CN102695847B - 水力压裂系统 - Google Patents

Abstract

给出了用于压裂地层的方法，尤其是在致密地层中的远场，其中至少一部分支撑剂在泵送期间、在裂缝闭合期间的某一时刻，或在裂缝闭合期间随后经历的较高应力下在原位是可压碎的。将闭合应力或流体静应力进行估算，接着对在该闭合应力下至少部分可压碎的支撑剂进行选择，然后用至少一部分总支撑剂进行压裂处理，该总支撑剂是所选的可压碎的支撑剂。

Description

水力压裂系统

发明背景

水力压裂是增加烃产生的有效方法。该方法涉及在超过地层应力的压力下，通过钻井孔将压裂流体泵送入地下地层(即存储层)中。将支撑材料放入产生的裂缝中以防止其闭合，其因此提供了烃从存储层至钻井孔的畅通流动路径及增强的运输。

该水力压裂技术在很大程度上基于材料：含它们多种组分的流体和含任选辅助微粒的支撑剂。该支撑剂材料旨在于地层闭合应力下提供增强的裂缝水力传导度。支撑剂设计都集中于若干材料特性，其包括：a)在地层闭合应力下的抗压强度或抗压碎性，以避免产生细粉，该细粉已知会破坏支撑剂充填层的传导度；b)低的比重，以将支撑剂放入含适当粘度流体的裂缝深处；c)具有光滑颗粒表面和一致粒度分布的基本上是球形的支撑剂微粒形状，以最大化支撑剂充填层的渗透性；和d)低的材料成本。通常在所述性能之间进行权衡。作为实例，支撑剂抗压碎性(其为材料机械强度的特性)常与所需支撑剂的低密度和低成本矛盾。支撑剂的选择也极大地取决于可显著变化的目标存储层的性能。因此，虽然支撑剂充填层传导度常被看作是主要的支撑剂特性，但在某些情况下，它可换来其它的收益。在非常致密的存储层中，即使裂缝传导度非常低，仍然会产生用于从该地层进入的烃的适合流动路径。

可能期望有一种便宜的支撑剂，将该支撑剂可通过低粘度流体容易地运输至裂缝地层深处，并且无需具有低的比重、粒度或形状一致性或强度。

发明概述

本发明的一个实施方案是一种水力压裂由钻井孔穿透的地下地层的方法，包括步骤(a)估算裂缝中的闭合应力，(b)选择可压碎的支撑剂，该支撑剂在使用所述闭合应力的压碎测试中产生超过约20%的细粉，和(c)将在载液中的该支撑剂的浆料注入该地层中。可压碎的支撑剂可能是，例如，以球体、平板、圆盘、杆、圆筒、片晶、薄片、薄板、鳞状体、壳、小片、壳体、块及其混合物的形式。可压碎支撑剂可能是至少两种不同形状颗粒的混合物，其具有至少两种不同的压碎强度。可压碎的支撑剂可能包含至少两种不同材料的颗粒，其具有至少两种不同的压碎强度。可压碎的支撑剂可能完全地或部分是陶瓷空心球体、玻璃或陶瓷微球体和微球、空心微珠、子母球(plerpsphere)及那些材料的组合。可压碎的支撑剂可能部分或完全由具有闭合孔隙的材料组成，例如玻璃和陶瓷、岩石和矿物质、聚合物和塑料、金属和合金、复合材料、生物材料及那些材料的组合。该具有闭合孔隙的材料可能具有纤维状、弓形/多孔的、网孔、网孔/多孔的(cellular)、蜂巢状、泡状、海绵样或泡沫结构及这些结构的组合。可压碎的支撑剂可能由较细的材料组成，该材料已经通过凝聚或结合形成大颗粒。可压碎的支撑剂可能被涂覆。可压碎的支撑剂可能以浆料中的总固体的约10%至约100%的浓度使用。可压碎的支撑剂应在使用地层闭合应力的压碎测试中产生超过约10%，优选超过约15%的细粉。

在本发明的另一个实施方案中，在步骤(c)之后注入浆料，在该浆料中支撑剂是不可压碎的。变换支撑剂类型的循环可能被重复多次。不可压碎的支撑剂在使用地层闭合应力的压碎测试中应产生小于约6%至约20%的细粉，例如在用于不同网孔尺寸的支撑剂的API RP56中所描绘的。任选地，可将一部分可压碎的支撑剂在步骤(c)期间压碎，和/或可将一部分可压碎的支撑剂在步骤(c)之后当裂缝闭合时压碎。

在其它实施方案中，地层可能具有小于约0.001mD的渗透性，并且支撑剂负荷可能小于约4.88kg/m²。该支撑剂任选地包括至少为10重量%的云母或空心微珠或那些材料的混合。任选地，可将该支撑剂连续地加入注入地层的载液中。可选择所述材料的压碎强度，以便至少一部分压碎在井最初清理之后发生。在类似的支撑剂浓度下，相对于注入常规的支撑剂，表面处理压力可降低。沉降速度可能小于150微米砂的沉降速度。

又一个实施方案是一种水力压裂由钻井孔穿透的地下地层的方法，包括步骤(a)估算材料将在泵送期间所暴露的液压，(b)选择可压碎的支撑剂，该支撑剂在使用所述液压的压碎测试中产生超过约20%的细粉，和(c)将在载液中的支撑剂的浆料注入所述地层中。流体静压力可在注入步骤期间改变以控制可压碎的支撑剂材料的压碎，例如注入速率可增加。

附图简述

图1显示直径刚好小于导管的球形支撑剂颗粒。

图2显示在裂缝中的平板状颗粒充填层。

图3显示在不同支撑剂负荷和不同闭合压力下白云母的实验性支撑剂充填层传导度。

图4显示在不同闭合应力下云母充填层传导度对支撑剂负荷的依赖性。

图5显示在不同闭合压力和不同流速下以0.49kg/m²的支撑剂负荷的白云母MD250的实验性支撑剂充填层传导度。

图6显示在不同闭合应力下以0.49kg/m²的支撑剂负荷的空心微珠和云母传导度数据。

图7比较常规压裂砂和云母薄片的实验性沉降速度。

图8显示当液压增加导致支撑剂颗粒压碎时，在工作期间的压力分布图。

发明详述

尽管下列讨论强调了压裂深入致密的地层，但本发明的支撑剂和方法可用于任何压裂环境。本发明将以处理垂直井的方式进行描述，但同样适用于任何方向的井。本发明将对烃生产井(气体、油、冷凝物)进行描述，但不应理解为本发明可用于生产其他流体(例如水或二氧化碳)的井，或例如注入井或储气井。还应理解，整个这份说明书，当浓度或量的范围被描述为有用的，或适合的等等，其意指在该范围内的任何或每个浓度或量，包括终点，都将视为已被规定。此外，各数值应按术语“约”所修饰的读出一次(除非已经如此明确地修饰)，然后不按如此修饰再次读出，除非在上下文中另有规定。例如，“1-10的范围”将读为表明沿约1至约10之间的连续数字的每一个可能的数字。换句话说，当表达某个范围时，即使仅仅很少的具体数据点被明确地鉴定或被指出在该范围内，或甚至当未指出数据点在该范围内时，应理解，本发明人领会和理解的是：在该范围内的任何和所有数据点都将视为已被规定，而且本发明人具有该范围内的全部范围和所有点的所有权。

我们已发现了利用可压碎微粒水力压裂的方法，该方法提供了不显著依赖于闭合应力的足够的和经济有效的裂缝传导度。此外，这样的微粒也可用于远场(深入远离钻井孔的存储层)递送支撑剂至复杂的裂缝网络中，在该裂缝网络中不可经现行方法放置高强度支撑剂。该可压碎的微粒可能的应用包括非常规存储层，例如致密的含气油页岩，因为在这样的存储层中需要的支撑剂传导度可相对较低，并且支撑剂的运输性能变得更加重要。(术语支撑剂此处用于指具有足够抗压强度以保持裂缝开放的材料。)在本发明的一个实施方案中，由于流动通道的开放，球形或非球形微粒的压碎导致在充填层中有效孔隙度的相对增加。闭合应力对支撑剂充填层传导度的影响显著减弱，正如充填层压缩和总的充填层孔隙度减少一样，有效孔隙度一部分增加。在本发明的另一个实施方案中，空心和/或高孔隙度的轻量微粒被递送至裂缝深处，其中它们被地层闭合应力压碎，但仍然向裂缝提供了足够的传导度，因为它由最初微粒的碎片支撑。

所有的支撑剂在一些闭合应力下是可压碎的，所以在过去支撑剂可能都超过了它们的压碎强度被不注意地使用。这一直都被视为对处理效力和成功有害，但我们现在已经发现在某些情况下它可能有利于在提出的压裂处理中估算将会经受的闭合应力，然后选择在这种情况下将会基本上被压碎的支撑剂。不是所有的支撑剂都适合作为本发明的可压碎的支撑剂；它们在注入时应具有某些性能(例如慢的沉降)和当被压碎时的某些性能。例如，基础材料可能有足够的强度以支撑地层应力，但可能在结构方面和/或在材料的机械设计或结构方面有缺陷，这导致了将在地层闭合应力下断裂的弱点。当使用大支撑剂尺寸时，压碎后产生细粉可能是个问题，因为细粉限制了该大支撑剂充填层的传导度。然而，在本发明中，选择颗粒在泵送期间进行压碎，以产生有效运输的小颗粒，或在裂缝闭合期间以产生足够的传导度。相关性能包括尺寸和形状；也可使用不同尺寸和/或形状的混合物。并且，一些形状的抗压碎性应小于有效应力。当使用形状的混合物时，一些形状应具有基本上不同的压碎强度且可能超过有效应力。例如，在流体静压力下压碎的空心球体支撑剂材料，可用于产生有效运输和支撑地层闭合应力的小的、强硬的颗粒。

人们普遍接受的是，支撑剂压碎是非常不期望的，因为它导致形成细粉，该细粉填充支撑剂充填层的孔，因此降低了该层的水力传导度。在过去已经做出了重大的努力以开发高强度支撑剂(HSP)，并且许多这样的产品为市售。大多数HSP基于陶瓷材料并且特征在于相对高的成本和高的比重。

优选的平板状支撑剂是分层的岩石和矿物质；最优选的是云母，例如白云母。一些此类材料可能是可压碎的并适合用于本发明。

我们将平板状颗粒定义为具有三个平均尺寸的一种颗粒，其中最大尺寸是最小尺寸的至少两倍，并且第三个尺寸可小于或等于最大尺寸。因此，厚度小于二分之一直径的圆盘适合作为平板状颗粒。也可使用杆状和纤维状颗粒。优选的是，这样的颗粒应具有至少约2的长宽比，最优选至少约3；优选它们应具有约5mm的最大长度，最优选约3mm。这样的颗粒可由例如玻璃或陶瓷组成，或可由天然来源例如玄武岩纤维、石棉纤维等组成。

在支撑剂开发中的另一个趋势把轻量的和极轻量的微粒作为目标。这些支撑剂旨在用于非常规存储层(即气页岩、致密气砂岩)，在该存储层中滑溜水被用来作压裂液。滑溜水通常是减阻剂的稀溶液(将聚合物加入以减少泵压)，其粘度通常不超过约10mPa-s。将滑溜水处理以大体积泵送入含气页岩中以产生复杂的裂缝网络，据信，该网络能提高气体产生。因为递送支撑剂至具有低粘度流体的该裂缝网络中是具有挑战性的，所以用于滑溜水处理的支撑剂开发的常规方法是要降低该支撑剂比重。已将基于聚合物复合材料的轻量支撑剂商业化；它们通常具有从约1.08至约1.25g/cm³的比重。这些支撑剂主要的问题是它们的成本，但它们在技术上适合于本发明。

因此，将其它适合的支撑剂描述于美国专利4,547,468中，其公开了空心细粒的陶瓷支撑剂，该支撑剂在闭合应力超过5000psi(34.5MPa)下具有等于或大于Ottawa砂的压碎强度。并且适合的是，美国专利7,220,454和美国专利申请公布20070154268描述了高强度多晶陶瓷球体，以及制备氧化铝或铝酸盐空心球体的方法，该方法通过用铝氧烷(alumoxane)涂覆聚合物微珠，加热该颗粒以将铝氧烷转化为氧化铝，通过用溶液洗涤从涂料内部移除聚合物微珠，并烧结所得的空心颗粒以得到高强度的α-氧化铝球体。也适合作本发明中支撑剂的是在美国专利申请公布No.20070154268、20070166541、20070202318和20080135245中描述的那些；这些公开的支撑剂具有适合的抗压碎性和/或浮力如通过比重所示。这些支撑剂通常用模板材料和在模板材料上的壳体制备；该壳体是陶瓷材料或其氧化物或金属氧化物。该模板材料可能是空心球体并可能是单一颗粒，例如空心微珠。

本发明的观点仅在利用空心颗粒作为用于真实的支撑剂运输媒介物上不同于描述空心轻量支撑剂的前述专利和专利申请以及其它专利。在本发明中的支撑剂材料不是颗粒本身，而是它们的碎片。这样的一种方法彻底改变了支撑剂材料的设计，因为并没有强化微粒的需要，而是它们可能是可压碎的，并且可选择以提供可能最好的压碎材料的传导度。

在球形颗粒充填层中的应力分布通常是相当一致的；然而，超过临界压缩应力颗粒就开始压碎。虽然此前据信支撑剂颗粒压碎对充填层渗透性不利，但这不一定正确。任何人都可考虑一个简单的理论实验(参见下面的实施例1)，该实验显示在一定的情况下支撑剂压碎实际上可增加渗透性。如果压裂浆料含有在闭合应力下易受压碎的微粒，然而，这样的压碎可能诱导在充填层中产生通道(流动路径)，并因此提高了渗透性，该渗透性随后不受闭合应力量级显著影响。可压碎的微粒可能是近似球形的，或以平板、圆盘、片晶、薄片、薄板、圆筒、杆、鳞状体、壳、小片、壳体及其混合的形式(参见下面的实施例2和3)。如果不是球形，可压碎的微粒可能具有任何长宽比。

或者，压裂浆料可能含有低比重的可压碎的微粒。这样的微粒材料可选自多种轻量的材料，包括但不限于，陶瓷空心球体、玻璃微球体和微球、空心微珠、子母球(炭和灰空心微珠，所述空心微珠其空洞被灰和其它材料的较细的颗粒填充)、多种多孔材料，包括岩石和矿物质、陶瓷、水泥、聚合物；以及多种复合材料及这样的材料的混合物。优选的材料是空心微珠、由铝和二氧化硅组成的空心球形陶瓷颗粒，其是煤燃烧的副产品并存在于粉煤灰(fly ash)中。该颗粒充满空气，并且表观比重为约0.4至约0.8g/cm³。它们的主要用途是作为用于水泥的填充料，以制备低密度混凝土(参见下面的实施例4)。然而，可能很容易通过低粘度流体即滑溜水实现将这样的轻量颗粒放入裂缝或复杂裂缝网络深处，因为该颗粒通常是有浮力的。当裂缝闭合时，微粒易受压碎，其产生了颗粒碎片，该颗粒碎片仍然支撑远端裂缝开放，因此提供了足以用于烃生产提高的渗透性。

或者，本发明的可压碎的支撑剂可能由具有闭合孔隙的材料组成的微粒，例如玻璃和陶瓷、岩石和矿物质、聚合物和塑料、金属和合金、复合材料、生物材料以及这样的材料的组合。具有这样的闭合孔隙的材料可能具有纤维状、弓形/多孔的、网孔、网孔/多孔的、蜂巢状、泡状、海绵样或泡沫结构以及这样的结构的组合。任何支撑剂在足够的闭合压力下都是可压碎的支撑剂。

或者，由于在泵入存储层中期间遇到的流体静压力，本发明的可压碎支撑剂可能被压为碎片。在这种情况下，在泵送期间在原位产生了细网孔支撑剂材料。一个实例是细网孔材料，将其以粒状的/丸状的形式递送至该位置。在泵送或裂缝闭合期间压碎聚集物降低了粉化和在表面处遇到的其它处理风险。空心微珠和其它脆性微粒分入这一类；它们压碎的至少一部分可能发生在泵送期间，而未必在地层闭合应力下。

或者，该支撑剂可能包括平板状的混合物，或如其它实例的杆状或圆筒状和近似球形的颗粒或不规则的颗粒，以便该平板或如其它实例的杆或圆筒在层之间限制球体或不规则的颗粒。这增加了平板充填层，或如其它实例的杆状或圆筒状材料的渗透性。然后，在应力下，该球体可能是用于该平板破裂的失效点(如果它们比平板的强度低)或起始点(如果它们具有比平板更高的压碎强度)。在平板任何破裂发生之前，球体的渗透性应更高。

优选的是，本发明的可压碎支撑剂的压碎产生了比母粒小少于一个数量级的微粒。压碎材料的尺寸分布可通过实验例如下面所描述的API RP 56测试来确定。

可将所有或部分可压碎的颗粒涂覆以增加它们的强度，改变它们的可湿性，提供较高的闭合孔隙度和因此更好的运输性能，降低细粉的形成，减少在泵送期间的摩擦或减少它们彼此的粘附。用于提高性能的适合材料可包括四价疏水或亲水吸附剂、吸附的表面活性剂、聚硅酮、氟碳化合物或赋予该颗粒所需的表面性的聚合物。作为另一个实例，可压碎的支撑剂可用树脂涂料涂覆，该树脂涂料可提供更高的抗压碎性，因此在应力较低的井的最初返流期间提供了较高的传导度，以增强流体清理，然后将树脂涂覆的颗粒在生产期间在较高应力下压碎，以产生细网孔充填层。而且，该颗粒表面可通过化学或光学方法来蚀刻，以使表面粗糙而不光滑，以增强渗透性。

本发明的支撑剂和方法特别适合于非常致密的地层，如本文所用，其涉及渗透性小于约1毫达西，并且在多种实施方案中，小于约100微达西、小于约10微达西、小于约1微达西，或小于约500毫微达西的地层。这些地层具有如此低的渗透性，以至该井可有效受激，在一个实施方案中全部或原生最终裂缝传导度近似为0.3-30mD-m(1-100mD-ft)，和/或次生和/或再生裂缝近似为0.0003-3mD-m(0.001-10mD-ft)，其中应理解次生裂缝指通常长度和/或宽度相对较小、从原生裂缝分支的裂缝，并且再生裂缝指通常长度和/或宽度相对较小、从次生裂缝分支的裂缝。作为一个实例，本发明的可压碎的支撑剂可用于处理渗透性小于0.001mD的地层，在该地层中支撑剂负荷小于约4.88kg/m²(1lb/ft²)，优选小于约2kg/m²(0.5lb/ft²)。作为另一个实例，本发明的可压碎支撑剂可用于处理地层，在该地层中产生的裂缝基本上不是横向的，但可能包括诱导横向和横向流动路径的混合物；将该支撑剂在整个诱导的流动路径网络中进行运输。可将可压碎的支撑剂不断注入，或可将较大颗粒团块(slug)用于促进运输。

因为最终支撑剂充填层的效果不依赖于赋予裂缝流动传导度的在注入时的支撑剂充填基质的孔隙度或渗透性，所以选择较宽范围的支撑剂材料的选项的可用性在本发明的实施方案中是有优势的。例如，支撑剂可能具有混合范围、可变的直径、形状、强度或在至少一些支撑剂的闭合以及压碎之后产生适合支撑剂充填层的其它性能。如果注入的支撑剂在性能上是一致的，那么至少一些支撑剂一定会被压碎；如果支撑剂是不同材料或一种材料的混合物(例如仅仅是尺寸和/或形状的混合物)，那么不同支撑剂中的至少一个在闭合条件下一定会是至少部分可压碎的。可压碎颗粒由流体中的总颗粒的约10%至约100%组成，优选约30%至约100%。流体中可压碎的颗粒的优选浓度是约0.1至约1200kg/m³(10ppa)，最优选约120kg/m³至约240kg/m³(0.1至约2ppa)。其它的支撑剂材料可能，例如是常规支撑剂材料，例如砂、陶瓷、烧结铝土矿、玻璃微珠、矿物质、聚合物、塑料、天然存在的和复合材料以及这些材料的组合。

任选地，常规支撑剂可能用于填充较接近钻井孔的部分裂缝，在该钻井孔中由于产生的裂缝的尺寸和几何形状，本发明的可压碎支撑剂的优势可能并不需要。(较接近钻井孔，通常为较宽的和不复杂的裂缝。)该常规支撑剂可具有超过闭合压力的压碎强度。该常规支撑剂材料可能，例如是常规支撑剂材料，例如砂、陶瓷、烧结铝土矿、玻璃微珠、矿物质、聚合物、塑料、天然存在的和复合材料以及这些材料的组合。

任何表面和钻井设备，任何泵送安排表，和任何压裂或滑溜水流体都可能与本发明的可压碎支撑剂和方法一起使用，条件仅仅是，可压碎的颗粒在它们到达最终充填层的位置之前基本上未被设备破坏。任选地，可将设备/支撑剂设计为在放置之前—例如在钻井孔(在原位压碎)中破坏支撑剂，参见下面的实施例7。常规用于压裂或滑溜水流体的任何添加剂也可使用。当随运输常规支撑剂方面存在困难的低粘度流体(例如滑溜水)应用时，可采用较高浓度的可压碎支撑剂降低沉降速度。或者，可淘汰交替地使用少量没有支撑剂的滑溜水和有支撑剂的滑溜水的实践，而支撑剂可连续地加至滑溜水中。本实践减少了对经济有明显影响的水的使用，并简化了泵送操作。全部支撑剂的量和浓度也可与用没有可压碎支撑剂的类似流体处理类似地层相同。

虽然据信存在基本的联系，但材料压缩强度和支撑剂抗压碎性之间的相关性仍未报道过。后者通常在不同应用负荷下根据在特定压碎池中的API RP 56方法对常规支撑剂进行估算。产生的细粉通过筛分分析测定，并与API RP规定的数据比较。定义本发明可压碎微粒支撑剂最简单的方法是定义它们为不符合API RP 56抗压碎性规格的支撑剂。因此要注意，我们定义“细粉”为：由压碎最初的支撑剂产生的任何颗粒。

API RP 56将可压碎测试描述为在具有保持平行和应用负荷的压板的压力机中进行；该池通常具有5.08cm(2英寸)的内部直径和8.89cm(3.5英寸)的活塞长度。将给出网孔尺寸范围的支撑剂在19.5kg/m²(4lb/ft²)的浓度下放入该池中，该浓度对于所描述的池是40g，并且通过插入活塞和朝一个方向旋转活塞来对准。将负荷应用，花费1分钟以达到最大，并保持2分钟。将该负荷释放并将支撑剂移除，并在摇动筛粉器中筛分10分钟。小于所负荷的最小网孔尺寸的任何颗粒都视为细粉。将结果与表1中给出的建议规格相比较。

表1

从下列实施例可进一步理解本发明。

实施例1：

具有固定内径的管道充满与该管道内径几乎相同的脆性球形支撑剂颗粒(参见图1A)。在这种情况中，在应用闭合应力之前，该管道的渗透性几乎为0；即使充填层的总孔隙度可能相当高，但可用于流体流动的孔隙度却可忽略不计。一旦应用外部闭合应力，并且内径减少，该支撑剂颗粒就开始压碎(图1B)，总充填层体积减少，总充填层孔隙度也减少。然而，支撑剂压碎导致孔隙开放，以及相对有效孔隙度(其为总孔隙度的一部分)增加，这导致在该管道中渗透性增加。

实施例2：

对于非球形材料，例如平板，该作用甚至可更显著，因为与在第一个实施例中的那些条件相比，在后面情况中的条件更接近于在本领域中遇到的那些条件。也考虑了在裂缝中具有平行壁(parallel wall)的非球形颗粒，例如平板。没有任何外部应用的应力，该颗粒是随机取向的(除了可能由运输流体流动诱导的某些方向外)，并且大部分充填层孔隙度受限(参见图2A)。一旦应用应力，该颗粒易于与该壁排成一行，并且它们中的一些被压碎，打开了流动通道(参见图2B)。因此，闭合应力对充填层渗透性的作用可能会相当复杂，并且渗透性和有效孔隙度通常可随应用于该充填层上的闭合应力增加。也可用杆和/或圆筒来获得类似的结果。

实验室实验

材料

商品白云母样本从Minelco Specialties Limited，Derby，UK获得。它被指定为MD250；在代码中的数字表示以微米计的约最大薄片直径。这些云母颗粒的厚度为约20-25微米。制造商描述该材料为干粉的、高度分层的硅酸铝钾白云母薄片，其熔点约1300℃、比重约2.8、在水中为10%浆料时pH为约9，并为柔韧的、有弹性的、坚硬的，并具有高的长宽比。该MD250材料的99.9%小于250微米，10-50%小于125微米，以及0-15%小于63微米。

空心微珠从Sphere Services，Inc.，Oak Ridge，TN，USA获得；它们是轻量的、惰性的、由二氧化硅和氧化铝构成并填充有空气和/或气体的空心球体。空心微珠是燃煤发电厂的燃烧过程自然生成的副产物，并且它们具有与制造的空心球产品大多数相同的性质。制造商给出的尺寸是10-350微米。

标准传导器

该传导器由用自动水力含硼铁合金的90,700kg(100吨)负荷压力机和具有64.5cm²流动路径的API传导池组成。该仪器可获得138MPa的最大闭合应力和177℃的最高温度。该传导池的温度由接触该池一侧的电热压板控制。将精密计量泵用于在返流和传导度测量期间通过该池泵送盐水。该泵从20I返流存储层抽出2wt%KCl盐水。将该盐水真空脱气并充氮以防止金属氧化物引入支撑剂充填层中。在进入传导池之前，将该盐水通过二氧化硅饱和系统来泵送。将Rosemount压力表(具有690Pa、62kPa和2MPa的上限)用于测量穿过该传导池的压力降。将数字的线性可变位移传感器或望远镜测宽仪用于测量芯之间的距离以监测裂缝宽度。该传导器自动用于控制闭合应力斜坡、流动进度表和温度，以及提供数据采集和实时传导度/渗透性计算。

裂芯器

将由Chandler Engineering(Broken Arrow，OK，USA)获得的(FRT)6100型结构响应测试仪用于裂芯传导度测定。将支撑剂充填层放置在插入橡胶套管中的两个金属半圆柱状芯之间，代替传统的圆柱状岩芯样本。用手动液压泵将封闭压力应用于该套管。全自动芯流量计使操作者将通过芯样本的不同流体(包括酸类)排序。该系统设计为在高达177℃温度下处理酸类和其它腐蚀性的流体。所述芯可能直径达3.81cm，长度高达17.1cm。操作压力和温度限制在41.4MPa和177℃上。流动方向是可变的；从顶部穿过该芯的表面流向底部，并且从底部至顶部(系统冲洗)都可以。使用两个Rosemount精密的压差传感器穿过芯样本来测定压差。在执行测试期间，根据精密度要求的范围和水平，使用0-2.75MPa的压差传感器或0-41.4MPa传感器来测定传导度。

实施例3：

在2.44和9.77kg/m²的支撑剂负荷下白云母MD250充填层的传导度用标准传导器测量，然而采用特殊预防措施以避免由于低的支撑剂充填层渗透性产生的寄生流(parasitic flow)。(与常规支撑剂充填层相比，平板状云母颗粒的充填层的特征在于在充填层中非常低的传导度和非常规的应力分布。Ohio砂岩芯通常用于API传导度测试；然而在我们的情况中通过这样的芯的流动是可能的，该流动会强烈影响传导度的结果。由于在该池中非常高的压力降(高达1.72MPa(250psi))，其它寄生流或许存在过，例如沿该传导池壁的流动。云母充填层的传导度测量已遇到了其它挑战。使用的特殊预防措施包括：a)利用铝芯替代砂岩芯；b)将该芯边缘用室温硫化的橡胶密封；c)将该池壁用硅真空脂封闭。)在0.49kg/m²及以下的支撑剂负荷下该云母充填层的传导度用裂芯器来测量。用于云母充填层的稳态传导数据图示于图3中。该充填层的传导度仅仅很弱地依赖于该支撑剂负荷，如图4中所示。在支撑剂负荷的该范围内，期望传导度与支撑剂负荷成比例。在该充填层中通道的形成却降低了这种依赖性，如图4中所示。

实施例4：

0.49kg/m²云母充填层的传导度被发现很强地依赖于流速，如图5中所示。当将传导池拆卸开时，可观察到在云母充填层中的通道形成。流速越高，可看到的通道就越多。

实施例5：

测量0.49kg/m²空心微珠的传导度并与云母的传导度相比。该空心微珠显示在闭合应力在14MPa以上时，由于颗粒破坏传导度强烈下降，如图6中所示。然而，保留的传导度却可足以从极其低的可渗透的非常规存储层中提高生产，例如气页岩(其中传导度与1.4mD-cm(0.05mD-ft)一样低)在次生和再生裂缝中是可接受的。

实施例6：

静态支撑剂沉降测量在滑溜水中执行，该滑溜水包含含有0.05wt.%基于聚丙烯酰胺的减阻剂的自来水。将该流体放入标尺固定在其侧面的500ml刻度量筒中。一部分支撑剂浆料(在滑溜水中的支撑剂，按体积计为1:1)用刮铲慢慢导入圆筒中，并且将沉降前沿每隔1-2秒进行拍照。将下降前沿的路径进行计算，并将终末沉降速度根据曲线路径对时间的线性部分来确定。对在各流体中的各材料都进行三次平行测量，并将速度平均。该沉降速度示于图7中。云母薄片比广泛用作支撑剂的常规硅砂显示了显著更慢的沉降速度。空心微珠根本没显示出任何沉降，作为颗粒浮在滑溜水表面上。

实施例7：

在工作期间液压变化可用来控制支撑剂颗粒的压碎。这使得在表面处理操作期间避免细网孔支撑剂材料粉化。如图8所示，在相对低的处理流速下液压也保持低的，而且不影响支撑剂颗粒。一旦压力增加超过颗粒的液压强度，它们就开始在钻井孔中或在裂痕中压碎并产生细粉。

Claims (15)

1.一种水力压裂由钻井孔穿透的地下地层的方法，包括(a)估算裂缝中的闭合应力或材料在泵送期间所暴露的液压，(b)选择可压碎的支撑剂，所述支撑剂在使用所述闭合应力或所述液压的压碎测试中产生超过约20％的细粉，和(c)将在载液中的所述支撑剂的浆料注入所述地层中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述可压碎的支撑剂是选自下列的形式：球体、平板、圆盘、杆、圆筒、片晶、薄片、薄板、鳞状体、壳、小片、壳体、团及其混合物。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述可压碎的支撑剂包含至少两种不同形状的颗粒，所述颗粒具有至少两种不同的压碎强度。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述可压碎支撑剂包含至少两种不同材料的颗粒，所述材料具有至少两种不同的压碎强度。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述可压碎的支撑剂选自陶瓷空心球体、玻璃或陶瓷微球体和微球、空心微珠、子母球及其组合。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述可压碎的支撑剂包含具有闭合孔隙的材料。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述具有闭合孔隙的材料选自玻璃和陶瓷、岩石和矿物质、聚合物和塑料、金属和合金、复合材料、生物材料及其组合。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述具有闭合孔隙的材料有纤维状、弓形/多孔的、网孔、网孔/多孔的、蜂巢状、泡状、海绵样或泡沫结构或其组合。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述可压碎的支撑剂包含较细的材料，所述材料已经通过凝聚或结合形成较大颗粒。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述可压碎的支撑剂被涂覆。

11.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述可压碎的支撑剂占浆料中的总固体的10％至100％。

12.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(c)之后注入包含不可压碎的支撑剂的浆料。

13.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述地层具有小于约0.001mD的渗透性，并且所述支撑剂负荷小于约4.88kg/m²。

14.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中对所述材料的所述压碎强度进行选择，以便至少一部分所述压碎在所述井的最初清理之后发生。

15.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中在类似的支撑剂浓度下相对于注入常规支撑剂，所述表面处理压力降低。