造的方法在美國專利號4, 068, 718、 4, 427, 068、4, 440, 866、5, 188, 175和7, 036, 591中公開，它們的整個公開內(nèi)容通過引用并 入本文中。
[0027] 陶瓷支撐劑在性質(zhì)上（如表觀比重）得益于開始的原材料和制造過程而改變。當 在本文中使用時，用語"表觀比重"是顆粒的每單位體積重量（克每立方厘米），包括內(nèi)部孔 隙。低密度支撐劑通常具有小于3.Og/cm3的表觀比重，并且典型地由高嶺粘土和其它礬土、 氧化物或硅酸鹽陶瓷制成。中等密度的支撐劑通常具有大約3. 1到3. 4g/cm3的表觀比重， 并且典型地由鋁土質(zhì)粘土制成。高強度支撐劑通常由帶有礬土的鋁土質(zhì)粘土制成，并且具 有高于3. 4g/cm3的表觀比重。
[0028] 電氣地導電的材料（如金屬、導電聚合物或?qū)щ娂{米顆粒）可在這些支撐劑中的 任一者的制造過程中加入，以產(chǎn)生適于根據(jù)本發(fā)明的某些實施例使用的支撐劑。適合的金 屬包括鋁、銅和鎳，并且可加入來產(chǎn)生具有按重量大約5%到大約10%重的金屬含量的支撐 劑。
[0029] 適合的導電聚合物包括聚（3,4 -乙烯二氧噻吩）、聚（對苯乙烯磺酸鈉） (PED0T:PSS)、聚苯胺（PANI)和聚吡咯（PPY)，并且可加入來產(chǎn)生具有按重量從大約0. 1% 到大約10%的導電聚合物含量的支撐劑。適合的PED0T:PSS、PANI和PYY導電聚合物為 Sigma-Aldrich市售的。下文在示例2中描述了用于以導電聚合物來涂布支撐劑的過程的 某些具體實施例。
[0030] 適合的導電納米顆粒包括石墨、單壁或雙壁碳納米管