本發(fā)明要求2014年11月17日提交的美國專利申請系列第62/080,448號的優(yōu)先權(quán)，其通過引用納入本文。

本發(fā)明涉及可膨脹復合材料的組合物、結(jié)構(gòu)和用途，所述可膨脹復合材料采用經(jīng)體積膨脹的分散的反應性機械或化學變化材料，并涉及將這些反應轉(zhuǎn)化為用于在完井和井增產(chǎn)工藝中使用的受控力的方法。

發(fā)明背景

最廣泛使用的完井技術(shù)采用水力壓裂，用于從非常規(guī)的致密油氣層抽取資源、以及抽取地熱能。水力壓裂利用水、添加劑和支撐劑(沙子或人造陶瓷介質(zhì))的溶液，在頁巖或巖石中產(chǎn)生長裂縫，以增加或擴展天然裂縫，由此增加井產(chǎn)能。理想的是，裂縫網(wǎng)絡(luò)盡可能與天然裂縫互連，并且通過支撐劑保持敞開以抵抗閉合力。支撐劑通常由二氧化硅基沙子或礬土(鋁硅酸鹽)材料組成，其隨工作流體泵入，所述工作流體用于保持裂縫表面敞開，從而使油或天然氣可以流回井中以被脫除。較大的支撐劑顆粒被用于增加滲透性，而較高強度的材料使得支撐劑能夠抵抗較高的閉合應力。由于支撐劑是相當密實的(2.8～3.6g/cc)，支撐劑趨向于沉淀(特別是較大的支撐劑)在井中。通常添加化學添加劑以改變工作流體的粘度，從而更好地分布支撐劑，因此會大幅增加摩擦和泵送成本(pumpingcosts)。需要較小且較輕、并且對裂縫網(wǎng)絡(luò)生長的控制得以改進的支撐劑來改進水的經(jīng)濟性、以及從地球巖石圈抽取地熱能、油氣資源中的化學用途。

水力壓裂徹底改革了來自包括致密油氣層在內(nèi)的國內(nèi)資源的能量生產(chǎn)，并開啟了地熱能的應用。水力壓裂首次在1940年使用，自此開始演變，現(xiàn)在是油氣藏開發(fā)中的重要技術(shù)。與定向鉆井相結(jié)合的水力壓裂還顯示了在人造地熱能(egs)中的應用。根據(jù)tester等人的估計，egs為超過13百萬艾焦(exojoules，ej)，這在技術(shù)改進的情況下可產(chǎn)生200,000ej’s的可抽取回收量、或為美國每年能量需求的大約2000倍。對于人造地熱能以及油氣藏的持續(xù)發(fā)展，對致密堅硬的巖石中裂縫網(wǎng)絡(luò)的生長和滲透進行控制的方法的持續(xù)研發(fā)是必須的。

非常規(guī)的油氣藏(特別是氣藏)以及地熱能的開發(fā)依然非常昂貴，并且需要使用大量的水。降低水力壓裂中用于完井操作的成本和用水量對于非常規(guī)能源的持續(xù)發(fā)展是非常重要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及可膨脹復合材料的組合物、結(jié)構(gòu)和用途，所述可膨脹復合材料采用經(jīng)體積膨脹的分散的反應性機械或化學變化材料，并涉及將這些反應轉(zhuǎn)化為用于在完井和井增產(chǎn)工藝中使用的受控力的方法。本發(fā)明的一個非限制性應用具體涉及一種通過可膨脹、可泵送的結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)來提供使用較低用水量在井中擴大裂縫和增加流體的方法。該可膨脹結(jié)構(gòu)材料在用作支撐劑時，用較低的水量和/或較小的支撐劑尺寸就可使得裂縫網(wǎng)絡(luò)擴張和流體增加，并且/或者可以用于克服和/或抵消高閉合力以允許使用較低的成本、較低密度的支撐劑。支撐劑尺寸和密度的減小使得用于輸送支撐劑的用水量和化學試劑減少?？膳蛎浿蝿┰诒盟秃竽軌蛲ㄟ^裂紋擴張和裂紋張開來降低用水量，進而降低用于給定處理的用水量和/或增加回收。

在本發(fā)明的一個非限制性方面中，為了降低用水量和/或改進裂縫導流能力以及其它應用(例如高力井下填充(higherforcepacker))，根據(jù)本發(fā)明研發(fā)出的可膨脹顆粒能夠容易地輸送入裂縫中，以就地傳遞能量和力。該能量以機械或化學變化的形式被傳遞，以進一步擴張裂縫并對抗由巖石產(chǎn)生的閉合力。已確定了兩個用于力傳遞的基本方法：1)原位熱活化的形狀變化材料；2)金屬的氧化反應以及隨后的體積膨脹。第一個技術(shù)涉及可逆馬氏體反應。第二個技術(shù)涉及與水和/或二氧化碳反應來將金屬轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸?、氫氧化物、或碳酸鹽(例如，鐵生銹等)，材料隨之相應膨脹。體積膨脹百分率通常為至少約2％，并且典型地為至少約20％。通常，體積膨脹高達約200％(例如，2～200％、20～200％、42～141％等，以及在此之間的所有數(shù)值和范圍)。

在本發(fā)明的另一非限制性方面，本發(fā)明涉及材料微觀結(jié)構(gòu)和組成的設(shè)計和控制，以使該力以受控的方式傳遞(例如，將力施加到巖石表面而不是填充并堵住裂縫)。本發(fā)明通過經(jīng)過改進的井中裂縫網(wǎng)絡(luò)和裂縫滲透的研發(fā)，能夠應對開發(fā)使用協(xié)議的經(jīng)濟挑戰(zhàn)而利用這種能力來施加可泵送、定向的力傳遞，從而降低成本和/或增加回收。

在本發(fā)明的另一非限制性方面中，a)用于金屬和非氧化物的納米顆粒加工工藝和/或(b)金屬、金屬氧化物、陶瓷和聚合物體系的封裝工藝有關(guān)的技術(shù)可用于促進本發(fā)明的可膨脹復合材料的研發(fā)?？膳蛎洀秃喜牧峡捎米髦蝿淇稍谂蛎浨拜斔偷酵昃到y(tǒng)(completionssystems)，然后在不使用額外體積的水和化學試劑的情況下反應以促進裂縫生長。本發(fā)明的非限制性特征是研發(fā)出能夠產(chǎn)生可抵抗制約巖石層(constrainingrocklayer)的顯著力(而同時保持對流體的滲透性)的工程透水顆粒。該非限制性特征可以通過本發(fā)明的至少三個新穎的方面來達成，即，1)使用在粘合劑中可膨脹的微型工程復合材料；2)使用熱激活形狀變化“預收縮(precollapsed)”氣囊；和/或3)使用包含于約束膠囊或管中受約束的可膨脹物來控制力傳遞。

在本發(fā)明的另一非限制性方面中，提供了一種可膨脹復合材料，其被構(gòu)造和設(shè)計成在受控或預定環(huán)境中膨脹。所述可膨脹復合材料在膨脹后具有至少2,000psig的抗壓強度。所述可膨脹復合材料在膨脹后具有高達1,000,000psig以上的抗壓強度(例如，2,000psig～1,000,000psig以及在此之間的所有數(shù)值或范圍)。所述可膨脹復合材料一般在膨脹后具有至少10,000psig、以及典型地至少30,000psig的抗壓強度?？膳蛎洀秃喜牧系目箟簭姸仁窃诳膳蛎洀秃喜牧铣叽缁蝮w積降低2％時可膨脹復合材料承受負荷的能力。

可膨脹復合材料被構(gòu)造和設(shè)計成在環(huán)境條件下不反應，但這并非必需。如本文中所述，環(huán)境條件是溫度在約67～80°f、大氣壓力為約1大氣壓、以及地球上海平面處的氣體環(huán)境(例如，78.09體積％氮氣、20.95體積％氧氣、0.93％氬氣、0.039體積％二氧化碳、以及少量其它氣體)。當曝露于活化條件時，至少部分可膨脹復合材料可被構(gòu)造和設(shè)計成經(jīng)至少5％、并且典型地至少50％(例如5％～5000％以及在此之間的所有數(shù)值和范圍)的體積膨脹。可膨脹復合材料可被構(gòu)造和設(shè)計成在曝露于2～7,000psig(以及在此之間的所有數(shù)值和范圍)的壓潰強度后釋放不超過10％(例如，0.01％～10％以及在此之間的所有數(shù)值和范圍)的細粒，但這并非必需。

在本發(fā)明的另一非限制性方面中，在api-pr61導流能力(conductivity)測試下，在以1000～10,000psig(以及在此之間的所有數(shù)值和范圍)的夾持力膨脹后，可膨脹復合材料保持至少300豪達西、并且典型地至少500豪達西(例如300md～10,000md以及在此之間的所有數(shù)值和范圍)的滲透性。在一個非限制性實施方式中，在api-pr61導流能力測試下，在以1000～7,000psig的夾持力膨脹后，可膨脹復合材料保持至少1500豪達西的滲透性。

在本發(fā)明的另一非限制性方面中，可膨脹復合材料包括10～80體積％的可膨脹材料?？膳蛎洸牧峡杀辉O(shè)計成通過反應和/或曝露于流體環(huán)境中而經(jīng)機械和/或化學變化以致至少2％、并且典型地至少50％(例如，2～5000％以及在此之間的所有值和范圍)的體積膨脹。在另一非限制性設(shè)置中，可膨脹材料可被設(shè)計成通過反應和/或曝露于流體環(huán)境中而經(jīng)機械和/或化學變化以致至少20％的體積膨脹。在另一非限制設(shè)置中，可膨脹復合材料可以包括用于將可膨脹材料粘結(jié)在一起的基質(zhì)和/或粘合劑材料。基質(zhì)和/或粘合劑材料通常是透水或半透水的。在另一非限制性設(shè)置中，基質(zhì)和/或粘合劑材料對于高溫(例如，至少100°f，典型地為100～210°f，以及在此之間的所有值和范圍)且高壓(例如，至少10psig，典型地為10～10,000psig，以及在此之間的所有值和范圍)的水是半透過的。可膨脹材料或與基質(zhì)和/或粘合劑材料組合的可膨脹材料在膨脹之前和/或之后可以具有至少2,000psig、并且典型地至少10,000psig(例如，2,000psig～1,000,000psig以及在此之間的所有值和范圍)的抗壓強度，但這并非必需。

在本發(fā)明的另一非限制性方面中，可膨脹材料的反應選自水解反應、碳化反應、以及氧化反應、或者它們的組合。

在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，可膨脹材料可以包括選自薄片、纖維、粉末、以及納米粉末的一種或多種材料，但這并非必需。當可膨脹材料與基質(zhì)和/或粘合劑材料組合時，可膨脹材料可以形成連續(xù)或非連續(xù)的體系。當可膨脹材料與基質(zhì)和/或粘合劑材料組合時，可膨脹材料可以均勻或非均勻地分散在基質(zhì)和/或粘合劑材料中。

在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，可膨脹材料可以包括選自ca、li、cao、li2o、na2o、fe、al、si、mg、k2o和zn的一種或多種材料?？膳蛎洸牧系某叽缤ǔ７秶鸀榧s106μm～10mm。

在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，可膨復合脹材料可以包括一種或多種聚合物材料，但這并非必需。當可膨脹復合材料包括基質(zhì)或粘合劑材料時，該基質(zhì)或粘合劑材料可以包括聚合物材料或由聚合物材料形成。聚合物材料可以包括選自聚縮醛、聚砜、聚脲、環(huán)氧樹脂、硅烷、碳硅烷、硅酮、聚芳酯、和聚酰亞胺的一種或多種材料。

在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，可膨脹復合材料可以包括一種或多種用于加速可膨脹材料的反應的催化劑，但這并非必需。催化劑材料還可以包括選自alcl3和電活性材料中的一種或多種材料。

在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，可膨脹材料可以包括補強和/或稀釋填料，但這并非必需。補強和/或稀釋填料可以包括選自鍛制二氧化硅、二氧化硅、玻璃纖維、碳纖維、碳納米管、以及其它細碎無機材料的一種或多種材料。

在本發(fā)明的另一非限制性方面，可膨脹材料可以是團聚的或復合的可膨脹材料，其通過體積膨脹反應而經(jīng)機械或化學變化以致膨脹為至少2％、典型地至少20％、并且更典型地至少50％，并且通過滲透膜或半滲透膜、或通過封裝來受約束。

在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，可膨脹材料可以包括表面涂層或保護層，其被配制成用于控制反應或膨脹發(fā)生時的時間和/或條件，但這并非必需。表面涂層可以被配制成在曝露于受控的外部刺激(例如，溫度和/或ph值、化學試劑等)時溶解。表面涂層可用于控制核芯或核芯復合材料膨脹的激活。表面涂層可以包括一種或多種材料，例如、但不限于聚酯、聚醚、多胺、聚酰胺、聚縮醛、聚乙烯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧烷、聚碳硅烷、聚硅烷和聚砜。表面涂層的厚度通常為約0.1μm～1mm以及在此之間的任意數(shù)值或范圍。

在本發(fā)明的另一非限制性方面，可膨脹材料可以可選地包括一種形狀記憶合金或多孔(syntactic)形狀記憶合金涂覆的微球、微格、網(wǎng)狀泡沫，其在適于完井和/或建井的條件下以膨脹狀態(tài)穩(wěn)定，經(jīng)預壓縮，然后膨脹以提供驅(qū)動力，但這并非必需。在一個非限制性實施方式中，提供了一種可膨脹材料，其包括：形狀記憶合金或多孔形狀記憶合金涂覆的微球、微格、網(wǎng)狀泡沫，其在適于完井和/或建井的條件下以膨脹狀態(tài)穩(wěn)定，經(jīng)預壓縮，然后膨脹以提供驅(qū)動力，但這并非必需。

在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，可膨脹材料可以是在地下地層中打開裂縫并控制滲透性的支撐劑形態(tài)地下地層，但這并非必需。

在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，可膨脹材料可以用于通過施加至少2000psig的密封力、以及典型地至少5000psig的夾持/密封力來提供抵抗高壓差的密封。

在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，可以提供包含本發(fā)明可膨脹材料的流體驅(qū)動伸縮或膨脹設(shè)備，并且其中可膨脹材料位于流體驅(qū)動伸縮或膨脹設(shè)備中的結(jié)構(gòu)腔室內(nèi)。結(jié)構(gòu)腔室可以具有至少一個開口，開口可以包括可溶解栓塞以控制流體進入結(jié)構(gòu)腔室。結(jié)構(gòu)腔室可以設(shè)計成提供約2,000～60,000psig的力。流體驅(qū)動伸縮或膨脹設(shè)備可以設(shè)計成用于打孔和/或增強與地層連通的鉆井孔；但這并非必需。流體驅(qū)動伸縮或膨脹設(shè)備可以無需表面直接干預地用于驅(qū)動井下設(shè)備，但這并非必需。

在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，可膨脹材料可用作結(jié)構(gòu)襯底層的表面涂層，其中該襯底層可以是沙粒和/陶瓷顆粒，但這并非必需。

本發(fā)明的一個非限制性目的是提供一種可膨脹復合材料，其采用經(jīng)體積膨脹的分散的反應性機械或化學變化材料，并提供將這些反應轉(zhuǎn)化為用于完井和井增產(chǎn)工藝的受控力的方法。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種通過可膨脹、可泵送的結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)來提供使用較低用水量在井中擴寬裂縫和增加流體的方法。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種可膨脹結(jié)構(gòu)材料，其用較低的水量和/或較小的支撐劑尺寸就可使得裂縫網(wǎng)絡(luò)擴張和/或流體增加，并且/或者可以用于克服和/或抵消高閉合力以允許使用較低的成本、較低密度的支撐劑。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種能夠容易地輸送入裂縫中以傳遞能量和力的可膨脹顆粒。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種用于控制可膨脹顆粒的材料微結(jié)構(gòu)和/或組成來以受控的方式傳遞力的方法。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種用作支撐劑的可膨脹復合材料，其能夠在膨脹前輸送到完井系統(tǒng)(completionssystems)，然后在不使用額外體積的水和化學試劑的情況下反應以促進裂縫生長。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種能夠產(chǎn)生可抵抗制約巖石層的顯著力而同時保持對流體的滲透性的工程透水顆粒。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供：1)使用在粘合劑中的可膨脹復合材料；2)使用熱激活形狀變化“預收縮”氣囊；和/或3)使用包含于約束膠囊或管中受約束的可膨脹物來控制力傳遞。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種工程可泵送顆粒，其可用于：1)以受控且經(jīng)設(shè)計的方式在裂縫網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳遞機械力；2)隨時間膨脹并擴寬裂縫網(wǎng)絡(luò)；和/或3)作為用于各種應用的高力反應性膨脹物(highforcereactiveexpandables)。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種高力反應性膨脹物，以利用并且/或者結(jié)合大量嵌入高強度透水基質(zhì)中的高表面積核芯顆粒，其會膨脹、或在與地層溫度下的地層水接觸時膨脹。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種高力反應性膨脹物，其會膨脹或經(jīng)由氧化/水合/碳化反應而膨脹成體積大于起始材料的不可壓縮固體。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種被設(shè)計成用作力傳遞系統(tǒng)的高力反應性膨脹物，所述系統(tǒng)施加并且引導該力以擴寬裂紋和/或抵抗天然巖石夾持力，和/或形成用于在高壓下使用的持久密封或驅(qū)動。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種高力反應性膨脹物，其保持滲透性，并且會傳遞巨大的力以抵消巖石夾持力，還會擴寬和/或擴展巖石中產(chǎn)生的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種高力反應性膨脹物，其不保持滲透性，或保持多孔性但滲透性低于初始滲透性。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種可控的高力反應性膨脹物，其用僅在特定地層條件下溶解的溶解/觸發(fā)性表面涂層涂覆、封裝或者遮蔽可膨脹核芯顆粒。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種高力反應性膨脹物，其可被設(shè)計成約束高力反應性膨脹物的體積膨脹以轉(zhuǎn)化成用于打開裂縫的力，這與簡單填充裂縫孔隙不同。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種由金屬涂覆的球體制成的高力反應性膨脹物。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種高力反應性膨脹物，其其可被設(shè)計成除了裂縫尺寸之外的、夾持力和巖石層性質(zhì)的函數(shù)。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種通過以下方式控制氧化反應速率和/或完成的方法：1)控制活性顆粒表面積；2)以顆粒位置和取向表示的微觀結(jié)構(gòu)組成；3)粘合劑/聚合物滲透性控制；4)添加催化劑(例如，用于激活鐵表面的alcl3)、和/或5)控制水滲透/輸送到金屬表面。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種高力反應性膨脹物，其包括超細且近納米材料、以及金屬屑片以規(guī)劃可膨脹材料的性能和響應。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種高力反應性膨脹物，其通過添加填料和稀釋劑和/或半滲透性工程聚合物而具有受控的機械性能例如模量、蠕變強度、和/或斷裂強度。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種可以被觸發(fā)或反應而提供受控的高力施加、同時保持高滲透性的高力反應性膨脹物。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種高力反應性膨脹物，其具有用可膨脹材料涂覆的填料以用于受控的定向膨脹。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種高力反應性膨脹物以在不使用大量水或流體的情況下擴展現(xiàn)有的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

本發(fā)明的另一個非限制性目的是提供一種高力反應性膨脹物，其具有用纖維排列以及用可膨脹材料涂覆的纖維以用于受控的定向膨脹。

本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點和新特征從本發(fā)明的以下詳細描述在結(jié)合所附的附圖考慮時顯而易見。

附圖的簡要說明

特別參照附圖，該附圖僅用于說明的目的而非限制。

圖1說明核芯材料在受控刺激下反應，此時核芯顆粒會膨脹、擴張裂縫以增加油氣回收；

圖2a和2b說明設(shè)計用于將膨脹轉(zhuǎn)化為裂縫張開的力傳遞系統(tǒng)的非限制性方法，即，采用半滲透或不滲透基質(zhì)所進行的約束；并且

圖3a和3b是形狀記憶合金以及實際多孔金屬的示意圖。

非限制性實施方式詳述

現(xiàn)在，參照以下說明和附圖，本發(fā)明涉及工程可泵送顆粒，其可用于：1)以受控的工程方式將機械力傳遞到裂縫網(wǎng)絡(luò)內(nèi)；2)隨時間膨脹并擴寬裂縫網(wǎng)絡(luò)；和/或3)作為用于各種應用的高力反應性膨脹物。在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，高力反應性膨脹物采用并結(jié)合大量嵌入高強度透水基質(zhì)中的高表面積核芯顆粒，其會膨脹、或在與地層溫度下的地層水接觸時膨脹。本發(fā)明的另一個和/或可選地非限制性方面中，高力反應性膨脹物的基礎(chǔ)膨脹反應是氧化/水合/碳化反應，膨脹成體積大于起始材料的不可壓縮固體。一個非限制性的例子是熟石灰的反應，例如cao在轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕}之前形成氫氧化鈣(在蘇打水中)，這產(chǎn)生體積變化(例如，100～220％的累積體積變化)，并且在以鈣金屬起始時甚至會產(chǎn)生更大的體積變化。

高力反應性膨脹物被設(shè)計成用作力傳遞系統(tǒng)(支撐劑或密封設(shè)備)，所述系統(tǒng)施加并引導該力以擴寬裂紋并且/或者抵抗天然巖石夾持力，并且/或者形成用于在高壓下使用的持久密封或驅(qū)動。高力反應性膨脹物的該特征與與水結(jié)冰的作用相似，導致巖石開裂，但具有約3-100倍的冰膨脹反應的力/量級。在離散粒子(discreetparticle)(支撐劑)中，高力反應性膨脹物被設(shè)計成保持滲透性(例如，非膨脹閉合)以傳遞巨大的力來抵消巖石夾持力，并且/或者擴寬和/或擴展巖石中產(chǎn)生的裂縫網(wǎng)絡(luò)。在密封應用中，高力反應性膨脹物的微觀結(jié)構(gòu)和基質(zhì)性能被設(shè)計成非滲透性，或者能夠保持多孔性但是滲透性比初始滲透性低。

在本發(fā)明的另一非限制性方面，高力反應性膨脹物的使用可以是至少部分受控的，該控制可以通過涂覆、封裝、微觀結(jié)構(gòu)位置和取向和/或用溶解/觸發(fā)性表面涂層遮蔽可膨脹核芯材料來完成，所述溶解/觸發(fā)表面涂層會在特定的地層條件下溶解。隨后，本發(fā)明的該方面中的可膨脹核芯顆粒的體積膨脹可以受約束以將力在所期望的方向上傳遞，而不是填充和/或密封裂縫(例如，可以設(shè)計為遇到水(如果與烴流體等置于一起)時封閉裂紋)。

圖1和圖2說明用于控制可膨脹核芯顆粒體積膨脹的非限制性方法。核芯顆粒被設(shè)計為核芯在受控刺激下反應，此時核芯材料會膨脹，從而擴張地層中的裂縫以增加油氣回收。本發(fā)明的一個非限制性特征是控制膨脹反應的時機/觸發(fā)、和/或量、和/或速度。也可使用控制/觸發(fā)涂層(例如，溫度活化涂層、化學活化設(shè)計響應涂層(chemicallyactivatedengineeredresponsecoatings)等)。保護層厚度和/或組成的控制可被用來決定反應性復合核芯顆粒將在何處以及處于何條件下曝露于地層流體中。一旦曝露，可膨脹材料就會體積膨脹，并且在經(jīng)適當設(shè)計的約束下，將體積膨脹引導為打開和/或擴展裂縫的法向力(normalforce)。在離散形式下，高力反應性膨脹物是可泵送的，藉此它們可在完井期間設(shè)于裂縫網(wǎng)絡(luò)中，并且隨后在無需進一步使用高壓液壓泵送的情況下(例如，在脫砂(screenout)后，或者在不會接收到大部分水流/壓力的次生裂縫中)，反應而擴展裂縫。

參照圖1，其說明了可膨脹復合材料10包括保護層或表面涂層20、可膨脹核芯30，所述可膨脹核芯30可以包括、但不限于稀釋劑/粘合劑中的膨脹金屬、結(jié)構(gòu)填料、以及活化劑以控制機械性能。保護層通常被配制成曝露于受控的外部刺激(例如溫度和/或ph值、化學試劑等)時溶解。保護層用于控制可膨脹核芯30的膨脹激活，可膨脹核芯30一旦膨脹就變?yōu)橐雅蛎浐诵?0?？膳蛎洀秃喜牧?0的尺寸可以為、但不限于106μm～10mm以及在此之間的任何數(shù)值或范圍，并且通常范圍為420μm～2.36mm或者在此之間的任何值或范圍。保護層20可以包括、但不限于以下一種或多種材料：聚酯、聚醚、多胺、聚酰胺、聚縮醛、聚乙烯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧烷、聚碳硅烷、聚硅烷和聚砜。保護層20的厚度范圍可以為、但不限于0.1μm～1mm以及在此之間的任何值或范圍，并且通常范圍為10μm～100μm以及在此之間的任何數(shù)值或范圍?？膳蛎浐诵?0的組合物可以包括膨脹材料，其可以是、但不限于ca、li、cao、li2o、na2o、fe、al、si、mg、k2o和zn。可膨脹材料在可膨脹核芯30中的體積百分率范圍可以是、但不限于5～60％以及在此之間的任意數(shù)值或范圍，并且其通常范圍為20％～40％以及在此之間的任意數(shù)值或范圍?？膳蛎浐诵?0的組合物可以包括也可不包括結(jié)構(gòu)填料，所述結(jié)構(gòu)填料可以是、但不限于鍛制二氧化硅、二氧化硅、玻璃纖維、碳纖維、碳納米管、以及其它細碎無機材料。結(jié)構(gòu)填料在可膨脹核芯30中的體積百分率范圍可以是、但不限于1％～30％以及在此之間的任意數(shù)值或范圍，并且其通常范圍為5％～20％以及在此之間的任意數(shù)值或范圍?？膳蛎浐诵?0的組合物可以包括也可不包括活化劑，所述活化劑可以是、但不限于過氧化物、金屬氯化物、或電活性材料?？膳蛎浐诵?0的組合物可以包括稀釋劑/粘合劑，所述稀釋劑/粘合劑可以是、但不限于聚縮醛、聚砜、聚脲、環(huán)氧樹脂、硅烷、碳硅烷、硅酮、聚芳酯、和聚酰亞胺。粘合劑在可膨脹核芯30中的體積百分率范圍可以是、但不限于50％～90％以及在此之間的任意數(shù)值或范圍，并且其通常范圍為50％～70％以及在此之間的任意數(shù)值或范圍。可膨脹核芯30以5％～50％以及在此之間的任意數(shù)值或范圍、并且通常為5％～20％以及在此之間的任意數(shù)值或范圍的體積膨脹而膨脹為已膨脹核芯40。

參照圖2a和2b，其說明設(shè)計用于將膨脹轉(zhuǎn)化為裂縫張開的力傳遞系統(tǒng)的非限制性方法，即，采用半滲透或不滲透套管所進行的約束(圖2a)。約束套管將被觸發(fā)的膨脹轉(zhuǎn)化為單軸力(圖2b)。保護層20(以栓塞的形式)被構(gòu)造成曝露于受控的外部刺激(溫度、ph值、特定化學試劑等)時溶解或變得可透水，以使保護層溶解或者破壞，由此控制可膨脹核芯30的膨脹激活。一旦膨脹成已膨脹核芯40，約束套管50就將膨脹力引導為平行于約束套管。

可膨脹材料的尺寸可以為、但不限于106μm～10mm或者在此之間的任意數(shù)值，并且通常范圍為420μm～2.36mm以及在此之間的任意數(shù)值。保護層20可以包含、但不限于以下的一種或多種材料：聚酯、聚醚、多胺、聚酰胺、聚縮醛、聚乙烯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚硅氧烷、聚碳硅烷、聚硅烷和聚砜。保護層20的厚度可以為、但不限于0.1μm～1mm，并且通常范圍為10μm～100μm?？膳蛎浐诵?0的組合物可以包括可膨脹材料，所述可膨脹材料可以是、但不限于ca、li、cao、li2o、na2o、fe、al、si、mg、k2o和zn。可膨脹材料在可膨脹核芯30中的體積百分率可以為、但不限于5％～60％，并且通常范圍為20％～40％。可膨脹核芯30的組合物可以包括也可不包括結(jié)構(gòu)填料，所述結(jié)構(gòu)填料可以是、但不限于鍛制二氧化硅、二氧化硅、玻璃纖維、碳纖維、碳納米管、以及其它細碎無機材料。結(jié)構(gòu)填料在在可膨脹核芯30中的體積百分率可以為、但不限于1％～30％，并且通常范圍為5％～20％?？膳蛎浐诵?0的組合物可以包括也可不包括活化劑，所述活化劑可以是、但不限于過氧化物、金屬氯化物、或電活性材料?？膳蛎浐诵?0的組合物可以包括稀釋劑/粘合劑，所述稀釋劑/粘合劑可以是、但不限于聚縮醛、聚砜、聚脲、環(huán)氧樹脂、硅烷、碳硅烷、硅酮、聚芳酯、和聚酰亞胺。粘合劑在可膨脹核芯30中的體積百分率范圍可以是、但不限于50％～90％，并且通常范圍為50％～70％。可膨脹核芯30被構(gòu)造成以5％～50％、以及通常為5％～20％的體積膨脹而膨脹為已膨脹核芯40。約束套管50可以包括、但不限于高溫-高強度材料，例如聚碳酸酯、聚砜、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、惰性金屬(例如具有可溶鹽的cu)等。約束層50的厚度范圍可以為0.1μm～1mm，并且通常范圍為10μm～100μm。約束套管50的構(gòu)造是非限制性的，因為其它形狀構(gòu)造也可用于賦予定向膨脹。通常，約束套管被設(shè)計成在可膨脹核芯30膨脹期間不破裂，但這并非必需。在一個非限制性設(shè)置中，約束套管被設(shè)計成在可膨脹核芯30膨脹期間不破裂且會或不會變形。約束套管可以包括一個或多個側(cè)開口，但這并非必需。還可用一個或多個側(cè)開口作為約束套管中一個或多個端部開口的替代或補充。一個或多個側(cè)開口(當使用時)可選地包括局部或全部覆蓋側(cè)開口的保護層。

在本發(fā)明的另一非限制性方面，高力反應性膨脹物可用于醫(yī)療應用例如可膨脹設(shè)備(例如支架、脊柱植入物、整形外科應用、植入物等)。在一個非限制性應用中，高力反應性膨脹物可以是由形狀記憶合金制成的動脈支架的形式?？梢灾圃煨螤钭兓辖鹄鏽iti的空心球，然后壓縮。一旦支架植入后曝露于形成溫度下，形狀記憶合金就變回其原始尺寸。使用多孔(多微孔)版的高力反應性膨脹物可以獲得非常高的強度。多孔鈦復合材料以及niti合金多孔體(alloysyntactic)(用于裝甲的高韌性合金)可以獲得60,000psi的強度。

圖3a和3b說明了由金屬或塑料涂覆空心球60或多孔體100制成的形狀記憶可膨脹物的構(gòu)造。形狀記憶可膨脹物可以包括、但不限于空心球芯70以及塑料或金屬涂層或復合材料80。形狀記憶復合材料60和100在促進塑性屈服的溫度下被壓縮，然后冷卻、同時在潛在的機械力下壓縮鎖定以制成形狀記憶可膨脹物。在大于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的外部溫度刺激下，形狀記憶復合材料變?yōu)槠湮磯嚎s狀態(tài)，施加高達30-70ksi及在此之間的任意數(shù)值或范圍的力。形狀記憶可膨脹材料60和100的尺寸可以為、但不限于106μm～10mm以及在此之間的任意數(shù)值或范圍，并且通常范圍為420μm～2.36mm?？招那蛐?0可以包括、但不限于玻璃(硼硅酸鹽，硅鋁酸鹽等)、金屬(鎂，鋅等)、或塑料(酚醛，尼龍等)，其尺寸范圍為10nm～5mm以及在此之間的任意數(shù)值或范圍，并且通常范圍為10μm～100μm。涂層或復合基質(zhì)80可以包括、但不限于金屬(鈦，鋁，鎂等)或塑料(環(huán)氧樹脂，聚砜，聚酰亞胺，聚碳酸酯，聚醚，聚酯，多胺，聚乙烯等)，其在復合材料中的體積百分率為1％-70％以及在此之間的任意數(shù)值或范圍。已說明了實際壓縮和非壓縮多孔體(syntactics)，在這種情況下，壓縮轉(zhuǎn)而使用形狀記憶效應而傳遞高達30-70ksi的力。形狀記憶合金的優(yōu)點包括低密度、極高的驅(qū)動力和/或非常受控的驅(qū)動。

可膨脹化學品

在本發(fā)明的另一非限制性方面，高力反應性膨脹物的可膨脹設(shè)計中的特征是活性可膨脹材料。在本發(fā)明中，可以使用在至少25℃(例如，30～350℃、30～250℃等，以及在此之間的所有數(shù)值和范圍)的溫度范圍內(nèi)發(fā)生反應性機械或化學變化、并具有超過10％(例如，20％～400％、30％～250％等，以及在此之間的所有值和范圍)的體積膨脹的活性可膨脹材料。表1列出了適用于可膨脹結(jié)構(gòu)材料、以及適用于可膨脹支撐劑的一些非限制性具體反應：

表1

cao→caco3119％膨脹

fe→fe2o3115％膨脹

si→sio288％膨脹

zn→zno60％膨脹

al→al2o329％膨脹

氫氧化物和/或碳酸鹽的形成潛在地導致更大的膨脹百分比。

在本發(fā)明的另一個非限制性方面中，提供通過以下控制氧化反應速率和/或完成的方法：1)控制活性顆粒表面積；2)粘合劑/聚合物滲透性控制；3)添加催化劑(例如，用于激活鐵表面的alcl3)、和/或4)控制水滲透/傳輸?shù)浇饘俦砻?。超細且近納米顆粒、以及金屬屑片(其主要沿一個方向膨脹)可以用于規(guī)劃這些可膨脹材料的性能和響應。機械性能例如模量、蠕變強度、和/或斷裂強度還可以或者可選地通過添加填料和稀釋劑(例如，氧化物等)和具有受控水溶性的半滲透性工程聚合物來控制。

得到能夠被觸發(fā)或反應以提供受控的高力施加、同時保持高滲透性的可泵送材料的能力是對于巖石圈(地殼)的礦物、地熱和能源的賦能技術(shù)。在不使用大量水或流體的情況下擴展現(xiàn)有裂縫網(wǎng)絡(luò)的能力能夠顯著減少油氣增產(chǎn)操作的環(huán)境影響。這種通過原位溫度變化和/或就位后與地層流體的反應來進行的受控施力會降低水力壓裂期間的耗水量和成本，從而改進現(xiàn)有的完井技術(shù)，并且通過更好地控制裂縫和增加現(xiàn)有裂縫網(wǎng)絡(luò)的滲透性來改進資源回收?？膳蛎浿蝿┠軌驖撛诘靥娲罅克毫?其可進入預先存在的裂縫網(wǎng)絡(luò))，并且與常規(guī)的壓裂橋塞射孔技術(shù)(plugandperftechnolog)相比，還能降低高達35％以上的用水量。特別由于多孔sma(以及鈣和鋁材料)與常規(guī)壓裂砂和礬土支撐劑相比其密度非常低密度，本發(fā)明的可膨脹支撐劑也可適用于在天然氣/水混合物中使用，并且可用更細的尺寸在更小初始裂縫寬度的情況下獲得同等的滲透性。通過與新興的滑動套管(或可溶解栓塞)相結(jié)合的完井技術(shù)，能夠使用低水位打開(lowwateropening)與輸送收縮的可膨脹支撐劑的組合來擴展更少和/或更好的受控裂縫。隨后，裂縫網(wǎng)絡(luò)在關(guān)井期間可以通過原位反應擴展并延伸，同時其他區(qū)域完成。此外，在停泵損失高(例如滲透到高滲透性區(qū)域時)的區(qū)域中、以及在地層壓力和摩擦損失大于可獲得的泵揚程(pumpinghead)的遠處和深處有效回收資源的能力顯著有利于在已知地層中擴大經(jīng)濟可采儲量。通過可膨脹支撐劑更有效地抽取資源以及更好地控制裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴展，能夠?qū)崿F(xiàn)氣和/或油輸出增加，而不會同時增加對于淡水或大范圍清潔已用水的能力的需求，從而獲得能夠被觸發(fā)或反應以提供受控的高力施加、同時保持高度滲透性的可泵送材料，這是用于抽取巖石圈(地殼)的礦物、地熱和能源資源的賦能技術(shù)。在不使用大量水或流體的情況下擴展現(xiàn)有裂縫網(wǎng)絡(luò)的能力能夠顯著減少油氣增產(chǎn)操作的環(huán)境影響。這種通過原位溫度變化和/或就位后與地層流體的反應來進行的受控施力會降低水力壓裂期間的耗水量和成本，從而改進現(xiàn)有的完井技術(shù)，并且通過更好地控制裂縫和增加現(xiàn)有裂縫網(wǎng)絡(luò)的滲透性來改進資源回收?？膳蛎浿蝿┠軌驖撛诘靥娲罅克毫?其可進入預先存在的裂縫網(wǎng)絡(luò))，并且與常規(guī)的壓裂橋塞射孔技術(shù)相比，還能降低高達35％以上的用水量。特別由于多孔sma(以及鈣和鋁材料)與常規(guī)壓裂砂和礬土支撐劑相比其密度非常低，本發(fā)明的可膨脹支撐劑也可適用于在天然氣/水混合物中使用，并且可用更細的尺寸在更小初始裂縫寬度的情況下獲得同等的滲透性。通過與新興的滑動套管(或可溶解栓塞)相結(jié)合的完井技術(shù)，能夠使用低水位打開與輸送收縮的可膨脹支撐劑的組合來擴展更少和/或更好的受控裂縫。隨后，裂縫網(wǎng)絡(luò)在關(guān)井期間可以通過原位反應擴展并延伸，同時其他區(qū)域完成。此外，在停泵損失高(例如滲透到高滲透性區(qū)域時)的區(qū)域中、以及在地層壓力和摩擦損失大于可獲得的泵揚程的遠處和深處有效回收資源的能力顯著有利于在已知地層中可擴大經(jīng)濟可采儲量。通過可膨脹支撐劑更有效地抽取資源以及更好地控制裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴展，能夠?qū)崿F(xiàn)氣和/或油輸出增加，而不會同時增加對于淡水或大范圍清潔已用水的能力的需求。

系統(tǒng)地施加力以張開裂縫網(wǎng)絡(luò)并隨后利用鉆井操作所產(chǎn)生的天然裂縫網(wǎng)絡(luò)和預先存在的裂縫網(wǎng)絡(luò)的能力還能開發(fā)定向鉆井以濾取高價值礦石，而無需危險、昂貴、以及環(huán)境影響大的硬巖采礦活動。

實施例：

可膨脹復合材料樣品根據(jù)iso-13503-5中的標準指導使用裂縫導流能力試驗進行測試。

1)具有25％容積負荷的膨脹fe微粉的耐高溫且韌性熱塑性聚砜在190℃下于2％kcl溶液中歷經(jīng)50小時，能顯示出50％的不受約束的體積膨脹。

2)研磨并篩分至8/16目尺寸的環(huán)氧樹脂粘合劑中的30％容積負荷的可膨脹金屬cao粉末在60～80℃下暴露于2％kcl、0.5mnaco3溶液下1小時，在3000psig的斷裂負荷應力下顯示出24％的體積膨脹。

3)擠出為顆粒并篩分至8/16目尺寸的尼龍66粘合劑中的30％容積負荷的可膨脹金屬cao粉末在60～80℃下暴露于的2％kcl、0.5mnaco3溶液1小時，在2500psig的斷裂負荷應力下顯示出22％的體積膨脹。

因此，上述的目的可從先前描述顯而易見且能有效達到，并且，由于可對上述的構(gòu)造進行某些改變而不會偏離本發(fā)明的精神和范圍，這意味著在上文描述中包含的和附圖中顯示的所有內(nèi)容應該被理解為具有說明性而非限制性意義。已對本發(fā)明結(jié)合優(yōu)選和替代性實施方式進行了描述。在閱讀并了解本文提供的本發(fā)明的發(fā)明詳述之后，改變和變更對于本領(lǐng)域技術(shù)人員會是顯而易見的。本發(fā)明意在包含所有這種改變和變更，只要其在本發(fā)明范圍之內(nèi)即可。還應理解本發(fā)明的權(quán)利要求旨在覆蓋本文所述的本發(fā)明的全部一般特征和特定特征以及本發(fā)明范圍內(nèi)的全部表述，其由于語言的問題而被稱為落入其范圍中。已對本發(fā)明結(jié)合優(yōu)選實施方式進行了描述。本發(fā)明的優(yōu)選實施方式和其它實施方式的這些和其它改變從本文的公開內(nèi)容顯而易見，因此上述說明性內(nèi)容應理解為僅說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明。本文意圖包括所有所述改變和變更，只要其在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)即可。