CN113811586A - 在水力压裂液中悬浮支撑剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开内容涉及在水力压裂液中悬浮支撑剂的方法，包括将一定量的前体纳米粒子添加到水力压裂液中，所述前体纳米粒子包括由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管。选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中。金属氧化物催化剂纳米粒子溶解在水力压裂液中，导致一定量的碳纳米管分散在水力压裂液中。与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，碳纳米管分散体增加了具有分散的碳纳米管的水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一项的值。方法还可以包括将支撑剂添加到水力压裂液中。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年4月17日提交的美国申请序列号62/835,133的优先权，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及水力压裂液、其制造和其用途。
背景技术
水力压裂是在油气井上进行的常规增产处理。将水力压裂液泵入待处理的地下地层中，使得裂缝在地下地层中张开。可以将支撑剂(诸如，砂粒)与处理液混合，以在处理完成时使裂缝保持张开状态。
发明内容
然而，常规水力压裂液有效悬浮和载运支撑剂的能力随着水力压裂液的温度由于水力压裂液的热稀化升高而降低。悬浮固体材料(诸如，支撑剂)的常规水力压裂液遇到困难，因为固体与液体分离并沉降在井眼中。这种现象通常被称为“下垂”。当通过井眼的水力压裂液的流动停止一段时间时(在此期间水力压裂液是静止的)，通常会发生下垂。由于水力压裂液的流动或环空速度降低，也可能发生下垂。降低的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度，或降低的凝胶强度水力压裂液、降低的剪切速率条件和井下温度也可能使下垂恶化。固体增重材料的沉降可能导致整个井眼中水力压裂液密度的变化。例如，由于重力引起的固体朝向井眼底部的沉降，井眼底部的水力压裂液可能具有更大的密度。同样，地表附近的水力压裂液可能具有较小的密度。下垂状况可能导致水力压裂液用支撑剂支撑张开裂缝的能力降低。
因此，通常希望使用具有增加的流变特性(例如增加的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度)的水力压裂液。这些改进的流变特性增加了水力压裂液悬浮固体材料的能力。此外，与具有降低的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度的水力压裂液相比，具有改进的流变特性的水力压裂液随着温度升高可以具有较少的热稀化。常规上，已将碳纳米管添加到水力压裂液中以增加水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度中的至少一项。然而，将碳纳米管添加到水力压裂液中的当前方法导致水力压裂液中的团块，因为碳纳米管在常规上按批次添加到水力压裂液中。结块的碳纳米管组的水力压裂液不像具有分散的碳纳米管的水力压裂液那样有效地悬浮支撑剂。尽管已经使用了各种技术来尝试分散结块的碳纳米管，例如超声处理，或将表面活性剂或聚合物添加到水力压裂液中，但都没有导致分散的碳纳米管。
因此，存在对具有增加的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度和减少的热稀化以悬浮支撑剂的水力压裂液的持续需求。本实施方式通过提供在包括分散的碳纳米管的水力压裂液中悬浮支撑剂的方法来解决这些需求。本公开的水力压裂液可以通过向水力压裂液提供改进的流变特性来满足这些需求，所述改进的流变特性诸如与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，具有分散的碳纳米管的水力压裂液的增加的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度，和降低的热稀化。
在一个实施方式中，本公开涉及一种在水力压裂液中悬浮支撑剂的方法，包括将一定量的前体纳米粒子添加到水力压裂液中，所述前体纳米粒子包括由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管。选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中。金属氧化物催化剂纳米粒子可操作以溶解在水力压裂液中，这导致一定量的碳纳米管分散在水力压裂液中。与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，一定量的碳纳米管的分散增加了具有分散的碳纳米管的水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一项的值。方法还可以包括在添加前体纳米粒子之后将支撑剂添加到水力压裂液中。水力压裂液中的碳纳米管有助于在水力压裂液中悬浮支撑剂，使得与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，更多的支撑剂保持悬浮在具有分散的碳纳米管的水力压裂液中。
在另一个实施方式中，方法可以包括通过在金属氧化物催化剂纳米粒子上的化学气相沉积合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米粒子，其中金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子包括设置在金属氧化物上的过渡金属，以及添加一定量的前体纳米粒子到水力压裂液，其中水力压裂液包括至少一种表面活性剂，并且选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中。金属氧化物催化剂纳米粒子可操作以溶解在水力压裂液中，这导致一定量的碳纳米管分散在水力压裂液中。与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，碳纳米管分散体增加了具有分散的碳纳米管的水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一项。然后，方法可以包括在添加前体纳米粒子之后将支撑剂添加到水力压裂液中。水力压裂液中的碳纳米管有助于在水力压裂液中悬浮支撑剂，使得与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，更多的支撑剂保持悬浮在具有分散的碳纳米管的水力压裂液中。
所描述的实施方式的另外特征和优点将在随后的具体实施方式中阐述，并且对于本领域技术人员来说将从所述描述中部分地变得显而易见，或通过实践如本文所描述的实施方式(包括下面的具体实施方式、权利要求书以及附图)而认识到。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可以最佳地理解本公开的特定实施方式的以下详细描述，在附图中相同的结构用相同的附图标记指示，并且在附图中：
图1以照片方式描绘了根据本公开中描述的一个或多个实施方式的金属氧化物催化剂纳米粒子；和
图2以照片方式描绘了根据本公开中描述的一个或多个实施方式的吸附到金属氧化物上的碳纳米管。
具体实施方式
如贯穿本公开所使用的，“含水”是指含有、产生、类似或具有水的性质的流体。
如贯穿本公开所使用的，术语“水力压裂液”是指用于将支撑剂输送到井眼和地下地层中的水力压裂液的子集。
如贯穿本公开所使用的，术语“水力压裂”是指在烃井上在低渗透率储层(诸如，渗透率小于10毫达西(mD)的储层)中进行的常规增产处理。将水力压裂液泵入地下地层中，使得裂缝形成或张开。将支撑剂与处理液混合，以在处理完成时使裂缝保持张开状态。水力压裂与地下地层形成流体连通，并且绕过可能存在于近井眼区域中的诸如凝析的损害。
如贯穿本公开所使用的，术语“岩石静压力”是指覆盖层或覆盖岩的重量对地下地层的压力。
如贯穿本公开所使用的，术语“牛顿粘度”是指在旋转粘度计的给定转子速度下测量的流体的表观粘度。牛顿粘度可以通过将粘度计的刻度盘读数乘以300，然后将乘积除以转子速度(以每分钟转数为单位)来测量。
如贯穿本公开所使用的，术语“含油”是指包含、生产、类似或具有油的性质的流体。
如贯穿本公开所使用的，术语“产油地下地层”是指从其中开采烃的地下地层。
如贯穿本公开所使用的，术语“支撑剂”是指与水力压裂液混合以在水力压裂处理之后使裂缝保持张开状态的粒子。对支撑剂材料按目径、圆度和球度进行了仔细的筛分，从而为从储层到井眼的流体生产提供了有效的管道。
如贯穿本公开所使用的，术语“储层”是指具有足够的孔隙率和渗透率以存储和传输流体的地下地层。
如贯穿本公开所使用的，术语“地下地层”是指与周围岩体充分不同并且连续的岩石体，使得岩石体可以在图上标为不同的实体。因此，地下地层足够均质以形成单个可标识单元，所述单元在整个地下地层中含有类似的流变特性，包括但不限于孔隙率和渗透率。地下地层为岩石地层学的基本单元。
如贯穿本公开所使用的，术语“翼”是指由相隔180°的裂缝形成并且通常形状和尺寸相似的两处断裂。
如贯穿本公开所使用的，术语“井眼”是指钻探孔或钻孔，包括裸眼井或井的无套管部分。钻孔可以指井眼壁，即限制钻探孔的岩石面的内径。
本公开的实施方式涉及在水力压裂液中悬浮支撑剂的方法。除其他外，实施方式包括将一定量的前体纳米粒子添加到水力压裂液中，所述前体纳米粒子包括由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管。选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中。金属氧化物催化剂纳米粒子可操作以溶解在水力压裂液中，这导致一定量的碳纳米管分散在水力压裂液中。与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，一定量的碳纳米管的分散增加了具有分散的碳纳米管的水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一项的值。方法还可以包括在添加前体纳米粒子之后将支撑剂添加到水力压裂液中。水力压裂液中的碳纳米管有助于在水力压裂液中悬浮支撑剂，使得与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，更多的支撑剂保持悬浮在具有分散的碳纳米管的水力压裂液中。
在另一个实施方式中，方法可以包括通过在金属氧化物催化剂纳米粒子上的化学气相沉积合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米粒子，其中金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子包括设置在金属氧化物上的过渡金属，以及添加一定量的前体纳米粒子到水力压裂液，其中水力压裂液包括至少一种表面活性剂，并且选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中。金属氧化物催化剂纳米粒子可操作以溶解在水力压裂液中，这导致一定量的碳纳米管分散在水力压裂液中。与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，碳纳米管分散体增加了具有分散的碳纳米管的水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一项。然后，方法可以包括在添加前体纳米粒子之后将支撑剂添加到水力压裂液中。水力压裂液中的碳纳米管有助于在水力压裂液中悬浮支撑剂，使得与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，更多的支撑剂保持悬浮在具有分散的碳纳米管的水力压裂液中。
本公开的其他实施方式包括包含碳纳米管和支撑剂的水力压裂液。进一步的实施方式包括使用水力压裂液的方法到通过使用水力压裂液提高地下地层的烃生产速率的方法。
作为非限制性实施例，本公开的水力压裂液可用于油气钻孔行业，诸如用于在油气井中的水力压裂处理。油气井可以在地球的地下部分形成，有时称为地下地质地层。井眼可以用于将自然资源，诸如石化产物连接到地平面表面。随着时间的推移，生产速速率降低，可能需要进行水力压裂处理以提高生产速率。在水力压裂中，将包括支撑剂的水力压裂液泵入地下地层以在地下地层内扩展裂缝并进一步打开现有裂缝。当处理完成时，支撑剂保持裂缝张开，从而在地下地层内建立流体连通并绕过可能存在于近井眼区域中的诸如凝析或滤饼的损害。
为了实现这些功能，可以将水力压裂液配制成具有特定特性，诸如与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，具有分散的碳纳米管的水力压裂液的增大值的牛顿粘度值、屈服点、塑性粘度和密度。特别地，水力压裂液可以配制成具有适合的范围内的密度，以提供必要的流体静压力以支撑井眼的侧壁并防止地层中的流体流入井眼。另外，水力压裂液可以配制成具有特定的流变特性，所述特定的流变特性允许水力压裂液通过钻柱向下泵送，同时仍然从井眼的顶部捕获支撑剂并输送到地下地层。在一些实施方式中，水力压裂液可以包括悬浮在基液中的固体粒子。固体粒子(有时称为增重剂)可以增加水力压裂液的密度，以帮助水力压裂液支撑井眼的侧壁，以及增加流体静压力以保持来自地层的流体不会流入井眼。在其他实施方式中，水力压裂液能够提供必要的流体静压力而不使用固体粒子来增加流体的密度。水力压裂液可以包括水、粘土基组分和支撑剂。
如前所述，水力压裂液包括碳纳米管。碳纳米管包括单壁纳米管、双壁纳米管、多壁碳纳米管或窄壁纳米管中的至少一种。碳纳米管可以包括1至200纳米(nm)、20至100nm、10至80nm、4至20nm、2至12nm、2至10nm、2至9nm、2至8nm、2至7nm、2至6nm、2至5nm、2至4nm、2至3nm、3至12nm、3至10nm、3至9nm、3至8nm、3至7nm、3至6nm、3至5nm、3至4nm、4至12nm、4至10nm、4至9nm、4至8nm、4至7nm、4至6nm、4至5nm、5至12nm、5至10nm、5至9nm、5至8nm、5至7nm、5至6nm、6至12nm、6至10nm、6至9nm、6至8nm、6至7nm、7至12nm、7至10nm、7至9nm、7至8nm、8至12nm、8至10nm、8至9nm、9至12nm、9至10nm、10至12nm，或8nm的直径。
碳纳米管可以包括20至500微米(μm)、20至200μm、20至150μm、20至100μm、50至500μm、50至200μm、50至150μm、50至100μm、100至500μm、100至200μm、100至150μm、150至500μm、150至200μm，或200至500μm的长度；100至50,000、500至30,000、1,000至20,000、1,000至100,000、1,000至50,000、1,000至40,000、1,000至30,000、1,000至25,000、1,000至20,000、1,000至15,000、1,000至12,000、1,000至10,000、1,000至8,000、8,000至100,000、8,000至50,000、8,000至40,000、8,000至30,000、8,000至25,000、8,000至20,000、8,000至15,000、8,000至12,000、8,000至10,000、10,000至100,000、10,000至50,000、10,000至40,000、10,000至30,000、10,000至25,000、10,000至20,000、10,000至15,000、10,000至12,000、12,000至100,000、12,000至50,000、12,000至40,000、12,000至30,000、12,000至25,000、12,000至20,000、12,000至15,000、15,000至100,000、15,000至50,000、15,000至40,000、15,000至30,000、15,000至25,000、15,000至20,000、20,000至100,000、20,000至50,000、20,000至40,000、20,000至30,000、20,000至25,000、25,000至100,000、25,000至50,000、25,000至40,000、25,000至30,000、30,000至100,000、30,000至50,000、30,000至40,000、40,000至50,000、40,000至100,000，或50,000至100,000的长宽比(通过将碳纳米管的长度除以碳纳米管的直径计算)。
碳纳米管可以包括100至12,000平方米/克(m2/g)、100至10,000m2/g、100至800m2/g、100至700m2/g、400至12,000m2/g、400至10,000m2/g、400至800m2/g、100至1,500m2/g、120至1,000m2/g、150至850m2/g，或400至700m2/g的比表面积，其中比表面积通过Brunauer-Emmett-Teller(BET)理论计算。
多壁碳纳米管可以包括10重量百分比(wt.％)或更小、5wt.％或更小、3wt.％或更小、2wt.％或更小、1.5wt.％或更小、1wt.％或更小，或0.5wt.％或更小的金属氧化物；以及0.001至0.12g/cm3、0.01至0.08g/cm3、0.02至0.06g/cm3、0.01至1立方厘米/克(g/cm3)、0.01至0.5g/cm3、0.01至0.2g/cm3、0.01至0.1g/cm3、0.01至0.05g/cm3、0.01至0.02g/cm3、0.02至1g/cm3、0.02至0.5g/cm3、0.02至0.2g/cm3、0.02至0.1g/cm3、0.02至0.05g/cm3、0.05至1g/cm3、0.05至0.5g/cm3、0.05至0.2g/cm3、0.05至0.1g/cm3、0.06至0.08g/cm3、0.1至1g/cm3、0.1至0.5g/cm3、0.1至0.2g/cm3、0.2至1g/cm3、0.2至0.5g/cm3，或0.5至1g/cm3的体积密度。
如前所述，水力压裂液还包括支撑剂。如先前所描述，支撑剂为用于水力压裂液中以在地下处理期间或之后维持和保持张开的地下裂缝的支撑试剂粒子。在一些实施方式中，支撑剂可以包括诸如氧化物、硅酸盐、砂、陶瓷、树脂、环氧化物、塑料、矿物、玻璃或这些的组合的材料的粒子。支撑剂粒子可以包括分级砂、处理过的砂、陶瓷、玻璃、塑料、这些的任意组合以及这些材料中的任意涂覆有树脂的材料。支撑剂粒子可以包括铝土矿、烧结铝土矿、Ti4+/聚合物复合材料的粒子，其中上标“4+”代表钛、氮化钛(TiN)或碳化钛的氧化态。支撑剂粒子可以包括玻璃粒子或玻璃珠粒。本公开的实施方式可以利用至少一种支撑剂粒子并且在使用多于一种的支撑剂粒子的实施方式中，支撑剂粒子可以含有不同材料的组合物。
可以基于特定应用和所需的特征(诸如其中将使用支撑剂粒子的地下地层的深度)来选择支撑剂粒子的材料，因为在较大岩石静压力下需要具有较大机械强度的支撑剂粒子。
支撑剂粒子可以包括各种大小或形状。在一些实施方式中，一种或多种支撑剂粒子可以具有8目到140目(直径从106微米(μm)到2.36毫米(mm))的大小。在一些实施方式中，支撑剂粒子可以具有8目至16目(直径为2380μm至1180μm)、16目至30目(直径为600μm至1180μm)、20目至40目(直径为420μm至840μm)、30目至50目(直径为300μm至600μm)、40目至70目(直径为212μm至420μm)，或70目至140目(直径为106μm至212μm)的大小。支撑剂粒子的球度和圆度也可以基于所需应用而变化。
在一些实施方式中，支撑剂粒子可以具有粗糙的表面质地，所述粗糙的表面质地可以增加支撑剂涂层对于支撑剂粒子的粘附性。可以通过任何适合的物理或化学方法，包括例如使用适当的蚀刻剂使支撑剂粒子表面粗糙化以增加支撑剂粒子的表面积。在一些实施方式中，支撑剂粒子可以具有提供支撑剂涂层对支撑剂粒子的所需粘附性或可能已经足够粗糙而不需要化学或物理粗糙化的表面。具体地，球磨支撑剂粒子可以提供相对更圆的粒子以及具有增加的表面粗糙度的粒子。
术语“粗糙”是指与表面的标准化平面具有如凹陷或突起等至少一个偏差的表面。表面可以为不均匀并且不规则的，并且可以具有一个或多个缺陷，例如凹坑、凸点、凸块或凸出部分。粗糙表面可以具有大于或等于1纳米(nm)(1nm＝0.001μm)的算术平均粗糙度(Ra)。将Ra定义为局部表面高度与平均表面高度之间的差值的算术平均值并且可以由等式1描述，设想进行n次测量：
在等式1中，每个yi为与n次测量中的第i个的绝对值的表面的标准化平面的偏差量(分别意指凹陷或突起的深度或高度)。因此，Ra为与表面的标准化平面的偏差y的n次测量的绝对值的算术平均值。在一些实施方式中，支撑剂粒子的表面可以具有大于或等于2nm(0.002μm)、或大于或等于10nm(0.01μm)、或大于或等于50nm(0.05μm)、或大于或等于100nm(0.1μm)，或大于或等于1μm的Ra。
水力压裂液可以包括粘土基组分。粘土基组分可以包括选自由以下组成的组的一种或多种组分：石灰(CaO)、CaCO3、膨润土、蒙脱石粘土、硫酸钡(重晶石)、赤铁矿(Fe2O3)、莫来石(3Al2O3·2SiO2或2Al2O3·SiO2)、高岭土(Al2Si2O5(OH)4或高岭石)、氧化铝(Al2O3或氧化铝)、碳化硅、碳化钨，和这些的组合。
水力压裂液可以包括含水相。此外，含水相可以包括以下中的一种或多种：淡水、咸水、盐水、城市用水、地层水、采出水、井水、滤后水、蒸馏水、海水，或这些的组合。盐水可以包括天然盐水和合成盐水中的至少一种，例如饱和盐水或甲酸盐盐水。在一些实施方式中，含水相可以使用含有有机化合物或盐的水。不受任何特定理论的束缚，可以将盐或其他有机化合物掺入含水相中以控制水力压裂液的密度。通过增加含水相中的盐浓度或其他有机化合物的含量来增加含水相的饱和度可以增加水力压裂液的密度。合适的盐包括但不限于碱金属氯化物、氢氧化物或羧酸盐。在一些实施方式中，合适的盐可以包括钠、钙、铯、锌、铝、镁、钾、锶、硅、锂、氯化物、溴化物、碳酸盐、碘化物、氯酸盐、溴酸盐、甲酸盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氧化物、氟化物，和这些的组合。在一些特定的实施方式中，盐水可以用于含水相中。不受任何特定理论的束缚，盐水可以用于在水力压裂液与地下地层之间建立渗透平衡。
在一些实施方式中，水力压裂液可以包括基于水力压裂液的总重量的10重量％(wt.％)至70重量％的含水相。在一些实施方式中，水力压裂液可以含有28磅每桶(lb/bbl)至630lb/bbl，诸如30至600lb/bbl、50至500lb/bbl、100至500lb/bbl、200至500lbs/bbl，或300至600lb/bbl的水相。
水力压裂液可以是非水性的。在一些实施方式中，水力压裂液可以包括含油相，所述含油相可以包括天然或合成液体油。具体地，水力压裂液可以包括柴油、矿物油、氢化或未氢化的烯烃(例如聚-α-烯烃)、直链和支链烯烃、聚二有机硅氧烷、硅氧烷、有机硅氧烷、脂肪酸酯、脂肪酸的直链、支链或环状烷基醚、酯、醚、缩醛、碳酸二烷基酯、碳氢化合物，或这些的任何组合。在一些实施方式中，水力压裂液可以包括衍生自石油的油，例如矿物油、柴油、直链烯烃、石蜡、其他石油基油，以及这些油的组合，或衍生自植物(例如藏红花油(safra oil))的油。
水力压裂液可以包括基于水力压裂液的总重量的10wt.％至90wt.％的含油相。水力压裂液可以含有基于水力压裂液的总重量的28lb/bbl至810lb/bbl，诸如30至800lb/bbl、50至800lb/bbl、75至800lb/bbl，或100至800lb/bbl的含油相。在一些实施方式中，水力压裂液可以含有200至800lb/bbl、或300至600lb/bbl，或500至810lb/bbl的含油相。
水力压裂液可以包括极性非质子溶剂。在一些实施方式中，极性非质子溶剂可以部分或完全替代水力压裂液的含水相。极性非质子溶剂的极性缺乏酸性氢，因此不是氢键供体，这意味着它不能提供氢。极性非质子溶剂可以溶解盐并且能够接受氢键。极性非质子溶剂可以具有大于10、15、20、25、30、35或40的介电常数或相对电容率。极性非质子溶剂可以具有小于15、20、25、30、35、40、50、60或70的介电常数或相对电容率。极性非质子溶剂还可以具有大于1德拜(1德拜＝1×10-18statcoulomb-cm)、2德拜、3德拜、3.5德拜、4德拜、4.5德拜或5德拜的偶极矩。极性非质子溶剂可以具有小于2德拜、3德拜、3.5德拜、4德拜、4.5德拜、5德拜、6德拜、7德拜、8德拜、9德拜或10德拜的偶极矩。极性非质子溶剂可以包括正烷基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基磺化物、乙腈、二甲基甲酰胺、六甲基磷酰胺或二甲亚砜中的至少一种。
水力压裂液可以包括至少一种表面活性剂。表面活性剂可以保持碳纳米管在水力压裂液中的分散。表面活性剂可以是阴离子的、阳离子的或中性的。阴离子表面活性剂的非限制性实例包括磺化聚合物、磺化烷烃、聚羧化醚，或这些的组合。阳离子表面活性剂的非限制性实例包括三甲基烷基铵盐、烷基苄基铵盐，或这些的组合。中性表面活性剂的非限制性实例包括蛋白质、聚乙二醇衍生物、寡糖、胆固醇衍生物，或这些的组合。表面活性剂可以包括磺化聚合物、磺化烷烃、聚羧化醚、三甲基烷基铵盐、烷基苄基铵盐、蛋白质、聚乙二醇衍生物、寡糖或胆固醇衍生物中的至少一种。水力压裂液可以含有基于水力压裂液的总重量的0.01wt.％至20wt.％的表面活性剂。水力压裂液可以含有基于水力压裂液的总重量的0.02lb/bbl至180lb/bbl的表面活性剂，例如0.02至150lb/bbl，或0.05至150lb/bbl。在一些实施方式中，水力压裂液可以含有0.1至150lb/bbl，或0.1至100lb/bb，或1至100lb/bbl的表面活性剂。
在一些实施方式中，水力压裂液可以含有表面活性剂以外的至少一种添加剂。一种或多种添加剂可以是已知适用于水力压裂液的任何添加剂。作为非限制性实例，合适的添加剂可以包括增重剂、液漏控制剂、循环漏失控制剂、过滤控制添加剂、消泡剂、乳化剂、增重剂、液漏添加剂、碱储备、特种添加剂，和这些的组合。
在一些实施方式中，一种或多种添加剂可以包括增粘剂(也称为流变改性剂)，所述增粘剂可以被添加到水力压裂液中以赋予水力压裂液非牛顿流体流变性，以便于将支撑剂输送到地下地层。增粘剂的实例可以包括但不限于膨润土、聚丙烯酰胺、聚阴离子纤维素或这些增粘剂的组合。在一些实施方式中，水力压裂液可以包括黄原胶，它是一种通常称为XC聚合物的多糖。可以将XC聚合物添加到水基水力压裂液中以在环形流中产生水基水力压裂液的平坦速度分布，这可以有助于提高水力压裂液将岩屑提升并输送到地表的效率。
在一些实施方式中，水力压裂液可以含有基于水力压裂液的总重量的0.01wt.％至20wt.％的一种或多种添加剂。水力压裂液可以含有基于水力压裂液的总重量的0.02lb/bbl至180lb/bbl的一种或多种添加剂，诸如0.02至150lb/bbl，或0.05至150lb/bbl。在一些实施方式中，水力压裂液可以含有0.1至150lb/bbl、或0.1至100lb/bbl，或1至100lb/bbl的一种或多种添加剂。
在一些实施方式中，一种或多种添加剂可以包括固体，有时称为增重材料，所述固体可以分散在水力压裂液中。固体可以是细碎的固体，所述细碎的固体可以添加到水力压裂液中以增加水力压裂液的密度。适合用作固体的增重材料的实例包括但不限于重晶石(最小比重(SG)为4.20克/立方厘米(g/cm3))、赤铁矿(最小SG为5.05g/cm3)、碳酸钙(最小SG为2.7-2.8g/cm3)、菱铁矿(最小SG为3.8g/cm3)、钛铁矿(最小SG为4.6g/cm3)，或这些增重材料的任何组合。在一些实施方式中，水力压裂液可以包括作为固体的重晶石。
在实施方式中，水力压裂液可以具有基于水力压裂液的总重量的1wt.％至40wt.％的固体含量(基于固体加重材料的重量)。水力压裂液可以具有2.5lb/bbl至400lb/bbl的固体含量，例如2.5至200lb/bbl，或2.5至100lb/bbl。在一些实施方式中，水力压裂液可以具有5至400lb/bbl、50至400lb/bbl，或100至200lb/bbl的固体含量。
如上所述，可以使用固体的添加来控制水力压裂液的密度。在一些实施方式中，根据美国石油学会(API)推荐实践13B-2,2014(American Petroleum Institute(API)recommended practice 13B-2,2014)，如使用泥浆比重秤所测量，水力压裂液可以具有50磅质量/立方英尺(pcf)至160pcf的密度。水力压裂液可以具有50pcf至150pcf、50pcf至140pcf、75pcf至160pcf、75pcf至150pcf、75pcf至140pcf、100pcf至160pcf、100pcf至150pcf，或100pcf至140pcf的密度。在一些实施方式中，水力压裂液可以具有50pcf至75pcf、或75pcf至100pcf，或120pcf至160pcf的密度。
本公开的实施方式还涉及在水力压裂液中悬浮支撑剂的方法。所得水力压裂液可以符合先前描述的任何实施方式。方法可以包括将一定量的前体纳米粒子添加到水力压裂液中，所述前体纳米粒子包括由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管。选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中。金属氧化物催化剂纳米粒子可操作以溶解在水力压裂液中，这导致一定量的碳纳米管分散在水力压裂液中。与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，一定量的碳纳米管的分散增加了具有分散的碳纳米管的水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一项的值。方法还可以包括在添加前体纳米粒子之后将支撑剂添加到水力压裂液中。水力压裂液中的碳纳米管有助于在水力压裂液中悬浮支撑剂，使得与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，更多的支撑剂保持悬浮在具有分散的碳纳米管的水力压裂液中。水力压裂液、碳纳米管和支撑剂可以符合先前描述的任何实施方式。
参考图1，金属氧化物催化剂纳米粒子100的单个纳米粒子可以包括金属氧化物120和过渡金属110。过渡金属110可以包括铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)。在其他实施方式中，过渡金属110可以包括钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞、鑪(rutherfordium)、钅杜(dubnium)、钅喜(seaborgium)、钅波(bohrium)、钅黑(hassium)、钅麦(meitnerium)、鐽(darmstadtium)、钅仑(roentgenium)和鎶(copernicium)，或这些的组合。
金属氧化物催化剂纳米粒子100的单个纳米粒子可以包括如按金属氧化物120的重量计算的10wt.％或更少的过渡金属110。在其他实施方式中，金属氧化物催化剂纳米粒子100的单个纳米粒子可以包括如按金属氧化物120的重量计算的0至10wt.％、1至10wt.％、2至10wt.％、3至10wt.％、4至10wt.％、5至10wt.％、6至10wt.％、7至10wt.％、8至10wt.％、9至10wt.％、1至9wt.％、2至9wt.％、3至9wt.％、4至9wt.％、5至9wt.％、6至9wt.％、7至9wt.％、8至9wt.％、1至8wt.％、2至8wt.％，3至8wt.％、4至8wt.％、5至8wt.％、6至8wt.％、7至8wt.％、1至7wt.％、2至7wt.％、3至7wt.％、4至7wt.％、5至7wt.％、6至7wt.％、1至6wt.％、2至6wt.％、3至6wt.％、4至6wt.％、5至6wt.％、1至5wt.％、2至5wt.％、3至5wt.％、4至5wt.％、1至4wt.％、2至4wt.％、3至4wt.％、1至3wt.％、2至3wt.％、1至2wt.％，或0至1wt.％的过渡金属110。
金属氧化物120可以包括以下中的至少一种：氧化锂、氧化钠、氧化钾、氧化铷、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化铍、氧化锶、氧化钡、氧化镭、氧化钪、氧化钇、氧化钛、氧化锆、氧化钒、氧化铌、氧化铬、氧化钼、氧化锰、氧化锝、氧化铁、氧化钌、氧化钴、氧化铑、氧化镍、氧化钯、氧化铜、氧化银、氧化金、氧化铂、氧化锌、氧化镉、氧化汞、氧化铝、氧化镓、氧化铟、氧化锡、氧化铊、氧化铅、氧化硼、氧化硅，或这些的组合。金属氧化物120可以是常规的水力压裂液添加剂。金属氧化物120可以是常规用作水力压裂液中的缓冲剂的化学品。金属氧化物120可以是常规用于提高水力压裂液的pH值的化学品。金属氧化物120可以是碱性的，并且可以具有大于7、8至14、9至14、10至14、11至14、11.5至14、从12至14、12.5至14、13至14、8至13、9至13、10至13、11至13、11.5至13、12至13、12.5至13、8至12.5、9至12.5、10至12.5、11至12.5、11.5至12.5、12至12.5、8至12、9至12、10至12、11至12、11.5至12、8至11.5、9至11.5、10至11.5、11至11.5、从8至11、9至11、10至11、8至10、9至10、8至9，或12.8的pH值。金属氧化物120可以具有10至15、11至14、12至13，或12.8的pKa值。在一些实施方式中，金属氧化物120可以包括MgO或CaO。CaO可以具有10至15、11至14、12至13，或12.8的pKa值。
如图所示，过渡金属110可以设置在金属氧化物催化剂纳米粒子100的金属氧化物120上。具体地，在一些实施方式中，金属氧化物催化剂纳米粒子100还可以包括设置在MgO或CaO金属氧化物120上的Fe、Co或Ni中的至少一种。
在一些实施方式中，方法可以包括通过在金属氧化物催化剂纳米粒子上的化学气相沉积合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米粒子，其中金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子包括设置在金属氧化物上的过渡金属，以及添加一定量的前体纳米粒子到水力压裂液，其中水力压裂液包括至少一种表面活性剂，并且选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中。金属氧化物催化剂纳米粒子可操作以溶解在水力压裂液中，这导致一定量的碳纳米管分散在水力压裂液中。与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，碳纳米管分散体增加了具有分散的碳纳米管的水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一项。然后，方法可以包括在添加前体纳米粒子之后将支撑剂添加到水力压裂液中。水力压裂液中的碳纳米管有助于在水力压裂液中悬浮支撑剂，使得与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，更多的支撑剂保持悬浮在具有分散的碳纳米管的水力压裂液中。
在一个实施方式中，通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米粒子上合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米粒子可以包括将包括过渡金属的含水溶液与金属氧化物的含水悬浮液混合以形成混合物。在一些实施方式中，含水悬浮液可以包括如按含水悬浮液的重量计算的5至50wt.％、5至30wt.％、5至25wt.％、5至20wt.％、5至15wt.％、5至10wt.％、10至50wt.％、10至30wt.％、10至25wt.％、10至20wt.％、10至15wt.％、15至50wt.％、15至30wt.％、15至25wt.％、15至20wt.％、20至50wt.％、20至30wt.％、20至25wt.％、25至50wt.％、25至30wt.％、30至50wt.％的金属氧化物。然后，合成碳纳米管可以包括搅拌混合物，在室温下干燥混合物，然后将混合物研磨成粉末以形成金属氧化物催化剂纳米粒子。
在替代实施方式中，通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米粒子上合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米粒子可以包括将包括过渡金属的含水溶液与金属氧化物的粉末混合以形成混合物。然后，合成碳纳米管可以包括搅拌混合物并在100℃至500℃、200℃至500℃、300℃至500℃、200℃至400℃，或300℃至400℃下煅烧混合物持续5至15小时、5至12小时、5至10小时、5至8小时、8至15小时、8至12小时、8至10小时、10至15小时、10至12小时，或12至15小时。然后，合成碳纳米管可以包括将混合物研磨成粉末以形成金属氧化物催化剂纳米粒子。
合成碳纳米管还可以包括将金属氧化物催化剂纳米粒子加热至300℃至1400℃、300℃至1100℃、300℃至900℃、300℃至800℃、300℃至700℃、300℃至600℃、600℃至700℃、600℃至800℃、600℃至900℃、600℃至1100℃、600℃至1400℃、700℃至800℃、700℃至900℃、700℃至1100℃、700℃至1400℃、800℃至900℃、800℃至1100℃、800℃至1400℃、900℃至1100℃、900℃至1400℃，或1100℃至1400℃。在一些实施方式中，加热碳纳米管可以包括将金属氧化物催化剂纳米粒子放入烘箱或反应器中。在一些实施方式中，合成碳纳米管可以包括将碳前体置于烘箱中，所述碳前体随着烘箱加热而蒸发，以形成一定量的前体纳米粒子，所述前体纳米粒子包括碳纳米管和金属氧化物催化剂纳米粒子。在其他实施方式中，合成碳纳米管可以包括使气体混合物流过金属氧化物催化剂纳米粒子，以形成一定量的前体纳米粒子，包括碳纳米管和金属氧化物催化剂纳米粒子。在一些实施方式中，气体混合物可以包括氩气、氢气、苯、甲基萘、乙烯、丙烯、丁烯、甲苯、二甲苯、石墨、乙炔、乙醇、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物气体、任何其他含碳气体，和这些气体的组合。术语“烃气”是指在标准温度和压力下由氢和碳原子在气相中组成的化合物。烃类气体的非限制性实例是链烷烃和烷基芳烃。短语“其他含碳气体”是指气体是烃类气体以外的气体，其中所述气体包括含有碳原子的化合物。在一个实施方式中，气体混合物可以包括氩气、氢气和乙烯。
在一些实施方式中，加热金属氧化物催化剂纳米粒子包括使气体混合物以1℃每分钟(℃/min.)至20℃/min.、3℃/min.至10℃/min.、5℃/min.至10℃/min.、5℃/min.至7℃/min.，或5℃/min.的加热速率流过金属氧化物催化剂纳米粒子，直到金属氧化物催化剂纳米粒子被加热到300℃至1400℃、300℃至1100℃、300℃至900℃、300℃至800℃、300℃至700℃、300℃至600℃、600℃至700℃、600℃至800℃、600℃至900℃、600℃至1100℃、600℃至1400℃、700℃至800℃、700℃至900℃、700℃至1100℃、700℃至1400℃、800℃至900℃、800℃至1100℃、800℃至1400℃、900℃至1100℃、900℃至1400℃，或1100℃至1400℃。加热金属氧化物催化剂纳米粒子可进一步包括将如按气体混合物的体积计算的0至50体积％(vol.％)、2至30vol.％、2至20vol.％、2至15vol.％、2至10vol.％、2至5vol.％、5至30vol.％、5至20vol.％、5至15vol.％、5至10vol.％、10至30vol.％、10至20vol.％、10至15vol.％、15至30vol.％、15至20vol.％，或20至30vol.％的碳基气体添加到气体混合物，并使气体混合物流过金属氧化物催化剂纳米粒子，以形成一定量的前体纳米粒子，所述前体纳米粒子包括碳纳米管和金属氧化物催化剂纳米粒子。碳基气体可以包括任何含碳气体，例如作为非限制性实例的二氧化碳或烃气体。在一些实施方式中，碳基气体可以是乙烯。包括氩气、氢气和乙烯的气体混合物可以包括如按气体混合物的体积计算的20至50vol.％、20至40vol.％、20至35vol.％、20至30vol.％、30至50vol.％、30至40vol.％、30至35vol.％、35至40vol.％、35至50vol.％，或40至50vol.％的氢气，和如按气体混合物的体积计算的50至80vol.％、50至70vol.％、50至65vol.％、50至60vol.％、60至65vol.％、60至70vol.％、60至80vol.％、65至80vol.％、65至70vol.％，或70至80vol.％的氩气。使气体混合物流动可以包括使气体混合物以400至1000毫升/分钟(ml/min.)、500至800ml/min.、600至800ml/min，或700ml/min的速率流动。
当气体混合物接触金属氧化物催化剂纳米粒子时，气体可以分解成溶解在金属氧化物催化剂纳米粒子中的碳。在金属氧化物催化剂纳米粒子中达到碳溶解度极限后，碳可能会沉淀在金属氧化物催化剂纳米粒子的表面并以圆柱体网络的形式结晶，形成碳纳米管。在一些实施方式中，气体混合物可以接触过渡金属并分解成溶解在过渡金属中的碳。在过渡金属中达到碳溶解度极限后，碳可能会沉淀在过渡金属表面并以圆柱体网络的形式结晶，形成碳纳米管。如前所述，碳纳米管由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑。由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管可以包括吸附在金属氧化物催化剂纳米粒子表面上的碳纳米管。在一些实施方式中，由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管可以包括结合到金属氧化物催化剂纳米粒子表面的碳纳米管。
通过在金属氧化物催化剂纳米粒子上的化学气相沉积合成碳纳米管可以包括通过碳纳米管扩散碳原子。这在常规上被称为“顶部生长”。当过渡金属-金属氧化物相互作用较弱时(当过渡金属与金属氧化物具有锐角接触角时)，碳在过渡金属的顶面分解并通过过渡金属扩散。这导致碳纳米管在过渡金属与金属氧化物之间沉淀，在过渡金属与金属氧化物之间继续生长，并将过渡金属推离金属氧化物。一旦过渡金属完全被过量的碳覆盖，其催化活性就会停止，并且碳纳米管也停止生长。图2用照片表示通过顶部生长来生长的碳纳米管130。碳纳米管130显示为吸附在金属氧化物120上。
在另一个实施方式中，通过在金属氧化物催化剂纳米粒子上的化学气相沉积合成碳纳米管包括沿着金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子的表面扩散碳原子。这在常规上被称为“底部增长”。当过渡金属-金属氧化物相互作用强时(当过渡金属与金属氧化物具有钝角接触时)，初始碳分解和扩散的发生类似于顶部生长中的碳分解和扩散。然而，随着碳纳米管沉淀，碳纳米管沉淀不能将过渡金属从金属氧化物上推离。这迫使碳纳米管从过渡金属的顶点生长。过渡金属的顶点是过渡金属上离金属氧化物最远的点。碳最初结晶为半球形圆顶。然后，随着碳继续结晶，它以圆柱体的形式生长，形成碳纳米管。与在顶部生长中碳纳米管从顶部(或自上而下)生长不同，碳纳米管在底部生长中从底部(或自下而上)生长。当过渡金属继续设置在金属氧化物上时，就会发生底部生长。随后的烃分解发生在过渡金属的外周表面，并且溶解的碳向上扩散。
在一些实施方式中，方法还可以包括合成由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳化硅纳米管。合成碳化硅纳米管可以包括将由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管暴露到硅蒸气。这产生了一定量的碳化硅前体纳米粒子，包括由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳化硅纳米管。
合成碳化硅纳米管还可以包括将由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管加热至300℃至1600℃、300℃至1400℃、300℃至1200℃、300℃至1000℃、300℃至900℃、300℃至800℃、300℃至700℃、300℃至600℃、600℃至700℃、600℃至800℃、600℃至900℃、600℃至1000℃、600℃至1200℃、600℃至1400℃、600℃至1600℃、700℃至800℃、700℃至900℃、700℃至1100℃、700℃至1400℃、800℃至900℃、800℃至1100℃、800℃至1400℃、900℃至1100℃、900℃至1400℃，或1100℃至1400℃。在一些实施方式中，加热由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管可以包括将由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管放入烘箱或反应器中。在一些实施方式中，反应器可以被抽真空至1x10-100Torr至1x10-50Torr、1x10-50Torr至1x10-25Torr、1x10-25Torr至1x10-10Torr、1x10-10Torr至1x10-5Torr、1x10-5Torr至1x10-1Torr、1x10-1Torr至0.5Torr、0.5Torr至1Torr、1Torr至10Torr、10Torr至20Torr、20Torr至40Torr、40Torr至50Torr、50Torr至100Torr、100Torr至150Torr、150Torr至300Torr、300Torr至450Torr、450Torr至600Torr、600Torr至750Torr，或这些的任何组合。
在一些实施方式中，合成由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳化硅纳米管可以包括将硅前体置于烘箱中。硅前体在烘箱加热时蒸发并形成一定量的碳化硅前体纳米粒子。所述量的碳化硅前体纳米粒子包括碳化硅纳米管和金属氧化物催化剂纳米粒子。在其他实施方式中，合成碳化硅纳米管可以包括使气体混合物流过碳纳米管以形成一定量的碳化硅前体纳米粒子。在一些实施方式中，气体混合物可以包括氩气、氢气、硅、甲基三氯硅烷、任何其他含硅气体和这些的组合。具体地，在一个实施方式中，气体混合物可以包括氩气、氢气和甲基三氯硅烷。
在一些实施方式中，加热由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管包括使气体混合物以1℃/min.至20℃/min.、3℃/min.至10℃/min.、5℃/min.至10℃/min.、5℃/min.至7℃/min.，或5℃/min.的加热速率在由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管上流动。加热由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管还可以包括将如按气体混合物的体积计算的0至50体积％(vol.％)、2至30vol.％、2至20vol.％、2至15vol.％、2至10vol.％、2至5vol.％、5至30vol.％、5至20vol.％、5至15vol.％、5至10vol.％、10至30vol.％、10至20vol.％、10至15vol.％、15至30vol.％、15至20vol.％，或20至30vol.％的硅基气体添加到气体混合物。在一些实施方式中，方法还可以包括使气体混合物流过由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管，以形成一定量的碳化硅前体纳米粒子。硅基气体可以包括任何含硅气体，例如作为非限制性实例的甲基三氯硅烷、N-仲丁基(三甲基甲硅烷基)胺、氯五甲基乙硅烷、六甲基乙硅烷、五甲基乙硅烷、四溴化硅、三乙基硅烷，或任何其他含硅气体，或这些的混合物。包括氩气、氢气和硅的气体混合物可以包括如按气体混合物的体积计算的20至50vol.％、20至40vol.％、20至35vol.％、20至30vol.％、30至50vol.％、30至40vol.％、30至35vol.％、35至40vol.％、35至50vol.％，或40至50vol.％的氢气，和如按气体混合物的体积计算的50至80vol.％、50至70vol.％、50至65vol.％、50至60vol.％、60至65vol.％、60至70vol.％、60至80vol.％、65至80vol.％、65至70vol.％，或70至80vol.％的氩气。使气体混合物流动可以包括使气体混合物以10至1000ml/min.、50至800ml/min.、100至400ml/min.，或150ml/min.的速率流动。根据一些实施方式，气体混合物可以通过使氢气流过甲基三氯硅烷来制备，从而产生硅基气体。
由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳化硅纳米管可以在空气中在升高的温度下退火。如本公开中所使用的，退火是指在特定气氛下将基板加热至退火温度，并将基板在退火温度下保持一段时间，并让基板冷却的过程。退火温度是低于基板熔化温度的温度。例如，由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳化硅纳米管可以在500℃至600℃、600℃至700℃、700℃至800℃、800℃至900℃、900℃至1000℃、1000℃至1100℃、1100℃至1200℃、1200℃至1300℃、1300℃至1400℃、1400℃至1500℃、1500℃至1600℃、1600℃至1700℃、1700℃至1800℃，或这些的任意组合的温度下退火。例如，由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳化硅纳米管可以在退火温度下保持0.001分钟(min)至5min、5min至10min、10min至20min、20min至30min、30min至40min、40min至50min、50min至60min、60min至70min，或甚至大于70min，或这些的任何组合。退火步骤还可以包括冷却步骤，其中由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳化硅纳米管的温度可以降低200℃/min.至150℃/min.、150℃/min.至100℃/min.、100℃/min.至50℃/min.、50℃/min.至25℃/min.、25℃/min.至20℃/min.、20℃/min.至15℃/min.、15℃/min.至10℃/min.、10℃/min.至5℃/min.、5℃/min.至1℃/min.、1℃/min.至0.5℃/min.、0.5℃/min.至0.1℃/min.、甚至低于0.1℃/min.，或这些的任意组合。退火步骤可以在特定气氛下进行，其中特定气氛包括空气、惰性气体、还原气体、氧化气体，或这些的组合。
如前所述，方法包括将一定量的前体纳米粒子添加到水力压裂液中，包括由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管。选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中。金属氧化物催化剂纳米粒子可操作以溶解在水力压裂液中，这导致一定量的碳纳米管分散在水力压裂液中。与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，一定量的碳纳米管的分散增加了具有分散的碳纳米管的水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一项的值。
金属氧化物催化剂纳米粒子溶解在水力压裂液中，这使得分散在水力压裂液中的碳纳米管保持与金属氧化物催化剂纳米粒子溶解之前大致相同的位置和取向。这导致分散的碳纳米管在整个水力压裂液中并且没有如使用常规方法形成的碳纳米管团块。在一些实施方式中，水力压裂液具有持久分散均匀性。短语“持久分散均匀性”是指在整个水力压裂液中的任何离散点处的第一碳纳米管浓度与在整个水力压裂中的任何第二离散点处的第二碳纳米管浓度的变化不超过30％。换言之，碳纳米管的浓度不会在水力压裂液内的任何点处导致碳纳米管结块。在本公开所述的实施方式中，在整个水力压裂液中的持久分散均匀性使得，对于整个水力压裂液中的离散点，碳纳米管浓度的极值(最小值或最大值)大于或等于水力压裂液内的任何第二离散点处的水力压裂液内碳纳米管浓度的约70％且小于或等于约130％。
此外，随着金属氧化物催化剂纳米粒子溶解，金属氧化物催化剂纳米粒子可以用作pH缓冲剂。在一些实施方式中，金属氧化物催化剂纳米粒子可以将水力压裂液的pH值增加至大于7。在一些实施方式中，金属氧化物催化剂纳米粒子可以将水力压裂液的pH值增加至9至12、9至11、9至10.5、9至10、10至12、10至11、10至10.5、10.5至12、10.5至11，或11至12。具体地，金属氧化物催化剂纳米粒子可以将具有5至9、6至8、6.5至7.5，或7的第一pH值的含水水力压裂液的pH值提高至9至12、9至11、9至10.5、9至10、10至12、10至11、10至10.5、10.5至12、10.5至11，或11至12的第二pH值。
在一些实施方式中，方法还可以包括在将一定量的前体纳米粒子(包括由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管)添加到水力压裂液中之前，对碳纳米管的表面进行功能化，选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中。在另一个实施方式中，方法还可以包括在将一定量的包括由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管的前体纳米粒子添加到水力压裂液中之后，对碳纳米管的表面进行功能化，选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中。在又一个实施方式中，方法还可以包括在金属氧化物催化剂纳米粒子溶解在水力压裂液中之后，对碳纳米管的表面进行功能化。在一些实施方式中，对碳纳米管的表面进行功能化可以包括用亲水性官能团对碳纳米管的表面进行功能化。亲水性官能团可以包括羟基、羰基、羧基、氨基、巯基、磷酸酯基团和这些的组合。具体地，方法还可以包括在金属氧化物催化剂纳米粒子溶解在水力压裂液中之后，用羧酸盐、铵衍生物、磺化单体、低聚物或聚合物中的至少一种来官能化碳纳米管的表面。
在实施方式中，与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，碳纳米管分散体可以使具有分散的碳纳米管的水力压裂液的牛顿粘度增加500厘泊(cP)。在一些实施方式中，与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，碳纳米管分散体可以使具有分散的碳纳米管的水力压裂液的牛顿粘度增加5至2000cP、5至1000cP、5至700cP、5至600cP、5至500cP、5至400cP、5至200cP、5至100cP、5至50cP、50至2000cP、50至1000cP、50至700cP、50至600cP、50至500cP、50至400cP、50至200cP、50至100cP、100至2000cP、100至1000cP、100至700cP、100至600cP、100至500cP、100至400cP、100至200cP、200至2000cP、200至1000cP、200至700cP、200至600cP、200至500cP、200至400cP、400至2000cP、400至1000cP、400至700cP、400至600cP、400至500cP、500至2000cP、500至1000cP、500至700cP、500至600cP、600至2000cP、600至1000cP、600至700cP、700至2000cP、700至1000cP，或1000至2000cP。在一些实施方式中，与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，碳纳米管分散体可以使具有分散的碳纳米管的水力压裂液的牛顿粘度增加10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、150％、200％、250％、300％或500％。
方法还可以包括将先前描述的添加剂添加到水力压裂液中。添加添加剂可以涉及将添加剂混合到水力压裂液中。在一些实施方式中，水力压裂液可以以4000转/分钟(RPM)至16000RPM的剪切速度混合。水力压裂液可以以4000RPM至15000RPM、或5000RPM至15000RPM、或5000RPM至1000RPM、或8000RPM至16000RPM、或10000RPM至16000RPM，或12000RPM至16000RPM的剪切速度混合。
本公开的实施方式还可以涉及使用水力压裂液的方法。水力压裂液可以符合先前描述的任何实施方式。在一些实施方式中，可以将水力压裂液引入地下地层中。引入可以涉及将水力压裂液注入或泵入地下地层中，其在一些实施方式中可以是井。水力压裂液可以在地下地层内循环。在一些实施方式中，泥浆泵可以用于将水力压裂液注入地下地层中。
如前所述，流体流变学是水力压裂液性能的重要参数。对于具有极端温度和压力要求的重要海上应用，流体的粘度分布通常用受控温度和压力粘度计(例如，可从FannInstruments(Houston，TX)商购获得的iX77流变仪)测量。流体可以在35°F至500°F的温度下进行测试，压力高达20,000磅/平方英寸(psi)。冷流体流变学可能会很重要，因为流体在深水立管中暴露于32°F以下的低温。在深井或地热加热井中可能会遇到高于100°F的温度。井下流体的压力可能会大于2,000psi，并且其粘度分布可能会相应改变。水力压裂液的流变行为，例如凝胶强度、塑性粘度和屈服点，可以通过粘度、剪切应力和剪切速率的测量来确定。
水力压裂液的凝胶强度是指在水力压裂液保持静止状态的规定时间段之后以低于10RPM的剪切速率测量的水力压裂液的剪切应力。本公开的水力压裂液在10秒之后可以具有每100立方英尺(lbf/100ft2)0.5至30磅力的凝胶强度。在一些实施方式中，水力压裂液在10秒之后可以具有0.5至100lbf/100ft2、0.5至60lbf/100ft2、0.5至50lbf/100ft2、0.5至40lbf/100ft2、0.5至30lbf/100ft2、0.5至20lbf/100ft2、0.5至15lbf/100ft2、0.5至10lbf/100ft2、0.5至5lbf/100ft2、0.5至1lbf/100ft2、1至100lbf/100ft2、1至60lbf/100ft2、1至50lbf/100ft2、1至40lbf/100ft2、1至30lbf/100ft2、1至20lbf/100ft2、1至15lbf/100ft2、1至10lbf/100ft2、1至5lbf/100ft2、5至100lbf/100ft2、5至60lbf/100ft2、5至50lbf/100ft2、5至40lbf/100ft2、5至30lbf/100ft2、5至20lbf/100ft2、5至15lbf/100ft2、5至10lbf/100ft2、10至100lbf/100ft2、10至60lbf/100ft2、10至50lbf/100ft2、10至40lbf/100ft2、10至30lbf/100ft2、10至20lbf/100ft2、10至15lbf/100ft2、15至100lbf/100ft2、15至60lbf/100ft2、15至50lbf/100ft2、15至40lbf/100ft2、15至30lbf/100ft2、15至20lbf/100ft2、20至100lbf/100ft2、20至60lbf/100ft2、20至50lbf/100ft2、20至40lbf/100ft2、20至30lbf/100ft2、30至100lbf/100ft2、30至60lbf/100ft2、30至50lbf/100ft2、30至40lbf/100ft2、40至100lbf/100ft2、40至60lbf/100ft2、40至50lbf/100ft2、50至100lbf/100ft2、50至60lbf/100ft2，或60至100lbf/100ft2的凝胶强度。在一些实施方式中，与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，碳纳米管分散体可以将具有分散的碳纳米管的水力压裂液的10秒凝胶强度提高10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、150％、200％、250％、300％或500％。
类似地，本公开的水力压裂液在10分钟之后可以具有0.5至50lbf/100ft2的凝胶强度。在一些实施方式中，水力压裂液在10秒之后可以具有0.5至100lbf/100ft2、0.5至60lbf/100ft2、0.5至50lbf/100ft2、0.5至40lbf/100ft2、0.5至30lbf/100ft2、0.5至20lbf/100ft2、0.5至15lbf/100ft2、0.5至10lbf/100ft2、0.5至5lbf/100ft2、0.5至1lbf/100ft2、1至100lbf/100ft2、1至60lbf/100ft2、1至50lbf/100ft2、1至40lbf/100ft2、1至30lbf/100ft2、1至20lbf/100ft2、1至15lbf/100ft2、1至10lbf/100ft2、1至5lbf/100ft2、5至100lbf/100ft2、5至60lbf/100ft2、5至50lbf/100ft2、5至40lbf/100ft2、5至30lbf/100ft2、5至20lbf/100ft2、5至15lbf/100ft2、5至10lbf/100ft2、10至100lbf/100ft2、10至60lbf/100ft2、10至50lbf/100ft2、10至40lbf/100ft2、10至30lbf/100ft2、10至20lbf/100ft2、10至15lbf/100ft2、15至100lbf/100ft2、15至60lbf/100ft2、15至50lbf/100ft2、15至40lbf/100ft2、15至30lbf/100ft2、15至20lbf/100ft2、20至100lbf/100ft2、20至60lbf/100ft2、20至50lbf/100ft2、20至40lbf/100ft2、20至30lbf/100ft2、30至100lbf/100ft2、30至60lbf/100ft2、30至50lbf/100ft2、30至40lbf/100ft2、40至100lbf/100ft2、40至60lbf/100ft2、40至50lbf/100ft2、50至100lbf/100ft2、50至60lbf/100ft2，或60至100lbf/100ft2的凝胶强度。在一些实施方式中，与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，碳纳米管分散体可以将具有分散的碳纳米管的水力压裂液的10分钟凝胶强度提高10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、150％、200％、250％、300％或500％。
水力压裂液的流变行为可以通过以不同剪切速率测量水力压裂液上的剪切应力来确定，这可以通过测量水力压裂液上的剪切应力或剪切速率来实现。利用各种剪切速率，因为水力压裂液在较低剪切应力下表现为刚体，但在较高剪切应力下作为粘性流体流动。水力压裂液的流变性可以通过以厘泊(cP)为单位的塑性粘度(PV)和屈服点(YP)来表征，塑性粘度(PV)和屈服点(YP)是Bingham塑性流变模型的参数。PV与由于水力压裂液的固体之间的机械相互作用而导致的水力压裂液的流动阻力相关，并且表示水力压裂液的外推至无限剪切速率的粘度。PV反映了水力压裂液中固体的类型和浓度。水力压裂液的PV可以通过使用前述流变仪以300转/分钟(RPM)和600RPM的主轴速度测量水力压裂液的剪切应力，并根据等式2从600RPM粘度测量值中减去300RPM粘度测量值，进行估算：
PV(cP)＝(600RPM粘度测量值)-(300RPM粘度测量值) 等式2
本公开的水力压裂液可以具有5至2000cP的PV。在一些实施方式中，水力压裂液可以具有5至5000cP、5至1500cP、5至1000cP、5至500cP、5至100cP、5至50cP、50至5000cP、50至2000cP、50至1500cP、50至1000cP、50至500cP、50至100cP、100至5000cP、100至2000cP、100至1500cP、100至1000cP、100至500cP、500至5000cP、500至2000cP、500至1500cP、500至1000cP、1000至5000cP、1000至2000cP、1000至1500cP、1500至5000cP、1500至2000cP，或2000至5000cP的PV。在一些实施方式中，与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，碳纳米管分散体可以使具有分散的碳纳米管的水力压裂液的PV增加10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、150％、200％、250％、300％或500％。
当剪切应力小于YP时，水力压裂液表现为刚体；而当剪切应力大于YP时，水力压裂液作为粘性流体流动。换句话说，YP表示使水力压裂液从静止状态移动所需的应力量。YP表示为每面积的力，例如每100平方英尺的力的磅数(lbf/100ft2)。YP提供了水力压裂液载运支撑剂通过环空的能力的指示，这从简化方面给出了水力压裂液的井眼清洁能力的指示。YP通过将宾汉塑性流变性模型外推到零剪切速率来确定。可以根据等式3从PV估计YP(如先前所描述，如根据等式2测量)：
YP＝(300RPM粘度测量值)-PV 等式3
本公开的水力压裂液可以具有0.5至50lbf/100ft2的YP。在一些实施方式中，本公开的水力压裂液可以具有0.5至100lbf/100ft2、0.5至60lbf/100ft2、0.5至40lbf/100ft2、0.5至30lbf/100ft2、0.5至20lbf/100ft2、0.5至15lbf/100ft2、0.5至10lbf/100ft2、0.5至5lbf/100ft2、0.5至1lbf/100ft2、1至100lbf/100ft2、1至60lbf/100ft2、1至50lbf/100ft2、1至40lbf/100ft2、1至30lbf/100ft2、1至20lbf/100ft2、1至15lbf/100ft2、1至10lbf/100ft2、1至5lbf/100ft2、5至100lbf/100ft2、5至60lbf/100ft2、5至50lbf/100ft2、5至40lbf/100ft2、5至30lbf/100ft2、5至20lbf/100ft2、5至15lbf/100ft2、5至10lbf/100ft2、10至100lbf/100ft2、10至60lbf/100ft2、10至50lbf/100ft2、10至40lbf/100ft2、10至30lbf/100ft2、10至20lbf/100ft2、10至15lbf/100ft2、15至100lbf/100ft2、15至60lbf/100ft2、15至50lbf/100ft2、15至40lbf/100ft2、15至30lbf/100ft2、15至20lbf/100ft2、20至100lbf/100ft2、20至60lbf/100ft2、20至50lbf/100ft2、20至40lbf/100ft2、20至30lbf/100ft2、30至100lbf/100ft2、30至60lbf/100ft2、30至50lbf/100ft2、30至40lbf/100ft2、40至100lbf/100ft2、40至60lbf/100ft2、40至50lbf/100ft2、50至100lbf/100ft2、50至60lbf/100ft2，或60至100lbf/100ft2的PV。在一些实施方式中，与没有碳纳米管分散体的类似或等效的水力压裂液相比，碳纳米管分散体可以使具有分散的碳纳米管的水力压裂液的YP增加10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、150％、200％、250％、300％或500％。
还公开了一种用于增加从地下地层生产烃的速率的方法。可以使用水力压裂液来扩展地下地层内的裂缝并且进一步张开裂缝。水力压裂液可以是先前公开的任何水力压裂液。水力压裂液中的支撑剂可以帮助处理地下裂缝，撑开裂缝并且保持裂缝张开。方法可以包括从地下地层产生第一产烃速率，其中烃类具有第一界面张力，以及将包括支撑剂的水力压裂液引入地下地层，其中来自水力压裂液的引入的压力导致在地层内形成裂缝，并且支撑剂进入裂缝，从而支撑裂缝张开，并且由此增加井眼附近地下地层的孔隙率和渗透率。方法还可以包括通过从地下地层产生第二产烃速率来增加来自地下地层的烃生产，其中第二产烃速率大于第一产烃速率。
地下裂缝中的水力压裂液可以包括悬浮于水力压裂液中的支撑剂。在一些实施方式中，支撑剂可以分布在整个水力压裂液中。由于碳纳米管在整个水力压裂液中的分散，支撑剂可能不会在水力压裂液内聚集或以其他方式聚结。可以将水力压裂液泵入地下地层中或可以以其他方式与地下地层接触。
处理地下地层的方法的实施方式可以包括在地下地层中扩展至少一个地下裂缝以处理地下地层。在一些实施方式中，地下地层可以为岩石或页岩地下地层。在一些实施方式中，地下地层的接触可以包括钻入地下地层并且随后将水力压裂液注入地下地层中的至少一个地下裂缝中。在一些实施方式中，可以在将水力压裂液注入地下地层中的地下裂缝之前对水力压裂液进行加压。
应注意，以下权利要求书中的一项或多项权利要求利用术语“其中(where)”或“其中(in which)”作为过渡短语。出于定义本发明技术的目的，应注意，此术语在权利要求书中作为用于引入结构的一系列特征的陈述的开放式过渡短语引入，并且应以与更常用的开放式前导术语“包括”相同的方式解释。出于定义本发明技术的目的，过渡短语“由……组成”可以在权利要求书中作为将权利要求的范围限制为陈述的组分或步骤和任何天然存在的杂质的封闭式前导术语引入。出于定义本发明技术的目的，过渡短语“基本上由……组成”可在权利要求书中引入以将一项或多项权利要求的范围限制为陈述的要素、组分、材料或方法步骤以及不实质上影响所要求保护的主题的特征的任何未陈述的要素、组分、材料或方法步骤。过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”可解释为开放式过渡短语(如“包括”和“包含”)的子集，使得任意使用开放式短语来引入一系列要素、组分、材料或步骤的陈述应解释为还使用封闭式术语“由……组成”和“基本上由……组成”公开一系列要素、组分、材料或步骤的陈述。举例来说，“包括”组分A、B和C的组合物的陈述应解释为还公开“由组分A、B和C组成”的组合物以及“基本上由组分A、B和C组成”的组合物。在本申请中表达的任何定量值可认为包括与过渡短语“包括”或“包含”相一致的开放式实施方式以及与过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”相一致的封闭式或部分封闭式实施方式。
如在说明书和所附权利要求书中所使用的，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一种(a)”、“一个(an)”和“所述”包括复数引用。动词“包括”及其共轭形式应解释为以非排他性方式引用要素、组分或步骤。所引用的要素、组分或步骤可以与未明确引用的其他要素、组分或步骤一起存在、利用或组合。应当理解，分配给某特性的任何两个定量值可以构成所述特性的范围，并且在本公开中考虑由给定特性的所有所述定量值形成的范围的所有组合。已详细地并且通过参考特定实施方式描述本开的主题。应当理解，实施方式的组分或特征的任何详细描述不一定暗示组分或特征对于具体实施方式或任何其他实施方式为必要的。另外，对于本领域技术人员显而易见的是，可在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下对所描述的实施方式进行各种修改和变化。
当前所描述的主题可以包括一个或多个方面，所述一个或多个方面不应视为对本公开的教导内容的限制。第一方面可以包括一种在水力压裂液中悬浮支撑剂的方法，包括：将一定量的前体纳米粒子添加到水力压裂液中，所述前体纳米粒子包括由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管；和在添加前体纳米粒子之后，将支撑剂添加到水力压裂液中，其中：选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中，金属氧化物催化剂纳米粒子能够溶解在水力压裂液中，使得一定量的碳纳米管分散在水力压裂液中，与没有碳纳米管的等效水力压裂液相比，存在分散的碳纳米管时水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度值中的至少一项较大，并且与没有碳纳米管的等效水力压裂液相比，存在分散的碳纳米管时水力压裂液中的悬浮支撑剂的量有所增加。
第二方面可以包括一种在水力压裂液中悬浮支撑剂的方法，包括：通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米粒子上合成碳纳米管，以形成一定量的前体纳米粒子，其中金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子包括设置在金属氧化物上的过渡金属；将一定量的前体纳米粒子添加到水力压裂液中；和在添加前体纳米粒子之后，将支撑剂添加到水力压裂液中，其中：选择金属氧化物催化剂纳米粒子和水力压裂液，使得金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在水力压裂液中，水力压裂液包括至少一种表面活性剂，金属氧化物催化剂纳米粒子能够溶解在水力压裂液中，使得一定量的碳纳米管分散在水力压裂液中，与没有碳纳米管的等效水力压裂液相比，存在分散的碳纳米管时水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度值中的至少一项较大，并且与没有碳纳米管的等效水力压裂液相比，存在分散的碳纳米管时水力压裂液中的悬浮支撑剂的量有所增加。
第三方面可以包括基本上如本公开中所描述的或包括本公开中所描述的一个或多个特征的水力压裂液。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子包括金属氧化物和过渡金属。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中过渡金属包括Fe、Co或Ni。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中金属氧化物包括MgO或CaO。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中过渡金属设置在金属氧化物上。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中碳纳米管被吸附到金属氧化物催化剂纳米粒子上。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子包括如按金属氧化物的重量计算的10wt.％或更少的过渡金属。
另一方面包括前述方面中的任一方面，还包括在将一定量的前体纳米粒子添加到水力压裂液中之后，用羧酸盐、铵衍生物、磺化单体、低聚物或聚合物中的至少一种来官能化碳纳米管的表面。
另一方面包括前述方面中的任一方面，还包括通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米粒子上合成碳纳米管，以形成一定量的前体纳米粒子。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米粒子上合成碳纳米管包括通过碳纳米管扩散碳原子。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米粒子上合成碳纳米管包括沿着金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子的表面扩散碳原子。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中水力压裂液包括极性非质子溶剂。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中极性非质子溶剂包含正烷基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或二甲亚砜中的至少一种。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中水力压裂液包括一种或多种添加剂，所述添加剂选自增重剂、液漏控制剂、循环漏失控制剂、表面活性剂、消泡剂，和这些的组合。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中表面活性剂包括以下中的至少一种：磺化聚合物、磺化烷烃、聚羧化醚、三甲基烷基铵盐、烷基苄基铵盐、蛋白质、聚乙二醇衍生物、寡糖或胆固醇衍生物。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中水力压裂液包括以下中的至少一种：天然油、合成油、柴油、矿物油、氢化烯烃、未氢化烯烃、聚α烯烃、线性烯烃、支化烯烃、聚二有机硅氧烷、硅氧烷、有机硅氧烷、酯、醚、缩醛、碳酸二烷基酯、烃、脂肪酸、脂肪酸酯、脂肪酸的直链、支链或环状烷基醚，和这些的组合。
另一方面包括前述方面中的任一方面，其中水力压裂液包括以下中的至少一种：淡水、咸水、盐水、市政用水、地层水、采出水、井水、过滤水、蒸馏水、海水，或这些的组合。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不背离所要求的主题的精神和范围的情况下，可以对本文所述的实施方式进行各种修改和变更。因此，旨在本说明书覆盖所描述的各个实施方式的修改和变化，其条件是，此类修改和变化属于在所附权利要求书以及其等效物的范围内。除非在申请中另有说明，否则所有测试、特性和实验均在室温和大气压下进行。
已经详细地并且参考这些实施方式中的任何实施方式中的具体实施方式描述本公开的主题，应注意，本文中公开的各种细节不应视为暗示这些细节涉及本文描述的各个实施方式的基本组分的元素，即使在本说明书所附的每个附图中示出了特定元素的情况下也是如此。此外，显而易见，在不脱离本公开的范围的情况下可以进行修改和变化，包括但不限于所附权利要求书中限定的实施方式。更具体地，尽管本公开的一些方面被标识为特别有利，但是设想本公开不必限于这些方面。
Claims (15)
1.一种在水力压裂液中悬浮支撑剂的方法，包括：
将一定量的前体纳米粒子添加到所述水力压裂液中，所述前体纳米粒子包括由金属氧化物催化剂纳米粒子支撑的碳纳米管；和
在添加所述前体纳米粒子之后将支撑剂添加到所述水力压裂液中，其中：
选择所述金属氧化物催化剂纳米粒子和所述水力压裂液，使得所述金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在所述水力压裂液中，
所述金属氧化物催化剂纳米粒子能够溶解在所述水力压裂液中，使得一定量的碳纳米管分散在所述水力压裂液中，
与没有所述碳纳米管的等效水力压裂液相比，存在所述分散的碳纳米管时所述水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度值中的至少一项较大，并且
与没有所述碳纳米管的等效水力压裂液相比，存在所述分散的碳纳米管时所述水力压裂液中悬浮支撑剂的量有所增加。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子包括金属氧化物和过渡金属。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述过渡金属包括Fe、Co或Ni。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的方法，其中所述金属氧化物包括MgO或CaO。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中：
所述过渡金属设置于所述金属氧化物上；并且
所述金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子包括如按所述金属氧化物的重量计算的10wt.％或更少的过渡金属。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碳纳米管被吸附到所述金属氧化物催化剂纳米粒子上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在将所述一定量的前体纳米粒子添加到所述水力压裂液中之后，用羧酸盐、铵衍生物、磺化单体、低聚物或聚合物中的至少一种来官能化所述碳纳米管的表面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括通过化学气相沉积在所述金属氧化物催化剂纳米粒子上合成所述碳纳米管，以形成所述一定量的前体纳米粒子。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述水力压裂液包括极性非质子溶剂，所述极性非质子溶剂包括正烷基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或二甲亚砜中的至少一种。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
所述水力压裂液包括一种或多种添加剂，所述添加剂选自增重剂、液漏控制剂、循环漏失控制剂、表面活性剂、消泡剂，和这些的组合；并且
所述表面活性剂包括磺化聚合物、磺化烷烃、聚羧化醚、三甲基烷基铵盐、烷基苄基铵盐、蛋白质、聚乙二醇衍生物、寡糖或胆固醇衍生物中的至少一种。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
所述水力压裂液包括以下中的至少一种：天然油、合成油、柴油、矿物油、氢化烯烃、未氢化烯烃、聚α烯烃、线性烯烃、支化烯烃、聚二有机硅氧烷、硅氧烷、有机硅氧烷、酯、醚、缩醛、碳酸二烷基酯、烃、脂肪酸、脂肪酸酯、脂肪酸的直链、支链或环状烷基醚，和这些的组合；并且
所述水力压裂液包括以下中的至少一种：淡水、咸水、盐水、市政用水、地层水、采出水、井水、过滤水、蒸馏水、海水，或这些的组合。
12.一种在水力压裂液中悬浮支撑剂的方法，包括：
通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米粒子上合成碳纳米管，以形成一定量的前体纳米粒子，其中所述金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子包括设置在金属氧化物上的过渡金属；
将所述一定量的前体纳米粒子添加到所述水力压裂液中；和
在添加所述前体纳米粒子之后将支撑剂添加到所述水力压裂液中，其中：
选择所述金属氧化物催化剂纳米粒子和所述水力压裂液，使得所述金属氧化物催化剂纳米粒子可溶解在所述水力压裂液中，
所述水力压裂液包括至少一种表面活性剂，
所述金属氧化物催化剂纳米粒子能够溶解在所述水力压裂液中，使得一定量的碳纳米管分散在所述水力压裂液中，
与没有所述碳纳米管的等效水力压裂液相比，存在所述分散的碳纳米管时所述水力压裂液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度值中的至少一项较大，并且
与没有所述碳纳米管的等效水力压裂液相比，存在所述分散的碳纳米管时所述水力压裂液中悬浮支撑剂的量有所增加。
13.根据权利要求12所述的方法，其中通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米粒子上合成碳纳米管包括通过所述碳纳米管扩散碳原子。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，其中通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米粒子上合成碳纳米管包括沿着所述金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子的表面扩散碳原子。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中：
所述过渡金属包括Fe、Co或Ni，并且所述金属氧化物包括MgO或CaO；
所述金属氧化物催化剂纳米粒子的单个纳米粒子包括如按所述金属氧化物的重量计算的10wt.％或更少的过渡金属；并且
所述方法还包括在将所述一定量的前体纳米粒子添加到所述水力压裂液中之后，用羧酸盐、铵衍生物、磺化单体、低聚物或聚合物中的至少一种来官能化所述碳纳米管的表面。
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