CN107406754A - 新支撑剂及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于水力压裂的新支撑剂。所述支撑剂具有芯基质和轻质基质。所述轻质基质包含多个复合物颗粒、填料和粘合剂。所述填料具有所述多个复合物颗粒粒径分布的约5%至约20%的粒径分布。可任选将另外的添加剂加到轻质基质。所述粘合剂使轻质基质粘合到芯基质，以制备具有约1g/cc比重的支撑剂。支撑剂可随载液在压裂液中移动，而不是快速沉降或漂走。

Description

新支撑剂及其使用方法
相关申请交叉引用
本申请要求2015年1月12日提交的美国临时申请号62/102,558和2015年1月13日提交的美国临时申请62/102,846及2015年7月6日提交的美国临时申请号62/188,840的优先权，其全部内容通过引用结合到本文中。
关于联邦资助的研究或研发的声明
无。
共同研究协议方名称
无。
背景
支撑剂用于水力压裂操作，并在压裂处理期间或之后加到压裂液，以保持诱导水力裂缝打开。支撑剂组成取决于操作类型和/或所用压裂液而变化。近来已努力改善流动性质和化学输送支撑剂。
尽管改善支撑剂已作了努力，但大多数支撑剂的比重在约2.20g/cc至约3.67g/cc之间，使支撑剂在水力裂缝中快速沉降和/或过早桥断(bridge off)。例如，已用氮泵送并涂覆某些支撑剂，以产生薄表面活性剂涂层，使氮层结合到支撑剂颗粒。氮临时减小支撑剂的表观比重，据报道改善支撑剂输送约25%。已用在水合时膨胀的聚合物涂料研发另一种支撑剂。在正泵送时，涂料有效减小支撑剂的密度。然后，一旦在水力裂缝中沉降，聚合物随常规破解剂溶解。
也有“X”形状而不是球形的高阻支撑剂。形状设计成与其它颗粒互锁，以减少支撑剂流回，据报道增加阻力，并减小沉降率约27%。另外，基于聚合物的流体的原位支撑剂在裂缝内形成球形颗粒。这种支撑剂中的颗粒由催化剂和储器温度活化。
已用更粘性凝胶在悬浮液中保持常规支撑剂。然而，不完全去除或清除注入地层的这些复合凝胶导致由于堵住大部分产生的水力裂缝显著损伤地层。
试图改善支撑剂一般经受高成本和/或缺乏压缩强度。为了补偿高成本，为了很好地提高生产率，可以很低浓度泵送支撑剂，以在“支撑剂填充”顶上形成单一高传导性层(单层)。然而，已很少证明这种方法在商业上有效。因此，今天很少泵送超轻质支撑剂刺激地层。另外，由于低压缩强度，这些支撑剂的商业应用一般限于浅低压地层。
因此，为了以远比用常规支撑剂可能的小的环境影响更有效地刺激地层，需要具有新的和改善的性质的支撑剂。
概述
本发明提供用于水力压裂方法的新支撑剂。本发明的支撑剂包含芯基质和粘合到芯基质的轻质基质。芯基质在本文中有时也被称为“重基质”。轻质基质在本文中经常被称为轻质涂料或“LWC”。轻质基质包含：(1)多个复合物颗粒；(2)填料；和(3)粘合剂。复合物颗粒和填料可分别包含单一类型材料，或者可以为两种或更多种类型材料。填料可以为与复合物颗粒相同的材料，或者为不同材料。然而，填料具有多个复合物颗粒平均粒径分布的约5%至约20%的平均粒径分布。粘合剂使轻质基质粘合到芯基质。
使轻质基质的组分(复合物颗粒、填料和粘合剂)与芯基质结合，以提供具有约1.0g/cc比重的支撑剂。
如本文所述，通过泵送中质支撑剂，中质支撑剂随载液(一般为水)移动，而不是泵送会快速沉降的较重常规支撑剂或会漂走的超轻支撑剂，可更有效地刺激地层。因此，本发明提供的支撑剂随注入的压裂液流动，而不沉降或漂走，并且可显著改善载液效率，而不需要过高流体速度或增强粘性的化学物质。
附图详述
图1为本文提供支撑剂的实施方案的图示。
图2为描绘与常规支撑剂比较制备本文所述支撑剂的潜在成本的图表。
图3为复合物颗粒作为玻璃微球的实施方案的显微图像。
图4A、4B、4C和4D为在1000X放大下硅藻土的显微图像。
图5为在300X放大下膨胀珍珠岩的实施方案的显微图像。
图6为天然沸石的实施方案的显微图像。
图7A为包含砂、珍珠岩材料、硅藻土和树脂的本文所述支撑剂的实施方案的图示。图7B为包含中强度陶瓷、陶瓷粉、硅藻土和树脂的本文所述支撑剂的实施方案的图示。图7C为包含铝土矿、铝土矿、硅藻土和树脂的本文所述支撑剂的实施方案的图示。
发明详述
如图1中所示，支撑剂2包含芯基质4，且轻质基质6粘合到芯基质4。芯基质4在本文中有时也称为“重基质”。轻质基质6在本文中经常被称为轻质涂料或“LWC”。轻质基质6包含：(a)多个复合物颗粒8；(b)填料10；和(c)粘合剂12。多个复合物颗粒8和填料10可分别包含单一类型材料，或者可包含两种或更多种不同类型材料。填料10可以与为复合物颗粒8相同的材料，或者为不同材料。然而，填料10的平均粒径分布为多个复合物颗粒8平均粒径分布的约5%至约20%。粒径分布指从标准筛分析或激光衍射或激光衍射分析仪测定，颗粒材料的质量加权粒径分布。平均粒径分布指粒径分布的质量加权平均值。
通过使用高强度粘合剂，轻质基质6(或LWC)以特定比例粘合到较重基质4(芯基质)，本文提供的支撑剂2可具有多种形状、大小、密度和强度。通过改变基质4、6的相对比例，可定制支撑剂2的大小、形状和密度，以促进浆料输送、支撑剂强度和支撑剂填充流动性质。对于设计成为球形或圆形的支撑剂，支撑剂的球度和圆度检测应至少为约0.7，如Krumbein/Schloss图上所示。或者，本文中提供的支撑剂可具有棒状形状。通过改变用于制备支撑剂2的基质和粘合材料的类型，也可定制支撑剂2的压缩强度和热稳定性。
应用这种新技术包括水力压裂和化学处理地层。这种水力压裂方法利用流体混合物，在本文中也称为“压裂液”或“压裂流体”，包含载液和支撑剂。压裂液在压力下泵送入井，以在目标地质地层中诱导裂缝。裂缝使更多地层暴露于操作人员，且提供导管使烃(天然气和油)流到井孔。压裂液的具体组成取决于多种因素，包括深度、温度和许多地质学考虑。
然而，通过泵送支撑剂2，支撑剂随载液移动，而不是泵送会快速沉降的较重常规支撑剂或会漂走的超轻支撑剂，可更有效地刺激地层。本文所用载液可以为水、盐水、基于水的泡沫或基于烃的流体。载液通常为：(1)淡水；(2)低盐度盐水(约5000ppm至30,000ppm盐度)；或(3)高盐度循环压裂水(在约50,000ppm至280,000ppm盐度之间)。载液也可以为用二氧化碳或氮起泡的水，或者可以为基于烃的流体，例如，死原油、柴油、精炼矿物油或液化天然气(“LNG”)。
水力压裂方法通常利用包含支撑剂、载液(上述)和一种或多种添加剂的压裂液。因此，添加剂可涂在支撑剂2的LWC 6上和/或包埋于其中，以提供甚至更有效化学输送和分布产物。由于本文所述支撑剂2加热到地层温度或支撑剂2缓慢破碎以释放添加剂，化学添加剂可设计成随时间释放。可用于轻质涂层6的添加剂包括但不限于防垢剂、表面活性剂、铁螯合剂、杀生物剂、盐抑制剂和/或粘土稳定剂。
本发明的支撑剂2“有中浮力”，或者具有约1g/cc比重。支撑剂2可由滑溜水或其它低粘性流体与粘胶流体一样有效地输送，而没有另外的成本、化学品和凝胶损伤。本文所述支撑剂2可保持在有滑溜水的悬浮液中，就象常规支撑剂保持在有粘胶的悬浮液中一样。因此，可用凝胶压裂组合物评价利用这些新支撑剂和滑溜水的水力压裂的流体体积、泵速和支撑剂浓度。
如本文中提供，比重指材料或物质的密度比参比材料的密度。在本申请中，所有材料的比重与水参比。“表观比重”指在材料的计算体积包括孔隙时多孔材料的比重。多孔材料的表观比重总是小于作为实体物质的材料的实际比重。
如本文中进一步提供，“表观密度”或“堆积密度”指在材料的计算体积包括孔隙时多孔材料的密度。多孔材料的表观或堆积密度总是小于实体材料的实际密度。
支撑剂2的大小可基于支撑剂2中所用组分的组成和支撑剂2的目标比重。可通过以下公式估计支撑剂2大小，假定LWC 6和填料10二者均为球形，且具有0.7或更大的测量球度和圆度，如Krumbein Sloss图上所示。
如本文所述，LWC 6的厚度可取决于制备支撑剂2所用基质和支撑剂2的设计比重而变化。LWC 6的厚度可通过以下公式估计：
制备支撑剂2所用各材料的量取决于复合物支撑剂的所需性质而变化。计算复合物支撑剂所用各材料重量和体积的公式由以下公式提供：
本发明的支撑剂2的物理性质取决于制备支撑剂所用的材料。可制备不同类型支撑剂2，以通过适当选择组分材料满足或超过预测地层条件。虽然极端地层压力和温度可能需要特殊材料，但大部分刺激应用在允许从多种材料制成复合物支撑剂的较低地层压力和温度出现。本文中提供的支撑剂设计成抗破碎和腐蚀，具有低密度，并且可容易以低成本得到。
芯基质4可以为具有足够压缩强度以在地层压力和温度下抗破碎或变形的任何材料。芯基质的压缩强度优选在约3000psi(磅/平方英寸)至约20,000psi之间，并取决于地层压力。如部分在以下预示实施例中所述，此类材料可包括但不限于高纯度硅砂、铝土矿(氧化铝)、高岭土陶瓷、硅藻土、珍珠岩、沸石和玻璃。芯材料4可为多孔，只要开孔不损害芯基质的压缩强度。芯基质的球度和圆度优选为0.5或更大，如在Krumbein Sloss图上所示。
轻质涂层6可以为比重显著小于芯基质4比重的任何材料。芯基质的比重优选在约2.0g/cc至约3.67g/cc之间。LWC的比重优选在约1.5g/cc至约7.5g/cc之间。
下表1确定用于轻质涂层6的某些材料。
表1
更具体地讲，如图3中所示，对于本文所述多个复合物颗粒8和填料10，可使用玻璃微球(微球、玻璃泡、空心球等)。玻璃微球为轻质而耐久的材料，例如轻质混凝土、复合泡沫(syntactic foam)，能沉入水中和深海钻油设备。这种微球为在复合物材料中用作轻质填料和用于复合物以填充聚合物树脂的玻璃的空心薄壁球。玻璃微球可具有100纳米至5毫米直径大小。航空航天、汽车和医药工业已用微球在漆料、塑料、腻子、胶泥、玻璃纤维、清漆、树脂、水泥和医药中用作轻质填料。
同样，对于多个复合物颗粒8和/或填料10，可使用天然硅藻土(DE)。DE为浮游植物的化石化骨架残余物，也称为硅藻。DE一般为类似于白垩的白色粉末状矿物，且其是大于90%非晶氧化硅。在将天然DE加热到超过1000℃(和/或化学处理)以使非晶氧化硅转化成结晶氧化硅时，产生经煅烧DE。加热过程驱除任何水，并硬化DE结构。经煅烧DE主要用于很多过滤应用，包括用于游泳池的过滤介质。在图4A、4B、4C和4D中显示在1000X放大下硅藻土的实例。
另外，对于多个复合物颗粒8和/或填料10，可使用珍珠岩。珍珠岩由纯氧化铝硅酸盐玻璃的火山岩浆流沉积于地球表面上形成，其中熔融玻璃冷却且随后水合水。珍珠岩矿物本身的纯度和与原有表面物质混合的程度在矿物沉淀物之间有相当大变化。
在将粒状珍珠岩矿石加热到约1,600℉至约2,400℉时，形成膨胀珍珠岩。珍珠岩颗粒软化变成熔融玻璃。各珍珠岩颗粒内的水快速释放为蒸汽。这一过程引起实质瞬时形成部分破碎、低堆积密度、多室颗粒，也称为膨胀珍珠岩。一般制备过程保证一致地制备薄壁颗粒，该颗粒可研磨和/或空气分级成具有高可预测物理和化学性质的很低密度过滤助剂。在300X放大下的膨胀珍珠岩显示于图5中。
也可用天然沸石作为多个复合物颗粒8和/或填料10。天然沸石为独特类型的具有筛选和阳离子交换性质的微孔火山矿物。天然沸石显示于图6中。
填料10可以为具有多个复合物颗粒平均粒径分布的近似约5%至约20%的平均粒径分布(“PDS”)的任何材料。填料10填充由多个复合物颗粒8在一起填充而产生的空隙空间。在施加应力时，填料10将增加LWC的强度。填料10将减少制备支撑剂所需粘合剂的量，并减小支撑剂2在封闭应力下的总体变形。支撑剂2的颗粒的物理和化学性质依填料10的性质而变。不需要填料10为轻质材料，因为它只占LWC 6总体积的约15%至约30%。然而，通过具有低表观比重的填料10，可使LWC 6更薄。填料10可以为但不限于一种或多种下表2中所示的材料。
表2
粘合剂12可以为有效使LWC 6粘合到芯基质4的任何材料。粘合剂12进一步防止微颗粒破解支撑剂2和堵塞压裂填充。粘合剂12可涂覆芯基质4并保护芯基质4免受地层流体潜在分解。用于实施本发明的支撑剂2的粘合剂12为线型酚醛清漆树脂。粘合剂12可以为泡沫，只要泡沫中的空隙不显著降低粘合剂12的强度和粘合性质。虽然线型酚醛清漆树脂优选作为树脂涂覆支撑剂的粘合剂12，但其它可用粘合剂12包括聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)共聚物、聚氨酯、聚氯乙烯(PVC)和丙烯酸类聚合物。选择合适粘合剂12取决于多种因素，包括但不限于粘合剂的成本、地层温度和压力。
一般本文所述支撑剂可用类似于制备树脂涂覆支撑剂2所用设备的设备制备。以下提供制备支撑剂2所用的三种示例性方法。
粘性芯过程：在此方法中，首先使芯基质4与酚树脂混合。树脂涂覆的芯基质4经空气干燥约4小时，或直至粘合剂变粘。在旋转窑中在约150℉向芯基质4加入多个复合物颗粒8和填料10，并在16rpm下鼓转约5至8分钟。加入组分的过程在增量步骤进行，以得到支撑剂2所需的比重。LWC 6的涂层厚度取决于多个复合物颗粒8和芯基质4在旋转窑中的鼓转速率和时间长度。一旦完全涂覆，就使树脂在250℉下固化约4小时。
粘性LWC过程：在这种方法中，填料10和多个复合物颗粒8首先与液态粘合剂12混合，如环氧树脂或酚树脂，以产生LWC 6。使粘合剂12冷却成固体。然后将芯基质4加热到600℉，并批量混合加热的芯基质4与轻质基质6。随着芯基质4接触和熔融粘合剂12，芯基质4变得被LWC 6涂覆。LWC 6的厚度取决于混合机的鼓转速度和芯基质4在混合机中的时间长度。在已涂覆芯基质4后，使粘合剂12在250℉固化约4小时。
粘性树脂过程：在这种方法中，芯基质4、多个复合物颗粒6和填料10同时作为薄膜喷到粘性或半固体树脂上。然后使这些组分在旋转窑中在250℉鼓转约5至约8分钟。在粘合剂12(树脂)接触各种这些组分时，形成支撑剂2。LWC的涂层厚度取决于芯基质4和复合物颗粒8在旋转窑中的鼓转速率和时间长度。在已充分涂覆芯基质4后，使粘合剂12在250℉固化约4小时。
支撑剂2的物理和化学性质从实验室试验确定。一般用于油田支撑剂的某些性质在下表3中列出。
表3
本文中提供的支撑剂2可在表面流动回路中试验，以测定管摩擦系数和支撑剂沉降速率的槽模型。流动试验将在两个阶段进行。流动试验的第一阶段测定在不同流速在一定范围浓度下流动通过不同大小的标准油田管的滑溜水中支撑剂2的浆料的管摩擦。计划要试验的管大小为2⅞”、3½”、4½”和5½”管。流速以10bpm增量从约10bpm变化到约120bpm。对于所有流动试验，减摩擦剂保持在约1.0ppt的恒定浓度。浆料中支撑剂2的浓度在任何所给流动试验期间不变，但随各后续流动试验以0.5ppa增量增加，覆盖约0.5ppa至约8.0ppa支撑剂浓度试验范围。流动试验的第二阶段将在垂直、水平和多翼槽模型中测定支撑剂2的沉降速率。所有三个类型的模型中的槽宽¼”。该试验比较本发明的支撑剂、Ottawa砂、中强度陶瓷(“ISP”)和铝土矿支撑剂的沉降性质。然后可用沉降速率的相关性更新压裂设计所用的现有压裂模型。
水平槽模型试验在长水平横向长度上支撑剂2的输送差异。用垂直槽模型测定具有不同表观比重和筛目大小的支撑剂的沉降速率。多翼槽模型将帮助量化复杂裂缝网络中的支撑剂输送。多翼槽模型将测定对于不同支撑剂类型、表观比重和筛目大小的支撑剂2在主通道、第二通道和第三通道沉积的量。
支撑剂2的大部分成本取决于制备支撑剂所用材料的综合成本，而不是制备成本。下表4显示多种组分材料的宽范围的成本和压缩强度。
表4
例如，本发明的支撑剂2可与普通Ottawa砂竞争成本，或通过选择不同材料组分制得足够强，以与陶瓷和铝土矿支撑剂竞争。Ottawa砂是当今在世界上使用的最普通的支撑剂。通过用低成本中强度材料制备，本文所述支撑剂2可与Ottawa砂基于体积竞争成本。因此，用于支撑剂2的基本配方由用于芯基质4的Ottawa砂、用于LWC 6的硅藻土或膨胀珍珠岩和作为粘合剂12的酚树脂组成。通过用氧化硅粉或陶瓷粉代替硅藻土填料，可产生另外的压缩强度。通过首先用陶瓷材料然后用铝土矿代替填料和芯基质，可渐进产生更大的压缩强度。支撑剂的成本随支撑剂的压缩强度增加而增加。图2为与现有常规支撑剂比较制备本文所述支撑剂2的潜在成本的图。
通过本文所述支撑剂2提供某些其它优点。通过在水力压裂过程中使用支撑剂2，烃回收率可增加约50%到400%，而只使用所需压裂液量的约5%至25%。与当前滑溜水压裂加工所需的泵设备量比较，支撑剂2可用较少泵以较低速率泵送，以减少空气污染和柴油消耗约20%至50%。为了在水力压裂操作期间更有效化学输送和分布进入地层，可用防垢剂、表面活性剂或其它化学添加剂涂覆或包埋支撑剂2。简要地讲，本文中提供的支撑剂2有中浮力，以刺激从地层生产。为了在水力压裂操作期间更有效化学输送和分布进入地层，可用防垢剂、表面活性剂或其它化学添加剂涂覆或包埋支撑剂2。
另外，本文中提供的支撑剂2为中质，或具有约1.0g/cc的堆积密度或比重，并用于用滑溜水或其它低粘度流体泵送，用于水力压裂地层。轻质涂层6可包括与填料和粘合剂(例如预固化树脂)一起结合的陶瓷或铝土矿材料，以粘合到芯基质4，并用于提供在水中有中浮力的支撑剂2。
用LWC 6涂覆的芯基质4增加其浮力，从而在水中有效输送支撑剂。在轻质涂层中包含的填料10增加刚度，并减小在地层应力下LWC 6变形。填料10也增加支撑剂的压缩强度，并帮助保持支撑剂填充传导率。填料10可以为与LWC 6相同或不同的材料。
混合LWC 6与预固化树脂的方法可制备具有标准支撑剂筛目大小的中浮力树脂涂覆支撑剂2，例如12/20、20/40、30/50和40/70筛目大小，这能够用淡水、滑溜水、线性凝胶、交联凝胶、泡沫和其它压裂液输送。如上提到，为了在水力压裂操作期间比从单独化学处理更有效地化学输送和分布进入地层，也可用防垢剂、表面活性剂或其它化学添加剂涂覆或包埋支撑剂2。支撑剂2可用滑溜水或其它低粘性流体保持在悬浮液中，从而允许流体恰好与粘胶输送常规支撑剂一样有效地输送支撑剂2，而没有另外的成本、化学品和凝胶损伤。
支撑剂2可在复杂非常规地层中有效。这些类型地层倾向于形成复杂分支或树枝状裂缝。裂缝的复杂性可产生倾向于抑制有效输送常规支撑剂的曲折通道。在水移动通过树枝状裂缝时，本文所述支撑剂2可随滑溜水移动，且不象常规支撑剂那样容易地桥断，直至遇到远区微裂缝。通过以较小支撑剂大小开始，然后随着水力裂缝出现渐进增加支撑剂的大小，可优化支撑剂2。这允许最小支撑剂进入接近裂缝尖端的微裂缝，同时较大支撑剂提供到井孔的较高传导性通道。因此，与常规支撑剂比较，本文所述支撑剂2显著增加支撑裂缝长度，并增加刺激的地层体积。
在过去的70年，油气工业一直在致力于改善、提高和改进淡水的物理性质，以在水力压裂地层期间使支撑剂输送达到最大程度。两种最普通的方法是利用粘胶系统化学增强和从高泵速利用高流体速度机械增强；然而，支撑剂确实不变。在过去，砂、陶瓷和铝土矿支撑剂一直是最普通的泵送常规支撑剂。如上提到，常规支撑剂也包括高纯度硅砂、树脂涂覆砂和高岭土陶瓷。常规支撑剂也包括超轻质支撑剂，例如，本发明为了与常规支撑剂比较改善输送通过裂缝研发的特种支撑剂。这些特种支撑剂包括超轻质支撑剂，例如，热塑性珠料和涂覆的核桃壳，其表观比重一般在约0.35g/cc至约0.65g/cc之间。然而，由于其高成本和低压缩强度，特种支撑剂很少使用。它们的商业应用限于浅低压地层。为了补偿其高成本，为了很好地提高生产率，可以很低浓度泵送某些现有技术超轻质支撑剂，以在“支撑剂填充”顶上形成单一高传导性层(单层)。已很少证明这种方法是商业可行的。因此，今天很少泵送超轻质现有技术支撑剂用于刺激地层。
有两种主要方法或技术用于水力压裂地层。目前用于北美的最普通压裂方法是滑溜水压裂。在这种方法中，具有减摩擦剂表面活性剂的水在约70bpm至约200bpm之间泵送，且低浓度支撑剂在约0.1ppa至约4.0ppa之间逐渐加入。减摩擦剂一般为以约0.5ppg至1.0ppg加入的聚丙烯酰胺聚合物。需要高泵速保持水力裂缝打开和输送支撑剂。由于滑溜水低粘度(约1cp至约3cp)，支撑剂几乎立即沉降。因此，支撑剂开始接近井孔形成“砂丘”。需要大体积压裂水使小部分支撑剂从“砂丘”顶部移入产生的裂缝的其余部分。典型的压裂滑溜水以约10,000bbls至约25,000bbls水和约50,000至约300,000lbs支撑剂泵送。在水平井中，约20至约60压裂滑溜水将沿着井孔横向或水平区段长度泵送。
其它主要压裂方法是凝胶压裂。在此方法中，将交联或线型聚合物加到水，以使支撑剂悬浮于溶液，同时泵送支撑剂。然后加入化学物质，以破解聚合物，使其从水力裂缝中流出。用于凝胶压裂的最普通聚合物是以约10ppg至约60磅/加仑(“ppg”)加入的瓜尔聚合物。也可用以约30ppg至约100ppg加入的聚丙烯酰胺聚合物代替瓜尔聚合物。然后加入化学物质，以使单独聚合物链一起交联。根据聚合物浓度，交联剂使聚合物的粘度增加到约200厘泊(“cp”)至约4000cP。通常交联剂有效作用需要pH改性剂和化学缓冲剂。然后将常规支撑剂加入到聚合物，产生浆料。交联聚合物的高粘度允许以每加仑加入约0.5磅(“ppg”)至约12.0ppa渐进较高浓度加入支撑剂。将浆料泵送入井，同时活化交联剂。在压裂操作期间，经交联聚合物使支撑剂保持在悬浮液。悬浮的支撑剂比用压裂滑溜水可能更有效且更深地输送进入水力裂缝。然后加入化学破解剂，以破解经交联聚合物，并允许在回流操作期间回收聚合物。
一般压裂凝胶在约1500桶(“bbls”)至约2500bbls水和约50,000至约600,000lbs支撑剂泵送。压裂凝胶一般能够比压裂滑溜水泵送显著更多更高浓度的支撑剂。因此，压裂凝胶更常用于油层，压裂滑溜水更常用于气层。尽管优良支撑剂输送，但压裂凝胶有两个主要缺点。由于产生然后破解经交联聚合物需要一定量化学品，压裂凝胶一般比压裂滑溜水更昂贵。不完全破解和回收经交联聚合物经常损害水力裂缝。裂缝中的凝胶损害随离井孔的距离而增加，从而限制裂缝的有效长度。
可用常规滑溜水凝胶压裂组合物和一种或多种本发明的支撑剂2以估计用于水力压裂的流体体积，泵速和支撑剂浓度。可用这种设计估计与现有滑溜水和粘性凝胶压裂设计比较使用本发明的支撑剂的益处。本文中提供的支撑剂2的主要益处包括通过增加支撑排流体积增加烃回收率约50%至400%，而只使用与目前压裂滑溜水目前一起使用的压裂水量的约5%至约25%。另外，与目前滑溜水压裂工作比较，本发明的支撑剂2可用较少压裂泵以较低速率泵送，从而减少空气污染和柴油消耗约20%至50%。由于较少压裂泵和较少水储量，也可使钙交沸石缩减约10%至30%。从而减少石油、气和水操作所需的占地量。
以下提供本文所述支撑剂2的预示实施例。
实施例1
砂和硅藻土
在一个实施方案中，支撑剂包含高纯度氧化硅(砂)的芯基质4和具有用包含酚树脂的粘合剂12粘合到芯基质4的经煅烧硅藻土(“CDE”)的多个复合物颗粒8的LWC 6。复合物颗粒8的粒径分布范围优选对于CDE可在约10至约40µm之间。轻质涂层6的厚度可以为芯基质4厚度(直径)的约25%至约35%，以提供具有中浮力性质的支撑剂2。树脂可在LWC体积的约20%至约25%之间。在此，支撑剂2可用于具有小于约4,000psi封闭应力的地层。这一树脂量使支撑剂2在高封闭应力下柔韧和可变形。
实施例2
硅藻土和氧化硅粉
通过用氧化硅粉作为填料10填充LWC 6中的可利用孔空间，可提高实施例1中所述支撑剂2的压缩强度。氧化硅粉可使多个复合物颗粒8之间的孔隙率从约25%至约30%减小到约3%至约8%，且使LWC 6粘合到芯基质4所需树脂的量相应减少。填料(氧化硅粉)的粒径分布范围可在约1至约10µm之间，以填充复合物颗粒之间的孔空间。可使LWC 6的厚度增加到芯基质4厚度的约55%至约65%，以使支撑剂2具有中浮力。加入氧化硅粉也可增加支撑剂2的压缩强度和减小其变形。在此情况下，支撑剂2可适用于具有小于6,000psi封闭应力的地层。
实施例3
具有硅藻土的ISP和陶瓷粉末
通过(1)代替高岭土陶瓷材料作为芯基质4；和(2)用陶瓷粉末作为填料10在LWC 6中代替氧化硅粉作为填料10，可提高实施例2中所述支撑剂2的压缩强度。陶瓷粉末可具有与实施例2中氧化硅粉类似的大小范围。就像氧化硅粉一样，陶瓷粉末可使LWC的孔隙率减小到约3%至约8%。可使LWC 6的厚度增加到芯基质厚度的约110%至约120%，以使支撑剂2具有中浮力。加入陶瓷组分可增加支撑剂2的成本和压缩强度。在此，支撑剂2可用于具有约6,000至约10,000psi封闭应力的地层。
实施例4
具有硅藻土的铝土矿和铝土矿粉末
通过(1)用铝土矿材料作为芯基质4代替陶瓷材料作为芯基质4；和(2)用铝土矿粉末作为填料6在LWC 6中代替陶瓷粉末作为填料10，可提高实施例3中所述支撑剂2的压缩强度。铝土矿粉末可具有与实施例3中陶瓷粉末类似的大小范围。铝土矿粉末可使LWC 6的孔隙率减小到约3%至约8%之间。可使LWC 6的厚度增加到芯基质4厚度的约250%至约300%之间，以使支撑剂2具有中浮力。芯基质4可具有约100至约400目之间的筛目大小，或约35至约150微米或纳米(“µm)。然后可用这种芯基质4制备20/40、30/50、40/70目的支撑剂2。加入铝土矿组分可增加支撑剂2的成本和压缩强度。在此，支撑剂2可用于具有约10,000psi至约14,000psi封闭应力的地层。
实施例5
硅藻土
在一个实施方案中，芯基质4、多个复合物颗粒8和填料10分别包括用酚树脂作为粘合剂12粘合到芯基质4的宽筛分经煅烧硅藻土(CDE)。多个复合物颗粒8具有对于LWC 6约1至约30µm之间的粒径分布范围。轻质涂层厚度可在芯基质厚度的约8%至约11%之间，以使支撑剂具有中浮力。作为粘合剂12的树脂可以为LWC体积的3%-8%。可将芯基质加热到2400℉经历约4小时，以制备具有约1.3至约1.5g/cc比重的芯基质。在此，支撑剂可用于具有小于6000psi封闭应力的地层，并且可用常规树脂涂覆制法制备。
实施例6
砂和珍珠岩
在一个实施方案中，芯基质4包括高纯度氧化硅(砂)，LWC 6包括用酚树脂作为粘合剂12粘合到芯基质4的膨胀珍珠岩。多个复合物颗粒8可具有约1至约30µm之间宽筛分粒径分布范围。轻质涂层6的厚度可以为芯基质4厚度的约20%至约25%，以使支撑剂2具有中浮力。树脂12可以为LWC 6体积的约3%至约8%。在此，支撑剂2可用于具有小于约5000psi封闭应力的地层。本实施例教授可用多种天然原料制备支撑剂2。
实施例7
砂和玻璃微球
在一个实施方案中，支撑剂2包括高纯度氧化硅(砂)的芯基质4，LWC 6包括用酚树脂作为粘合剂12粘合到芯基质4的玻璃微球8。对于玻璃微球(“玻璃珠料”)，多个复合物颗粒8具有约20至约40µm之间的平均粒径分布范围。轻质涂层6的厚度可在芯基质4厚度的约20%至约25%之间，以使支撑剂2具有中浮力。树脂可以为LWC 6体积的约25%至约35%。在此，支撑剂2可用于具有小于约4000psi封闭应力的地层。高树脂含量可使支撑剂2在高封闭应力下柔韧和可变形。
实施例8
具有硅藻土的多孔陶瓷和陶瓷粉末
在一个实施方案中，支撑剂2包括具有较低密度多孔陶瓷材料的芯基质4，多个复合物颗粒8为用酚树脂作为粘合剂12粘合到芯基质4的CDE。芯基质可具有约1.4至约2.4g/cc的比重。因此，可能需要LWC 6的厚度为芯基质4厚度的约10%至约25%，以使支撑剂2具有中浮力。多个复合物颗粒8具有约10至约40µm之间的粒径分布范围。可用陶瓷粉末作为填料10。填料10可具有约1至约10µm之间的粒径分布范围。陶瓷粉末可使LWC的孔隙率减小到约3%至约8%。加入陶瓷组分可增加支撑剂2的成本和压缩强度。在此，支撑剂2可用于具有约7,000至约9,000psi封闭应力的地层。
实施例9
热塑性树脂
在一个实施方案中，支撑剂2包括用热塑性树脂作为粘合剂12粘合在一起的芯基质4、LWC 6和填料10。多个复合物颗粒8和填料10的组成和大小可类似于以前实施例1至8中所述的那些。然而，热塑性树脂提供比用酚树脂作为粘合剂12时更刚性和更强的支撑剂2。热塑性树脂也可增加支撑剂2的成本。在此，支撑剂2可用于具有约8,000至约12,000psi封闭应力的地层。
实施例10
针对砂、硅藻土和珍珠岩计算支撑剂大小
在一个实施方案中且如图7A中所示，芯基质4包括高纯度氧化硅(砂)，多个复合物颗粒8包括硅藻土，填料10包含通过树脂作为粘合剂12粘合到芯基质的珍珠岩。在此实施方案和如以下实施例11和12中所述的实施方案中，可用表5的输入数据和表6的输出数据计算支撑剂2的大小。支撑剂大小和涂层厚度提供于下表7中。
表5
表6
芯筛目大小 20 40 50 70 100 150
复合物颗粒 176,776 19,020 7,786 2,752 983 291
芯基质大小µm 841 400 297 210 149 99
支撑剂大小µm 1332 633 470 333 236 157
支撑剂筛目大小 15 29 37 47 64 95
其中
X珠料=(D芯/D珠料)3*(SG芯-SG支撑剂)/{SG支撑剂-SGLWC+ΦLWC*(SG支撑剂-SG填料)-Φ填料*(SG树脂-SG填料)}
D支撑剂=[{X珠料*D3 珠料*(SGLWC+Φ填料*(SG树脂-SG填料)+ΦLWC*SG填料)+D3 芯*SG芯}/SG支撑剂]1/3
实施例11
中强度陶瓷、硅藻土和陶瓷粉
在一个实施方案中且如图7B中所示，芯基质4包括中强度陶瓷，多个复合物颗粒8包括硅藻土，填料10包括通过树脂作为粘合剂12粘合到芯基质4的陶瓷粉。在此实施方案中，可用表5的输入数据和表6的输出数据计算支撑剂2的大小。所得支撑剂2的大小和涂层厚度提供于下表7中。
实施例12
铝土矿和硅藻土
在一个实施方案中且如图7C中所示，芯基质4包括铝土矿，多个复合物颗粒8包括硅藻土，填料10包括通过树脂作为粘合剂12粘合到芯基质4的铝土矿填料。在此实施方案中，可用表5的输入数据和表6的输出数据计算支撑剂2的大小。
支撑剂2的大小和涂层厚度提供于下表7中。预示实施例10(以上)的支撑剂2在表7中标为砂基质，并描绘于图7A中。预示实施例11(以上)的支撑剂2在表7中标为陶瓷基质，并描绘于图7B中。预示实施例12(以上)的支撑剂2标为铝土矿基质，并描绘于图7C中。
表7
目标比重和不同分级

Claims (16)

1.一种用于水力压裂的支撑剂，所述支撑剂包括：
芯基质，所述芯基质具有约3000psi和约20,000psi之间压缩强度；和
轻质基质，所述轻质基质包含多个复合物颗粒、填料和粘合剂，所述填料具有所述多个复合物颗粒粒径分布的约5%至约20%的粒径分布，所述粘合剂使所述轻质基质粘合到所述芯基质，且所述支撑剂具有约1g/cc比重。
2.权利要求1的支撑剂，其中所述复合物颗粒选自玻璃微球、硅藻土、膨胀珍珠岩和沸石。
3.权利要求1的支撑剂，其中所述填料选自硅藻土、珍珠岩粉、沸石粉末、氧化硅粉、陶瓷粉末和铝土矿粉末。
4.权利要求1的支撑剂，其中所述粘合剂为树脂或泡沫。
5.权利要求1的支撑剂，所述支撑剂进一步包含与所述填料、多个复合物颗粒和粘合剂结合的添加剂。
6.权利要求5的支撑剂，其中所述添加剂为酚树脂。
7.权利要求1的支撑剂，其中所述多个复合物颗粒为玻璃微球。
8.权利要求1的支撑剂，其中所述填料为珍珠岩。
9.一种适用于芯基质上的轻质涂料，所述轻质涂料包含多个复合物颗粒、填料和粘合剂，其中所述轻质涂料与芯基质结合，以提供其中所述支撑剂具有约1.0g/cc比重的支撑剂。
10.一种用于水力压裂的支撑剂，所述支撑剂具有约1g/cc比重，包括轻质基质和芯基质，所述轻质基质具有显著小于芯基质的比重，其中所述轻质基质包含通过粘合剂粘合到芯基质的多个复合物颗粒和填料，所述填料具有显著小于许多复合物材料粒径分布的粒径分布。
11.权利要求10的支撑剂，其中所述多个复合物颗粒和填料分别为硅藻土。
12.权利要求10的支撑剂，其中所述多个复合物颗粒为玻璃微球。
13.一种制备权利要求1的支撑剂的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有_压缩强度的芯基质；
使所述芯基质与粘合剂混合，以产生树脂涂覆的基质；
使所述树脂涂覆的基质干燥，直至所述粘合剂变成粘性；并且
使多个复合物颗粒和填料与树脂涂覆的基质增量混合，以制备所述支撑剂。
14.一种制备权利要求1的支撑剂的方法，所述方法包括以下步骤：
使多个复合物颗粒和填料与粘合剂混合，以产生轻质涂料；
提供芯基质；
将所述芯基质加热到600℉；
使经加热的芯基质与轻质涂料混合；并且
使所述粘合剂在250℉固化约4小时。
15.一种制备权利要求1的支撑剂的方法，所述方法包括以下步骤：
将芯基质、多个复合物颗粒和填料同时喷到粘合剂上，以产生粘性树脂；并且
使所述粘性树脂在旋转窑中在250℉鼓转约5至约8分钟，以形成所述支撑剂。
16.一种压裂液，所述压裂液包含权利要求1的支撑剂。
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