EA022413B1 - Способ использования функционального проппанта для определения геометрии подземной трещины - Google Patents

Abstract

Описаны проппанты с дополнительными функциональными свойствами и способы использования этих проппантов для слежения и установления параметров трещины в геологической формации. Информация, полученная этими способами, может быть использована для планирования операций гидроразрыва, повышения проницаемости трещины и для увеличения добычи нефти или газа из этой геологической формации. Проппанты с дополнительными функциональными свойствами могут быть обнаружены множеством способов с использованием, например, аэромагнитной разведки, подповерхностного радиолокатора, геофона, ядерного магнитного резонанса, ультразвука, измерения импеданса, пьезоэлектрической активности, радиационной активности и т.п. Также описаны способы отображения в виде карты геологической формации и использования функциональных проппантов для установления параметров формации.

Description

Настоящая заявка притязает на приоритет в соответствии с 35 И.8.С. §119(е) предшествующих предварительных заявок на патент США №№ 61/054515, поданной 20 мая 2008 г, 61/054622, поданной 20 мая 2008 г и 61/120317, поданной 5 декабря 2008 г, содержание которых во всей полноте включается в настоящий документ путем ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к проппантам и способам их использования для определения параметров трещины в геологической формации.

Уровень техники

Проппанты, или расклинивающие агенты, широко используются для поддержания проницаемости в нефтяных и газовых скважинах. Проппанты - это материалы, которые могут быть диспергированы в жидкости-носителе и под давлением закачаны в нефтяную или газовую скважину во время проведения гидроразрыва. Проппанты могут расклинивать открытые трещины в формациях, окружающих ствол скважины, и, таким образом, не давать таким трещинам закрываться. В результате может быть увеличена площадь обнаженной поверхности формации в стволе скважины, что увеличивает дебит скважины. Проппанты также повышают механическую прочность формации и, таким образом, помогают сохранять дебит с течением времени.

Кроме того, проппанты могут осуществлять дополнительные функции, охватывающие такие варианты их использования, как слежение или прослеживание параметров пачки проппанта в трещине. Например, Ыдиуеп и др. (публикация заявки на патент США № И8 2005/0274510 А1) описывают использование конкретного проводящего полимера и/или проводящей фазы наполнителя проппанта с полимерным покрытием для определения параметров формации при помощи способа, основанного на дистанционной регистрации электрического поля. В другом примере АуоиЪ и др. (патент США № 7082993 В2) описывают использование активных или пассивных устройств для снятия параметров трещины. В этих двух способах не учитывается экстремальные и часто агрессивные условия среды в типичной скважине для добычи углеводородов, которые неизбежно вызывают ухудшение работоспособности и/или поломку устройства слежения, размещенного в таких условиях. Например, экстремальные температуры и давления могут вызвать расщепление систем на полимерной основе и активных электронных устройств, предлагаемых АуоиЪ и др. МсСаййу и др. (публикация заявки на патент США № 8И 2006/0102345 А1) описывают материал проппанта для слежения и снятия параметров зоны разрыва. Этот материал, по существу, представляет собой дополнительные частицы или наполнитель, которые вводят в пачку проппанта с целью обеспечения возможности регистрации параметров пачки проппанта. Поскольку эти частицы в основном меньше, чем сами частицы проппанта, существует вероятность закупоривания промежуточных пустот между частицами в заполненной проппантом формации, что ведет к снижению общей проницаемости пачки проппанта.

В совокупности, изложенным выше подходам свойственно сочетание следующих особенностей: плохой транспорт проппанта в трещину, ухудшающий и технологические показатели скважины (дебит скважины), и получение изображений трещины; плохая проводимость под нагрузкой, в частности, на типичных глубинах залегания коллектора (то есть, более 1000 футов (304,80 м)); недостаточная долговечность вследствие воздействия повышенной температуры, коррозии, циклического изменения напряжений или напряжения, вызывающего полное смыкание трещины; недостаточное отношение сигнал шум, препятствующее осуществлению оценки на поверхности, которое сопряжено с большими капиталовложениями в бурение периферийных скважин или скважинные измерительные устройства. В некоторых случаях это препятствует эффективному получению изображений с данными о длине, ширине и высоте заполненной проппантом трещины. В худшем случае, может быть получено изображение только двух из этих трех измерений. Кроме того, в описанных подходах удельный вес проппанта и чувствительного элемента или частицы нельзя привести в соответствие, таким образом, становится невозможным получить гомогенную смесь проппанта и чувствительных частиц в пачке проппанта, размещаемой в формации.

Существует потребность в проппантах, обладающих дополнительными функциональными свойствами помимо расклинивания открытых подземных трещин. Также существует потребность в способах точного трехмерного отображения трещины при помощи наземных систем регистрации.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к проппанту, обладающему функциональными признаками помимо расклинивания открытых трещин в подземных формациях.

Настоящее изобретение также относится к функциональным проппантам, которые можно использовать для слежения и/или установления параметров пачки проппанта, например, которые пригодны для установления таких параметров, как высота трещины, ширина трещины, глубина трещины и/или траектория трещины (то есть, азимут, уклонение, деклинация, отклонения от траектории и т.д.).

Настоящее изобретение также обеспечивает возможность регулирования удельного веса чувствительных частиц в соответствии с удельным весом проппанта, используемого для расклинивания данной подземной трещины, таким образом, может быть получена гомогенная смесь проппанта и чувствитель- 1 022413 ных частиц и снято более точное изображение расклиненного объема.

Настоящим изобретением также обеспечивается способ, открывающий возможности использования множества режимов генерации функциональным проппантом сигнала, например, функциональный проппант может сочетать свойства полостного акустического резонанса, парамагнетизма и/или выделения энергии деформации, каковые свойства могут быть использованы для генерации сигналов, генерации полостного акустического резонанса, возбуждения взрывной детонации и/или генерации магнитных характеристик, пригодных для формирования различимого сигнала.

Кроме того, настоящее изобретение относится к функциональному проппанту, который может быть нагрет в пласте, при этом проппант уплотняется в трещине и остается в ней. Может быть использовано дополнительное нагревание, например, для разложения жидкости-носителя проппанта и для улучшения извлечения из формации.

Кроме того, настоящее изобретение относится к реакционноспособному проппанту, который под управлением определенного сигнала может высвобождать химическое вещество. В одном или более варианте осуществления изобретения реакционноспособные проппанты могут поглощать и высвобождать соединения, используемые для растворения твердых частиц и протравливания породы в пласте.

Кроме того, настоящее изобретение относится к проппанту, обладающему функциональным компонентом, заключенным в оболочку или встроенным в керамическую матрицу. Керамическая матрица может защищать функциональный компонент от неблагоприятного воздействия среды в скважине.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способам точной оценки геометрии подземной трещины. Оценка свойств трещины в формации может быть осуществлена в режиме реального времени во время проведения гидроразрыва пласта. Например, этот способ может включать использование проппанта, содержащего металлические частицы или частицы оксидов переходных элементов Периодической системы, и слежение за этим проппантом методом дистанционной регистрации, таким как аэромагнитная разведка или подповерхностная радиолокация. В одном или более варианте осуществления изобретения в данном способе может быть использован проппант, включающий пьезоэлектрический компонент, который может быть обнаружен при помощи, например, акселерометра высокого разрешения или геофона.

Кроме того, настоящее изобретение относится к проппанту, включающему магнитные материалы, которые могут быть обнаружены магнитным зондом. Этот магнитный материал может содержать наночастицы, обладающие заданным магнитным моментом, например, ферритовые материалы. Магнитные частицы проппанта могут быть обнаружены по магнитному возмущению, вызываемому этими магнитными нанозондами. Их обнаружение может быть упрощено при использовании магнитной антенны, например, путем использования обсадной трубы скважины в сочетании со сверхпроводящим квантовым интерференционным датчиком (например, СКВИД-магнитометром).

Кроме того, настоящее изобретение относится к проппанту, в структуре которого заключена или имеется на поверхности упорядоченная совокупность нанотрубок, которые образуют электродную пластину так, что проппант может быть обнаружен путем измерения электрического поля, генерируемого этой электродной пластиной.

Кроме того, в других вариантах осуществления настоящее изобретение относится к способам повышения электропроводности трещины, в которых используются электропроводящие проппанты, как описано в настоящем документе.

Следует понимать, что и приведенное общее описание, и следующее далее подробное описание носят лишь иллюстративный и пояснительный характер и предназначены для дополнительного разъяснения настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения, не ограничивая это изобретение.

Подробное описание изобретения

Отчасти, настоящее изобретение относится к частице проппанта, которая включает матрицу, такую как керамическая матрица, стеклянная матрица или стеклокерамическая матрица, и, по меньшей мере, один функциональный компонент. Функциональный компонент может быть заключен или встроен в матрицу. Как вариант, функциональный компонент может быть встроен или заключен в полимер или полимерный материал, включая, помимо прочего, слой, содержащий полимер или полимерный материал. Матрица может защищать функциональный компонент в силу своей великолепной устойчивости к высоким температурам и воздействию окружающей среды, таким образом, смягчая и/или сводя к минимуму любое неблагоприятное воздействие со стороны среды в скважине и возможность разрушения функционального компонента. Матрица может выполнять в проппанте защитную функцию и придавать ему прочность.

Функциональный компонент проппанта может быть, по существу, распределен по всей матрице (то есть, композиционный материал с наполнителем в виде частиц). Функциональный компонент может быть встроен в матрицу, например, как дискретная фаза. Функциональный компонент может быть встроен в частицу проппанта в определенных зонах или участках внутри или на поверхности, например, как один или более слой, который, необязательно, по существу, перекрывается дополнительным слоем, таким как керамический слой(и) (то есть, структура типа многослойного композиционного материала) или полимерный слой или другой слой(и). Функциональный компонент может быть встроен в частицу проппанта, например, как твердый раствор и/или сплав с матрицей в одном или более слое и, по существу,

- 2 022413 покрыт слоем матрицы и/или полимера. Частица проппанта может включать ядро из функционального компонента, по существу, покрытое матрицей. Функциональный компонент может играть роль опорного материала, который затем покрывают оболочкой, такой как керамическая оболочка и/или полимерная оболочка. В контексте настоящего изобретения, выражение функциональный компонент, по существу, покрыт означает, что по меньшей мере около 50% площади открытой поверхности, предпочтительно по меньшей мере около 70%, более предпочтительно по меньшей мере около 90% или по меньшей мере 99% покрыто материалом, таким как керамическая матрица и/или полимер. Следует понимать, что хотя везде упоминается керамическая матрица, могут быть использованы другие материалы матрицы, например, стеклокерамическая матрица, полимер и другие материалы матрицы, такие как материалы, описанные в патентах/патентных заявках, упоминаемых в настоящем документе. В качестве альтернативы, функциональный материал или фаза могут быть образованы на месте во время тепловой обработки или спекания посредством проходящей в твердой фазе реакции между составляющими проппант соединениями.

Способы изготовления различных вариантов осуществления частиц проппанта настоящего изобретения (минус функциональный компонент) и примеры различных вариантов осуществления частиц проппанта (минус функциональный компонент) описаны в заявках на патент США №№ 11/347664; 11/498527; 11/728953 и 11/769247, которые во всей своей полноте включаются в настоящий документ путем ссылки. Один или более тип функциональных компонентов, описываемых в настоящем документе, может быть встроен в эти проппанты как часть ядра, как часть одного или более слоя, одного или более покрытия, как отдельное ядро, как отдельный слой, как отдельное покрытие или как любое их сочетание.

Функциональный компонент может включать магнитный, сверхмагнитный и/или парамагнитный материал. Магнитный, сверхмагнитный и/или парамагнитный материал может включать керамический материал, обладающий ферритовой структурой, например, Ре₃О₄, и легированные гомологи, такие как Ми_х2и1_-хРе₂О₄, где х - любое число от 0 до 1 с условием, что х не может быть равен 0 или 1. Другие примеры керамических материалов, пригодных для данного варианта осуществления изобретения описаны в работах Ке1и8каг и др. ШдН РегтеаЬййу о£ Ьоте Ьо88 Μη-Ζη Реггйе ОМатей Ьу 5>йЦегЙ1д №торагПс1е МпΖη Реггйе (Высокая проницаемость Μη-Ζη феррита с малыми потерями, полученного путем спекания наночистиц Μη-Ζη феррита), 1оита1 о£ МадмеШт аий Мадмейс Ма1епа18. 305, 296-303 (2006); и Рагекй и др. Тетагу Могюй18рег8ей Мщ^щ^е^ Реггйе №шорагПс1е8: Р^ера^айоη аЫ Мадиейс СкатОей/аНой' (Трехкомпонентные монодисперсные ферритовые наночастицы Μη₀,₅Ζη₀,₅Ре₂О₄: получение и описание магнитных свойств), Nаηоΐесйηо1оду, 17, 5970-5975 (2006), содержание которых во всей полноте включается в настоящий документ путем ссылки.

Сильный ответный сигнал для обнаружения может быть обеспечен при помощи однодоменных парамагнетиков. Один из способов достижения этого может включать введение наночастиц, например, размером менее 100 нм или примерно от 2 нм до примерно 20 нм. Эти наночастицы могут быть встроены в матрицу или добавлены как отдельный слой покрытия. Магнитный, сверхмагнитный и/или парамагнитный материал может быть введен как дискретная фаза в виде одного или более слоя, который, по существу, покрыт дополнительным керамическим слоем (то есть, структура типа многослойного композиционного материала) и/или полимерным слоем. Частица проппанта может включать ядро из магнитного и/или парамагнитного материала, по существу, покрытое керамической матрицей и/или полимером. Магнитный, сверхмагнитный и/или парамагнитный материал также может играть роль опорного материала, который затем покрывают керамической оболочкой и/или полимерной оболочкой. Хотя упоминается керамический слой и/или керамическая оболочка, следует понимать, что в любом из описанных в настоящем документе вариантов осуществления изобретения может быть использован любой слой или оболочка. Примеры приведены в описываемых в данном документе патентах/патентных заявках.

Функциональный компонент может включать парамагнитный материал, который находится на поверхности частицы проппанта. Такой материал может обладать высокой релаксивностью, позволяющей облегчить наблюдение ядерных протонов посредством ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Парамагнитные соединения могут увеличивать скорость спиновой релаксации протонов окружающих молекул воды. Релаксивность может быть использована, например, для повышения контрастности изображения, для изучения конкретных областей, в которых контрастные агенты лучше диффундируют, и для получения функциональных изображений методом магниторезонансной томографии. Релаксивность контрастных агентов для получения изображения методом магниторезонансной томографии может зависеть от молекулярной структуры и кинетики этого комплекса. Существует две возможности повышения релаксивности воды, которые включают, например, увеличение количества молекул воды, находящихся во внутренней сфере комплекса, и уменьшение времени вращательной корреляции молекул. Один типичный релаксационный агент представляет собой, например, гадолиний (Ой), лантаноид, являющийся парамагнитным в трехвалентном состоянии.

Использование ЯМР позволяет усовершенствовать получение изображений, подвергнутых гидроразрыву подземных пластов.

Функциональный компонент может включать по меньшей мере один переходный элемент Периодической таблицы. Функциональный компонент может включать, например, частицу металлического

- 3 022413 переходного элемента, частицу оксида переходного элемента или любое их сочетание. Функциональный компонент может включать, например, по меньшей мере один переходный элемент 4-6 периодов Периодической таблицы. Функциональный компонент может включать помимо прочего, например, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, цирконий, ниобий, молибден, родий, палладий, иттрий, скандий, гафний, тантал, вольфрам, платину или любое их сочетание.

Проппант может включать опорный материал, содержащий, например, агломерированный пиролитический углерод, электропроводный графит или их сочетание. Спекание проппанта-сырца может быть выполнено путем быстрого спекания, спекания в инертной или восстановительной атмосфере, спекания под действием электромагнитного излучения (например, СВЧ-спекания), спекания под действием эффекта индуктивной связи между проппантом и внешним электромагнитным полем или при помощи любого сочетания этих способов.

Проппант может быть подвергнут быстрому спеканию. Скорость увеличения температуры может быть такой, что наружные поверхности сырой керамики спекаются раньше внутренних областей, таким образом, образуется слой, непроницаемый для газа, который предотвращает термическое окисление углеродсодержащего материала внутри проппанта. Скорость нагревания при таком быстром спекании может лежать в диапазоне от примерно 20°С/мин до примерно 500°С/мин или от примерно 150°С/мин до примерно 400°С/мин. Могут быть использованы другие скорости нагревания, выше или ниже указанных диапазонов.

Проппант может быть спечен в инертной или восстановительной атмосфере. Наличие инертной или восстановительной атмосферы, такой как атмосфера азота, гелия, аргона, водорода, метана, монооксида углерода, диоксида углерода и т.п. может способствовать подавлению термического окисления углеродсодержащих компонентов проппанта при повышенной температуре.

Проппант может быть спечен путем приложения внешнего электромагнитного (ЕМ) поля, как в случае, например, СВЧ-спекания керамических материалов. Керамический материал сам по себе может быть нагрет путем приложения электромагнитного поля. Можно ожидать относительно небольшого роста температуры углеродсодержащего материала, происходящего, главным образом, за счет непосредственной передачи тепловой энергии от керамики во внутреннюю зону. Температура углеродсодержащего материала может оставаться меньшей, чем температура его самопроизвольного термического окисления. Частота может соответствовать диапазону, например, от примерно 1 ГГц до примерно 15 ГГц или от примерно 1,5 ГГц до примерно 8 ГГц.

Воздействие ЕМ поля на проппант-сырец может вызвать непосредственное нагревание углеродсодержащего ядра проппанта. Такое нагревание может быть локализованным и в отсутствии свободно перемещающейся атмосферы может привести к непосредственному нагреванию керамического материала от внутренних участков к наружным участкам сферической частицы проппанта. При быстром объединении зерен порошкообразной сырой керамики в спеченную непроницаемую массу можно избежать термического окисления углеродсодержащего ядра. Частота электромагнитного поля может соответствовать диапазону, например, от примерно 10 кГц до примерно 1 ГГц.

Частица проппанта может включать керамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий пьезоэлектрический материал. Пьезоэлектрический материал может быть распределен, по существу, по всей керамической матрице или полимеру, либо он может быть встроен в частицу проппанта как дискретная фаза в виде одного или более слоя, по существу, покрытого керамической матрицей и/или полимером. Частица проппанта может включать ядро из пьезоэлектрического материала, по существу, покрытое керамической матрицей и/или полимером.

Пьезоэлектрический материал может включать керамический материал со структурой типа перовскита. Пьезоэлектрический материал может включать, например, титанат свинца-циркония, титанат бария, ниобат свинца, монокристаллы кварца с бороздками, любой легированный керамический материал на основе титаната с кристаллической структурой типа перовскита или любое их сочетание.

Частица проппанта может дополнительно включать антенное устройство. При облучении частицы проппанта электромагнитным полем выбранной частоты антенное устройство может индуцировать электрический ток. Этот электрический ток может вызывать сжатие и/или расширение пьезоэлектрического материала. Изменение электромагнитного поля может привести к изменению направления электрического тока и, таким образом, изменению на обратный эффекта возбуждения сжатия/расширения пьезоэлектрического материала. Использование переменного электромагнитного поля (например, синусоидального, треугольного, квадратного, импульсного и т.д.) может вызвать быструю смену сокращения и расширения пьезоэлектрического материала. Следовательно, вследствие этого эффекта в частице проппанта и в пачке проппанта может быть вызвана вибрация. Частота вибрации пачки проппанта может быть функцией частоты возбуждения переменного электромагнитного поля. Например, частота вибрации может быть равна частоте возбуждения. Кроме того, несколько форм колебаний электромагнитных волн с различными частотами, амплитудами, углами сдвига фаз и/или формами сигнала могут быть наложены одно на другое с получением сложной формы колебаний. Возбуждение пьезоэлектрика излучением с такой сложной формой колебаний может вызвать некоторый спектр ответных сигналов пьезоэлектрической фазы и, таким образом, спектр сигналов может быть зарегистрирован приборами, расположенными на

- 4 022413 поверхности над трещиной, в стволе скважины или в периферийной скважине. Этот сложный спектр сигналов может быть развернут при помощи любого из множества математических методов преобразования с получением характеристических данных о пачке проппанта. Характеристические данные, полученные посредством такого анализа, могут включать такие параметры, как глубина, траектория, уклонение и/или деклинация и т.п., практически, может быть получено трехмерное изображение пачки проппанта.

Антенное устройство может быть изготовлено на месте, например, путем восстановления частицы из оксида металла до соответствующего металла (например, оксид никеля восстанавливают до никеля, оксид меди - до меди и т.п.). В качестве прекурсора металлической антенны также может быть использовано волокно из оксида металла, оно также может быть восстановлено до соответствующего металла в ходе изготовления. Длина антенного устройства может зависеть от длины волны электромагнитного излучения и, типично, может представлять собой любое целое число, кратное длине волны электромагнитного излучения. Дольные величины длины волны электромагнитного излучения также допустимы (например, 1/4, 1/2, 1/8, 1/16 и т.д.).

Один конец антенного устройства может иметь электрическое соединение с пьезоэлектрической фазой частицы проппанта, при этом антенное устройство расположено так, что его излучение, более или менее, направлено наружу. Кроме того, в такой структуре может быть использовано множество антенных устройств, каждое из которых соединено с пьезоэлектрической фазой, и его излучение, более или менее, направлено наружу.

Антенное устройство под воздействием электромагнитного излучения определенной частоты в диапазоне, например, от примерно 50 Гц до примерно 1200 ГГц или от примерно 300 МГц до примерно 1200 ГГц или от примерно 300 ГГц до примерно 600 ГГц или от примерно 500 до 1000 ГГц может индуцировать электрической ток.

Частица проппанта может включать керамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий катодолюминесцентный материал. Катодолюминесцентный материал может быть распределен, по существу, по всей керамической матрице или может быть встроен в частицу проппанта как отдельный слой, по меньшей мере, как один или более слой, по существу, покрытый керамической матрицей и/или другим материалом, таким как полимерный слой. Частица проппанта также может включать ядро из катодолюминесцентного материала, по существу, покрытое керамическим материалом и/или полимером.

Катодолюминесцентный материал может испускать кванты света, когда на частицу проппанта воздействует энергия из какого-либо источника, например, электромагнитное излучение. Возбуждение катодолюминесцентного материала может быть осуществлено, например, путем генерирования электронов на месте. Этого можно достичь, используя электромагнитное излучение для генерации электроннодырочных пар в фазе проппанта, как в случае, например, разнообразных легированных полупроводниковых материалов семейств кремния и германия. Катодолюминесцентный материал может содержать, например, фосфор, иттриевый железистый гранат, легированное марганцем магиевоалюмосиликатное стекло или любое их сочетание. Испускаемые фотоны могут проходить сквозь керамическую матрицу при условии, что энергия/частота испускаемых фотонов такова, что керамический материал является прозрачным для генерируемой фотонной энергии.

Частица проппанта может дополнительно включать антенное устройство. При облучении частицы проппанта электромагнитным излучением антенное устройство может генерировать поток электронов. Этот поток электронов может возбуждать испускание фотонов катодолюминесцентным материалом. Антенное устройство может представлять собой, например, любое из описанных выше антенных устройств.

Частота и/или энергия фотонов может зависеть от параметров катодолюминесцентного материала. Частота и/или энергия фотонов может быть такой, что окружающая формация и перекрывающие породы будут, по сути, прозрачными для фотонов, с низким волновым сопротивлением распространению фотонов из подземных областей в поверхностные области.

Частица проппанта может включать керамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий углеродные нанотрубки, углеродные наночастицы или их сочетание. Углеродные нанотрубки и/или углеродные наночастицы могут быть распределены, по существу, по всей керамической матрице и/или встроены как дискретная фаза в один или более слой, по существу, покрытый керамической матрицей и/или полимером. Частицы проппанта может включать, например, ядро из оксида кремния, по существу, покрытое углеродными нанотрубками и дополнительно, по существу, покрытое керамической матрицей и/или полимером. Частица проппанта также может включать, например, ядро из углеродных нанотрубок и/или углеродных наночастиц, по существу, покрытое керамической матрицей и/или полимером.

Углеродные нанотрубки могут включать помимо прочего, например, однослойные нанотрубки, многослойные нанотрубки, нанотрубки типа кресла с ручками, нанотрубки типа зигзага, спиралевидные нанотрубки, пучки однослойных нанотрубок, пучки многослойных нанотрубок или любое их сочетание. Углеродные наночастицы могут включать, помимо прочего, например, сферы, слоистые сферы, пластинки, зерна, агломерированные сферы, чешуйки, стержни, плоские шестиугольные плитки или любое их сочетание.

- 5 022413

При облучении частицы проппанта электромагнитным излучением функциональный компонент может поглощать часть электромагнитного излучения. Длина волны электромагнитного излучения может составлять, например, от примерно 0,25 мм до примерно 1 м, от примерно 1 мм до примерно 500 мм или от примерно 10 мм до примерно 100 мм.

Частица проппанта может дополнительно включать антенное устройство, содержащее упорядоченную совокупность углеродных нанотрубок. Совокупность углеродных нанотрубок может являться экраном для электрических полей. Кроме того, упорядоченная совокупность углеродных нанотрубок может обеспечивать сильное поглощение СВЧ-излучения. Частицу проппанта можно будет обнаружить по поглощению СВЧ-излучения.

Для спекания стеклообразного материала (например, обладающего малой механической прочностью в стеклообразной фазе) почти до или до максимальной плотности (например, 90% или выше, 95% или выше, такой как от 90 до 100%, от 95 до 99%) могут быть использованы стеклокерамические способы, сопровождающиеся кристаллизацией или расстекловыванием с целью дополнительного совершенствования механических и/или термических свойств материала. Стеклокерамическая композиция, дополнительно содержащая некоторые количества оксидов железа, например, от примерно 1 вес.% до примерно 25 вес.% оксида железа, может обладать высокой стойкостью к коррозии и абразивному износу. В стеклокерамике большое содержание железа способствует кристаллизации несмешивающейся фазы магнетита из исходного стекла. Стеклокерамическая методика может быть использована для получения магнетита в исходном стеклянном материале. В одном из аспектов настоящего изобретения преимущества стеклокерамической методики могут быть использованы путем введения достаточного количества оксида железа в стекло, например, алюмосиликатное стекло, например, во время обычных циклов обработки и нагревания, необходимых для спекания и кристаллизации исходного стекла, при этом образуется несмешивающаяся жидкость, которая затем выпадает в осадок в виде фазы магнетита. В качестве альтернативы или дополнительно, могут быть использованы другие металлы или их оксиды, особенно, парамагнитные металлы или их оксиды. Примерами, помимо прочего, являются Ре, Νί, Со, Мп, Зш, Се, Νά, Рг или их оксиды или их сплавы или любое их сочетание.

Частица проппанта может включать стеклокерамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий, по меньшей мере, оксид железа. Функциональный компонент может быть распределен по всей стеклокерамической матрице и/или может быть встроен в частицу проппанта как дискретная(ые) фаза(ы). Функциональный компонент может быть встроен в частицу проппанта как дискретная(ые) фаза(ы) по меньшей мере в одном слое, по существу (например, если покрыто более 75% площади поверхности) или полностью покрытом слоем стеклокерамической матрицы. Стеклокерамическая матрица может включать, помимо прочего, например, алюмосиликатное стекло, натриево-алюмосиликатное стекло, литиево-алюмосиликатное стекло, магниево-алюмосиликатное стекло, боросиликатное стекло, кварцевое стекло и т.п. или любое их сочетание. К другим примерам относится, помимо прочего, кальциевоалюмосиликатное стекло, бариево-алюмосиликатное стекло, стронциево-алюмосиликатное стекло, циркониево-силикатное стекло, циркониево-алюмосиликатное стекло, стекло макор или любое их сочетание. Стекло, например, алюмосиликатное стекло может содержать другие щелочные металлы или щелочные компоненты, такие как сода, оксид калия, оксид магния, оксид кальция и/или другие модификаторы свойств, такие как оксид титана, оксид цинка и т.д., или любое их сочетание. Такие модификаторы могут быть введены, например, для регулирования кристаллизации исходного стекла.

Оксид железа может включать, например, магнетит, оксид трехвалентного железа, оксид двухвалентного железа и/или любое их сочетание. Оксид железа (и/или другой металл или оксид металла) может присутствовать в частице проппанта в количестве, например, от примерно 1% до примерно 40% или выше, от примерно 10% до примерно 30%, от примерно 12% до примерно 25% или от примерно 15% до примерно 20% относительно веса частицы проппанта. Эти диапазоны также применимы к другим металлам или их оксидам, которые могут быть использованы в контексте настоящего изобретения.

Частица проппанта может включать или дополнительно включать зернистый материал, например макрочастицу, содержащую дополнительный стеклокерамический материал и/или твердую фазу магнетита. Стеклокерамическая матрица может связывать зернистый материал с образованием стеклообразного композиционного материала, который может быть подвергнут спеканию до получения заданной плотности, после чего подвергнут дополнительной тепловой обработке с целью кристаллизации стеклообразной фазы. Выбор зернистого материала может быть сделан в зависимости от заданных свойств частиц проппанта. Одним из вариантов выбора зернистого материала может быть магнетит, например, в композиционном материале, в котором желательно присутствие повышенного количества магнетита сверх того, что обеспечивается стеклокерамической композицией. Если нужна более высокая прочность или другие механические свойства, то могут быть использованы более прочные алюмосиликатные макрочастицы и стеклокерамическая матрица. Дополнительная стеклокерамическая макрочастица может быть образована тем же самым материалом, что и стеклокерамическая матрица, или другим материалом. Количество зернистого материала может быть изменено в зависимости от заданных свойств частиц проппанта. Стеклокерамический зернистый материал может присутствовать в количестве, например, от примерно 5 до 95 вес.%, например от 15 до 80 вес.% или от 20 до 60 вес.% относительно общего веса материала. Зер- 6 022413 нистый магнетит может присутствовать в количестве, например, от примерно 1% до примерно 40 вес.% или выше, от примерно 10% до примерно 30 вес.%, от примерно 12% до примерно 25 вес.% или от примерно 15% до примерно 20% по весу относительно частицы проппанта.

Частица проппанта может выделять тепло. При облучении частицы проппанта электромагнитным излучением функциональный компонент может поглощать часть электромагнитного излучения и выделять тепло. Частица проппанта может осуществлять нагревание на месте в то время, когда проппант уплотняется в трещине и остается в ней. Выделенное тепло может быть использовано, например, для разложения жидкостей-носителей, используемых для транспорта проппантов, и/или для снижения вязкости тяжелой сырой нефти в формации.

Ширину и высоту расклиненной трещины можно измерить путем регистрации аномалий градиента температуры около ствола скважины при помощи набора термопар, термометров, термисторов, платиновых термометров сопротивления, резистивных датчиков температуры, инфракрасных приборов и др.

Ширина и высота расклиненной трещины может быть зарегистрирована из периферийных скважин, буровых скважин и с поверхности, например, при помощи инфракрасных устройств регистрации тепловых излучений. К таким устройствам относятся устройства с зарядовой связью, болометры и фотонные детекторы, состоящие из таких устройств, как фотодиоды из арсенида индия-галлия (ЧпСаЛЦ. германиевые фотодиоды, инфракрасные детекторы с фотосопротивлением из сульфида свинца (РЬ8), инфракрасные детекторы с фотосопротивлением из селенида свинца (РЬ8е), фотоэлектрические детекторы из силицида платины (Ρΐδί), инфракрасные детекторы с фотосопротивлением из антимонида индия (1и8Ь), фотодиодные детекторы из антимонида индия (1и8Ь), инфракрасные детекторы с фотосопротивлением из теллурида ртути-кадимя (МСТ, НдСйТе), инфракрасные детекторы с фотосопротивлением из теллурида ртути-цинка (ΜΖΤ, Н§2иТе), микроболометры из пентоксида ванадия, сверхпроводящие инфракрасные детекторы и т.п.

Частица проппанта может включать керамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий реакционноспособное соединение. Реакционноспособное соединение может включать, например, кислоту, основание, соединение, высвобождающее энергию (тепловую, акустическую и т.п.), такое как взрывчатое соединение, или любое их сочетание. Реакционноспособное соединение может быть распределено, по существу, равномерно по всей керамической матрице и/или встроено в частицу проппанта как дискретная фаза или один или более слой, по существу, покрытый керамической матрицей и/или полимером. Частица проппанта может включать ядро из реакционноспособного соединения, по существу, покрытое керамической матрицей и/или полимером. Взрывчатое вещество (ВВ) может относиться к типу пластичных ВВ или полимерных ВВ, таких как ΚΝΆυΕΚΙΤ, δΕΜΤΕΧ, ΡΕΝΟ, РЕ4, §ртеи§когрег, С3, С4, ΡΑΜ, ΝΙΤΚΟΕΙΤ, ΡΑ-5Α, ΤνΑΚΕΧ 4А, ΡΕΑδΤΙΤΕ, ΡΒΧ, ΌΕΜΕΧ, РР-01 и т.п. Это ВВ может быть образовано, по существу, материалами, используемыми для праздничных фейерверков, такими как черный порох, бездымный порох и т.п.

Реакционноспособная фаза может представлять собой вещество, которое улучшает разложение и разрушение жидкостей-носителей. Реакционноспособная фаза может быть смешана со взрывчатым материалом или, в качестве альтернативы, может образовывать отдельный слой на той же самой частице. При детонации взрывного заряда, содержащегося внутри частицы проппанта, реакционноспособная фаза может распределяться по всей жидкости и, таким образом, улучшать разложение и/или разрушение этой жидкости-носителя.

Частица проппанта может представлять собой материал, который под действием изостатической или гидростатической нагрузки или силы проявляет высокую прочность, но под действием одноосной нагрузки или силы подвержен катастрофическому разрушению. Можно предусмотреть, чтобы одноосно нагруженная частица проппанта испытывала упругую деформацию, тогда энергия упругой деформации внутри частицы проппанта будет увеличиваться до достижения критического значения для этой частицы. По достижении величины критической энергии упругой деформации частица подвергнется хрупкому разрушению, а высвободившаяся энергия деформации образует короткий энергетический импульс, который проявляет себя как акустический или звуковой импульс. Звуковой импульс может быть зарегистрирован ранее описанными способами.

Реакционная способность функционального компонента частицы проппанта может быть задействована непосредственно при снижении давления гидроразрыва и, следовательно, смыкании стенок трещины на пачке проппанта. В качестве альтернативы, частица проппанта может иметь покрытие из вещества, которое позволяет отсрочить освобождение реакционноспособного или функционального компонента проппанта на такое время, за которое рассеиваются естественные помехи, связанные с закрытием трещины. Этот период времени может составлять от 12 до 96 ч или более. Аналогично, заданную временную задержку хрупкого разрушения частицы проппанта можно обеспечить другими способами.

Реакционноспособное соединение может быть высвобождено из частицы проппанта в результате воздействия на частицу проппанта некоего сигнала. Этот сигнал может представлять собой, например, звуковой сигнал, микроволновое или другое электромагнитное излучение. Частица проппанта может абсорбировать реакционноспособное соединение, удерживать реакционноспособное соединение так, чтобы это реакционноспособное соединение, по существу, не высвобождалось, и затем высвобождать реакци- 7 022413 онноспособное соединение при воздействии сигнала. Это реакционноспособное соединение может содержать, например, кислоту, которая может протравливать горную породу в подземной трещине. Протравленная горная порода может обладать улучшенной проницаемостью. Звуковой сигнал можно генерировать при помощи преобразователя, частоту которого осциллятором доводят до резонансной, высокоэнергетического импульса, вызывающего продольный волновой фронт, такой, какой может быть генерирован при помощи пневмопушки, вибросейсмического устройства и/или небольшого взрывного заряда с целью получения волновых пакетов большой удельной энергии.

Способ определения геометрии трещины в геологической формации или размещения проппанта в подвергнутом гидроразрыву пласте или перемещения со временем пачки проппанта в подвергнутом гидроразрыву пласте может включать нагнетание (или введение иным способом) проппанта в трещину, каковой проппант включает функциональный(е) компонент(ы) одного или более типа. Может быть осуществлено слежение за проппантом в трещине, посредством которого происходит определение параметров трещины (то есть, высоты, ширины, глубины и/или траектории). Этот способ может дополнительно включать нагнетание в скважину жидкости гидроразрыва под давлением, достаточно высоким для того, чтобы жидкость гидроразрыва инициировала или расширила трещину в геологической формации, с которой сообщается скважина, и перетекала из скважины в трещину. Жидкость гидроразрыва может содержать частицу проппанта, включающую керамическую матрицу и функциональный компонент. Керамическая матрица может служить для защиты функционального компонента в силу своих превосходных термических свойств и поведения в окружающих условиях, таким образом, ослабляя и/или сводя к минимуму неблагоприятное воздействие со стороны среды в стволе скважины.

Принцип обнаружения пачки проппанта и определения параметров трещины может включать, например, такие технологии дистанционной регистрации, как аэромагнитная разведка, обнаружение магнитных аномалий, электроразведка методом сопротивлений, малоглубинное радиолокационное зондирование, магнитно-резонансная визуализация и т.п. Другие принципы также могут быть использованы, как описано в настоящем документе. Эти технологии позволяют определить геометрию пачки проппанта и в пространстве, и во времени; таким образом, возможно измерять рост пачки проппанта в режиме реального времени. Для обнаружения и определения параметров трещин в формации и местоположения пачки проппанта могут быть использованы такие приборы, как инклинометры, каротажные зонды, акселерометры, геофоны, магнитометры, СКВИД-магнитометры, резонансные микрофоны, импульсные источники нейтронов, радиоактивные индикаторы, детекторы гамма-излучения, комплект электродов электроразведки методом сопротивлений, импульсные интенсиметры нейтронного распада, гравиметры и т.п. Эти приборы могут быть размещены на поверхности над зоной гидроразрыва, в стволе скважины на заданной глубине и/или в периферийной скважине, расположенной рядом с исходной скважиной. Данные могут быть получены после того, как периферийная скважина закончена или, в качестве альтернативы, данные могут быть получены во время бурения периферийной скважины путем размещения регистрирующих приборов в буровом снаряде.

Для определения геометрии скважины может быть использовано активированное нейтронами излучение. Чтобы превратить определенные элементы в материале в радиоактивные изотопы, можно использовать облучение материала при помощи источника нейтронов. При распаде радиоактивные изотопы испускают характеристическое излучение в форме, например, альфа-излучения, бета-излучения и/или гамма-излучения или их сочетания. Это излучение может быть обнаружено при помощи любой из множества известных конфигураций детекторов или систем. Г амма-излучение можно обнаружить благодаря его относительно высокой энергии и глубине проникания через большую часть материалов. Путем тщательного подбора изотопного индикатора, который будет образовываться в проппанте, можно оптимизировать испускание гамма-излучения. Например, в структуру и/или в покрытие проппанта может быть введен кобальт (⁵⁹Со). При облучении источником нейтронов ⁵⁹Со может поглощать бомбардирующий нейтрон и превращаться в метастабильный изотоп ^60тСо. Эта форма кобальта, ^60тСо, подвергается распаду до ⁶⁰Со с самопроизвольным испусканием гамма-излучения. Изотоп ⁶⁰Со распадается с испусканием бета-частицы до метастабильного ^60т№.

Изотоп ^60т№ спонтанно испускает гамма-излучение с образованием стабильного изотопа ⁶⁰№. Распад ^60тСо до ⁶⁰№ происходит с испусканием двух гамма-лучей и одной бета-частицы и характеризуется периодом полураспада 5,27 лет. Регистрация любого или всех этих типов излучения и волн может быть использована для определения геометрии трещины.

К пригодным для использования источникам активирующих нейтронов можно отнести реакторы, фюзоры (например, фюзор Фарнсуорта-Хорша), источник радиоактивных изотопов, испускающий нейтроны (например, актиноид, такой как калифорний), источник альфа-частиц (например, радий или америций), смешанный с бериллием для генерации нейтронов по реакции ¹²С+п, или реакции ядерного синтеза Д-Т в газоразрядной трубке. Детекторы испускаемых гамма-фотонов могут включать детекторы ионизирующего излучения (например, трубка Гейгера-Мюллера), сцинтилляционные детекторы (например, кристалл йодида натрия) или полупроводниковые детекторы (например, §1Ы или СеЫ).

Геометрию трещины можно определить путем использования жидкости, содержащей активированный нейтронами радиоактивный изотоп. Например, может быть использована жидкость, помеченная

- 8 022413 изотопом, который может быть активирован путем захвата нейтрона. В примерном варианте осуществления изобретения в жидкость гидроразрыва перед ее закачиванием в скважину может быть добавлена и активирована соль ⁵⁹Со. При выносе жидкости из зоны гидроразрыва можно измерить ее радиоактивность и определить активность. Например, принимая во внимание известную скорость притока в ствол скважины, можно рассчитать объем жидкости и, следовательно, габариты трещины. Помимо использования ⁵⁹Со, один или более компонент жидкости гидроразрыва может быть активирован при помощи бомбардирующих нейтронов. Например, ³⁹К, стабильный изотоп калия, при поглощении бомбардирующего нейтрона может превратиться в ⁴⁰К. Изотоп ⁴⁰К распадается до ⁴⁰Са, испуская бета-частицу, это испускание может быть зафиксировано любым из множества известных типов детекторов, например, описанных в настоящем документе.

Геофоны могут включать узел, образованный одинарным чувствительным элементом, или могут содержать множество чувствительных элементов. В последнем случае три или более элементов располагаются по ортогональным направлениям. Расположение чувствительных элементов по трем ортогональным направлениям позволяет регистрировать при помощи геофона и сейсмические волны сжатия, и поперечные сейсмические волны. Также может быть определено направление распространения волы. В геофоне могут быть предусмотрены дополнительные чувствительные элементы, в этом случае дополнительные чувствительные элементы располагают в направлениях, которые идут под углом 45° к ортогональным осям. Также возможны другие углы. Данные, регистрируемые дополнительными чувствительными элементами, позволяют вычислить ортогональные векторы источника, относящиеся к одиночному источнику.

Для определения геометрии трещины могут быть использованы возмущения гравитационного поля. Набор акселерометров, установленных на поверхности, может быть расположен в непосредственной близости вокруг ствола скважины. Начальные данные о гравитационном поле могут быть получены при помощи отдельных акселерометров и использованы для создания гравитационной карты интересующего района. Во время осуществления гидроразрыва и размещения проппанта сбор данных об интенсивности гравитационного поля от каждого из датчиков может проводиться в режиме реального времени. По разности начальных и конечных показаний акселерометра можно рассчитать возмущения гравитационного поля и, таким образом, получить информацию о длине трещины, азимут траектории трещины и уклонение, габариты уплотненной пачки проппанта.

Способ определения геометрии трещины в геологической формации может включать нагнетание проппанта в трещину, каковой проппант включает магнитные и/или парамагнитные материалы. Применение низкочастотных магнитных полей или магнитных полей постоянного тока для обнаружения проппанта возможно при использовании обсадной трубы скважины в качестве антенны. Зона проппанта может характеризоваться значительной магнитной проницаемостью и магнитным потоком в каналах и изменять форму дальнего магнитного поля и магнитуду магнитного поля вокруг ствола скважины. Параметры магнитного поля можно регистрировать при помощи СКВИД-магнитометра, либо для измерения возмущений магнитного поля магнитными проппантами могут быть использованы другие устройства. Сравнение начальной интенсивности поля и конечной интенсивности поля может быть использовано для определения месторасположения проппанта. В случае горизонтальных скважин можно использовать необсаженный ствол скважины или немагнитную обсадную трубу.

Способ определения геометрии трещины в геологической формации может включать нагнетание проппанта в трещину, каковой проппант включает переходные элементы Периодической таблицы. Например, переходные элементы могут быть заключены или встроены в керамическую матрицу или иную матрицу.

Этот способ может дополнительно включать обеспечение детектора, предназначенного для измерения магнитного поля, генерируемого геологической формацией, измерение магнитного поля, генерируемого геологической формацией, определение геометрии трещины на основании измеренного магнитного поля. Детектор может включать, например, магнитометр, авиационный магнитометр или сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД).

Этот способ может включать обеспечение в надлежащем месте одного или более электрода, предназначенного для измерения электрического сопротивления геологической формации, измерение электрического сопротивления геологической формации, определение геометрии трещины на основании измеренного электрического сопротивления.

Электрическое сопротивление лежащих под поверхностью материалов может быть измерено путем возбуждения в грунте электрического тока между одной парой электродов и одновременного измерения напряжения на второй паре электродов. Результатом является кажущееся удельное сопротивление, представляющее собой величину, отражающую средневзвешенное удельное сопротивление в единице объема грунта. Изменения величин этих измерений обусловлены изменениями удельного электрического сопротивления почвы, скальных пород и порового флюида. Для геофизических исследований необходим контакт с грунтом, поэтому они могут быть трудоемкими. Результаты иногда интерпретируют напрямую, но чаще оценку одномерных, двухмерных или трехмерных моделей осуществляют при помощи процедур инверсии. Когда исследование проводят с целью получения одномерной модели, его называют

- 9 022413 зондирование. Для построения двухмерных моделей грунта используют профили. Для получения трехмерного изображения используют несколько кривых или более сложное расположение электродов. Электроды, используемые с этой целью, представляют собой простые металлические проводники, расположенные в грунте в определенных местах на определенном расстоянии друг от друга и на заданной глубине. Индуцированная поляризация (или ΙΡ) это дополнительное измерение, которое может быть осуществлено одновременно с измерением удельного сопротивления по постоянному току, если имеется соответствующее оборудование. Индуцированная поляризация отражает изменение способности лежащих под поверхностью материалов удерживать электрический заряд. Это физическое свойство называют поляризуемостью. Изменение поляризуемости может быть зафиксировано, если грунтовые воды или подповерхностные флюиды содержат соли, углеводороды или другие материалы, такие как проппанты.

Способ может включать установку подповерхностного радиолокатора так, чтобы он направлял электромагнитные сигналы в геологическую формацию и регистрировал электромагнитные сигналы, отраженные от геологической формации, распространение электромагнитных сигналов в геологической формации, регистрацию отраженных электромагнитных сигналов и определение геометрии трещины на основании отраженных электромагнитных сигналов.

Способ может дополнительно включать нагнетание в скважину жидкости гидроразрыва под давлением, достаточно высоким для того, чтобы жидкость гидроразрыва инициировала или расширила трещину в геологической формации, с которой сообщается скважина, и перетекала из скважины в трещину. Жидкость гидроразрыва может содержать частицу проппанта, включающую керамическую матрицу и переходный(е) элемент(ы) Периодической таблицы.

Способ определения геометрии трещины в геологической формации может включать нагнетание проппанта в трещину, каковой проппант включает пьезоэлектрический материал и антенное устройство. Геологическая формация может быть подвергнута действию электромагнитного излучения, достаточного для генерирования в антенном устройстве электрического тока. Электрический ток может возбуждать пьезоэлектрический материал, в котором развивается либо эффект сжатия, либо эффект расширения. Изменение электромагнитного поля на обратное может привести к изменению направления электрического тока и, таким образом, изменению на обратный эффекта сжатия/расширения. Использование переменного электромагнитного поля может вызвать быструю смену сокращения и расширения пьезоэлектрического материала, вызывая, таким образом, вибрацию в частице проппанта и/или в пачке проппанта. Геологическая формация может быть подвергнута воздействию переменного электромагнитного излучения, достаточного для того, чтобы вызвать вибрацию пьезоэлектрического материала. Для регистрации этой вибрации в геологической формации может быть предусмотрен детектор. Этот детектор может измерять частоту вибрации и определять геометрию трещины на основании измеренной вибрации. Этот детектор может включать, например, акселерометр или геофон. Переменное электромагнитное излучение может характеризоваться такой частотой, как, например, синусоидальная, треугольная, квадратная, импульсная или любое их сочетание. Следовательно, вибрация пьезоэлектрического материала может характеризоваться частотой вибрации, которая является функцией частоты переменного электромагнитного излучения. Частота вибрации, например, может быть равна частоте электромагнитного излучения.

На пьезоэлектрических кристаллах может быть предусмотрено, например нанесено в виде покрытия, два или более электрода, затем кристаллы смешивают с электропроводным проппантом. Электропроводный проппант может включать, например, металлический проппант, проппант с металлическим покрытием, проппант с покрытием из электропроводного полимера, проппант из электропроводного оксида металла и т.п. и их сочетания. Концентрация пьезоэлектрических кристаллов может соответствовать диапазону от 0,001 до 99 об.%, например, диапазону от 0,01 до 10 об.% или от 0,1 до 5 об.% относительно общего объема смеси пьезоэлектрических кристаллов и электропроводного проппанта. Смесь нагнетают в трещину под давлением. Когда смесь закачана в трещину, давление в трещине увеличивается, пьезоэлектрические кристаллы подвергаются сжатию и генерируют разность потенциалов, которая может быть измерена благодаря электропроводному проппанту. Измерение разности потенциалов может быть осуществлено путем измерения тока через смесь или измерения разности потенциалов. Путем обработки сигнала можно определить местоположение пьезоэлектрических кристаллов и, следовательно, смеси. Кроме того, можно измерить величину давления, воздействующего на пьезоэлектрические кристаллы.

Пьезоэлектрический эффект может быть использован для определения геометрии трещины, его можно измерить путем регистрации амплитуды вибрации материала при помощи микроскопии атомных сил (АРМ). Измерение импеданса, описанное выше и поясняемое в работе ΙΕΕΕ §1аибагб оп Рю/ос1сс1псПу ΑΝδΙ/ΙΕΕΕ διά 176-1987 (Лете Уогк: ТНе 1пзШи1е о£ Е1сс1гошс5 Епдшеегв, 1987), которая во всей полноте включается в настоящий документ путем ссылки, является наиболее популярным способом исследования пьезоэлектрических свойств кристаллов. Напряжение переменного тока, генерируемое вибрирующим кристаллом, можно довести до максимума, если частота возбуждающего сигнала, воздействующего на материал, равна резонансной частоте материала.

Как описано в настоящем документе, конструкция электрода для измерения пьезоэлектрического эффекта с использованием концепций измерения импеданса и импедансной спектроскопии может зави- 10 022413 сеть от особенностей подземной трещины. Для осуществления таких измерений могут быть использованы электроды, размещаемые через ствол скважины или в различных местах в соответствии с прогнозируемой геометрией скважины.

Этот способ может дополнительно включать измерение времени прохождения созданных вибраций. Такие измерения могут быть использованы, например, для определения глубины трещины.

Способ может дополнительно включать нагнетание в скважину жидкости гидроразрыва под давлением, достаточно высоким для того, чтобы жидкость гидроразрыва инициировала или расширила трещину в геологической формации, с которой сообщается скважина, и перетекала из скважины в трещину, каковая жидкость гидроразрыва содержит частицу проппанта, включающую керамическую матрицу, антенное устройство и пьезоэлектрический материал.

Проппант может обладать функциональными свойствами благодаря эффекту фотолюминесценции вследствие испускания фотонов катодолюминесцентным материалом. Способ определения геометрии трещины в геологической формации может включать обеспечение детектора в месте, отвечающем задаче регистрации фотонов, испускаемых из геологической формации, нагнетание в трещину проппанта, каковой проппант содержит катодолюминесцентный материал, воздействие на проппант при помощи источника энергии, достаточной для возбуждения испускания фотонов катодолюминесцентным материалом, регистрацию фотонов, испускаемых геологической формацией, определение геометрии трещины на основании регистрации фотонов. Источник энергии может представлять собой, например, источник электромагнитного излучения.

В фазе проппанта с целью генерирования электронов на месте могут быть возбуждены электроннодырочные пары. Электроны могут дополнительно побуждать катодолюминесцентный материал к испусканию фотонов. Проппант может дополнительно включать приемную антенну, преобразующую электромагнитное излучение в поток электронов. Эти электроны затем могут побуждать катодолюминесцентный материал к испусканию фотонов.

Частота (или энергия) фотонов зависит от того, какой катодолюминесцентный материал использован для их испускания.

При изучении окружающей формации частота (или энергия) фотонов может быть подобрана так, чтобы окружающая формация и перекрывающие породы были, по сути, прозрачными для фотонов, с низким волновым сопротивлением распространению фотонов из подземных областей в поверхностные области.

Измерение электрического импеданса функциональных проппантов может быть использовано для определения геометрии подземной трещины. Этот способ может включать измерение степени сопротивления электрической цепи протекающему по ней электрическому току, когда к двум или более выходам этой цепи приложена разность потенциалов. Импеданс может быть выражен в омах, как отношение приложенной к двум выходам разности потенциалов к протекающему между этими выходами электрическому току. В цепях постоянного тока импеданс соответствует сопротивлению. В цепях переменного тока импеданс является функцией сопротивления, индуктивности и емкости. Индуктивные и емкостные элементы увеличивают напряжение, которое противодействует току. Реактивное сопротивление, образуемое индуктивностью, пропорционально частоте переменного тока, тогда как реактивное сопротивление, образуемое емкостью, обратно пропорционально этой частоте. Это противодействие, называемое реактивным сопротивлением, вместе с активным сопротивлением может быть использовано для определения импеданса, а измерение импеданса с использованием переменного тока различной частоты может быть применено для определения отличительных особенностей геометрии цепи.

Размещенные в подземной трещине проппанты можно рассматривать как замкнутую электрическую цепь, в которой отдельные частицы проппанта касаются друг друга. Проппант может обладать высоким сопротивлением, быть электропроводным или полупроводящим в зависимости от материалов, из которых изготовлен проппант, и добавок, если таковые имеются, покрытия проппанта. Геометрию подземной трещины можно определить путем измерения и моделирования электрического импеданса пачки проппанта в подземной трещине.

Конструкция электрода для измерения импеданса с использованием концепции импедансной спектроскопии может зависеть от особенностей подземной трещины, подлежащей расклиниванию проппантом. Электроды могут быть введены через ствол скважины или в различных местах в области прогнозируемой геометрии трещины. Как указано в настоящем документе, удельное электрическое сопротивление и электрический импеданс могут быть с успехом использованы в сочетании для определения геометрии скважины.

Детектор может включать двухмерный набор фотоэлектронных умножителей, двухмерный набор фотодетекторов или их сочетание. Набор фотоэлектронных умножителей и/или фотодетекторов может быть размещен, например, на поверхности над областью трещины. Двухмерный набор фотоэлектронных умножителей и/или фотодетекторов может регистрировать и усиливать фотонное излучение из подповерхностной области, позволяя, таким образом, отображать в виде карты геометрию трещины. Детектор может быть размещен в стволе скважины с целью измерения и/или регистрации фотонов, испускаемых из призабойной зоны скважины, таким образом, обеспечивая отображение высоты и ширины трещины.

- 11 022413

Скважинный детектор может включать, например, набор фотоэлектронных умножителей, набор фотодетекторов, фотографическую пленку, ПЗС-камеру или любое их сочетание.

Способ нагревания пачки проппанта в трещине геологической формации может включать нагнетание проппанта в трещину, каковой проппант включает углеродные нанотрубки, углеродные наночастицы или их сочетание. Затем, находящийся в трещине проппант может быть подвергнут облучению электромагнитным излучением, достаточным для стимулирования выделения проппантом тепла. Длина волны электромагнитного излучения может лежать в диапазоне от микроволн до радиоволн, например от примерно 1 мм до примерно 300 м, от примерно 10 мм до примерно 300 мм или примерно 100 мм.

Выделяемое проппантом тепло может быть использовано, например, для разложения жидкостейносителей, используемых для переноса проппантов в трещину. Если гели в жидкости-носителе разрушаются, вязкость жидкости-носителя может быть уменьшена.

Затем гели могут быть без труда выведены из зоны гидроразрыва в результате притока в ствол скважины. Выделяемое проппантом тепло также может быть использовано, например, для снижения вязкости тяжелой сырой нефти, присутствующей в трещине, и, таким образом, повышения темпа добычи из формации.

Способ травления горной породы в трещине в геологической формации может включать нагнетание проппанта в трещину, каковой проппант содержит керамическую матрицу и реакционноспособное соединение, генерирование сигнала, вызывающего высвобождение реакционноспособного соединения из проппанта, приведение высвобожденного реакционноспособного соединения в контакт с горной породой. Этот сигнал может представлять собой, например, звуковой сигнал, и может быть подан при помощи, например, источника звуковых сигналов. Реакционноспособное соединение может включать, например, кислоту. Кислота протравливает горную породу в трещине, что способствует повышению проницаемости формации.

В качестве другого примера настоящего изобретения, проппант может включать взрывчатый материал, который покрыт полимерными или керамическими материалами. Когда проппант закачан в трещину, давление, температура или химическое воздействие (например, кислоты) через слой покрытия может вызвать детонацию ВВ, заключенного в частице проппанта, тем самым, генерируется звуковой сигнал или микросейсмическая волна, которые могут быть зарегистрированы, как например характерный звуковой сигнал или микросейсмическая волна. Звуковой сигнал может быть зафиксирован геофоном, установленным на поверхности, или другими регистрирующими устройствами, такими как инклинометры, которые регистрируют звуковые или микросейсмические сигналы. Проппант, содержащий ВВ, может быть использован в сочетании с традиционным(и) или обычным(и) проппантом(ами), которые предназначены не для детектирования, а для расклинивания. Проппант, содержащий ВВ, может присутствовать наряду с традиционным или обычным проппантом в любом количестве, например в концентрации от примерно, 0,1 до 5 вес.% или более или от 1 до 5 вес.%, предпочтительно менее 2 вес.% относительно общего веса имеющегося проппанта.

Использование звукового сигнала для возбуждения вибрации может быть объединено с другими способами детектирования с целью получения синергического эффекта. Определение длины, ширины и высоты может быть выполнено путем использования для возбуждения звуковой волны отраженного сигнала. Возможно использование керамического преобразователя/пьезоэлектрического элемента. Возвратившийся сигнал может быть измерен при помощи керамического микрофона. Полый проппант может максимально увеличивать сигнал. Наличие полой структуры при надлежащей частоте позволяет использовать ее как объемный резонатор. В этом случае поглощается больше энергии волнового фронта, чем отражается обратно к источнику звуковой волны. Таким образом, зная коэффициент поглощения полого проппанта при нескольких заданных частотах, можно определять длину слоя проппанта после проведения экспериментов по измерению времени распространения волн. Полый проппант с большим коэффициентом поглощения, чем у окружающей его формации, позволяет устанавливать очертания границ слоя проппанта в подземной трещине.

Проппанты, размещенные в трещине гидроразрыва, можно детектировать при помощи ультразвуковых волн. Ультразвуковой преобразователь может быть размещен в стволе скважины и использован для генерирования ультразвуковых акустических волн в близлежащей геологической структуре. Существует по меньшей мере два режима регистрации ультразвуковых колебаний, это локационный и трансмиссионный режимы.

Для регистрации в локационном режиме приемник может быть объединен с преобразователем. Звуковая волна может быть направлена в геологическую структуру и распространяться там до поверхности трещины, где плотность материала резко изменяется, например, пачка проппанта сменяется скальной поверхностью. Некоторые ультразвуковые волны при этом отражаются назад к источнику. На основании фазового сдвига ультразвуковых волн может быть осуществлена оценка расстояния между источником ультразвука и отражающей поверхностью и установлено местоположение проппанта и/или поверхности трещины.

При использовании трансмиссионного режима ультразвук проходит через трещину, при этом природа трещины влияет на изменение ультразвуковой волны. Детектор, расположенный в другой скважине

- 12 022413 или отверстии, нежели та, откуда исходит ультразвуковая волна, может быть использован для регистрации проходящей, измененной ультразвуковой волны. Данные, полученные от детектора, могут быть проанализированы с учетом траектории ультразвуковой волны и использованы для определения местоположения проппанта.

Для определения температуры и давления в стволе скважины или в окрестности ствола скважины может быть использована волновая оптика. Чтобы оптическое волокно выполняло роль датчика, применяют методики калибровки волокон с оболочкой. При объединении с надлежащим преобразователем, возможна передача оптического сигнала к поверхности земли и использование эндоскопии для измерения оптического сигнала. В качестве альтернативы оптический сигнал может быть измерен при помощи ИК-спектрометра.

Проппанты могут включать слой или ядро из точечных квантовых приборов (ЦБ) (например, представляющих собой нанокристаллы размером порядка от 1 до 50 нм, например от 1 нм до 10 нм), которые выполняют в них роль функционального компонента и могут быть обнаружены, прослежены или иным образом идентифицированы при помощи описанных в настоящем документе устройств. Квантовые приборы привычны в данной области, их возбуждение может быть выполнено при помощи различных источников энергии, таких как лазеры, светодиоды и т.п. ЦБ включают ядро из СЙ8. Сй8е. СйТе. Ζηδ, Ζηδе, ΖηТе, ОаР, ОаАх, Оа8Ъ, Н§8, Н§8е, НдТе, ΙηΛχ, 1пР, 1п8Ъ, ΛΙΛχ, А1Р, А18Ъ и их сплавов или их смеси и, необязательно покрыты оболочкой из материала, содержащего ΖηΟ, Ζηδ, Ζηδе, Ζη^, СйО, СЙ8, Сй8е, СйТе, М§5, М§8е, ОаАх, ΟαΝ, ОаР, Оа8Ъ, НдО, Н§5, Н§8е, НдТе, 1пАв, ΙηΝ, ΙηΡ, 1п5Ъ, А1Аз, А1Ы, А1Р, А18Ь, их сплавы или их смеси. Размер ЦБ достаточно небольшой для встраивания внутрь проппанта и/или на его поверхность как часть слоя, как собственный слой или как часть ядра или собственное ядро. В ЦБ имеются химические радикалы, обуславливающие возможность осуществления реакции или иного физического или химического присоединения к проппанту или его части, и возможность отделения путем десорбции или иным образом, растворения, осуществления реакции и т.п.

Настоящее изобретение также относится к проппанту, включающему функциональный компонент, который обеспечивает возможность вступления данного проппанта в реакцию или изменения иным образом жидкости-носителя этого проппанта так, чтобы жидкость-носитель представляла собой вещество, которое может поддаваться слежению, отображению или иному наблюдению в трещине или стволе скважины, то есть так, чтобы жидкость-носитель представляла собой механизм слежения. Кроме того, проппант также может выполнять эту роль в данном варианте осуществления изобретения. Преимуществом этого варианта осуществления изобретения является то, что жидкость, поскольку она жидкая, лучше следует геометрии трещины и лучше отражает местоположение проппанта и жидкости-носителя, чем проппант сам по себе. Прослеживание жидкости-носителя, а не только проппанта, позволяет более точно представить трещину, местоположение жидкости-носителя и проппанта. Например, слой на проппанте при вступлении в контакт с жидкостью-носителем (такой как кислота или основание или другое реакционноспособное химическое соединение или индикатор) может растворяться, после чего за жидкостьюносителем можно следить при помощи одного или более описанного в настоящем документе способа - с использованием радара, магнитной разведки, СКВИД-магнитометра, световой энергии, вибрации, температуры (повышенной или пониженной). Как дополнительный пример, на поверхности проппант может быть снабжен слоем, вступающим с жидкостью-носителем в экзотермическую реакцию, вызывающую увеличение температуры, такое увеличение температуры может быть зафиксировано на поверхности ствола скважины или где-либо еще при помощи температурных зондов или ИК- или УФ-датчиков или другими способами детектирования. Как дополнительный пример, проппант может быть снабжен слоем или веществом, обуславливающим испускание жидкостью-носителем волн различной длины, которые могут быть зарегистрированы. Например, из проппанта могут высвобождаться частицы точечных квантовых приборов или вещество, которое может растворяться, вступать в реакцию или иным образом присутствовать в жидкости-носителе и быть обнаруженным, например, путем возбуждения под воздействием волновых или других источников.

Для определения геометрии трещины может быть использована жидкость, содержащая химические вещества или короткоживущие радиоактивные вещества. Проппанты с различным удельным весом могут быть закачаны в формацию, например, на разных стадиях. В эти проппанты могут быть введены различные химические индикаторы, либо в твердой, либо в жидкой форме, например, радиоактивные элементы, цветные чернила и/или химические метки.

Когда проппант закачан в трещину, давление сбрасывают путем выкачивания воды на поверхность земли, но давление на проппант, тем не менее, увеличивается. Проппант может быть разработан так, чтобы при этих условиях небольшая часть частиц проппанта поддавалась раздавливанию, высвобождая в жидкость-носитель жидкие или твердые реакционноспособные соединения. Затем эти химические индикаторы могут быть обнаружены различными методами, такими как тепловидение, ЯМР-спектроскопия и т.п., у ствола скважины или в ее окрестности. Расстояние от размещенного проппанта до ствола скважины может быть рассчитано на основании скорости обратного течения и времени.

В соответствии с настоящим изобретением, активные компоненты могут быть покрыты керамическими материалами или полимерами или металлами или любым сочетанием перечисленного. Покрытие

- 13 022413 может быть нанесено при помощи обычных методов, таких как метод погружения, метод вращения, метод распыления, золь-гель метод, физическое осаждение из паровой фазы, химическое осаждение из паровой фазы, суспензионная полимеризация на месте, метод осаждения, метод распылительной сушки, метод смазывания, механическое нанесение псевдоожиженного покрытия, псевдоожиженное покрытие, нанесение покрытия напылением при высокой температуре или любое сочетание перечисленных методов.

В соответствии с настоящим изобретением, проппант, включающий один или более функциональный компонент, обладает преимуществом, заключающимся в том, что этот проппант сам по себе может служить для решения нескольких задач. В частности, такой проппант обладает способностью расклинивать открытые трещины как обычные проппанты и, кроме того, может обеспечивать средство слежения за месторасположением проппанта и/или прослеживания и определение параметров трещины. Проппанты известного уровня техники не являются таким средством двойного назначения, они представляют собой либо проппант для расклинивания открытой трещины, либо материал с возможностью слежения и фактически не способны выполнять роль проппанта из-за неудовлетворительного сопротивления раздавливанию, химической стойкости, удельного веса, размера, стоимости или любого сочетания этих факторов. В соответствии с настоящим изобретением, все проппанты, введенные в скважину или трещину, или только их часть могут включать функциональный(е) компонент(ы). Если функциональным компонентом снабжена только часть проппанта, остальное может представлять собой любой тип стандартных проппантов и/или проппанты, описанные в патентных заявках, указанных в настоящем документе. Эта часть в соответствии с настоящим изобретением может составлять 99% или менее от общего веса вводимого проппанта, например от 0,5 до 95%, от 10 до 90%, от 20 до 75%, от 40 до 60% и т.п. относительно общего веса вводимого проппанта. Эта часть может быть введена отдельно от остального проппанта, может быть введена в виде смеси, может быть введена в ходе последовательных стадий. В соответствии с настоящим изобретением, проппанты, включающие функциональный(е) компонент(ы), могут обладать одним или более свойством проппанта, описанным в указанных выше патентных заявках, это, помимо прочего, составляющие, ядро, слой или слои, размер, толщина слоев, однородность ядра и/или слоя(слоев), удельный вес, прочность на раздавливание проппанта, прочность на раздавливание слоя(слоев), прочность на раздавливание ядра, способы приготовления, способы введения. Как указано, эти проппанты включают дополнительный функциональный компонент, как описано в настоящем документе, который обуславливает их пригодность для слежения и отображения. Способ изготовления проппантов и свойства проппантов, как описано в указанных выше патентных заявках, делают их идеальными для введения функционального(ных) компонента(ов), при этом достигаются приемлемые свойства, позволяющие использовать их как проппанты, а также для слежения и отображения.

В качестве еще одного варианта может быть выполнена регистрация сигналов, таких как различие акустических и/или электромагнитных характеристик пористых и полых проппантов в отличие от твердых проппантов. Детектирующие устройства включают микросейсмические, сейсмические, радиационные, магнитометры, акселерометры и/или гравиметры. Все описанные ранее приборы могут быть усовершенствованы в соответствии с нано- или микроэлектромеханическими задачами. Как вариант, проппанты могут включать полую сферу или включать полую(ые) часть (и) или пористую(ые) часть(и) в качестве своей составляющей. Наличие полости придает проппанту характеристики, отличающиеся от характеристик окружающей формации и/или твердых проппантов или иных проппантов, которые также могут присутствовать, и, следовательно, позволяет отображать его на карте. Если используется один или более из описанных источников для генерирования сигнала(ов) там, куда был закачан проппант, сигналы оказывают на проппант иное воздействие, нежели на окружающую его формацию, поэтому возможно получение данных в отношении местоположения и концентрации. Более подробно, сейсмические или вибрационные или тепловые сигналы от источников, описанных в настоящем изобретении, проходят сквозь полые проппанты и, вследствие разности проницаемости по сравнению с геологическими материалами в земной коре, изменяются с точки зрения частоты сигнала и/или ослабления сигнала и/или других различий между сигналами. Затем при помощи системы регистрации эти сигналы могут быть измерены, записаны и/или обнаружены в различных точках, после чего полученные данные обрабатывают. Разница в частоте сигнала и/или ослаблении сигнала и/или другие различия между сигналами в различных точках могут быть соотнесены с информацией о высоте трещины, ширине трещины, глубине трещины и/или траектории трещины (то есть, определены азимут, уклонение, деклинация, отклонения от траектории и т.д.). По существу, может быть получено двухмерное или трехмерное представление о местоположении проппанта и его распределении в формации.

Данные, полученные при помощи описанных выше приборов и измерительных устройств, могут составить комплексный пакет данных в результате совмещения множества частот и/или форм колебаний. Каждый из компонентов этого комплексного пакета данных или сигналов может отражать индивидуальное событие, происходящее в одном месте подвергнутой гидроразрыву формации или пачке проппанта. Для описания этих индивидуальных событий необходима деконволюция этого комплексного пакета данных или сигналов. Такая деконволюция может быть осуществлена путем математической обработки комплексного пакета данных или сигналов. К примерам такой математической обработки относятся не- 14 022413 прерывное преобразование Фурье, преобразование Фурье с дискретным временем, дискретное преобразование Фурье, дробное преобразование Фурье, ряды Фурье, преобразование Лапласа, двустороннее преобразование Лапласа, анализ спектральной плотности, оценка спектральной плотности и т.п.

В целом, для любого из способов и вариантов осуществления настоящего изобретения, проппанты настоящего изобретения могут быть использованы в сочетании с традиционными проппантами и/или проппантами, не используемыми для получения изображения или определения местоположения. В формацию может быть введено множество проппантов, доля проппантов, которые присутствуют с целью обеспечения возможности слежения или отображения на карте, может быть любой, например от 0,1 до 100 вес.% или от 1 до 75 вес.% или от 1 до 50 вес.% или от 1 до 25 вес.% или от 1 до 15 вес.% или от 1 до 10 вес.% или от 1 до 5 вес.% или от 1 до 3 вес.% относительно веса всех проппантов, введенных на стадии расклинивания.

Следовательно, настоящее изобретение может относиться к следующим вариантам осуществления в любом сочетании.

1) Частица проппанта, включающая керамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий переходный элемент Периодической таблицы.

2) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент распределен, по существу, по всей керамической матрице.

3) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта как дискретная фаза.

4) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта в виде твердого раствора, сплава или любого их сочетания с одним или более слоем керамической матрицы или полимера и, по существу, покрыт слоем керамической матрицы или полимера.

5) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, включающая ядро из функционального компонента, по существу, покрытое керамической матрицей.

6) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент включает металлическую макрочастицу, макрочастицу из оксида или любое их сочетание переходного элемента Периодической таблицы.

7) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент содержит переходный элемент из 4-6 периодов Периодической таблицы.

8) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент содержит ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, цирконий, ниобий, молибден, родий, палладий, иттрий, скандий, гафний, тантал, вольфрам, платину, проводящий или полупроводящий полимер, проводящий или полупроводящий пигмент или любое их сочетание.

9) Частица проппанта, включающая: керамическую матрицу и ядро из функционального компонента, содержащее пиролитический углерод, электропроводный графит или их сочетание, в которой ядро из функционального компонента по существу или полностью покрыто керамической матрицей.

10) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, каковая частица проппанта подвергнута спеканию путем быстрого спекания, спекания в инертной атмосфере, спекания под действием электромагнитного поля, спекания под действием СВЧ-излучения, спекания под действием эффекта индуктивной связи между проппантом и внешним электромагнитным полем или при помощи любого сочетания этих способов.

11) Частица проппанта, включающая керамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий пьезоэлектрический материал.

12) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент распределен, по существу, по всей керамической матрице.

13) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта как дискретная фаза, по меньшей мере, в одном слое, по существу, покрытом керамической матрицей или полимером.

14) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, включающая ядро из функционального компонента, по существу или полностью покрытое керамической матрицей или полимером.

15) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно включающая одно или более антенное устройство, электрически соединенное с пьезоэлектрическим материалом, где при облучении частицы проппанта электромагнитным излучением одно или более антенное устройство индуцирует электрический ток, который вызывает сокращение или расширение пьезоэлектрического материала.

16) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой одно или более антенное устройство включает металлическую частицу, металлическое волокно или любое их сочетание.

17) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой одно или более антенное устройство расположено в частице проппанта так, что излучение этого антенно- 15 022413 го устройства направлено наружу.

18) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, включающая множество антенных устройств, электрически соединенных с пьезоэлектрическим материалом, где каждое антенное устройство расположено в частице проппанта так, что излучение этого антенного устройства направлено наружу.

19) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой сжатие или расширение пьезоэлектрического материала вызывает вибрацию частицы проппанта.

20) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где электромагнитное поле представляет собой переменное электромагнитное поле, обладающее возбуждающей частотой, и вибрация частицы проппанта происходит с частотой вибрации, которая является функцией возбуждающей частоты.

21) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где частота вибрации примерно равна возбуждающей частоте.

22) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой пьезоэлектрический материал содержит керамический материал с кристаллической структурой типа перовскита.

23) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой пьезоэлектрические материал содержит титанат свинца-циркония, титанат бария, ниобат свинца, монокристалл кварца с бороздками, легированный титанат с кристаллической структурой типа перовскита или любое их сочетание.

24) Частица проппанта, включающая: керамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий катодолюминесцентный материал.

25) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент распределен, по существу, по всей керамической матрице.

26) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта как дискретная фаза по меньшей мере в одном слое, по существу, покрытом керамической матрицей или полимером.

27) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, включающая ядро из функционального компонента, по существу или полностью покрытое керамической матрицей или полимером.

28) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где при облучении частицы проппанта при помощи источника энергии катодолюминесцентный материал испускает кванты света.

29) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где источник энергии включает источник электромагнитного излучения.

30) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой катодолюминесцентный материал содержит фосфор, иттриевый железистый гранат, легированное марганцем магниевоалюмосиликатное стекло или любое их сочетание.

31) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно включающая антенное устройство, где при облучении частицы проппанта электромагнитным излучением антенное устройство индуцирует электрический ток, который побуждает катодолюминесцентный материал к испусканию фотонов.

32) Частица проппанта, включающая: керамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий углеродные нанотрубки, углеродные наночастицы или их сочетание.

33) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой углеродные нанотрубки включают однослойные нанотрубки, многослойные нанотрубки, нанотрубки типа кресла с ручками, нанотрубки типа зигзага, спиралевидные нанотрубки, пучки однослойных нанотрубок, пучки многослойных нанотрубок или любое их сочетание.

34) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой углеродные наночастицы включают сферы, слоистые сферы, пластинки, зерна, агломерированные сферы, чешуйки, стержни, плоские шестиугольные плитки или любое их сочетание.

35) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент распределен, по существу, по всей керамической матрице или полимеру.

36) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта как дискретная фаза по меньшей мере в одном слое, по существу, покрытом керамической матрицей или полимером.

37) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, включающая ядро из функционального компонента, по существу, покрытое керамической матрицей или полимером.

38) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где при облучении частицы проппанта электромагнитным излучением функциональный компонент поглощает часть электромагнитного излучения.

- 16 022413

39) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где длина волны электромагнитного излучения составляет от примерно 0,25 мм до примерно 1 м.

40) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где при облучении частицы проппанта электромагнитным излучением функциональный компонент выделяет тепло.

41) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно включающая ядро из оксида кремния, где ядро из оксида кремния по существу или полностью покрыто углеродными нанотрубками, а углеродные нанотрубки по существу или полностью покрыты керамической матрицей или полимером.

42) Частица проппанта, включающая: керамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий реакционноспособное соединение.

43) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой реакционноспособное соединение включает кислоту, основание или любое их сочетание.

44) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент распределен, по существу, по всей керамической матрице или полимеру.

45) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта как дискретная фаза по меньшей мере в одном слое, по существу или полностью покрытом керамической матрицей или полимером.

46) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, включающая ядро из функционального компонента, по существу или полностью покрытое керамической матрицей или полимером.

47) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где реакционноспособное соединение высвобождается из частицы проппанта при воздействии на частицу проппанта некоего сигнала.

48) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где сигнал включает звуковой сигнал.

49) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где частица проппанта абсорбирует реакционноспособное соединение, удерживает реакционноспособное соединение и высвобождает реакционноспособное соединение при воздействии сигнала.

50) Частица проппанта, включающая: керамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий магнитный, сверхмагнитный или парамагнитный материал.

51) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент распределен, по существу, по всей керамической матрице или полимеру.

52) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта как дискретная фаза в одном или более слое, по существу, покрытом слоем керамической матрицы или полимера.

53) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент распределен в наружном слое керамической матрицы или полимера.

54) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент содержит оксид железа.

55) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент содержит феррит.

56) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой феррит содержит Μη-Ζη феррит формулы Μη_χΖη_1-χΡβ₂Ο₄, где х - любое число от 0 до 1 с условием, что х не может быть равен 0 или 1.

57) Способ определения геометрии трещины в геологической формации, каковой способ включает: размещение детектора в позиции, пригодной для измерения магнитного поля, генерируемого в геологической формации;

нагнетание в трещину проппанта, каковой проппант содержит переходный элемент Периодической таблицы;

измерение магнитного поля, генерируемого в геологической формации; определение геометрии трещины на основании измеренного магнитного поля.

58) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором детектор включает один или более магнитометр.

59) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором детектор включает один или более авиационный магнитометр.

60) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором детектор включает один или более сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД).

61) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно включающий нагнетание жидкости гидроразрыва в ствол скважины, имеющий жидкостное соединение с трещиной, под давлением, достаточно высоким для того, чтобы жидкость гидроразрыва расширила трещину, каковая жидкость гидроразрыва включает частицу проппанта, содержащую керамическую матрицу и

- 17 022413 переходный элемент Периодической таблицы.

62) Способ определения геометрии трещины в геологической формации, каковой способ включает размещение одного или более электрода в позиции, пригодной для измерения электрического сопротивления геологической формации;

нагнетание в трещину проппанта, каковой проппант содержит переходный элемент Периодической таблицы;

измерение электрического сопротивления геологической формации;

определение геометрии трещины на основании измеренного электрического сопротивления.

63) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно включающий нагнетание жидкости гидроразрыва в ствол скважины, имеющий жидкостное соединение с трещиной, под давлением, достаточно высоким для того, чтобы жидкость гидроразрыва расширила трещину, каковая жидкость гидроразрыва включает частицу проппанта, содержащую керамическую матрицу и переходный элемент Периодической таблицы.

64) Способ определения геометрии трещины в геологической формации, каковой способ включает размещение подповерхностного радиолокатора в позиции, пригодной для излучения в геологическую формацию электромагнитных сигналов и регистрации электромагнитных сигналов, отраженных от геологической формации;

нагнетание в трещину проппанта, каковой проппант содержит переходный элемент Периодической таблицы;

излучение в геологическую формацию электромагнитных сигналов;

регистрацию электромагнитных сигналов, отраженных от геологической формации;

определение геометрии трещины на основании зарегистрированных отраженных электромагнитных сигналов.

65) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно включающий нагнетание жидкости гидроразрыва в ствол скважины, имеющий жидкостное соединение с трещиной, под давлением, достаточно высоким для того, чтобы жидкость гидроразрыва расширила трещину, каковая жидкость гидроразрыва включает частицу проппанта, содержащую керамическую матрицу и переходный элемент Периодической таблицы.

66) Способ определения геометрии трещины в геологической формации, каковой способ включает размещение детектора в позиции, пригодной для измерения вибрации геологической формации; нагнетание в трещину проппанта, каковой проппант содержит пьезоэлектрический материал и антенное устройство, электрически соединенное с пьезоэлектрическим материалом;

воздействие на геологическую формацию электромагнитным излучением, достаточным для того, чтобы вызывать в антенном устройстве электрический ток;

возбуждение электрическим током пьезоэлектрического материала с возникновением в нем вибрации;

измерение частоты вибрации;

определение геометрии трещины на основании измеренной вибрации.

67) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно включающий нагнетание жидкости гидроразрыва в ствол скважины, имеющий жидкостное соединение с трещиной, под давлением, достаточно высоким для того, чтобы жидкость гидроразрыва расширила трещину, каковая жидкость гидроразрыва включает частицу проппанта, содержащую керамическую матрицу, антенное устройство и пьезоэлектрический материал.

68) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где детектор включает один или более акселерометр.

69) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где детектор включает один или более геофон.

70) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где частота переменного электромагнитного излучения синусоидальная, треугольная, квадратная, импульсная или любое их сочетание.

71) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где вибрация пьезоэлектрического материала характеризуется частотой вибрации, которая является функцией частоты переменного электромагнитного излучения.

72) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно включающий измерение времени прохождения созданных вибраций и определение глубины трещины на основании измеренного времени.

73) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором антенное устройство включает металлическое волокно, длина которого выражается как целое число, кратное длине волны электромагнитного излучения.

74) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором частота переменного электромагнитного излучения составляет от 50 до 1200 ГГц.

75) Способ определения геометрии трещины в геологической формации, каковой способ включает

- 18 022413 размещение детектора в позиции, пригодной для регистрации фотонов, испускаемых из геологической формации;

нагнетание в трещину проппанта, каковой проппант содержит катодолюминесцентный материал; воздействие на проппант при помощи источника энергии, достаточной для того, чтобы вызывать испускание катодолюминесцентным материалом фотонов;

регистрацию фотонов, испускаемых из геологической формации; определение геометрии трещины на основании регистрации фотонов.

76) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно включающий нагнетание жидкости гидроразрыва в ствол скважины, имеющий жидкостное соединение с трещиной, под давлением, достаточно высоким для того, чтобы жидкость гидроразрыва расширила трещину, каковая жидкость гидроразрыва включает частицу проппанта, содержащую керамическую матрицу и катодолюминесцентный материал.

77) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, где источник энергии включает источник электромагнитного излучения.

78) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором проппант дополнительно включает приемную антенну, преобразующую электромагнитное излучение в поток электронов, каковые электроны побуждают катодолюминесцентный материал к испусканию фотонов.

79) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно включающий возбуждение электронно-дырочных пар в фазе проппанта и генерирование электронов на месте, каковые электроны побуждают катодолюминесцентный материал к испусканию фотонов.

80) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором детектор включает двухмерный набор фотоэлектронных умножителей, двухмерный набор фотодетекторов или их сочетание.

81) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором детектор размещают в стволе скважины с целью регистрации фотонов, испускаемых из геологической формации.

82) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором детектор включает набор фотоэлектронных умножителей, набор фотодетекторов, фотографическую пленку, ПЗСкамеру или любое их сочетание.

83) Способ нагревания пачки проппанта в трещине геологической формации, каковой способ включает обеспечение источника электромагнитного излучения;

нагнетание в трещину проппанта, каковой проппант содержит углеродные нанотрубки, углеродные наночастицы или их сочетание;

воздействие на проппант электромагнитным излучением, достаточным для того, чтобы вызывать выделение проппантом тепла.

84) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором длина волны электромагнитного излучения составляет от примерно 1 мм до примерно 1 м.

85) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором проппант дополнительно включает жидкость-носитель, и способ включает выделение тепла в количестве, достаточном для разложения жидкости-носителя.

86) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором в трещине присутствует сырая нефть, облучение включает выделение тепла в количестве, достаточном для снижения вязкости сырой нефти, а способ дополнительно включает добычу сырой нефти.

87) Способ травления горной породы в трещине геологической формации, каковой способ включает нагнетание в трещину проппанта, каковой проппант включает керамическую матрицу и реактив для травления;

генерирование звукового сигнала при помощи источника звукового сигнала, каковой сигнал обладает силой, достаточной для высвобождения реактива для травления из проппанта;

осуществление контакта между горной породой и высвобожденным реактивом для травления; травление горной породы реактивом для травления.

88) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором реактив для травления содержит кислоту.

89) Частица проппанта, включающая: стеклокерамическую матрицу и функциональный компонент, содержащий магнетит.

90) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент распределен по всей стеклокерамической матрице.

91) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта как одна или более дискретная фаза.

92) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой стеклокерамическая матрица содержит алюмосиликат.

93) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой магнетит присутствует в количестве от 15 до 20 вес.% относительно веса частицы проппанта.

- 19 022413

94) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно содержащая модификатор кристаллизации.

95) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно содержащая соду, оксид калия, оксид магния, оксид кальция, оксид титана, оксид цинка или любое их сочетание.

96) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта как дискретная фаза по меньшей мере в одном слое, по существу, покрытом слоем стеклокерамической матрицы.

97) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно содержащая макрочастицу, где стеклокерамическая матрица связана с макрочастицей с образованием стеклообразного композиционного материала.

98) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой макрочастица содержит стеклокерамический материал.

99) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой макрочастица содержит кристаллический алюмосиликат.

100) Частица проппанта любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в которой макрочастица содержит магнетит.

101) Способ определения геометрии трещины в геологической формации, каковой способ включает размещение детектора в позиции, пригодной для регистрации звуковых сигналов, испускаемых из геологической формации;

нагнетание в трещину проппанта, каковой проппант содержит взрывчатый материал; детонацию взрывчатого материала с целью генерирования звукового сигнала; регистрация звукового сигнала;

определение геометрии трещины на основании зарегистрированного звукового сигнала.

102) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором указанный звуковой сигнал регистрируют при помощи геофона, расположенного на поверхности геологической формации.

103) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором указанная детонация происходит под влиянием образования трещины, давления, температуры или химического воздействия.

104) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, дополнительно включающий нагнетание в трещину после детонации второго проппанта для расклинивания открытой трещины.

105) Способ определения геометрии трещины в геологической формации, каковой способ включает обеспечение одного или более устройства для генерирования сигналов в геологической формации, каковые сигналы включают акустические, сейсмические, вибрационные, магнитные, электрические, электромагнитные и/или тепловые сигналы;

обеспечение одного или более устройства для регистрации сигналов в геологической формации; нагнетание в трещину проппанта, каковой проппант в пачке проппанта обладает способностью преобразования сигналов, генерируемых одним или более устройством для генерирования сигналов;

генерирование сигналов в геологической формации при помощи одного или более устройства для генерирования сигналов;

преобразование генерируемых сигналов в пачке проппанта с образованием преобразованных сигналов;

измерение преобразованных сигналов;

определение геометрии трещины на основании измеренных преобразованных сигналов.

106) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором одно или более устройство для генерирования сигналов включает устройство для генерирования ультразвука.

107) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором одно или более устройство для генерирования сигналов включает устройство для генерирования электрического сигнала, а одно или более устройство для регистрации сигналов включает устройство для измерения импеданса.

108) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором одно или более устройство для генерирования сигналов включает устройство для генерирования электрического сигнала, а одно или более устройство для регистрации сигналов включает пьезоэлектрический детектор.

109) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором пьезоэлектрический детектор регистрирует амплитуду вибрации по принципу микроскопии атомных сил.

110) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором одно или более устройство для регистрации включает оптический детектор, который регистрирует оптические сигналы, передаваемые посредством волновой оптики.

111) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором одно или более устройство для регистрации включает набор акселерометров, а преобразованные сигналы включа- 20 022413 ют сигналы интенсивности гравитационного поля.

112) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором пачка проппанта включает смесь пьезоэлектрических кристаллов, содержащих электроды, и электропроводных частиц проппанта.

113) Способ определения геометрии трещины в геологической формации, каковой способ включает нагнетание в трещину проппанта, каковой проппант в пачке проппанта включает радиоактивный компонент;

генерирование этим радиоактивным компонентом в геологической формации радиоактивных сигналов;

измерение радиоактивных сигналов;

определение геометрии трещины на основании измеренных радиоактивных сигналов.

114) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором радиоактивный компонент включает химические метки, встроенные в частицы проппанта, каковой способ дополнительно включает сжатие частиц проппанта с целью раздавливания, по меньшей мере, части частиц проппанта и высвобождения химических меток.

115) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором измерение включает измерение активированного нейтронами излучения, каковой способ дополнительно включает облучение пачки проппанта при помощи источника нейтронов после нагнетания проппанта в трещину.

116) Способ любого предшествующего варианта осуществления изобретения, в котором радиоактивный компонент включает элемент, активирующийся при захвате нейтрона, каковой способ дополнительно включает активацию этого элемента до нагнетания проппанта в трещину.

Далее настоящее изобретение дополнительно поясняется примерами, которые предназначены для иллюстрации настоящего изобретения.

Теоретические примеры

Пример 1.

Сначала на опорный материал наносят барьерное покрытие, состоящее из керамического материала, который может быть или не быть тем же, что и керамический материал, обеспечивающий прочность проппанта. Толщина этого барьерного слоя такова, что образуется однородная поверхность для нанесения пьезоэлектрической фазы. Толщина барьерного слоя составляет 5±2 мкм. Затем поверх барьерного слоя наносят пьезоэлектрическую фазу. Толщина пьезоэлектрической фазы зависит от амплитуды сигнала, который необходимо генерировать, в данном примере толщина пьезоэлектрической фазы должна быть 15±5 мкм. Материал пьезоэлектрической фазы, используемый в данном примере, называется ΡΖΤ (1еай ζ^^соηаΐе-ί^ίаηаΐе - цирконат-титанат свинца), содержит твердый раствор свинца, оксида циркония и оксида титана и представляет собой, по существу, керамический материал на основе титаната с кристаллической структурой типа перовскита. Затем наносят антенное устройство, содержащее однородную смесь оксида никеля и керамического материала с концентрацией порошка оксида никеля приблизительно 30 вес.%. Толщина этого слоя, представляющего собой комбинацию антенны и керамической матрицы, составляет 30±5 мкм. Спекание пакета покрытий осуществляют на воздухе при приблизительно 1300°С в течение 120 мин.

Пример 2. В примере 2 осуществляют тот же процесс, что и в примере 1, однако при нанесении комбинации антенного устройства и керамической матрицы оксид никеля заменяют на полимерные волокна диаметром 0,5±0,1 мкм и длиной 10±1 мкм. При спекании пакета покрытий происходит пиролиз полимерных волокон с образованием в керамической матрице каналов. После спекания этот пакет сенсорного проппанта погружают в содержащий никель раствор с целью пропитки образовавшихся каналов. Сушку пропитанного пакета осуществляют при 110°С 12 ч с последующей пропиткой. Эти стадии сушки и пропитки повторяют 3 раза для достижения полного насыщения каналов керамической матрицы. После конечной стадии сушки пакет подвергают спеканию при 1200°С в течение 120 мин в восстановительной атмосфере, состоящей из монооксида углерода, получая волокна (или стержни) из никеля, один конец которых непосредственно контактирует с пьезоэлектрической фазой.

Пример 3. Идентичен примеру 2 за исключением того, что содержащий никель раствор заменен на содержащий серебро раствор для получения серебряных волокон/стержней, выполняющих роль антенного устройства.

Пример 4. В этом примере на опорный материал наносят барьерное покрытие, приблизительно, той же толщины, что и в примере 1. Поверх барьерного покрытия наносят пьезоэлектрическую фазу толщиной, приблизительно, 15±5 мкм. Поверх пьезоэлектрической фазы располагается тонкий слой, приблизительно, 5±2 мкм толщиной, электропроводной металлической фазы. Слой металлической фазы покрывают сверху тонким слоем кордиеритовой керамики, его средняя толщина составляет 2±1 мкм. Благодаря этому тонкому керамическому слою покрытие приобретает тенденцию к образованию островков керамического материала с областями не имеющей покрытия металлической фазы. Этот пакет подвергают тепловой обработке при температуре приблизительно 1300°С в течение 120 мин. Области металлической фазы без покрытия подвергаются предпочтительному плавлению и испарению с поверхности пакета.

- 21 022413

После этой тепловой обработки наносят слой конструкционной керамики толщиной 35±5 мкм при помощи системы псевдоожиженного покрытия. Тепловую обработку готового пакета осуществляют при 1250-1300°С в течение 180 мин с целью уплотнения конечного керамического слоя. Готовый пакет состоит из металлических антенных устройств, непосредственно контактирующих со слоем пьезоэлектрической фазы и окруженных плотным и очень прочным керамическим слоем.

Пример 5. В этом примере на опорный материал наносят барьерное покрытие, приблизительно, той же толщины, что и в примере 1. Поверх барьерного покрытия наносят пьезоэлектрическую фазу толщиной, приблизительно, 15±5 мкм. На поверхность пьезоэлектрического материала наносят тонкий слой металлической фазы приблизительно 5±2 мкм толщиной. После нанесения металлической фазы осуществляют травление отдельных областей с целью удаления намеченных частей металлической фазы, получая тонкие области металла, которые играют роль антенн, проводящих электрический ток (под воздействием электромагнитной волы), необходимый для возбуждения пьезоэлектрической фазы. Селективное удаление металлической фазы может быть осуществлено путем защиты намеченных областей металлической поверхности с последующим химическим травлением, направленным на растворение незащищенных областей. После химического травления слой конструкционной керамики толщиной 35±5 мкм наносят при помощи системы псевдоожиженного покрытия. Тепловую обработку готового пакета осуществляют при 1250-1300°С в течение 180 мин с целью уплотнения конечного керамического слоя. Готовый пакет состоит из металлических антенных устройств, непосредственно контактирующих со слоем пьезоэлектрической фазы и окруженных плотным и очень прочным керамическим слоем.

Пример 6. В этом примере опорный материал с покрытием подвергают тепловой обработке при температуре от 1250 до 1300°С в течение до 180 мин. В результате тепловой обработки опорного материала с покрытием получают плотную, очень прочную систему, способную выдерживать необходимое давление смыкания трещины, воздействующее на частицу в геологической формации. Прошедший тепловую обработку пакет покрывают коррозионностойкой металлической фазой (например, Сг), толщина металлического слоя составляет 15±2 мкм. Частицы, покрытые металлической фазой (частицы проппанта), размещают в геологической формации на стадии заканчивания скважины. Обнаружение размещенного проппанта может быть выполнено посредством измерения удельного сопротивления грунта. Комплект из 4 электродов, расположенных линейно, вводят в грунт над расклиненной областью на определенную глубину. К двум наружным электродам прикладывают переменный ток и измеряют разность потенциалов, появляющуюся на двух внутренних электродах. Величина этой разности потенциалов является функцией удельного сопротивления объема грунта, находящегося непосредственно под комплектом электродов. Это удельное сопротивление зависит от типа почвы, типа горных пород и типа флюида. В проппанте, как материале с высокой электропроводностью и, следовательно, малым сопротивлением, возникает большая разность потенциалов и, таким образом, проявляется контраст между расклиненной зоной и окружающей формацией.

Пример 7. Проппант примера 6 может быть обнаружен путем отображения возмущений магнитного поля земли вследствие добавления парамагнитной фазы. До размещения проппанта в подземной формации проводят магнитную разведку данной области для изучения векторов магнитного потока в ней. После размещения проппанта примера 6 магнитную разведку повторяют. Возмущения векторов магнитного потока могут быть отнесены на счет присутствия в подземной формации парамагнитной фазы, то есть путем анализа этих возмущений может быть определена протяженность расклиненной области.

Пример 8. Проппант примера 6 может быть использован для осуществления нагревания подземной формации. В ствол скважины до уровня расклиненной зоны опускают излучающий элемент. Излучающий элемент активируют при помощи переменного электрического тока. Переменное электрическое поле в излучающем элементе возбуждает испускание излучающим элементом электромагнитных волн. Взаимодействие электромагнитных волн с металлической фазой проппанта вызывает появление в металлической фазе вихревых токов и, следовательно, местное нагревание каждой частицы проппанта. Степень нагрева зависит от среднеквадратичного значения выделенной излучающим элементом энергии и частоты электромагнитной волны, которая зависит от частоты переменного электрического тока, приложенного к излучающему элементу.

Пример 9. Проппанты примеров 1-5 могут быть использованы для возбуждения акустического излучения, которое может быть обнаружено на поверхности. Комплект высокочувствительных однонаправленных геофонов располагают на поверхности над представляющей интерес формацией точно определенным образом. Для возбуждения пьезоэлектрических элементов используют короткий импульс электромагнитной энергии известной длительности, получая, таким образом, короткий импульс акустической энергии, который проходит через формацию. Регистрация акустического импульса при помощи геофонов позволяет определить длину расклиненной области. Кроме того, измерение времени распространения акустической волны позволяет определить глубину расклиненной области. Калибровка этой системы может быть проведена путем измерения времени распространения акустической волны у ствола скважины при известной глубине расклиненной области у ствола скважины, таким образом, можно определить скорость акустической волны в данной формации. Эту величину скорости затем можно использовать для

- 22 022413 расчета глубины в других областях на основании измерения времени распространения. Данные, полученные при помощи набора геофонов, позволяют определить траекторию расклиненной области и в вертикальном, и в горизонтальном направлении.

Пример 10. Следующие примеры показывают типичные возможности определения параметров трещины при помощи акустических методов. Рассмотрим простую подземную трещину, излучающую наружу из ствола скважины и содержащую пачку уплотненного проппанта, подвергаемого воздействию акустического сигнала, генерируемого простым импульсным гармоническим осциллятором, приводящим в действие преобразователь. Второй преобразователь, предназначенный для приема отраженного импульса, размещают рядом с первым преобразователем. Пачка проппанта имеет характерный акустический импеданс, Ζ _проп, который заведомо отличается от акустического импеданса окружающей формации, Ζ ф_орм. В силу плотности и срезывающей массы формации, Ζ ф_орм представляет собой бесконечное сопротивление приложенному акустическому сигналу.

Падающая акустическая волна служит носителем определенного количества энергии, которое зависит от частоты и амплитуды волны. Часть энергии падающей волны поглощается пачкой проппанта благодаря импедансу пачки проппанта. На границе между пачкой проппанта и формацией происходит два отчетливых события, первое - это образование проходящей волны, которая продолжает распространяться по формации. Второе событие - это отражение волны, которая распространяется назад через пачку проппанта к источнику. В силу чрезвычайно высокого импеданса формации, энергия отраженной волны намного выше, чем проходящей волны. На основании измерения времени распространения акустического импульса, зная скорость акустической волны в пачке проппанта, можно рассчитать длину трещины.

Пример 11. В примере 10 простой импульсный гармонический осциллятор заменяют простым гармоническим осциллятором переменной частоты. Этот осциллятор используют для приведения в действие преобразователя, при помощи которого пачку проппанта/трещину подвергают воздействию акустического сигнала переменной частоты. Частоту осциллятора непрерывно изменяют от приблизительно 0,1 Гц до высокой частоты приблизительно 45 кГц до тех пор, пока приемное устройство не зарегистрирует максимальную интенсивность, означающую, что пачка проппанта/формация находится в резонансе. Отраженные волны при этой частоте регистрируют при помощи приемного устройства, полученную волну сложной формы упрощают путем преобразования Фурье с целью деконволюции составляющих, привнесенных из-за отражения частицами проппанта и отражения на границе пачка проппанта/формация. Когда характеристические частоты этих составляющих рассчитаны, можно рассчитать соответствующие длины волн и, следовательно, определить длину расклиненной области. Частота, связанная с отражением от границы пачка проппанта/формация, является основной частотой преобразования Фурье, таким образом, длина пачки проппанта равна ¹/4 длины волны на этой частоте. В качестве альтернативы, частота может быть задана так, чтобы приемное устройство регистрировало минимальную величину, это также означает достижение резонанса в полости пачка проппанта/трещина, в этом случае длина трещины равна ¹/2 вычисленной основной длины волны.

Пример 12. В этом примере на сферическую частицу со средним диаметром 300 мкм, содержащую непластифицированное взрывчатое вещество ΚΌΧ (циклонит), наносят высокопрочный, обладающий большим модулем упругости, хрупкий полимерный композиционный материал с толщиной слоя, приблизительно, 50 мкм. Полученные таким образом частицы смешивают с обычным проппантом в соотношении 20 об.% проппанта с ВВ к 80 об.% обычного проппанта. Полученную смесь проппанта транспортируют в зону гидроразрыва в подземной формации после проведения гидроразрыва. На поверхности вокруг ствола скважины размещают набор геофонов в трехмерной сейсморазведочной конфигурации. После снятия гидравлического давления трещина смыкается на пачке проппанта. Поскольку одноосное давление увеличивается, хрупкий полимер подвергается катастрофическому разрушению, в результате чего генерируется ударная волна, достаточная для детонации заряда ВВ, содержащегося внутри частицы. Расположенные на поверхности геофоны регистрируют это событие, путем математической обработки полученных данных может быть вычислено трехмерное положение каждого события, на основании чего получено трехмерное изображение пачки проппанта.

Пример 13. Пример аналогичен примеру 12, толщину полимерного покрытия уменьшают до приблизительно 20 мкм. На полимерный слой наносят покрытие из твердой кислоты, такой как кристаллический сульфат циркония. На твердую кислоту затем наносят тонкий полимерный слой, защищающий реакционноспособный компонент во время перемещения и размещения в трещине. После закрытия трещины одноосная сила, действующая на каждую из частиц, достаточно велика для того, чтобы вызвать катастрофическое разрушение частицы и генерирование ударной волны с интенсивностью, достаточной для детонации заряда ВВ, таким образом силикат циркония распределяется по жидкости-носителю и интенсифицирует разложение и уменьшение вязкости этой жидкости.

Пример 14. Набор инклинометров размещают на поверхности вокруг ствола скважины. После начала операции гидроразрыва инклинометры фиксируют поднятие грунта. После размещения проппанта и снятия давления гидроразрыва трещина смыкается и поддерживается только частицами проппанта. В тех зонах, где проппанта нет, величина поднятия грунта должна вернуться, приблизительно, к исходному значению. В тех зонах, где проппант поддерживает стенки трещины, величина поднятия отличается от

- 23 022413 исходного значения наклона поверхности. Таким образом, расклиненную область можно определить на основании отображения в виде карты данных о наклоне поверхности в соответствии с положением каждого инклинометра.

Заявители прямо включают в настоящее описание все цитируемые документы во всей их полноте. Кроме того, когда количество, концентрация или другая величина или параметр указан либо как диапазон, предпочтительный диапазон или как список верхних предпочтительных значений и нижних предпочтительных значений, это следует понимать как прямое раскрытие всех диапазонов, образованных любой парой любого верхнего предела диапазона или предпочтительной величины и любого нижнего предела диапазона или предпочтительной величины независимо от того, указаны ли эти диапазоны по отдельности. Если в настоящем документе описывается диапазон числовых величин, то, если не указано иное, подразумевается, что этот диапазон включает свои конечные точки и все целые и дробные числа внутри диапазона. Не подразумевается, что объем настоящего изобретения может быть ограничен конкретными величинами, указанными при определении какого-либо диапазона.

Другие варианты осуществления настоящего изобретения станут очевидны специалистам в данной области при рассмотрении настоящего описания и реализации раскрытого в нем изобретения. Подразумевается, что настоящее описание и примеры должны рассматриваться только как иллюстративные, а действительный объем и сущность изобретения определены в следующей далее формуле изобретения и ее эквивалентах.

Claims (38)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Частица проппанта, включающая керамическую матрицу и функциональный компонент внутри керамической матрицы, причём функциональный компонент содержит переходный элемент Периодической таблицы, пьезоэлектрический материал, катодолюминесцентный материал, углеродные нанотрубки, углеродные наночастицы, магнитный материал, сверхмагнитный материал, парамагнитный материал, пиролитический углерод, электропроводный графит или любое их сочетание;

   причём переходный элемент Периодической таблицы включает скандий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, вольфрам, кобальт, родий, никель, палладий, платину, серебро, медь или любое их сочетание.
2. 2. Частица проппанта по п.1, в которой функциональный компонент распределен, по существу, по всей керамической матрице.
3. 3. Частица проппанта по п.1, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта как дискретная фаза.
4. 4. Частица проппанта по п.1, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта в виде твердого раствора, сплава или любого их сочетания с одним или более слоем керамической матрицы или полимера и, по существу, покрыт слоем керамической матрицы или полимера.
5. 5. Частица проппанта по п.1, включающая ядро из указанного функционального компонента, по существу или полностью покрытое керамической матрицей.
6. 6. Частица проппанта по п.1, дополнительно включающая одно или более антенное устройство, электрически соединенное с пьезоэлектрическим материалом, где при облучении частицы проппанта электромагнитным излучением одно или более антенное устройство индуцирует электрический ток, который вызывает сокращение или расширение пьезоэлектрического материала.
7. 7. Частица проппанта по п.1, в которой сжатие или расширение пьезоэлектрического материала вызывает вибрацию частицы проппанта.
8. 8. Частица проппанта по п.1, в которой пьезоэлектрический материал содержит керамический материал с кристаллической структурой типа перовскита.
9. 9. Частица проппанта по п.1, дополнительно включающая антенное устройство, при облучении частицы проппанта электромагнитным излучением антенное устройство индуцирует электрический ток, который побуждает катодолюминесцентный материал к испусканию фотонов.
10. 10. Частица проппанта по п.1, дополнительно включающая ядро из оксида кремния, где ядро из оксида кремния по существу или полностью покрыто углеродными нанотрубками, а углеродные нанотрубки по существу или полностью покрыты керамической матрицей.
11. 11. Частица проппанта по п.1, в которой функциональный компонент дополнительно содержит оксид железа.
12. 12. Частица проппанта по п.1, в которой функциональный компонент содержит указанный переходный элемент Периодической таблицы в форме металлических частиц или частиц оксида металла.
13. 13. Частица проппанта по п.1, в которой переходный элемент Периодической таблицы включает ванадий, ниобий, тантал, кобальт, родий или любое их сочетание.
14. 14. Частица проппанта по п.13, где кобальт включает ⁵⁹Со, ^60тСо или ⁶⁰Со или любое их сочетание.
15. 15. Частица проппанта по п.1, в которой переходный элемент Периодической таблицы включает никель, палладий, платину или любое их сочетание.
16. 16. Частица проппанта по п.15, где никель представляет собой порошок оксида никеля и имеет вид

    - 24 022413 слоя с концентрацией порошка оксида никеля приблизительно 30 вес.% в расчете на общую массу слоя.
17. 17. Частица проппанта по п.16, в которой никель имеет вид волокон, стержней или любого их сочетания.
18. 18. Частица проппанта по п.1, в которой переходный элемент Периодической таблицы включает серебро.
19. 19. Частица проппанта по п.18, в которой упомянутое серебро имеет вид слоя, содержащего серебряные волокна, стержни или их сочетание.
20. 20. Частица проппанта по п.1, в которой функциональный компонент дополнительно включает железо.
21. 21. Частица проппанта по п.1, дополнительно содержащая магнетит.
22. 22. Частица проппанта по п.1, в которой переходный элемент Периодической таблицы присутствует в виде магнитного, сверхмагнитного и/или парамагнитного материала.
23. 23. Частица проппанта по п.1, в которой функциональный компонент дополнительно содержит железо, марганец, цинк, хром, молибден, иттрий, титан или любое их сочетание.
24. 24. Способ определения геометрии трещины в геологической формации, указанный способ включает размещение детектора в позиции, пригодной для измерения магнитного поля, генерируемого в геологической формации;

    нагнетание в трещину проппанта по п.1, содержащего переходный элемент Периодической таблицы;

    измерение магнитного поля, генерируемого в геологической формации; определение геометрии трещины на основании измеренного магнитного поля.
25. 25. Способ по п.24, в котором детектор включает один или более сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД).
26. 26. Способ определения геометрии трещины в геологической формации, указанный способ включает размещение одного или более электрода в позиции, пригодной для измерения электрического сопротивления геологической формации;

    нагнетание в трещину проппанта по п.1, содержащего переходный элемент Периодической таблицы;

    измерение электрического сопротивления геологической формации;

    определение геометрии трещины на основании измеренного электрического сопротивления.
27. 27. Способ определения геометрии трещины в геологической формации, указанный способ включает размещение подповерхностного радиолокатора в позиции, пригодной для излучения в геологическую формацию электромагнитных сигналов и регистрации электромагнитных сигналов, отраженных от геологической формации;

    нагнетание в трещину проппанта по п.1, содержащего переходный элемент Периодической таблицы;

    излучение в геологическую формацию электромагнитных сигналов;

    регистрацию электромагнитных сигналов, отраженных от геологической формации;

    определение геометрии трещины на основании зарегистрированных отраженных электромагнитных сигналов.
28. 28. Способ определения геометрии трещины в геологической формации, указанный способ включает размещение детектора в позиции, пригодной для измерения вибрации геологической формации; нагнетание в трещину проппанта по п.6, содержащего пьезоэлектрический материал и антенное устройство, электрически соединенное с пьезоэлектрическим материалом;

    воздействие на геологическую формацию переменным электромагнитным излучением, достаточным для того, чтобы вызывать в антенном устройстве электрический ток;

    возбуждение электрическим током пьезоэлектрического материала с возникновением в нем вибрации;

    измерение частоты вибрации;

    определение геометрии трещины на основании измеренной вибрации.
29. 29. Способ определения геометрии трещины в геологической формации, указанный способ включает размещение детектора в позиции, пригодной для регистрации фотонов, испускаемых из геологической формации;

    нагнетание в трещину проппанта, содержащего катодолюминесцентный материал;

    воздействие на проппант по п.1 при помощи источника энергии, достаточной для того, чтобы вызывать испускание катодолюминесцентным материалом фотонов;

    регистрацию фотонов, испускаемых из геологической формации;

    - 25 022413 определение геометрии трещины на основании регистрации фотонов.
30. 30. Способ по п.29, в котором детектор включает набор фотоэлектронных умножителей, набор фотодетекторов, фотографическую пленку, ПЗС-камеру или их сочетание и в котором детектор размещают в стволе скважины для регистрации фотонов, испускаемых из геологической формации.
31. 31. Способ нагревания пачки проппанта в трещине геологической формации, указанный способ включает обеспечение источника электромагнитного излучения;

    нагнетание в трещину проппанта по п.1, содержащего углеродные нанотрубки, углеродные наночастицы или их сочетание;

    воздействие на проппант электромагнитным излучением, достаточным для того, чтобы вызывать выделение проппантом тепла.
32. 32. Способ по п.31, в котором проппант дополнительно включает жидкость-носитель, и способ включает выделение тепла в количестве, достаточном для разложения жидкости-носителя.
33. 33. Способ по п.31, в котором в трещине присутствует сырая нефть, облучение включает выделение тепла в количестве, достаточном для снижения вязкости сырой нефти, а способ дополнительно включает добычу сырой нефти.
34. 34. Частица проппанта по п.1, в которой указанная керамическая матрица это стеклокерамическая матрица; и указанный функциональный компонент содержит магнетит.
35. 35. Частица проппанта по п.34, в которой функциональный компонент встроен в частицу проппанта как дискретная фаза по меньшей мере в одном слое, по существу, покрытом слоем стеклокерамической матрицы.
36. 36. Способ определения геометрии трещины в геологической формации, указанный способ включает обеспечение одного или более устройства для генерирования сигналов в геологической формации, таких как акустические, сейсмические, вибрационные, магнитные, электрические, электромагнитные и/или тепловые сигналы;

    обеспечение одного или более устройства для регистрации сигналов в геологической формации; нагнетание в трещину проппанта по п.1, обладающего способностью преобразования сигналов, генерируемых одним или более устройством для генерирования сигналов;

    генерирование сигналов в геологической формации при помощи одного или более устройства для генерирования сигналов;

    преобразование генерируемых сигналов в пачке проппанта с образованием преобразованных сигналов;

    измерение преобразованных сигналов; и определение геометрии трещины на основании измеренных преобразованных сигналов.
37. 37. Способ по п.36, в котором одно или более устройство для генерирования сигналов включает устройство для генерирования ультразвука или устройство для генерирования электрического сигнала, а одно или более устройство для регистрации сигналов, необязательно, включает устройство для измерения импеданса, пьезоэлектрический детектор, оптический детектор, который регистрирует оптические сигналы, передаваемые посредством волновой оптики, или набор акселерометров, а преобразованные сигналы включают сигналы интенсивности гравитационного поля.
38. 38. Способ по п.36, в котором проппант включает смесь пьезоэлектрических кристаллов, содержащих электроды, и электропроводных частиц проппанта.