支撑剂及使用方法

  本发明涉及油气方向，尤其涉及供在通过液力压裂使油气藏增产的方 法中使用的支撑剂。

  液力压裂的原理是在井眼区域的储层中产生裂缝，以^f更增加井眼附近 的渗透性并提高石油产量。利用特殊的流体性质和泵送压力性质来产生这 些裂缝。然而， 一旦泵送结束、压力减小、或者用于液力压裂的液体流回 或除去，则这些裂缝的壁往往会由于储层压力而闭合。为避免这种闭合， 通常是将称之为支撑剂的粒料加到压裂液中。支撑剂与压裂液一起输送到

  裂缝中。理想的情况是在压力减小之后支撑剂保留在裂缝中，以便用;Wfe 方法防止储层的闭合。因此支撑剂必需具有特殊的性能组，如合适的强 度，以便承受长期载荷；多孔性；并且必需具有特定的尺寸。支撑剂必须 足够坚固以便抵抗储层压力，并且重量足够轻以便在沉降之前输送到裂缝 中。因此，尽管大多数材料具备高耐久性和高密度，但最佳支撑剂应具有 高强度和低密度。

  目前，在研究支撑剂技术和化学组成方面的推进力集中在降低支撑剂 的密度上，某些U趋势可以等同于研究把高强度和低密度结合起来的新 材料。 一个领域是研究用来制造支撑剂的低密度材料例如， 一种建议是 利用聚合物粒料，尤其是基于聚苯乙烯二乙烯基苯的颗粒。具有高耐久性 能的低密度铝矾土也已研究出来了。另一个领域是使用复合材料。在美国 专利No. 4,923,714中所i兌明的一种建i义是4吏用带涂层的陶乾支撑剂，所述 涂层用薄的聚合物膜制成，所述聚合物薄膜防止流体渗入支撑剂，从而减小支撑剂的有效密度。在美国专利No. 6,632,527中所述的另一种建议利用 一种基于陶瓷颗粒和聚合物树脂的混合物的复合材料。在美国专利No. 6,528,157中所说明的另一个建议涉及带涂层的颗粒，所述涂层由树脂和含 纤维的材料制造。在美国专利No. 4,547,468中说明了一种空心支撑剂。所 有上述参考文献都引用在此作为参考。

  已知一种将支撑剂输入裂缝的方法是基于减小沉降速率。该效果用几 种方法实现。 一种方法是通过增加用于液力压裂的流体的粘度和密度。然 而，作为压裂液需要用特定的流体密度和粘度。因此，这些性能的任何 大的变化都难以实现。另一种方法是减小支撑剂的密度。然而，在大多数 情况下，支撑剂的密度的减小都导致它的强度减小。使用特别的材料常常导 致显著的成本增加。另一种方法是通过将特殊添加剂，例如聚合物纤维， 加到用于压裂液的流体中，以便通过用机械方法限制支撑剂的沉降来减小 支撑剂沉降速率。

  然而，利用上述这一些方法一般导致成本增加。获得支撑剂的高强度和 低密度的最佳关系的好处不能补偿或抵消生产的额外高费用和复杂性。本 发明的目的是创造具有理想的物理性质的支撑剂，该理想的物理性质在4吏 用时提高经济性和效率。

  一般地说，本发明提供一种支撑剂，所述支撑剂将必需的强度和合适 的浮力结合，上述必需的强度用于防止储层闭合，而上述浮力用于防止支 撑剂在输送到裂缝中时过早沉降。

  本发明的实施例提供一种支撑剂，所述支撑剂包括芯部和由与芯部的 材料不同的材料制造成的外壳，其中外壳用软材料制造，并连接到芯部上， 使得外壳与芯部掩^的那些部位的总表面小于芯部的表面积。因此，外壳 和芯部接合的那些部位的组合的表面积小于芯部的总表面积。外壳可以用 与芯部的材料相比较软的材料形成。

  外壳的材料(例如在水中或在油中)可以是可溶性的或者不溶性的。在某些实施例中，外壳用纤维，更确切地说用聚合物纤维制成。 一根 或多根纤维可以分别与芯部具有一个以上的粘结点。纤维可以沿径向延伸

  等于或大于芯部半径的距离。在芯部的表面上相邻部位处接合的两根或多 根聚合物纤维可以从芯部朝发散方向延伸。或者，在芯部的表面上相邻部 位处接合的两根或多根聚合物纤维可以从芯部以基本平行的方向延伸。聚 合物纤维的不同部分可具有不同的溶解速率。例如， 一部分聚合物纤维 可以是可溶性的，而另一部分聚合物纤维可以是不溶性的。优选的是，聚 合物纤维具有三角形横断面。在另一些实施例中，外壳用海绵状材料制成。 本发明的另 一个实施例提供一种支撑剂，所述支撑剂包括芯部(亦即 主要部分)、和由与芯部材料不同的材料制成并连接在芯部上的连接部分， 其中，连接部分为盘片的形式。该盘片可以用聚合物材料制成。通常，主 要部分基本上是球形，亦即具有约为l的纵横比。芯部优选地连接到盘片 的中央部分上。

  本发明的另 一个实施提供一种支撑剂，该支撑剂包括许多涂覆有外壳 材料的粒料，该外壳材料与粒料材料不同，其中外壳用第一聚合物材料制 成，而粒料通过第二聚合物材料粘结在一起，该第二聚合物材料可以与第 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 结在一起，使得相邻的粒料能相对于彼此挠性地移动。在某些实施例中， 上述许多粒料包括多于两个粒料，并且粒料可以粘接在一起形成链。在另 一些实施例中，上述许多粒料包括多于三个粒料，并且粒料粘接在一起形 成网格。

  本发明的实施例包括一种支撑剂，该支撑剂具有包括主要部分或芯部 以及外壳部分的组合，其中外壳部分连接或联接到芯部上。当在流体中移 动，例如在泵送压裂液期间，本发明的支撑剂通过机械的相互作用来减小 支撑剂的沉降速率、降低支撑剂的有效密度而不减小其强度、或者产生降 落伞效应。

  本发明的实施例的例子通过这样的支撑剂说明，该支撑剂具有包括主 要部分或芯部以及外壳部分的组合，该外壳部分包括聚合物纤维，其中纤 维连接或^t接到芯部上。当在流体中移动，例如在泵送压裂液期间，本发 明的支撑剂通过机械的相互作用来减小支撑剂的沉降速率、降低支撑剂的 有效密度而不减小其强度。

  颗粒物在流体中的沉降速率时，通常使用Stokes定律，并且该Stokes定律

  式中6是颗粒的沉降速率，r是颗粒半径，Ppr是颗粒密度、pliq 是流体密度，ri是流体的粘度，g是重力加速度。从公式可以看出，可通 过增加流体的粘度来降低沉降速率。但是，若规定了液力压裂的技术，则 流体粘度一般由储层特性决定。因此在方程l中实际上只有支撑剂的密度 可以改变。

  改变支撑剂的有效密度的一种方法是将支撑剂涂覆一种其重量比支撑 剂本身轻的材料。 一个例子是聚合物材料。尽管这种方法在技术上有效， 但即使用最便宜的聚合物， 一般成本也是支撑剂的3倍或4倍，因此使这 种方法不实用。

  本发明所用的更有效的方法是通过减小支撑剂的有效密度或者增加颗 粒的有效粒径来降低支撑剂的沉1^1率。

  本发明的实施例包括支撑剂，该支撑剂包括主要部分或芯部、以及包括不连续的软外壳的第二部分。软外壳可以包括例如聚合物纤维、聚合物 海绵或其它材料。参见图1，本发明的某些实施例示意性示出可以怎样形

  成这类支撑剂。如图la所示，芯部101装在外壳102内，其中外壳102 包括许多纤维103。如图lb所示，芯部101装在外壳102内，所述外壳102 示出为海绵状材料104。

  当支撑剂放在流体流，如泵送的压裂液中时，周围的流体被不连续的 软外壳如纤维或海绵夹带或吸收。这导致颗粒的有效粒径(此处用虚线表 示)增加，并因此导致颗粒的有效密度减小。利用Stokes定律(方程1)

  计算表明，为使支撑剂沉降速率减半，纤维尺寸或不连续外壳的厚度应等 于颗粒半径。

  这样，沉降速率可通过增加或减少聚合物纤维的长度或者每单位支撑 剂表面积上的纤维数量来进行调节。增加聚合物纤维的长度能有效减小支 撑剂沉降速率。利用Stokes定律(图1)，可以证明，支撑剂沉f^逸率在 改变之前与之后的比值等于支撑剂有效半径R在改变之后和之前的比值， 并且才艮据下面关系实际上不取决于流体和支撑剂的密度

  也可以通过改变每单位支撑剂表面的聚合物纤维量来调节沉降速率。 增加每单位表面的纤维数起初导致支撑剂沉降速率减小，随着纤维数进一 步增加，导致达到沉降速率最小值。此后每单位表面纤维量的任何增加都 伴随着沉降速率与最小值相比增加。然而，即使用每单位表面更高的纤维 量，支撑剂的沉降速率也仍然小于未改变的(表面未i殳置纤维的)支撑剂 的沉降速率。

  应该注意，支撑剂沉降速率的任何调节还与聚合物纤维的横断面、密 度和厚度有联系。纤维的横断面形状可以是任何形状，例如圆形。优选的 是横断面的形状是三角形，这是从用于不同形状物体的前缘阻力的流体力 学M得出的。

  制备按照本发明的不同实施例所述的支撑剂样品。在室温下测试这些样品在压裂液中的沉降速率。也在相同的条件下测试普通支撑剂的沉降速 率。测试结果表明，按照本发明制备的支撑剂在压裂液中比普通支撑剂沉

  在制造纤维时，优选的是使用具有最小密度的聚合物。尽管在支撑剂 具有较少量聚合物纤维时，纤维的聚合物密度对支撑剂沉降速率没有任何 大的影响，但当有大量纤维时，聚合物密度对有效密度的计算起到很大的 作用。

  使用在储层条件下溶解的水溶性聚合物纤维还具有一些另外的优点。 通过使用具有不一样沉降速率的纤维或者使用不溶性聚合物纤维，可以调节 裂缝中聚合物填料的密度，以便更节省开支。基于不溶性聚合物纤维的支 撑剂对于具有低储层闭合压力的裂缝是有用的。这导致支撑剂未致密地充 填裂缝，并增加裂缝的渗透性。

  本发明的另一实施例包括一种支撑剂，所述支撑剂构造成使用降落 伞效应。在其一般形式中，Stokes定律表示为

  式中6是颗粒的沉降速率，r是颗粒半径，V是颗粒体积，p pr是颗粒 密度、P,iq是流体密度，T!是流体的粘度，g是重力加速度，7T等于3.14。

  可以看出，假如密度、颗粒的体积以及粘度不变，则颗粒半径必须增 加，以便实现沉降速率的减小。增加颗粒半径的一种方式是通过增加少量 另外的材料，例如盘片，来改变芯部，上述另外的材料用类似于降落伞 的方式构造并连接到颗粒上。这类颗粒的例子在图2中示出。图2a示出降 落伞110相对于芯部101的俯视图。图2b示出芯部101和降落伞110的仰 视图，图2c示出侧视图。在本发明的某些实施例中，外壳包括盘片。盘片 可以由不同的材料制造成，并且优选的由聚合物制成。

  本发明的另一实施例包括由两个以上颗粒构成的支撑剂。例如，可以 生产由单个颗粒形成的链，如串珠或网格。颗粒或粒料涂覆有聚合物材料， 并用相同类型或另外类型的聚合物材料粘结成链。粒料之间的距离可以具有不同长度，但优选的AA够使链具有所需的挠性。链的长度或者串珠的 尺寸大小也可以改变(从几亳米到几厘米)，这取决于地面设备(例如，

  Schlumberger POD 搅拌器)的工作能力和在油井中的孔眼尺寸。在制 备压裂液期间，链和串珠将交织，从而形成类似于凝胶中复杂网格的物质。 这些网格可以通过以有目的的方式粘合而产生。支撑剂颗粒将粘附到网格 上，并且支撑剂的损失将减至最小。

  在生产这些链时，可以使用不同种类的可降解和不可降解的聚合物。 颗粒必须用这种方式涂覆，使得它们通过聚合物制成的线，，相互接合。

  为了避免由于地面设备的工作能力或穿孔直径而引起的链长度上的任 何限制，(形成链的)过程直接在裂缝内进行，在此期间支撑剂颗粒可以 聚集成链，或者其它的聚合方式可以提供获得支撑剂链或网格的其它方法。 在这些自聚合的过程中，可以应用大不相同的力一一化学力(例如，緩慢 释放使支撑剂颗粒粘结的聚合物)，物理力(例如，磁力或其它相互作用) 或才几械力。

  本发明为支撑剂的构造及其4吏用提供了各种不同的实施例。这些实施 例可以提供一种高强度和低密度的组合，以防止支撑剂在被输送到裂缝期 间过早沉降，并防止裂缝在储层压力下闭合。还可以在裂缝闭合之后使支 撑剂的损失减至最少。

  尽管已结合上述示例性实施例说明了本发明，但本领域技术人员根据 文中公开的内容可以容易地进行各种等效的修改和变型。因此，应认为上 述本发明的示例性实施例是说明性的而不是限制性的。可以对上述实施例 进行各种改变，而不会脱离本发明的精神和范围。

  1. 一种支撑剂，包括芯部和外壳，其中外壳连接到芯部上，使得芯部上接合有外壳的各部位的总表面积小于芯部的表面积，并且制成外壳的材料比制成芯部的材料软。

  3. 如权利要求2所述的支撑剂，其特征在于， 一根或多根聚合物纤维 在多于一个部位与芯部粘结。

  4. 如权利要求2所述的支撑剂，其特征在于，从纤维与芯部连接部位 开始计算的纤维的长度等于或大于芯部的半径。

  5. 如权利要求2所述的支撑剂，其特征在于，所述聚合物纤维中的至 少 一 些用可溶性材料制造成。

  6. 如权利要求2所述的支撑剂，其特征在于，外壳包括具有不同溶解 度的聚合物纤维。

  7. 如权利要求2所述的支撑剂，其特征在于，外壳包括具有三角形横 断面的聚合物纤维。

  11. 如权利要求10所述的支撑剂，其特征是，所述盘片包括聚合 物材料。

  13. —种支撑剂，包括两个或多个涂覆有外壳的粒料，制成外壳的材 料与制成粒料的材料不同，其中外壳包括聚合物材料而粒料用聚合物材料 粘结。

  14. 如权利要求13所述的支撑剂，其特征是，粘结粒料的聚合材 料与制成外壳的聚合物材料相同。

  15. 如权利要求13所述的支撑剂，其特征是，所述聚合物材料中外壳包括海绵状材料。 海绵状材料是聚合物。的至少一种是可降解的。

  17. —种压裂与井目M目交的储层的方法，包括将含有支撑剂的压裂液 注入井眼以压裂储层，其中，支撑剂包括芯部和外壳，外壳连接到芯部上， 使得芯部上接合有外壳的各部位的总表面积小于芯部的表面积，并且制成 外壳的材料比制成芯部的材料软。

  18. 如权利要求17所述的压裂方法，其特征是，外壳包括聚合物 纤维。

  19. 如权利要求17所述的压裂方法，其特征是，外壳包括海绵状 材料。

  21. —种压裂与井目M目交的储层的方法，包括将含有支撑剂的压裂液 注入井眼以压裂储层，其中，支撑剂包括两个或多个涂覆有外壳的粒料，制成外壳的材料与制成粒料的材料不同，外壳包括聚合物材料而粒料用聚 合物材料粘结。

  22. —种调节支撑剂沉降速率的方法，该方法有提供支撑剂，该支 撑剂包括芯部和外壳，该外壳包括聚合物纤维，其中，纤维连接到芯部上， 使得芯部上连接有纤维的各部位的总表面积小于芯部的表面积；该方法还 包括增加或减少纤维的长度，或者增加或减小芯部每单位表面积的纤维数。

  一种支撑剂，包括芯部和外壳，制成外壳的材料与制成芯部的材料不同。外壳包括软材料，该软材料刚性地连接到芯部上，使得外壳与芯部接合的部位的总表面积小于芯部的表面积。

  发明者A·米德维德夫, D·M·威尔伯格, M·J·米勒, M·布洛娃 申请人:普拉德研究与开发有限公司

  技术研发人员：M.J.米勒;D.M.威尔伯格;A.米德维德夫;M.布洛娃

  在基础液体中包含碳水化合物系增稠剂、盐和支撑剂的井处理液，和制备方法及用图

  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

  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