[发明专利]可膨胀结构材料

说明书

本发明要求2014年11月17日提交的美国专利申请系列第62/080,448号的优先权，其通过引用纳入本文。

本发明涉及可膨胀复合材料的组合物、结构和用途，所述可膨胀复合材料采用经体积膨胀的分散的反应性机械或化学变化材料，并涉及将这些反应转化为用于在完井和井增产工艺中使用的受控力的方法。

发明背景

最广泛使用的完井技术采用水力压裂，用于从非常规的致密油气层抽取资源、以及抽取地热能。水力压裂利用水、添加剂和支撑剂(沙子或人造陶瓷介质)的溶液，在页岩或岩石中产生长裂缝，以增加或扩展天然裂缝，由此增加井产能。理想的是，裂缝网络尽可能与天然裂缝互连，并且通过支撑剂保持敞开以抵抗闭合力。支撑剂通常由二氧化硅基沙子或矾土(铝硅酸盐)材料组成，其随工作流体泵入，所述工作流体用于保持裂缝表面敞开，从而使油或天然气可以流回井中以被脱除。较大的支撑剂颗粒被用于增加渗透性，而较高强度的材料使得支撑剂能够抵抗较高的闭合应力。由于支撑剂是相当密实的(2.8～3.6g/cc)，支撑剂趋向于沉淀(特别是较大的支撑剂)在井中。通常添加化学添加剂以改变工作流体的粘度，从而更好地分布支撑剂，因此会大幅增加摩擦和泵送成本(pumping costs)。需要较小且较轻、并且对裂缝网络生长的控制得以改进的支撑剂来改进水的经济性、以及从地球岩石圈抽取地热能、油气资源中的化学用途。

水力压裂彻底改革了来自包括致密油气层在内的国内资源的能量生产，并开启了地热能的应用。水力压裂首次在1940年使用，自此开始演变，现在是油气藏开发中的重要技术。与定向钻井相结合的水力压裂还显示了在人造地热能(EGS)中的应用。根据Tester等人的估计，EGS为超过13百万艾焦(exojoules，EJ)，这在技术改进的情况下可产生200,000EJ’s的可抽取回收量、或为美国每年能量需求的大约2000倍。对于人造地热能以及油气藏的持续发展，对致密坚硬的岩石中裂缝网络的生长和渗透进行控制的方法的持续研发是必须的。

非常规的油气藏(特别是气藏)以及地热能的开发依然非常昂贵，并且需要使用大量的水。降低水力压裂中用于完井操作的成本和用水量对于非常规能源的持续发展是非常重要的。

发明内容

本发明涉及可膨胀复合材料的组合物、结构和用途，所述可膨胀复合材料采用经体积膨胀的分散的反应性机械或化学变化材料，并涉及将这些反应转化为用于在完井和井增产工艺中使用的受控力的方法。本发明的一个非限制性应用具体涉及一种通过可膨胀、可泵送的结构材料的研发来提供使用较低用水量在井中扩大裂缝和增加流体的方法。该可膨胀结构材料在用作支撑剂时，用较低的水量和/或较小的支撑剂尺寸就可使得裂缝网络扩张和流体增加，并且/或者可以用于克服和/或抵消高闭合力以允许使用较低的成本、较低密度的支撑剂。支撑剂尺寸和密度的减小使得用于输送支撑剂的用水量和化学试剂减少。可膨胀支撑剂在泵送后能够通过裂纹扩张和裂纹张开来降低用水量，进而降低用于给定处理的用水量和/或增加回收。

在本发明的一个非限制性方面中，为了降低用水量和/或改进裂缝导流能力以及其它应用(例如高力井下填充(higher force packer))，根据本发明研发出的可膨胀颗粒能够容易地输送入裂缝中，以就地传递能量和力。该能量以机械或化学变化的形式被传递，以进一步扩张裂缝并对抗由岩石产生的闭合力。已确定了两个用于力传递的基本方法：1)原位热活化的形状变化材料；2)金属的氧化反应以及随后的体积膨胀。第一个技术涉及可逆马氏体反应。第二个技术涉及与水和/或二氧化碳反应来将金属转变为氧化物、氢氧化物、或碳酸盐(例如，铁生锈等)，材料随之相应膨胀。体积膨胀百分率通常为至少约2％，并且典型地为至少约20％。通常，体积膨胀高达约200％(例如，2～200％、20～200％、42～141％等，以及在此之间的所有数值和范围)。

在本发明的另一非限制性方面，本发明涉及材料微观结构和组成的设计和控制，以使该力以受控的方式传递(例如，将力施加到岩石表面而不是填充并堵住裂缝)。本发明通过经过改进的井中裂缝网络和裂缝渗透的研发，能够应对开发使用协议的经济挑战而利用这种能力来施加可泵送、定向的力传递，从而降低成本和/或增加回收。