电气地导电的支撑剂以及用于检测、定位和特征化该电气地导电的支撑剂的方法
【专利说明】电气地导电的支撑剂以及用于检测、定位和特征化该电气 地导电的支撑剂的方法
[0001] 政府利益的声明 本发明在为美国能源部运营的CARBO Ceramics，Inc?与Sandia National Laboratories之间的CRADA(SC11/01780. 00)下做出。政府在此发明中拥有某些权利。
【背景技术】
[0002] 本发明的实施例大致涉及地质构造（formation)的水力压裂（hydraulic fracturing)，并且更具体地，涉及用于检测、定位和特征化在气体、石油或地热储备的水力 压裂刺激中使用的电气地导电的支撑剂（proppant)的电磁（EM)方法。本文中所描述的方 法涉及电气地激励在裂缝（fracture)的深度处的裂缝处或裂缝附近的土地，并且测量在 土地表面处或在相邻的井/钻孔（borehole)中的电和磁场响应。本发明的其它实施例涉 及用于形成电气地导电的支撑剂的成分和方法，该电气地导电的支撑剂用于在检测、定位 和特征化此类支撑剂的电磁方法中使用。
[0003] 为了刺激且更有效地从井下（downhole)构造（尤其是带有低的孔隙度和/或低 透水性的构造）产出碳氢化合物，含碳氢化合物构造的诱发压裂（称为"压裂操作（frac operation)"，水力压裂"或简单地称为"压裂（fracing)"）已经是常使用的技术。在典型 的压裂操作中，流体在高压下栗送到井下，引起构造在钻孔周围压裂，产生了促进碳氢化合 物流入钻孔中的高渗透性的导管（conduit)。这些压裂操作可在水平且偏离的（以及垂直 的）钻孔中进行，并且在无套管（uncased)井的间隔部（interval)中或在套管（cased)井 中经由穿孔（perforation)进行。
[0004] 在垂直井中的套管钻孔中，例如，高压流体经由穿孔来穿过套管和周围的结合 剂（cement)离开钻孔，并且通常在常发现石油和气体的较深构造中的薄的大致垂直的片 状裂缝中引起构造压裂。这些诱发压裂大致从井孔（wellbore)侧向地延伸可观的距离 进入周围构造中，并且垂直地延伸，直到裂缝到达在期望的压裂间隔以上和/或以下的不 会容易地压裂的构造。构造内的最大和最小的水平应力的方向确定了诱发裂缝的方位角 (azimuthal)定向。一般地，如果在井下栗送的流体（有时称为楽；（slurry))并不含有在流 体压力放松时留在裂缝中的固体，则裂缝会再闭合，并且失去大部分渗透率导管增益。
[0005] 这些固体（称为支撑剂）通常由砂粒（grain)或陶瓷颗粒（particle)构成，并且 用于在井下栗送这些固体的流体常设计成足够粘性的，使得当流体在井下移动且移出进入 诱发裂缝中时，支撑剂颗粒仍裹挟（entrain)在流体中。在产生压裂构造之前，也在压裂流 体浆中在井下栗送的称为"破裂物（breaker) "的材料在期望的时间延迟之后降低压裂流体 的粘性，使这些流体在生产期间能够容易地从裂缝除去，将支撑剂颗粒留在诱发裂缝中的 位置上，以保持裂缝不会闭合且由此大致排除产物流体流过那里。
[0006] 在称为"水压裂"或"滑溜（slick)水压裂"的压裂操作中，支撑剂还可以以低粘 性流体来置于诱发裂缝中。水压裂中的压裂流体是带有很少聚合物或其它添加剂或者没有 聚合物或其它添加剂的水。由于所使用的流体的较低成本，水压裂是有利的。另外，在使用 交联（cross-linked)聚合物时，重要的是破裂物是有效的，或流体不可从裂缝回收，有效 地限制构造流体的流动。由于流体不是交联的，故水压裂并不依赖于压裂物的有效性。
[0007] 常使用的支撑剂包括天然出现的砂、树脂涂层（coated)的砂和陶瓷支撑剂。陶瓷 支撑剂典型地由天然出现的材料（如高岭土和错土质粘土（bauxiticclay))制成，并且相 比于砂或树脂涂层的砂提供了很多优点，优点主要由制造的陶瓷的抗压强度和它们高度球 形的颗粒形状引起。
[0008] 尽管诱发压裂已是碳氢化合物储备的产生中高度有效的工具，但由此过程提供刺 激的量很大程度上取决于生成新裂缝或者产生或延伸现有裂缝的能力，以及通过支撑剂的 适当放置来保持与裂缝连接的能力。在没有适当放置支撑剂的情况下，在水力压裂期间生 成的裂缝可趋于闭合，从而减小水力压裂处理的利益。然而，用于检测、定位和特征化支撑 剂在离井孔相对远距离处的裂缝内的放置且因此确认此类放置是否已为适当的可靠方法 是不可用的。
[0009] 当前现有技术的支撑剂识别技术限于离井孔的相对短的距离（最大12英寸到18 英寸）。放射性和非放射性示踪剂和支撑剂目前用来推断支撑剂在附近井孔区域中的存在。 需要更好地知晓支撑剂在水力压裂的远场区域中的放置。
[0010] 用于大规模水力压裂测绘的以前的工作在Bartel,L.C.、McCann,R.P?和 Keck,L.J?的"Useofpotentialgradientsinmassivehydraulicfracturemapping andcharacterization"中归纳，这是为美国石油工程师学会的第51届秋季技术展会（New Orleans，1976年10月3-6日，paperSPE6090)准备的。在此之前的工作中，测量了在土 地表面处的垂直压裂井周围的电压电极的两个同心圆之间的电势差。井在井套管的顶部处 或裂缝的深度处电气地激励。电接地（electricalground)在位于离压裂井大约一英里距 离处的井处建立。此时，并未考虑接地线用作发射天线的事实。用于压裂过程的水含有氯 化钾（KC1)以增强其导电性，并且裂缝使用非导电砂来支撑。使用了 1Hz的重复率的方波 输入电流波形，并且仅测量了电压差幅度。使用基于从井套管和裂缝泄漏进入均质土地中 的电流的基本理论的电压被使用来产生预期的响应。将现场数据与来自基本模型的结果相 比较示出了可推断裂缝方位，然而，由于模型并未说明裂缝的细节，故其它裂缝性质不可使 用基本模型来确定。
[0011] 检测、定位和特征化置于离套管井孔超过若干英寸的距离处的水力压裂中的支撑 剂的位置的方法目前是不可用的。此类用于在支撑剂材料置于裂缝中之后检测、定位和特 征化支撑剂材料的方法将是有利益的。
【附图说明】
[0012] 通过参照以下描述和用来图示本发明的实施例的附图可最佳地理解本发明。在附 图中： 图1为用于如本文中所描述的从浆制备大致圆形和球形的颗粒的系统的示意性图示。
[0013] 图2为垂直井或斜井的几何布局的图，其中绘出了具有变化的电气和机械性能的 土地的层。
[0014] 图3为横穿了带有支撑剂填充的裂缝的含碳氢化合物区域的安装的水平井孔套 管柱（casingstring)的示意图，其中绘出了具有变化的电气和机械性能的土地的层。
[0015] 图4为水力压裂测绘系统的示意性横截面图示，其绘出了用于将电流引入井孔中 的两个实施例，即，在表面处激励井孔，以及经由带有在井孔中的穿孔附近的沉子（sinker) 杆的线绳来激励。
[0016] 图5为水力压裂测绘系统的示意性平面图示。
[0017] 图6为水力压裂测绘系统的示意性透视图示。
[0018] 图7A为电气地绝缘的套管接头的示意性图示。
[0019] 图7B为电气地绝缘的套管圈（collar)的示意性图示。
[0020] 图8为用于测量支撑剂电阻的测试系统的示意性图示。
[0021] 图9为用于各种支撑剂样品的电阻率（欧姆?厘米）对闭合压力（psi)的图表。
[0022] 图10为用于涂布有铝的CARB0Lite20/40和标准EconoProp20/40样品的混合物 的电阻率（欧姆?厘米）对闭合压力（psi)的图表。
[0023] 图11为用于涂布有错的Hydroprop40/80和标准Hydroprop40/80样品的混合 物的电阻率（欧姆?厘米）对闭合压力（psi)的图表。
【具体实施方式】
[0024] 在以下描述中，阐释了许多具体细节。然而，所理解的是，本发明的实施例可在没 有这些具体细节的情况下实施。在其它情况中，公知的结构和技术并未已详细示出，以免使 本描述的理解模糊。
[0025] 本文中描述的是用于检测、定位和特征化在气体、石油或地热储备的水力压裂中 使用的电气地导电的支撑剂的电磁（EM)方法。本文中还描述了电气地导电的烧结的大致 圆形和球形的颗粒，以及用于由含有矾土（alumina)的原材料的浆制备用作电磁方法中的 支撑剂的此类电气地导电的烧结的大致圆形和球形的颗粒的方法。当在本文中使用时，用 语"大致圆形和球形"和相关形状限定为表示大约0. 8或更大的最小直径与最大直径的平 均比，或相比于Krumbein和Sloss图表具有大约0. 8或更大的平均球度值。
[0026] 根据本发明的实施例，下文中称为"电气地导电的支撑剂"的电气地导电的烧结的 大致圆形和球形的颗粒可由常规支撑剂（如陶瓷支撑剂、砂、塑料珠和玻璃珠）制成。此 类常规支撑剂可根据任何适合的过程来制造，包括但不限于连续的喷雾雾化、喷雾流化、 喷雾干燥或压缩。适合的常规支撑剂及用于它们的制造的方法在美国专利号4, 068, 718、 4, 427, 068、4, 440, 866、5, 188, 175和7, 036, 591中公开，它们的整个公开内容通过引用并 入本文中。
[0027] 陶瓷支撑剂在性质上（如表观比重）得益于开始的原材料和制造过程而改变。当 在本文中使用时，用语"表观比重"是颗粒的每单位体积重量（克每立方厘米），包括内部孔 隙。低密度支撑剂通常具有小于3.Og/cm3的表观比重，并且典型地由高岭粘土和其它矾土、 氧化物或硅酸盐陶瓷制成。中等密度的支撑剂通常具有大约3. 1到3. 4g/cm3的表观比重， 并且典型地由铝土质粘土制成。高强度支撑剂通常由带有矾土的铝土质粘土制成，并且具 有高于3. 4g/cm3的表观比重。
[0028] 电气地导电的材料（如金属、导电聚合物或导电纳米颗粒）可在这些支撑剂中的 任一者的制造过程中加入，以产生适于根据本发明的某些实施例使用的支撑剂。适合的金 属包括铝、铜和镍，并且可加入来产生具有按重量大约5%到大约10%重的金属含量的支撑 剂。
[0029] 适合的导电聚合物包括聚（3,4 -乙烯二氧噻吩）、聚（对苯乙烯磺酸钠） (PED0T:PSS)、聚苯胺（PANI)和聚吡咯（PPY)，并且可加入来产生具有按重量从大约0. 1% 到大约10%的导电聚合物含量的支撑剂。适合的PED0T:PSS、PANI和PYY导电聚合物为 Sigma-Aldrich市售的。下文在示例2中描述了用于以导电聚合物来涂布支撑剂的过程的 某些具体实施例。
[0030] 适合的导电纳米颗粒包括石墨、单壁或双壁碳纳米管