用于压裂液的支撑剂的制作方法

本发明涉及用于同压裂液一起使用的具有改进的沉降特性和空隙的支撑剂。

背景技术：

在过去十年里从页岩气储层生产天然气已经示出快速的发展趋势并且已经变成美国国内天然气供应的重要来源。近来，压裂与水平钻井技术的组合已经大大改进了从地下层如页岩中开采天然气的能力。

压裂，有时称为液压压裂，是用于从页岩、特别是从相对深的井中开采天然气的方法。随着水平钻井的改进，与竖直钻井结合使用，可将高度加压的压裂液注入地下区域的页岩层中。此压力可以在该页岩中打开或产生裂缝，从而提供通道以便允许天然气以更高的速率流进井筒中。当该压裂液的压力超过该岩石或页岩的压裂梯度时，裂隙被打开和/或扩展。

当从该裂隙去除该压力时，该裂隙，由于周围压力，趋向于闭合或重新密封。这降低了气体可以逸入井筒的量或速率。液压压裂的井的生产力取决于具有有效支撑的在其长度和高度范围内打开的裂隙。将支撑剂添加到该压裂液中这样使得该支撑剂可以支撑这些裂缝打开。为了实现希望的结果，由于该压裂液的低粘度，良好的或适当的支撑剂输送是滑溜水压裂处理中的中心问题。裂隙内的支撑剂输送受到许多因素的影响，这些因素包括：裂隙宽度、注射速率、流体漏泄、流体流变学、流体之间的密度差、摩擦、阻力、以及支撑剂本身的物理特性。还有利的是该支撑剂具有足够高的压碎强度这样使得裂缝的周围力不引起该支撑剂压碎(由此降低该支撑剂的有效性)。

关于降低或消除裂隙闭合的尝试示于美国专利8,298,667，该专利针对组合物和用于制造支撑剂的方法并且利用球体。将球形用于支撑剂的显著的缺点是沉降。当支撑剂穿过该流体时，该球倾向于“沉降”，限制该支撑剂行进到该井和裂缝中的距离。这种支撑剂沉降历史地已经是性能限制因素。

此外，当前现有技术水平使用砂、树脂涂覆砂、轻质陶瓷、中等密度陶瓷或高致密陶瓷尝试制造更希望的支撑剂并且最终改进井的生产。在若干测试中，陶瓷提供了与砂的性能相比的优越的性能。此外，不规则形状的支撑剂似乎提供改进的性能，然而，这些形状是支撑剂它们自身的不规则性的产物并且不是设计的结构化的控制的支撑剂形状。此外，砂具有更低的压碎强度的附加缺点，从而使得其作为支撑剂是较不希望的。附加地，当支撑剂确实压碎时，它破碎成更小的颗粒，这些颗粒可以导致阻塞裂隙，从减少该支撑剂中的空隙并且降低井生产。

最近，还已经存在通过使用以下材料改进支撑剂的尝试，该材料具有从1.7至浮起的比重以便减少沉降并且增加支撑剂遍及该井及其裂缝的分布。在PCT专利申请PCT/2012/061329中，披露了在改进的支撑剂上的尝试，如可以用于压裂的陶瓷超轻质多孔支撑剂。该申请陈述了碳化硅和氮化硅可以有利地提供高的强度等级同时具有足够的孔隙率以便保持轻质并且促进流体输送。再次，然而，此参考文献披露了用于该支撑剂的球形。

美国专利7,836,952针对用于地下地层的支撑剂并且涉及支撑剂的桥联和防止支撑剂回流。回流，当生产过程中支撑剂“回流”进井筒时，污染并且阻塞该井筒并且降低油生产。回流的支撑剂还必须在石油商业有用之前与该石油分离。此参考文献针对井筒注射并且设计为桥联在该井筒的开口。此外，此参考文献的设计包括很多边，这些边集中周围力并且不利地降低所披露的形状的压碎和压缩耐受性。

在设计最优的支撑剂中，该支撑剂保持悬浮在该流体中的时间是重要的这样使得该支撑剂不从该流体中沉降出来，从而防止有利量的支撑剂进入该裂缝至足够的深度。支撑剂保持在流体中并且不沉降出来越长，该支撑剂可以行进进入该裂缝越深以便支持该裂缝打开用于天然气和石油提取。因此，发生的沉降越少，该裂缝可以生产越多石油和天然气。

已知的是不是所有的降落物在流体中以直线行进。基于很多因素，在流体中降落的物体可以摆动、滚动或二者。具有促进摆动和/或滚动的形状的物体将悬浮在流体中更长，由此降低沉降速率。

因此，本发明的目的是提供具有改进的沉降速率和悬浮于流体中的支撑剂。

本发明的另一个目的是提供具有促进摆动、滚动或二者的形状的支撑剂。

技术实现要素：

以上缺陷通过提供用于同压裂液一起使用的支撑剂解决，该支撑剂包括多个三维结构，其中每个结构具有纵轴、质心以及压力中心，其中该压力中心和该质心当在流体中沉降时不以稳定的方式对齐(由于通过在该结构上的摩擦力引起的阻力，不管该结构的取向)。该支撑剂可以包括为具有孔的圆柱体的至少一种三维结构。每个结构可以具有在100μm至3000μm范围内的宽度、在100μm至400μm范围内的壁厚、在100μm至200μm范围内的内径以及在100μm至3000μm范围内的长度。

多个结构可以包括在结构的混合物中，这些结构具有在100μm至3000μm范围内的宽度、在100μm至400μm范围内的壁厚、在100μm至200μm范围内的内径以及在100μm至3000μm范围内的长度。该结构的第一端可以具有第一平面，该第一平面具有偏离垂直于该纵轴的倾角θ¹；并且该结构的第二端可以具有第二平面，该第二平面具有偏离垂直于该纵轴的倾角θ²。

该θ¹可以基本上等于θ²并且差异可以等于或小于30°。两个结构的θ¹与θ²之差可以在25°至65°范围内改变。至少一个结构可以具有选自下组的截面，该组由以下各项组成：不对称的圆、半圆、不对称半圆、十字、具有狭长的中心条的形状、I型梁以及T。阻力系数可以是大于2.3。由多个结构限定的空隙可以是大于30％。这些结构可以通过挤出制造并且选自下组，该组由以下各项组成：矾土、矾土化合物、氧化铝以及莫来石(mulite)。与由与这些结构相同的材料制成的并且具有这些结构相同的宽度的立方体的沉降速率相比，水中的沉降速率可以是低至少15％。与由与这些结构相同的材料制成的并且具有这些结构相同的宽度的立方体的沉降速率相比，水中的沉降速率可以是低至少45％。

附图说明

以下附图用于更好地解释和理解本发明并且在此是该说明书的一部分：

图1A是本发明的方面的透视图；

图1B是本发明的方面的截面；

图2A是本发明的方面的透视图；

图2B至2D是本发明的方面的截面；

图2E是本发明的方面的透视图；

图3是本发明的方面的透视图；

图4A是本发明的方面的透视图；

图4B和4C是本发明的方面的截面；

图5是本发明的方面的透视图；

图6是本发明的方面的透视图；

图7A至7C是本发明的方面的透视图；并且

图8是本发明的方面的流程图。

具体实施方式

现在将参照附图在下文中更全面地说明本发明，在这些附图中示出了本发明的优选的实施例。然而，本发明可以被实施为许多不同的形式并且不应被解释为限于在此提出的这些实施例；而实际上，提供这些实施例是为了使得此披露将是全面和完整的，并且将对本领域技术人员充分传达本发明的范围。

当结构在压裂液中时，希望的是该结构参加两种运动以便保持该结构悬浮在该流体中持续尽可能长以便减少沉降。希望的第一种运动是左右振荡(摆动)并且该第二种运动是翻滚转动(滚动)。当这两种运动发生时同时该结构在流体流中行进时，它被称为摆动-滚动运动。

参考图1A和1B，本发明提供了具有特定形状的结构(或颗粒)，当其被迫在该流体流中时，该形状上的阻力施加力24，该力试图在如26所示的方向上旋转该形状。压力中心是压力场的总和作用在主体上的点，在该点，从而引起力经由那个点起作用。重心是点位置，在该点位置该形状的组分的重量起作用。在一个实施例中，示出重心11。一旦该形状如此旋转了，第二侧22受到该流体流的力的影响并且该形状在如27示出的方向上旋转。这引起该形状摆动。

附加地，当该形状被旋转时，质心可以相对于压力中心移动离开平衡，存在该形状返回平衡的希望，这可以帮助旋转该形状，如在方向28中示出的。在该结构移动通过压裂液时该结构上的竞争力引起该结构摆动，由此降低沉降。在一个实施例中，该结构的外壁和内壁包括微结构。

在一个实施例中，作为斜的圆柱体的支撑剂10示出的三维结构具有纵轴线12、外径14、壁厚16、长度18、第一侧20以及第二侧22。该第一和第二侧可以具有平面的截面。第一侧壁包括角θ¹并且第二侧壁包括角θ¹。在一个实施例中，该结构的第一端具有第一平面，该第一平面具有偏离垂直于该纵轴的倾角θ¹。该结构的第二端，在一个实施例中与该第一端相反，具有第二平面，该第二平面具有偏离垂直于该纵轴的倾角θ¹。在一个实施例中，θ¹基本上等于θ²，从而提供在第一侧壁与第二侧壁之间的对称性。角θ¹和θ²可以是在25°和65°的范围内并且在一个实施例中，等于或小于30°。

在一个实施例中，该圆柱体不包括孔。该结构可以包括在100μm至3000μm范围内的宽度、在100μm至400μm范围内的壁厚、在100μm至200μm范围内的内径以及在100μm至3000μm范围内的长度的物理尺寸。

在一个实施例中，这些结构的阻力系数可以大于2.3。当这些三维形状沉积在该裂缝中时，这些形状可以在彼此之上堆叠。当这发生时，这些形状的构型和这些形状的几何结构限定了其中呈气体或液体形式的流体可以通过的空隙。在一个实施例中，由一组布置在裂缝中的三维形状限定的空隙大于30％。

在制造这些形状时，可以使用挤出法，产生实心形状或具有孔的形状。一旦挤出了，这些形状可以通过激光切割、刻划(scoring)，或通过穿过辊或板进一步加工以便进一步限定这些形状。可以用于这些形状的材料包括矾土、矾土化合物、氧化铝以及莫来石。

参考图2A，示出了具有大体上“C”形状的三维结构的一个实施例21。截面可以是半圆形状或不对称的截面形状像如23所示的像“J”的形状。在一个实施例中，该形状的支柱之一比其他的长，在该结构在压裂液中行进时当阻力施加在该结构上时，这在压力中心的竞争力尝试返回质心时引起该结构的滚动。附加地，打开设计降低了部分密度，这有助于减少沉降。在操作中，该结构倾向于摆动或滚动，其中弯曲端向下。

参考图2D，示出了不对称的“C”形状27。在此实施例中，臂29a和29b具有不同的长度并且可以具有不同的宽度。当力(如流体流24)在该流体流中的一个点处施加在形状27a上时，该形状可以由于该流的力在如25a示出的方向上旋转。当该形状27b是在该流体流中的另一个点处并且在旋转后，该形状具有施用到相对臂的力24，引起该形状在如25b示出的方向上旋转。当该形状27c是在该流体流中的另一个点处并且在旋转后，该形状具有施用到相对臂的力24，引起该形状在如25c示出的方向上旋转。这些力和旋转引起该形状在该液体流中摆动和/或滚动，从而降低该形状从该液体流中沉降出来的倾向。在一个实施例中，这些臂之一包括部分31a，该部分具有弧AB，该弧具有比第二臂的部分32b的弧CD更长的长度。因此，图2E中示出的结构的形状是不对称的。

参考图3，示出了大体圆形形状33。该圆形形状可以包括第一大体圆形的具有半径36的延伸部分34。该圆形形状还可以包括第二大体圆形的具有半径40的延伸部分38。当该形状被注入裂缝时，这些圆形延伸部分通过该流体流的力起作用，从而引起该形状在方向32上摆动。在一个实施例中，该第一和第二延伸部分的中心总体上布置在该圆形形状的周长上。在一个实施例中，该圆形形状的截面的面积与较小的延伸部分的截面的面积的比率是约4:1。在一个实施例中，该圆形形状的截面的面积与较大的延伸部分的截面的面积的比率是约2.4:1。

参考图4，示出了斜的H形状。此结构包括如40和42示出的斜的侧壁。斜的侧壁40与水平轴线44之间的角是θ¹并且斜的壁42与该水平轴线的角是θ²。在一个实施例中，至少一个臂的厚度46小于连接器48的厚度。该H形状，当从该流体流在其上施加力时，摆动或滚动或二者。参考图5，示出了扭曲的H形状。纵轴40总体上垂直于侧壁延伸。第一臂对50可以通过连接器48附接到第二臂对52上。该连接器可以相对于纵轴偏移。该第一组臂可以包括斜的平面54，该平面可以相对于纵轴处于λ¹的角度。该第二臂对可以包括斜的平面56，该平面可以相对于纵轴处于角度λ²。当在压裂液中行进时，此形状，考虑扭曲的取向，将摆动、螺旋、滚动或任何组合。

参考图7A到7C，示出了本发明的替代实施例。图7B的形状具有大体上十字的截面，其中臂60a至60d从中心部分68延伸。这些臂可以包括辐射式的部分70。该辐射式的部分可以是圆形的、椭圆的或不对称的。该臂可以包括扁平的部分72。在示于图7A的一个实施例中，臂60a可以包括由第一辐射式的部分64和第二辐射式的部分66限定的凹痕62。每个臂可以包括这种构型。参考图7C，该形状可以大体上是H形状，其中臂具有相对于纵轴73的角β¹。角β¹可以小于45°。臂74a至74d的末端可以包括辐射式的部分76。在一个实施例中，该辐射式的部分的直径75可以大于该臂的长度。在一个实施例中，这些臂可以包括相对于横轴78的角β²。角β²可以大于45°。

使用有限元分析(FEA)，进一步说明图7A至7C的形状。使用18,000psi的压力并且以相对于挤出轴线40°的切割面填充0.5mm乘0.5mm的限定面积，测试这些形状的应力、应变和位移。将这些形状与图4A中示出的形状进行比较，具有以下结果：

这些结构可以通过挤出制造并且可以由矾土、矾土化合物、氧化铝以及莫来石制造。

下表提供了一个实施例中的每个结构的尺寸：

在所有结构上进行沉降测试，使用相同密度材料同时保持整体颗粒尺寸大致一样。将具体结构浸入水中，下降进入积水三英尺而不离开该液体介质，其中以秒测量下落该三英尺距离的时间。将这些结果示于下表中：

以下是当与传统的支撑剂砂相比时来自由氧化铝制成的结构的测试结果。这些支撑剂颗粒沉降阻力测试结果示出了当与具有更小的尺寸和重量的支撑剂砂的降落时间相比时本发明的以上结构的氧化铝颗粒的降落时间的显著增加。在水中沉降期间使全致密的氧化铝支撑剂颗粒的结构滚动并且摆动。与具有类似的整体尺寸和重量的支撑剂砂颗粒相比，此移动将沉降速率降低了大于40％，其中最好的三种设计的范围在57％至81％之间。

在一个测试中，由陶瓷填充的塑料制成的具有约1.65g/cm³材料密度的结构通过以下方式测试：将颗粒浸入水中持续至少10分钟，使该颗粒下降进入填充有水的三英寸直径塑料管中，其中记录该颗粒降落至底部的时间，提供以下结果：

斜的C结构比砂表现的更好。尽管比砂重5倍，这种结构、这种设计表现的良好，其中平均降落时间比砂的降落时间快13％至23％。斜的空心圆柱体比没有斜的侧壁的圆柱体表现的更好。这证实了添加斜的特征以引起颗粒滚动的有效性。在一个实施例中，“C”结构的尺寸图6中示为侧面A 500μm，宽度B 150μm和空间C 200μm。在一个实施例中，在此结构上示为45的6ksi压缩压力将引起该结构经历2.3lbs的公称力。对于具有θ＝360ksi的氧化铝，如目前设计的一种支撑剂颗粒可以承受6lbs的力，160％的安全因数。当该支撑剂颗粒经历一次破碎时，它变成保持空隙的2弓形的片段。阻力系数可以是约2.3。

参考图8，说明了本发明的实施。在80提供具有流体和多个三维结构的压裂混合物。这些三维结构在该流体中携带(其中每个结构具有纵轴、质心和压力中心，其中该压力中心和该质心不以稳定的方式对齐，引起该三维结构在该流体中摆动)，由该流体输送并且注入裂缝中。在82将该压裂混合物在压力下泵送入裂缝以打开地下裂缝，在这些裂缝希望的是移出流体(包括天然气和石油)。在84一旦从该流体去除压力，这些三维结构可以支撑该裂缝打开使得可以从该裂缝中开采天然气或石油或二者。

在一个实施例中，在86可以产生压裂液和常规支撑剂的常规混合物。在88该常规混合物可以在压力下被泵送进该裂缝中。在一个实施例中，该常规压裂液和支撑剂可以被泵送进该裂缝中直到该裂缝的总体积的至少70％在泵送具有三维结构的压裂混合物之前被填充。在一个实施例中，将该常规压裂混合物泵送进该裂缝可以在泵送该常规混合物之前发生。在一个实施例中，三维结构与常规支撑剂的比率取自下组，该组由以下各项组成：0.5:10、1:9、2:8、3:7、4:6以及5:5百万分率。

当用作支撑剂时，在此描述的颗粒可以与常规支撑剂阶段的组合泵送以便实现最优的经济途径。例如，在通过以下方式实现例如更高的支撑裂隙的同时降低沉降速度可能是可能的：首先泵送90％的总体积的常规支撑剂来填充该裂隙的底部并且接着最后填充10％体积的在此描述的颗粒以便与该裂隙桥联并且填充该裂隙的顶部。多种其他比率和方法可以采用，取决于多种因素如井裂隙下入(well landing)深度、穿孔的位置、厚度以及使用的流体的类型。例如，一种应用可以使用80％的常规支撑剂和20％的在此描述的颗粒或反之亦然。其他组合可以具有70％-30％分割、60％-40％分割、或50％-50％分割。在一些地质情况中，如果存在天然裂隙，可能有利的是首先泵送在此描述的颗粒以便实现更好的支撑高度，因此颠倒泵送的顺序。在其他情况下，在此描述的颗粒和常规支撑剂的这种配对可以按多于单一的系列(如3、7或10系列，取决于设计)并且按范围0.5ppg至10ppg、1至9ppg、2至8ppg或3至7ppg的浓度泵送。取决于应用，在此描述的颗粒可以通过尺寸、重量或以其他方式分开。较大的粒度分布可以在工作的开始以低浓度泵送。

应理解的是以上说明和图解旨在是说明性的并且不是限制性的。除了所提供的实例之外的其他实施例以及很多应用将在本领域技术人员阅读以上说明后变得清楚。因此，本发明的范围应该不参考以上说明确定，而是应该反而参考所附的权利要求、连同这类权利要求所授权的等效物的全部范围确定。出于所有目的将所有文章和参考文献(包括专利申请和公开物)的披露内容通过引入结合。以下权利要求中对在此披露的主题的任何方面的省略不是此类主题的放弃，也不应该看作发明人没有将此类主题考虑为所披露的发明主题的一部分。