用于确定地下断层几何形状的功能性支撑剂的制造方法和用途的制作方法

专利名称：用于确定地下断层几何形状的功能性支撑剂的制造方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及支撑剂和用于确定地质地层中断层的性质的方法。
背景技术：
支撑剂或支持剂广泛用于维持油井和气井中的渗透性。支撑剂是可以分散在载体 液体中并且在压裂过程中在压力下泵送到油井或气井中的物质。支撑剂可以“支撑”开井 筒周围岩石地层中的断层并由此防止该断层闭合。因此，可以增加曝露给井筒的地层表面 积的量，提高收取率。支撑剂也可增加地层的机械强度并由此有助于维持随时间推移的流 速。支撑剂可提供附加的功能性以涵盖例如追踪或探测支撑剂充填层(proppant pack)的特性的用途。例如，Nguyen等人(美国专利申请公开US2005/0274510A1)描述了 特定的导电聚合物和/或导电填料相在聚合物包覆的支撑剂中通过基于电场的遥感操作 确定地层参数的用途。在另一实例中，Ayoub等人(美国专利7，082，993B2)描述了有源或 无源设备表征断层参数的用途。这两种方法并没有考虑在典型的烃井系统中井下极端和经 常是恶劣的环境，这必将导致在这种情况中采用的追踪设备的故障和/或失效。例如，极端 的温度和压力可导致Ayoub等人提出的基于聚合物的系统和有源电子设备的故障。McCarthy等人(美国专利申请公开US 2006/0102345A1)描述了支撑剂追踪和断 层区表征材料。这种材料基本上是加入到支撑剂充填层中从而能够感受该支撑剂充填层的 附加颗粒或填料。由于该颗粒通常比支撑剂颗粒自身更小，所以存在“填塞”支撑剂填充的 地层中间隙位点的可能，由此导致支撑剂充填层整体渗透性的下降。以上方法共同呈现下列特性的组合差的支撑剂运输抑制了井性能(流速)和断 层成像；在负载下，特别是典型的储层深度(即超过1，000英尺)下差的电导率；由于温度、 腐蚀、应力循环或绝对闭合应力的侵蚀造成的差的寿命；和差的信噪比妨碍表面评价，需要 在探边井(offset well)或井下测量设备中昂贵的投资。在一些情况下，这妨碍了对受支 撑断层的长度、宽度和高度的有效成像。在最差的情况下，只能够成像这三个维度中的两 个。此外，在以上方法中，支撑剂和传感元素或颗粒的比重不能匹配，因此，当置于地层中时 无法在支撑剂充填层中得到支撑剂和传感颗粒的均勻混合。需要除用于撑开地下开断层外还具有附加功能性质的支撑剂。还需要使用以上地 面检测系统对断层精确地进行三维绘图的方法。

发明内容
本发明涉及具有除了用于“支撑”地下岩石地层中开断层之外的功能特征的支撑 剂。本发明还涉及可用于追踪和/或探测支撑剂充填层(proppant pack)的特性的 “功能性”支撑剂，例如可探测如断层高度、断层宽度、断层深度和/或断层轨迹(即，路径中 的方位角(azimuth)、倾角(inclination)、偏斜(declination)、偏差(deviation)等)的 特性的“功能性”支撑剂。本发明还能够调节传感颗粒相对于用于支撑开地下断层的支撑剂的比重，由此可 获得支撑剂和传感颗粒的均勻混合物，并且可得到受支撑的空间的更精确的图像。本发明还提供具有能够利用由功能性支撑剂产生的多种信号模式的能力的方法， 例如，功能性支撑剂可具有中空声共振、顺磁性和/或应变能量释放的组合，并且这些性质 可用于产生信号、产生中空声共振、引起爆炸物爆炸、和/或产生磁性属性，这些可用于形 成可检测的信号。本发明还涉及当将支撑剂填充到断层中并留存于断层中时可以原位加热的功能 性支撑剂。可使用额外的热以使支撑剂载体流体降解和增强从地层的开采量。本发明还涉及可在特定信号的控制下释放化学物质的“反应性，，支撑剂。在一个 或多个实施方式中，反应性支撑剂可吸收和释放用于在断层地层中溶解微粒和蚀刻岩石的 化合物。本发明还涉及具有功能组分的支撑剂，所述功能组分被陶瓷基体包覆或结合到陶 瓷基体中。所述陶瓷基体可用于保护该功能组分免受井下环境的不利影响。本发明还涉及精确评价地下断层的几何形状的方法。在水力压裂处理中可实时评 价断层地层性质。例如，所述方法可利用包含元素周期表d区元素的金属或氧化物颗粒的 支撑剂，和使用遥感技术如航空地磁仪勘测或地面穿透雷达检测支撑剂。在一个或多个实 施方式中，所述方法可利用包含压电组分的支撑剂，该压电组分可使用例如高分辨率加速 度计或地音仪检测。本发明还涉及包括可通过磁探针检测的磁性材料的支撑剂。所述磁性材料可包括 具有设定的磁矩的纳米颗粒，如铁氧体材料。磁性支撑剂颗粒可通过检测由磁性纳米探针 引起的磁性扰动而成像。可通过使用磁性天线，例如通过使用与超导量子干涉仪(例如， SQUID地磁仪)组合的井筒套管来协助检测。本发明还涉及在其结构中或在其表面上包封碳纳米管阵列的支撑剂，该碳纳米管 阵列提供电信号板从而可通过测量由该电信号板产生的电场来检测支撑剂。在另一些实施方式中，本发明还涉及利用本文中所述的导电支撑剂提高断层的电 导率的方法。应理解，上述总体说明和以下具体说明只是示例性和说明性的，并且意在提供对 要求保护的本发明的进一步说明，而不是限制本发明。
具体实施例方式本发明部分涉及包括基体如陶瓷基体、玻璃基体或陶瓷_玻璃基体和至少一种功 能组分的支撑剂颗粒。所述功能组分可被所述基体包覆或引入到所述基体中。作为一种选择，所述功能组分可引入到聚合物或聚合材料(包括但不限于含有该聚合物或聚合材料的 层)中，或被它们包覆。所述基体由于其优异的热性质和环境性质而可用于保护所述功能 组分，由此减轻和/或最小化井下环境的任何不利影响和对功能组分的潜在破坏。所述基 体可为支撑剂提供保护和强度赋予性质。支撑剂的功能组分可基本上分布在整个基体(即，颗粒复合材料)中。功能组分可 作为例如基体中的离散相引入。功能组分可引入支撑剂颗粒中，特别是支撑剂中或支撑剂 上的的特定区域或者位置，例如在一层或多层中，所述一层或多层任选地基本上由另一层 如陶瓷层(即，多层复合型结构)或聚合物层或其它层包覆。由基体和/或聚合物层基本 上包覆的一层或多层中的功能组分可例如作为与基体的固溶体和/或与基体的合金引入 到支撑剂颗粒中。支撑剂颗粒可包括由基体基本上包覆的功能组分芯。功能组分可起到模 板材料的作用，然后其包覆有外壳，例如陶瓷外壳和/或聚合物外壳。为了本发明的目的， “基本上包覆”的功能组分是指用例如陶瓷基体和/或聚合物的材料涂布至少约50%，优选 涂布至少约70 %，且更优选涂布至少约90 %，或涂布至少约99 %的曝露表面积。应理解，虽 然在本文中提及的都是陶瓷基体，但是也可使用其它基体材料，例如玻璃-陶瓷基体、聚合 物和其它基体材料，如本文中提及的专利/专利申请描述的材料。或者，功能性材料或相可 在热处理或烧结期间通过支撑剂组成化合物的固态反应而原位形成。制造本发明的各种实施方式的支撑剂颗粒(不包括功能组分)的方法和各种 实施方式的支撑剂颗粒(不包括功能组分)的实例描述于美国专利申请11/347，664、 11/498，527,11/728, 953和11/769，247，它们的全部内容在此通过引用纳入本申请。本文 中所述的一种或多种功能组分可作为芯的一部分、作为一层或多层的一部分、作为一个或 多个涂层、作为单独的芯、作为单独的层、作为单独的涂层或它们的任意组合引入到这些支 撑剂中。功能组分可包括磁性、超磁性、和/或顺磁性材料。所述磁性、超磁性、和/或顺 磁性材料可包括具有铁氧体结构的陶瓷材料，例如，Fe3O4,或掺杂的同系物如MnxSvxFe2O4， 其中χ为0 1的任意数，条件是χ不能为0或1。适合用于该实施方式的陶瓷材料的 其它实例描述于 Keluskar 等人的〃 HighPermeability of Low Loss Mn-Zn Ferrite Obtained by Sintering NanoparticleMn-Zn Ferrite " , Journal of Magnetism and Magnetic Materials，305，296—303 (2006)；禾口 Parekh 等人的"Ternary Monodispersed Mna5Zna5Fe2O4Ferrite Nanoparticles Preparation and Magnetic Characterization", Nanotechnology，17，5970-5975 (2006)，它们的全部内容通过引用纳入本申请。可使用单磁畴顺磁体提供强烈的检测响应。完成该任务的一种方法可包括包含例 如尺寸小于lOOnm，或者约2nm 约20nm的纳米颗粒。纳米颗粒可以引入到基体中或者作 为单独的涂层加入。磁性、超磁性和/或顺磁性材料可作为在一层或多层中的离散相引入， 所述一层或多层由另一陶瓷层(即，多层复合型结构)和/或聚合物层基本上包覆。支撑 剂颗粒可包括由陶瓷基体和/或聚合物基本上包覆的磁性和/或顺磁性材料的芯。磁性、 超磁性和/或顺磁性材料也可起到模板材料的作用，然后其用陶瓷外壳和/或聚合物外壳 包覆。当提及陶瓷层和/或陶瓷外壳时，应理解在本文中所述的任何实施方式中都可使用 任意层或外壳。在本文中所述的专利/专利申请中给出实例。功能组分可包括位于支撑剂颗粒表面上的顺磁性材料。这样的材料可具有高驰豫率(relaxivity)，从而能够得到通过核磁共振(NMR)对质子核的加强观察。顺磁化合物可 提高周围水质子自旋的驰豫速率。驰豫率可用于例如改善图像的对比度、研究造影剂较好 扩散的特定区域、和进行功能性磁共振成像(MRI)。MRI造影剂的驰豫率可取决于复合体系 (complex)的分子结构和动力学。改善水驰豫率的两种可能方式包括，例如，提高复合体系 内部球体中的水分子数，和减慢分子旋转相关时间。一种典型的松弛剂为例如钆(Gd)，其为 镧系元素，在其三价状态下是顺磁的。NMR的使用可以增强地下地层的断层特征的成像。功能组分可包括至少一种元素周期表的d区元素。功能组分可包括例如d区元素 的金属微粒、氧化物微粒、或它们的任意组合。功能组分可包括例如至少一种来自元素周期 表的第四周期到第六周期的d区元素。功能组分可包括，但不限于例如钒、铬、锰、铁、钴、 镍、锆、铌、钼、铑、钯、钇、钪、铪、钽、钨、钼、或它们的任意组合。支撑剂可包括模板材料，所述模板材料包括例如聚集的热解碳、导电石墨或它们 的组合。支撑剂本体生胚(green proppant bodies)的烧结可通过快速烧结、在惰性或还 原气氛中烧结、通过施加电磁辐射的烧结(例如，微波烧结)、通过支撑剂与外部电磁场之 间的诱导耦合效应的烧结、或这些方法的任意组合进行。支撑剂可进行快速烧结。升温速率可设置成使陶瓷生胚的外表面在内部区域前 烧结，由此产生对气体迁移不可通透的层，该层阻止了碳质材料在支撑剂内的热引发氧化。 这种快速烧结的加热速率可为，例如，约20°C /min 约500°C /min，或者约150°C /min 400°C /min。可使用在这些范围之上或之下的其它加热速率。支撑剂可在惰性或还原气氛中进行烧结。惰性或还原气氛如氮气、氦气、氩气、氢 气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等的存在可起到抑制支撑剂的碳质组分在升高的温度下热氧 化的作用。支撑剂可通过施加外部电磁(EM)场进行烧结，像例如陶瓷材料的微波烧结中那 样。单独的陶瓷材料可通过施加电磁场进行加热。可发生碳质材料相对低的温度升高，这 主要是通过从陶瓷到内部的直接热能传导而出现的。碳质材料可保持低于其自发热氧化温 度的温度。频率可为例如约IGHz 约15GHz，或者约1. 5GHz 约8GHz。对支撑剂生胚施加EM场可导致支撑剂的碳质芯的直接加热。这样的加热可局部 化进行，并且在不存在自由流动气氛的情况下可导致从支撑剂球的内部到外部对陶瓷材料 的直接加热。陶瓷粉末颗粒生胚快速固结为经烧结的不可渗透团块可以防止碳质芯的热引 发氧化。电磁场频率可为约IOkHz 约IGHz。支撑剂颗粒可包含陶瓷基体和包含压电材料的功能组分。压电材料可基本上分布 在整个陶瓷基体或聚合物中，或者其可作为在由陶瓷基体和/或聚合物基本上包覆的一层 或多层中的离散相引入支撑剂颗粒。支撑剂颗粒可包含由陶瓷基体和/或聚合物基本上包 覆的压电材料的芯。压电材料可包括具有钙钛矿型晶体结构的陶瓷材料。压电材料可包括，例如，钛酸 铅锆、钛酸钡、铌酸铅、槽切割石英单晶、具有钙钛矿型晶体结构的任意掺杂的钛酸盐陶瓷 材料、或它们的任意组合。支撑剂颗粒可进一步包括天线型器件(antenna type device)。在使用选定频率 的电磁场对支撑剂颗粒辐照时，天线型器件可引发电流。电流可产生压电材料的收缩和/ 或膨胀。电磁场的逆转可导致电流方向的逆转，并由此导致压电材料的收缩和/或膨胀激发效应的逆转。交变电磁场(例如，正弦式、三角式、方波式、脉冲式等)的使用可导致压电 材料收缩和膨胀的快速逆转。因此，由于这种效应，可在支撑剂颗粒和支撑剂充填层中引发 振动。支撑剂充填层振动的频率可与交变电磁场的激发频率相关。振动频率可为例如等于 该激发频率。此外，具有不同频率、振幅、相角和/或波形形状的多种电磁波形可彼此叠加 以形成复合波形。通过这种复合波形带来的压电激发将产生压电相响应波谱，并由此产生 由可位于井筒或探边井中断层之上的表面上的设备检测到的信号波谱。这种复合信号波谱 可通过使用多种数学换算技术中的任意一个进行去卷积以得到来自支撑剂充填层的特性 信息。通过这种分析得到的特性信息可包括深度、轨迹、倾斜角、和/或偏差等，基本上可得 到支撑剂充填层的三维图像。天线型器件可原位制造，例如通过金属氧化物颗粒还原到相应的金属(例如，氧 化镍还原为镍、氧化铜还原为铜等)。金属氧化物纤维也可用作金属天线的前体，该前体在 制造期间也被还原为相应的金属。天线型器件的长度可取决于电磁场的波长，并且典型地 可为电磁波长的任意整数倍。电磁波长的分数倍也是允许的(例如1/4、1/2、1/8、1/16等)。天线型器件的一端可电耦合到支撑剂颗粒的压电相，其中天线型器件位于使得该 天线型器件沿大致向外的方向发射。也可在结构中采用多个天线型器件，其中各个天线型 器件耦合到压电相并沿大致向外的方向发射。天线型器件在用选定频率的电磁辐射进行辐照时可引发电流，所述选定频率为 例如约50Hz 约1200GHz、或约300MHz 约1200GHz、或约300GHz 约600GHz、或约 500GHz 1000GHz。支撑剂颗粒可包含陶瓷基体和包含阴极发光材料的功能组分。阴极发光材料可基 本上分布在整个陶瓷基体中，或者其可作为在由陶瓷基体和/或其它材料如聚合物层基本 上包覆的至少一层或多层中的离散层引入支撑剂颗粒。支撑剂颗粒还可包括由陶瓷基体和 /或聚合物基本上包覆的阴极发光材料的芯。当使用能量源辐照，例如使用电磁辐射辐照支撑剂颗粒时，阴极发光材料可发射 光子。可通过原位产生电子进行阴极发光材料的激发方法。这可通过使用电磁辐射以引发 在支撑剂的一种相中形成电子/空穴对来实现，例如在各种基于硅和锗系列的掺杂的半导 体材料中就是这样。阴极发光材料可包括，例如，磷光体(phosphor)、钇铁石榴石、锰掺杂的 硅酸铝镁玻璃、或它们的任意组合。只要诱导光子发射的能量/频率使陶瓷材料对于引发 的光子能量而言是透明的，发射的光子就可以通过陶瓷基体。支撑剂颗粒可进一步包括天线型器件。在使用电磁辐射对支撑剂颗粒进行辐照 时，天线型器件可引发电子流动。电子流动可激发阴极发光材料以引发光子发射。天线型 器件可包括，例如，任意如上所述的天线型器件。光子的频率和/或能量可取决于阴极发光材料的特性。光子的频率和/或能量可 以使得周围地层和地层表土对于光子是有效透明的，并且为光子从地下位置到表面位置的 行进提供低阻抗通道。支撑剂颗粒可包含陶瓷基体，和包含碳纳米管、碳纳米颗粒或它们的组合的功能 组分。碳纳米管和/或碳纳米颗粒可基本上分散在整个陶瓷基体中，和/或其作为由陶瓷基 体和/或聚合物基本上包覆的一层或多层中的离散相引入。支撑剂颗粒可包括，例如，由碳 纳米管基本上涂布，并且还由陶瓷基体和/或聚合物基本上包覆的二氧化硅芯。支撑剂颗粒还可包括，例如，由陶瓷基体和/或聚合物基本上包覆的碳纳米管和/或碳纳米颗粒芯。碳纳米管可包括，但不限于，例如，单壁纳米管、多壁纳米管、扶手椅式纳米管、锯 齿形纳米管、螺旋状纳米管、单壁纳米管束、多壁纳米管束、或它们的任意组合。碳纳米颗粒 可包括，但不限于，例如，球、分层球(Iayeredsphere)、小片(platelet)、晶粒、聚集球、板、 棒、单六面体、或它们的任意组合。在使用电磁辐射辐照支撑剂颗粒时，功能组分可吸收部分电磁辐射。电磁辐射可 具有，例如，约0. 25毫米(mm) 约1米(m)，约Imm 约500mm，或者约IOmm 约IOOmm的波长。支撑剂颗粒可包括具有碳纳米管阵列的天线型器件。碳纳米管阵列可提供电场的 屏蔽。而且，碳纳米管阵列可为微波辐射的强吸收体。支撑剂颗粒可通过微波辐射的吸收 进行检测。玻璃-陶瓷法可用于将玻璃质材料(例如，在其玻璃质相下具有差的机械强度性 质)烧结为接近完全密度或完全密度(例如，90%或更高、95%或更高，如90% 100%、 95% 99% )，随后进行结晶或脱玻璃化以进一步增强其机械和/或热材料性质。进一步 包含各种量的氧化铁，例如约1重量％ 约25重量％的氧化铁的玻璃-陶瓷组合物可以是 高度耐腐蚀和耐磨损的。在玻璃-陶瓷中，高含量的铁可导致磁铁矿的不混溶相从母体玻 璃中结晶出。这种玻璃-陶瓷法可用于在母体玻璃材料中制造磁铁矿。在本发明的一个方 面中，可通过将足够的氧化铁引入玻璃如硅酸铝玻璃中来利用这种玻璃-陶瓷法的优点， 从而在对烧结和结晶母体玻璃所必需的正常加工和加热循环中形成不混溶液体，然后该不 混溶液体沉淀为磁铁矿相。可作为另一种选择地或者附加地使用其它金属或其氧化物，特 别是顺磁性金属或其氧化物。实例包括，但不限于Fe、Ni、Co、Mn、Sm、Ce、Nd、Pr或它们的 氧化物、或它们的合金、或它们的任何组合。支撑剂颗粒可包含玻璃-陶瓷基体和至少包含氧化铁的功能组分。功能组分可分 布在整个玻璃-陶瓷基体中，和/或其可作为离散相引入支撑剂颗粒。功能组分可作为在 由玻璃-陶瓷基体层基本上包覆(例如，超过75%的表面积被涂布)或完全包覆的至少一 层中的离散相引入支撑剂颗粒。玻璃-陶瓷基体可包括，但不限于，例如，铝硅酸盐玻璃、 钠-铝硅酸盐玻璃、锂-铝硅酸盐玻璃、镁-铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、熔融二氧化硅玻 璃等、或它们的任意组合。其它实例包括，但不限于，钙-铝硅酸盐玻璃、钡-铝硅酸盐玻璃、 锶-铝硅酸盐玻璃、硅酸锆玻璃、锆-铝硅酸盐玻璃、MACOR玻璃、或它们的任意组合。玻璃 如铝硅酸盐玻璃可包括其它碱金属或碱土金属组分如碳酸钠、氧化钾、氧化镁、钙和/或其 它改性剂如二氧化钛、氧化锌等、或它们的任意组合。可包括上述改性剂以例如控制母体玻 璃的结晶。氧化铁可包括，例如，磁铁矿、氧化亚铁、三氧化二铁、和/或它们的任意组合。氧 化铁(和/或其它金属或金属氧化物)在支撑剂颗粒中的存在量例如为支撑剂颗粒的约1 重量％ 约40重量％或更高、约10重量％ 约30重量％、约12重量％ 约25重量％、或 约15重量％ 约20重量％。这些范围也适用于可在本发明中使用的其它金属或其氧化物。支撑剂颗粒可包括或者进一步包括微粒材料，例如，具有附加玻璃-陶瓷材料的 颗粒和/或磁铁矿的微粒相。玻璃-陶瓷基体可与微粒材料结合以形成玻璃质复合材料， 其可烧结为所需的密度，然后进行附加热处理以结晶出玻璃质相。可根据支撑剂颗粒所需的性质选择微粒材料。例如，在需要高于玻璃-陶瓷成分提供的量的提高量的磁铁矿的复 合材料中，磁铁矿可为微粒材料的选择。如果希望具有较高强度的机械性质或其它机械性 质，例如可使用与玻璃-陶瓷基体一起使用的其它较强的铝硅酸盐微粒。附加的玻璃-陶 瓷微粒可为与玻璃-陶瓷基体相同的材料，或者其可为不同的材料。可根据支撑剂颗粒所 需的性质改变微粒材料的量。玻璃-陶瓷微粒材料可以整个材料的例如约5重量％ 95 重量％，例如15重量％ 80重量％，或者20重量％ 60重量％的量存在。微粒磁铁矿可 以例如支撑剂颗粒的约1重量％ 约40重量％或更高，约10重量％ 约30重量％，约12 重量％ 约25重量％，或约15重量％ 约20重量％的量存在。支撑剂颗粒可产生热。在使用电磁辐射辐照支撑剂颗粒时，功能组分可吸收部分 电磁辐射并且可产生热。当将支撑剂颗粒填充到断层中并存留在断层中时，支撑剂颗粒可 原位进行加热。产生的热可例如用于使用于输送支撑剂的载体流体降解，和/或减小地层 中重质原油的粘度。可通过用热电偶、温度计、热敏电阻、钼电阻器、电阻热设备(“RTD”)、红外设备等 的阵列确定井筒附近的热梯度异常来测量受支撑断层的宽度和高度。可例如使用红外热成像设备从探边井筒孔、井筒和地表检测受支撑断层的长度、 宽度和高度。所述设备包括电荷耦合器件("CCD")、热辐射计、和由以下设备组成的光 子检测器砷化铟镓(InGaAs)光电二极管、锗光电二极管、硫化铅0 光电导检测器、硒 化铅(PbSe)光电导检测器、砷化铟(InAs)光伏检测器、硅化钼(PtSi)光伏检测器、锑化铟 (InSb)光电导检测器、锑化铟(InSb)光电二极管检测器、碲化汞镉(MCT，HgCdTe)光电导 检测器、碲化汞锌(MZT，HgZnTe)光电导检测器、五氧化钒微辐射热计、超导红外检测器等。支撑剂颗粒可包含基体和包含反应性化合物的功能组分。反应性化合物可包含例 如酸、碱、释放能量(热能、声能等)的化合物例如爆炸物、或它们的任意组合。反应性化 合物可基本上分布在整个陶瓷基体中，和/或作为在由陶瓷基体和/或聚合物基本上包覆 的一层或多层中的离散相引入支撑剂颗粒。支撑剂颗粒可包含由陶瓷基体和/或聚合物 基本包覆的反应性化合物芯。爆炸物可为可塑型爆炸物或聚合物型爆炸物例如KNAUERIT、 SEMTEX, PENO, PE4, Sprengkorper, C3、C4、PWM, NITROLIT、PW-5A、TVAREX 4A、PLASTITE, PBX、DEMEX、PP-Ol等。爆炸物可基本上由用于节庆烟花的材料例如黑火药、无烟火药等组 成。反应相可为增强载体流体的分解和降解的物质。这种反应相可与爆炸性材料混 合，或者其可为相同颗粒的单独层。在引爆支撑剂颗粒中所含的爆炸性装料时，反应相可通 过流体分散，并由此增强载体流体的分解和降解。支撑剂颗粒可为这样的材料，该材料在经受等压或静水力负载、或力时呈现高强 度，但是在经受单轴负载或力时可能灾难性地失效。当受到单轴负载时，可使支撑剂颗粒弹 性变形，并且支撑剂颗粒内的应变能将增加直至达到颗粒的临界应变能。在达到临界应变 能值时，颗粒将灾难性地失效，并且应变能的释放将产生短暂的能量脉冲，其自身作为声波 或声音脉冲显示。这种声音脉冲可通过之前所述的方法检测。在减小压裂压力并因此闭合支撑剂充填层上的断层壁时，可立即释放支撑剂颗粒 的功能组分的反应性。或者，支撑剂颗粒可涂布有这样的物质，该物质容许延缓释放支撑剂 的反应性或功能性组分一段时间以容许与断层闭合有关的“大地噪音(earth noise)”耗散。所述时间可为12 96小时或者更长。同样地，可通过其它方法延迟支撑剂颗粒的灾 难性失效的定时延迟。在支撑剂颗粒收到信号时可从支撑剂颗粒中释放反应性化合物。该信号可包括， 例如，声音信号、微波或其它电磁辐射。支撑剂颗粒可吸收反应性化合物，储存该反应性化 合物，从而基本上不释放反应性化合物，然后当收到信号时释放反应性化合物。所述反应 性化合物可包括，例如，可蚀刻地下断层的岩石的酸。被蚀刻的岩石可具有增强的导电性。 可使用通过振荡器在其共振点驱动的换能器、产生例如通过气枪产生的纵向波前的高能脉 冲、可控震源装置(Vibroseis Unit)、和/或产生具有高比能波包的少量爆炸性装料来产 生声音信号。用于确定地质地层中断层的几何形状，或者支撑剂在压裂地层中的布置，或者支 撑剂充填层在压裂地层中随时间迁移的方法可包括将支撑剂注射(或者引入)到断层中， 其中所述支撑剂包含一种或多种功能组分。可追踪或探测断层中的支撑剂，由此确定该断 层的特性(即，高度、宽度、深度和/或轨迹)。所述方法可进一步包括在足够高的压力下将 压裂液注入井中，以使该压裂液开启或扩展与井连通的地质地层中的断层，并且使该压裂 液从井流到断层中。压裂液可包括包含陶瓷基体和功能组分的支撑剂颗粒。所述陶瓷基体 可通过其优异的热性质和环境性质起到保护功能组分的作用，从而减轻和/或减少井下环 境的任何不利影响。用于检测支撑剂充填层和用于确定断层特性的检测方法可包括，例如，遥感技术 如航空地磁仪勘测、磁异常勘察、大地电阻率勘察、地面穿透雷达勘察、核磁共振成像等。也 可利用本文中所述的其它方法。所述方法可空间地和时间分辨地确定支撑剂充填层的几何 形状，因此，支撑剂充填层生长的实时测量是可行的。如倾斜计、倾角测量仪、加速度计、地 音仪、地磁仪、SQUID、共振麦克风、脉冲中子源、放射性示踪器、伽马射线检测器、大地电阻 率电极组件、脉冲中子衰变强度计、重力仪等的仪器可用于检测和表征地层断层和支撑剂 充填层位置。这些工具可置于断层区上的地表上，在选定深度的井筒中和/或与原始井筒 相邻的探边井中。在完成探边井之后可收集数据，或者可在钻探探边井期间通过将检测仪 器结合到下井仪器串(tool string)中来收集数据。中子活化发射可用于确定断层几何形状。用中子源辐照材料可用于使该材料中的 一些元素转变为放射性同位素。在衰变时，这些放射性同位素以例如α辐射、β辐射和/ 或Y辐射或它们的组合的形式发射特性辐射。可通过许多检测器配置或系统中的任何一 种检测所述辐射。由于Y辐射相对高的能量和对大部分材料的高穿透深度而可检测Y辐 射。通过仔细地选择包含在支撑剂中的标记元素，可对引发的Y辐射的产生进行优化。例 如，可将钴(raCo)结合到支撑剂结构和/或支撑剂涂层中。在使用中子源辐照时，59Co可吸 收入射的中子并转变为亚稳态的同位素6°mCo。这种形式的钴6tlmCo衰变为6°Co，并自发释放 Y射线。6tlCo同位素通过发射β粒子衰变为亚稳态的6tlmNi。60mNi同位素经历Y射线的 自发发射而形成稳定的6tlNi同位素。6tlmCo到6tlNi的衰变通过两次、射线和β粒子的发 射进行并具有5. 27年的半衰期。对任何或所有这些辐射类型和事件的检测可用于确定断 层几何形状。可使用的中子活化源可包括反应器、聚变器(fusor)(例如，Farnsworth-Hirsch 聚变器)、发射中子的放射性同位素源(例如，锕系元素如锎)、在气体放电管中与铍混合以通过1t+n反应或D-T聚变反应产生中子的α粒子源(例如，镭或镅)。用于被发射Y射 线光子的检测器可包括气体电离检测器(例如，盖革-苗勒管)、闪烁检测器(例如，碘化钠 晶体)或半导体检测器(例如，SiLi或GeLi)。可使用含有中子活化放射性同位素的流体来确定断层几何形状。可使用例如通过 中子捕获活化的元素“标记”的流体。在示例性实施方式中，可将可溶性raCo盐加入支撑剂 流体并且在泵入井筒之前活化。在流体从断层区倒流时，可测量该流体的放射性并确定活 性。例如，考虑到已知的井筒倒流速率可确定计算的流体体积，以及由此断层的尺寸。除了 使用59Co之外，可使用入射中子活化压裂液的一种或多种成分。例如，可通过入射中子的吸 收将钾的稳定同位素1转化为4°Κ。同位素4tlK衰变为4°Ca并放射β粒子，该放射可通过 许多检测器类型，例如本文中所述检测器类型中的任意一种检测。地音仪可包括单个传感元件的组件，或者它们可含有多个传感元件。在多个传感 元件的情况下，将三个或更多个元件以正交方向排列。以三个正交方向的传感元件排列容 许地音仪检测压缩震波和剪切震波。也可以确定波传播的方向。也可将附加的敏感元件加 入地音仪，在这种情况下附加的敏感元件排列在与正交轴呈45度的方向。其它角度也是可 行的。通过附加换能器产生的数据可计算与信号源有关的正交源向量。重力场扰动可用于确定断层几何形状。地表安装的加速度计阵列可分布在围绕井 筒的邻近区域。可从单个加速度计换能器收集重力场的初始读数以生成所研究区域的重力 图。在压裂和支撑剂布置操作期间可进行从各个换能器收集重力场强度的实时数据。根据 加速度计的初始读数和最终读数的差别，可计算重力场的扰动，并且可推算有关断层长度、 断层轨迹方位角和倾角、以及支撑剂充填层的支撑尺寸的信息。用于确定地质地层中断层的几何形状的方法可包括将支撑剂注入断层中，其中所 述支撑剂包含磁性和/或顺磁性材料。可使用井套管(well casing)作为“天线”实现利 用低频率或直流电(DC)磁场对支撑剂的检测。支撑剂区可具有显著的磁导率和通道磁通 量，并且改变远场磁场形状和井筒周围的磁场大小。可使用SQUID地磁仪扫描磁场，或者可 使用其它设备来感应由于磁性支撑剂引起的磁场扰动。初始场强度和最终场强度的对比可 用于确定支撑剂的位置。对于横向井眼来说，可使用裸眼(open hole)或非磁性套管。用于确定地质地层中断层的几何形状的方法可包括将支撑剂注射到所述断层 中，其中所述支撑剂包含元素周期表的d区元素。所述d区元素可例如被陶瓷基体或其它 基体包覆，或者引入到陶瓷基体或其它基体中。所述方法还可包括将检测器提供在测量由地质地层产生的磁场的位置，测量由该 地质地层产生的磁场，和由测得的磁场确定所述断层的几何形状。所述检测器可包括，例 如，地磁仪、航空地磁仪、或超导量子干涉仪(SQUID)。所述方法可包括将一个或多个电极提供在测量地质地层的电阻的位置，测量地质 地层的电阻；和由测得的电阻确定所述断层的几何形状。通过使电流通过大地中的一对电极并测量第二对电极之间的电压来测量地下材 料的电阻率。结果是“表观”电阻率，其为代表在一定体积土地上的的加权平均电阻率的值。 这种测量中的变化是通过土壤、岩石和孔流体电阻率的变化导致的。勘察需要与地面接触， 所以它们可为劳动密集型的。有时候直接解释结果，但是更常见的是使用转化过程估算1D、 2D或3D模型。当进行勘测以得到ID模型时，其称作回波探测。使用剖面图建立大地的2D模型。多重线或者更复杂的电极布置用于得到3D图像诠释。用于该目的的电极为简单的 金属导体，将其以选定间隔推入大地中的选定位置达到预定的深度。如果包括适当的设备 时，感生极化(或IP)是可与DC电阻率的测量同时进行的第二种测量。IP测量对应于地下 材料保留电荷的电容的变化。这种物理性质是指荷电率。当地下水或地下流体含有盐、烃 类或其它材料如支撑剂时可检测荷电率的变化。所述方法可包括提供地面穿透雷达检测器在将电磁信号辐射到地质地层中并检 测从地质地层反射的电磁信号的位置；将电磁信号辐射到地质地层中；测量反射的电磁信 号；和由反射的电磁信号确定断层的几何形状。所述方法可进一步包括在足够高的压力下将压裂液注射到井中以容许该压裂液 引发或扩展与该井连通的地质地层中的断层，并且从该井流到断层中。所述压裂液可包括 包含陶瓷基体和元素周期表的d区元素的支撑剂颗粒。用于确定地质地层中断层的几何形状的方法可包括将支撑剂注射到断层中，其 中所述支撑剂包含压电材料和天线型器件。可以用足以在天线型器件中产生电流的电磁场 辐照地质地层。然后，电流可激发压电材料产生压电材料的收缩或膨胀效应。电磁场的逆 转可导致电流方向的逆转，因此产生收缩/膨胀效应的逆转。交变电磁场可提供压电材料 收缩/膨胀的快速逆转，由此引发支撑剂和/或支撑剂充填层中的振动。可使用足以引发 压电材料的振动的交变电磁场辐照地质地层。可提供检测器在测量地质地层中的振动的位 置。检测器可测量振动的频率并由测得的振动确定断层的几何形状。检测器可包括，例如， 加速度计、或地音仪。交变电磁辐射可具有如正弦式、三角式、方波形式、脉冲或它们的任何 组合的频率。因此，压电材料的振动可具有与交变电磁辐射频率相关的振动频率。该振动 频率可例如等于电磁辐射频率。压电晶体可具有，例如，涂布有两个或更多个电极，然后与导电支撑剂混合。所述 导电支撑剂可包括，例如，金属支撑剂、金属涂布的支撑剂、导电聚合物涂布的支撑剂、导电 金属氧化物支撑剂等、和它们的组合。压电晶体的浓度可为0. 001体积％ 99体积％，例 如，0. 01体积％ 10体积％，或者0. 1体积％ 5体积％，基于压电晶体和导电支撑剂混合 物的总体积。所述混合物可在压力下注入到断层中。随着将混合物泵送到断层中，并且断 层内的压力增加，压电晶体被挤压并且产生可通过导电支撑剂测量的电位。电位的测量可 通过测量流过该混合物的电流进行，或者通过测量电位进行。使用信号处理，可确定压电晶 体，并由此确定混合物的位置。而且，也可测量施加在混合物中压电晶体上的压力量。压电可用于确定断层几何形状，并且可通过使用原子力显微镜(AFM)测量材 料的振幅来测量。如上所述和在 IEEE Standard on PiezoelectricityANSI/IEEE Std 176-1987(New York :The Institute of Electrical and ElectronicsEngineers, 1987) (其全部内容通过引用纳入本申请)中示例的阻抗测量是用于研究晶体压电性质的最常规 的方式。如果施加给材料的激发信号的频率等于材料的共振频率，则可以使振动晶体产生 的AC电压达到其最大值。如本文中所述，利用阻抗测量和阻抗谱概念的用于压电测量的电极设计可取决于 地下断层特征。通过井筒或者通过预测断层几何形状的各种位置实施的电极可用于完成这 种测量所述方法可进一步包括测量诱导振动的飞行时间。这种测量可用于，例如，确定断层的深度。所述方法还可进一步包括在足够高的压力下将压裂液注射到井中以容许该压裂 液引发或扩展与该井连通的地质地层中的断层，并且从该井流到断层中，其中所述压裂液 包括包含陶瓷基体、天线型器件和压电材料的支撑剂颗粒。支撑剂的功能性方面可以是由于阴极发光材料的光子发射引起的光致发光造成 的。用于确定地质地层中断层的几何形状的方法可包括提供检测器在测量由地质地层发射 的光子的位置；将支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包括阴极发光材料；使用足以引 发所述阴极发光材料发射光子的能量源来辐照支撑剂；测量由地质地层发射的光子；和由 测得的光子确定所述断层的几何形状。所述能量源可包括，例如，电磁辐射。电子/空穴对可被引发以在支撑剂的一个相中形成并且原位产生电子。电子可进 一步引发阴极发光材料发射光子。支撑剂还可包括将电磁辐射转化为电子流的接收天线。 然后，电子可引发阴极发光材料发射光子。光子的频率(或能量)取决于用于生成它们的阴极发光材料。通过考虑周围的地 层，可选择光子频率(或能量)，使得周围地层和地表土对于光子是有效透明的并且为光子 从地下位置到地面位置的行进提供低的阻抗通道。功能性支撑剂的电阻抗的测量可用于确定地下断层的几何形状。所述方法可包括 当在电路的两个或更多个末端施加电压时测量电路抵抗电流流动的程度。阻抗可以用欧姆 (Ohms)表示，作为在一对末端施加的电压与这些末端之间的电流之比。在直流(DC)电路 中，阻抗对应于电阻。在交流(AC)电路中，阻抗与电阻、电感和电容相关。电感器和电容器 建立对抗电流流动的电压。电感产生的电抗与交流电的频率成正比，而电容产生的电抗与 所述频率成反比。这种对抗(称作电抗)可以与电阻组合以确定阻抗，并且在各种频率下 使用交流电的阻抗测量可用于确定回路几何形状的特性特征。地下断层中的填充支撑剂可视作连续电路，其中单个支撑剂彼此接触。取决于支 撑剂材料和支撑剂涂层中如存在的添加剂，所述支撑剂可以是有电阻的、导电的或者半导 电的。通过对地下断层中支撑剂充填层的电阻抗进行测量和建模，可确定地下断层的几何 形状。利用阻抗谱概念进行阻抗测量的电极设计可取决于被支撑的特定地下断层。所述 电极可通过井筒设置，或者通过预测的断层几何形状的各个位置设置。如本文中其他部分 所述，可成功地利用电阻率和电阻抗来一起确定断层几何形状。检测器可包括光电倍增管的2D阵列、光电检测器的2D阵列或它们的组合。光电 倍增管和/或光电检测器的阵列可例如布置在断层区以上的地表上。光电倍增管和/或光 电检测器的2D阵列可检测和扩增(multiply)来自地下位置的光子发射，由此可以“测绘” 断层几何形状。可将检测器送到井下以测量和/或记录由附近井筒位置发射的光子，由此 可以测绘断层高度和宽度。井下检测器可包括，例如，光电倍增管的阵列、光电检测器的阵 列、摄影胶片、CCD器件、或它们的任意组合。用于加热地质地层中断层的支撑剂充填层的方法可包括将支撑剂注射到断层中， 其中所述支撑剂包括碳纳米管、碳纳米颗粒或它们的组合。然后使用足以引发支撑剂产生 热的电磁辐射辐照断层中的支撑剂。所述电磁辐射可具有微波到无线电波范围内的波长， 例如，约1毫米(mm) 约300米(m)，约IOmm 约300mm，或约100mm。
支撑剂产生的热可用于例如使用于将支撑剂输送到断层中的载体流体降解。如果 载体流体中的凝胶被破坏，则可降低载体流体的粘度。然后，凝胶可通过倒流回井筒有效地 从断层区除去。支撑剂产生的热量也可用于例如降低断层中存在的原油的粘度，并由此增 强从地层中收取烃类的速率。用于蚀刻地质地层中断层的岩石的方法可包括将支撑剂注射到断层中，其中所 述支撑剂包含陶瓷基体和化学品；产生信号以从支撑剂中释放该化学品；和使释放的化学 品与岩石接触。所述信号可为例如声音信号，并且可通过例如声音信号源提供。所述化学 品可包括例如酸。所述酸可蚀刻断层中存在的岩石并由此增强地层的电导率。作为本发明的另一实例，所述支撑剂可包括涂布有聚合物或陶瓷材料的爆炸性材 料。当将支撑剂注射到断层中时，压力、温度或通过涂层的化学浸取(例如酸)可引爆嵌入 在支撑剂中的爆炸物，从而产生可被检测的声音信号或微地震事件，例如特征性的声音信 号或微地震波。所述声音信号可被安装在地面上的地音仪或者其它检测设备如检测声波或 微地震事件信号的倾斜仪捕获。含有支撑剂的爆炸物可与不用于检测但用于支撑的常规或 普通的支撑剂组合使用。含有支撑剂的爆炸物可与任意量的常规或普通的支撑剂一起以任 何量存在，例如，基于存在的支撑剂的总重量的约0. 1重量％ 5重量％或更多，或者1重 量％ 5重量％，优选小于2重量％的浓度。引发振动的声音信号的使用可与其它检测方法耦合，从而实现协同效应。可使用 反射信号以产生声波来实现长度、宽度和高度的检测。可使用陶瓷换能器/压电元件。可 使用陶瓷麦克风测量返回的信号。中空支撑剂可将信号最大化。中空结构的使用将在适当 的频率下起到共振腔的作用。这将导致更多的波前能量被吸收而不是反射回声波发射器。 因此，了解中空支撑剂在多种选定频率下的吸收系数，可以通过飞行时间型实验确定支撑 剂床的长度。具有比周围地层高的吸收系数的中空支撑剂将带来描绘地下地层中的支撑剂 床边界的能力。可使用超声波检测沉淀到水力压裂中的支撑剂。可将超声换能器置于井筒中并可 使其通过附近地质结构产生超声声波。至少存在两种可检测的超声模式，反射超声和透射超声。对于使用反射超声的检测，可将接收器与换能器整合。声波可通过地质结构传送 直至其碰撞到材料密度急剧改变的断层表面，例如，从支撑剂充填层到岩石表面的变化。然 后，特定超声波反射回到来源。基于超声波的相变化，可估算超声来源与反射表面之间的距 离，并且可定位支撑剂和/或断层表面的位置。当利用透射模式时，超声传播通过断层并且断层的性质改变了超声波。置于不同 于产生超声处的井筒或井眼中的检测器可用于检测透射的、经改变的超声波。可使用超声 波通路(pattway)解释来自检测器的信息并且可确定支撑剂的位置。光学纤维可用于检测井筒或井筒附近的温度和压力。纤维包层分级技术 (fiber-clad grading technique)可用于使光学纤维能够作为换能器操作。当与合适的换 能器组合时，可将光学信号输送到大地表面，并且可使用内窥镜检查法来测量光学信号。或 者，可使用顶分光镜来测量光学信号。支撑剂可具有量子点(QD)的层或芯(例如，其可为约Inm 50歷，例如Inm IOnm的纳米晶体)，所述量子点在本发明中起到功能组分的作用，并且可通过本文所述的设备进行追踪、探测或者以其它方式识别。量子点在现有技术中是常规的并且可通过各种 能量源如激光器、LED 等激发。QD 可包括 CdS、CcKe、CdTe、SiS、a^e、ZnTe、GaAs、GaP、GaAs、 GaSb, HgS, HgSe, HgTe, InAs、InP, hSb、AlAs、A1P、AlSb、它们的合金或它们的混合物的芯， 并且任选地用包含 ZnO、ZnS、ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe、MgS、MgSe, GaAs, GaN、GaP, GaAs、GaSb、HgO、HgS、HgSe、HgTe、InAs, InN, InP, hSb、AlAs、A1N、A1P、AlSb、它们的合金 或它们的混合物的外壳材料包覆。QD足够小以结合到支撑剂中和/或作为部分层、作为其 自身的层、或者作为部分芯或者其自身的芯结合到支撑剂上。QD可具有化学基团，所述化学 基团允许它们进行反应，或者物理或化学地连接到支撑剂或其一部分上，并且可通过解吸 或其它方式如溶解、反应等分离。本发明还涉及具有功能组分的支撑剂，所述功能组分容许支撑剂反应或者改变支 撑剂的载体流体从而使该载体流体为可以在断层中或井筒中进行追踪、绘制或者以其它方 式探测的物质，因而所述载体流体为追踪或探测机理。另外，所述支撑剂也可完成本实施方 式中的这一目的。本实施方式的优点在于，由于所述流体为液体，并且与单独的支撑剂相比 更好地表示支撑剂和载体流体的位置，因此该流体更好地定义了断层。载体流体的追踪与 单独的支撑剂相比可更精确地了解断层、载体流体和支撑剂的位置。例如，支撑剂上的层一 旦与载体流体(例如酸、或碱、或其它反应性化学品或标记物)接触，就可以溶解，然后可通 过本文中所述的一种或多种技术如雷达、磁性、SQUID、光能、振动能、温度(升高的温度或 降低的温度)探测载体流体。作为进一步的实例，支撑剂可具有在表面上的层，其导致载体 流体中的放热反应，引起温度升高，并且这种温度升高可通过温度探头或顶或UV或其它检 测技术在井筒的地表或者其它地点监测。作为另一实例，支撑剂可具有导致载体流体发射 可被检测到的不同的波长的层或物质。例如，支撑剂可释放这样的量子点颗粒或物质，其可 溶解、反应或者以其它方式存在于载体流体中，并且例如通过波长或者其它能量的激发而 被检测到。含有化学品或短半衰期的放射性材料的流体可用于确定断层几何形状。例如，在 不同阶段中，可将具有不同比重的支撑剂泵送到地层中。可将固体或液体形式的不同的化 学追踪剂例如放射性元素、着色墨水和/或化学标记物结合到支撑剂中。随着支撑剂泵送到断层中，通过将水泵送回地表而释放压力，但是支撑剂上的压 力升高。可将支撑剂设计成在这些条件下小部分支撑剂颗粒被粉碎，从而将液体或固体化 学品释放到载体流体中。然后，化学追踪剂可通过各种技术如红外成像、核磁共振光谱等在 井筒或井筒附近被检测。基于倒流的速率和时间可计算从井筒到沉积支撑剂的距离。在本发明中，活性组分可涂布有陶瓷材料或聚合物或金属，或以上的任意组合。涂 层可通过常规方法涂布，所述常规方法例如浸涂、旋涂、喷涂、溶胶-凝胶涂布、物理气相沉 积、化学气相沉积、原位悬浮聚合、涂层沉淀、喷雾干燥、包衣涂布(pan coating)、机械流化 床涂布、流化床涂布、热喷雾涂布或以上方法的任意组合。在本发明中，具有一种或多种功能组分的支撑剂的优点在于所述支撑剂自身可起 到多种作用。尤其是，所述支撑剂具有和常规支撑剂一样支撑开断层的能力，并且还具有提 供追踪和探测支撑剂位置和/或追踪、探测和确定断层特性的手段的能力。先前的支撑剂 不具有这种双重功能，这意味着，支撑剂或者为支撑开断层的支撑剂，或者支撑剂为示踪材 料并且实际上由于不足的粉碎强度、耐化学性、比重、尺寸、成本、或这些因素的任意组合而不能起到支撑剂的作用。在本发明中，引入到井或断层中的支撑剂可均具有功能组分，或者 其中的一部分可具有功能组分。如果使用了一部分，则剩余部分可为任意类型的常规支撑 剂，和/或可为本文中引用的专利申请中所述的支撑剂。本发明中使用的部分可占引入支 撑剂总重量的99%或更少，例如基于所引入支撑剂的总重量的0.5% 95%、10% 90%、 20 % 75 %、40 % 60 %等。所述部分可与剩余的支撑剂分开引入，可作为混合物引入，可 在后续阶段中引入。在本发明的情况下，具有功能组分的支撑剂可具有以上引用专利申请 中所述支撑剂的一种或多种性质，包括但不限于成分、芯、一层或多层、尺寸、层的厚度、芯 和/或层的均勻度、比重、支撑剂的粉碎强度、层的粉碎强度、芯的粉碎强度、制备方法、引 入方法。如上所述，支撑剂具有本文中所述的附加的功能组分以提供追踪和测绘能力。制 备支撑剂的方法和以上引用专利申请中所述的支撑剂的性质使它们理想地适合引入功能 组分并实现作为支撑剂使用以及用于追踪和测绘所需和可接受的支撑剂性质。作为另一种选择，可检测多孔和中空支撑剂与实心支撑剂之间如声音和/或电磁 标记(signature)的差别的信号。检测工具包括微震仪、地震仪、辐射计、地磁仪、加速度计 和/或比重计。所有的之前所述的各种仪器可以进行纳米增强或MEM增强。作为一种选择， 支撑剂可包括中空球，或包括中空部分或多孔部分作为支撑剂的一部分。中空特性容许支 撑剂在地层中产生与其周围相比和/或与实心支撑剂或者也可存在的其它不同的支撑剂 相比不同的标记，以容许对其进行测绘。使用本文中所述的一种或多种源以产生到达泵送 支撑剂位置的信号，所述信号将对支撑剂具有与周围地层不同的效应，因此能够根据位置 和浓度进行检测。更具体地，来自本发明中所述来源的地震或振动或热信号穿过中空支撑 剂，并且在信号频率和/或信号强度衰减和/或其它信号差异方面具有不同于大地中地质 材料的传导率。然后，检测系统可测量、记录和/或检测不同位置的信号和然后进行处理。 不同位置的信号频率和/或强度衰减和/或其它信号差异的区别可与关于断层高度、断层 宽度、断层深度、和/或断层轨迹(即，路径中的方位角、倾角、偏角、偏差等)的信息相关。 基本上，可实现对地层中支撑剂位置和分布的2D或3D 了解。通过之前所述的工具和仪表收集的数据由于多重频率和/或波形的叠加而可为 复合数据包。该复合数据包或信号的各个分量可以是由压裂地层或支撑剂充填层内唯一 位置处发生的唯一事件所引起的。需要对复合数据包或信号去卷积以表征这些唯一事件。 可通过使复合数据包或信号进行数学处理而进行所述去卷积。这种数学处理的实例包括 连续傅里叶变换(CFT)、离散时间傅里叶变换(DTFT)、离散傅里叶变换(DFT)、分数傅里叶 变换(FFT)、傅里叶级数(FS)、拉普拉斯变换(LT)、双边拉普拉斯变换(TSLT)、谱密度分析 (SDA)、谱密度估算(SDE)等。通常，对于本发明的任意方法和实施方式而言，本发明的支撑剂可与常规支撑剂 和/或不用于测绘或追踪位置的支撑剂组合使用。可将多种支撑剂引入到地层中，并且用 于追踪或测绘能力而存在的支撑剂的百分比可为任意量，例如支撑阶段加入的支撑剂总量
的0. 1重量％ 100重量％，或1重量％ 75重量％，或1重量％ 50重量％，或1重 量％ 25重量％，或1重量％ 15重量％，或1重量％ 10重量％，或1重量％ 5重 量％，或1重量％ 3重量％。因此，本发明可涉及下列实施方式的任意组合1.)支撑剂颗粒，包含
陶瓷基体；和功能组分，其包括元素周期表的d区元素。2.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分基本上分布在整个所述 陶瓷基体中。3.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为离散相引入到所述 支撑剂颗粒中。4.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为在由陶瓷基体或聚 合物的层基本上包覆的一层或多层中的与陶瓷基体或聚合物的固溶体、合金或它们的任意 组合引入所述支撑剂颗粒。5.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，包括由陶瓷基体基本上包覆的功能组分的芯。6.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分包括元素周期表的d区 元素的金属微粒、氧化物微粒、或它们的任意组合。7.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分包括元素周期表第4周 期到第6周期的d区元素。8.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分包括钒、铬、锰、铁、钴、 镍、锆、铌、钼、铑、钯、钇、钪、铪、钽、钨、钼、导电或半导电聚合物、导电或半导电颜料、或它 们的任意组合。9.)支撑剂颗粒，包含陶瓷基体；和包含热解碳、导电石墨、或它们的任意组合的功能组分的芯，其中所述功能组分的芯基本上或完全由所述陶瓷基体包覆。10.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述支撑剂颗粒是使用快速烧结、惰 性烧结、电磁场烧结、微波烧结、感应耦合烧结、或它们的任意组合烧结的。11.)支撑剂颗粒，包含陶瓷基体；和包含压电材料的功能组分。12.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分基本上分布在整个所述 陶瓷基体中。13.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为在由所述陶瓷基体 或聚合物基本上包覆的至少一层中的离散相引入到所述支撑剂颗粒中。14.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，包括基本上或完全由所述陶瓷基体或聚合 物包覆的功能组分的芯。15.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，进一步包括与压电材料电耦合的一种或多 种天线型器件，其中在使用电磁场辐照所述支撑剂颗粒时，所述一种或多种天线型器件引 发电流，所述电流使压电材料产生收缩或膨胀。16.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述一种或多种天线型器件包括金属 颗粒、金属纤维、或它们的任意组合。17.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述一种或多种天线型器件位于所述
19支撑剂颗粒中从而使天线型器件沿向外的方向辐射。18.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，包括多个与压电材料电耦合的天线型器 件，其中各个天线型器件位于支撑剂颗粒中从而使天线型器件沿向外的方向辐射。19.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述压电材料的收缩或膨胀引发支撑 剂颗粒的振动。20.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述电磁场为具有激发频率的交变电 磁场，并且所述支撑剂颗粒的振动具有与该激发频率相关的振动频率。21.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述振动频率大约等于所述激发频率。22.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述压电材料包括具有钙钛矿型晶体 结构的陶瓷材料。23.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述压电材料包括钛酸铅锆、钛酸钡、 铌酸铅、槽切割石英单晶、具有钙钛矿型结构的掺杂的钛酸盐、或它们的任意组合。M.)支撑剂颗粒，包含陶瓷基体；和包含阴极发光材料的功能组分。25.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分基本上分布在整个所述 陶瓷基体中。26.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为在由所述陶瓷基体 或聚合物基本上或完全包覆的至少一层中的离散相引入到所述支撑剂颗粒中。27.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，包括基本上或完全由所述陶瓷基体或聚合 物包覆的功能组分的芯。28.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中在使用能量源辐照支撑剂颗粒时，阴 极发光材料发射光子(light photon)。29.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述能量源包括电磁辐射。30.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述阴极发光材料包括磷光体、钇铁 石榴石、锰掺杂的铝硅酸镁玻璃、或它们的任意组合。31.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，进一步包括天线型器件，其中在使用电磁 场辐照所述支撑剂颗粒时，天线型器件引发电子流，所述电子流激发阴极发光材料以引发 光子发射。32.)支撑剂颗粒，包含陶瓷基体；和包含碳纳米管、碳纳米颗粒或它们的组合的功能组分。33.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述碳纳米管包括单壁纳米管、多壁 纳米管、扶手椅式纳米管、锯齿形纳米管、螺旋状纳米管、单壁纳米管束、多壁纳米管束、或 它们的任意组合。34.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述碳纳米颗粒包括球、分层球、小 片、晶粒、聚集球、板、棒、单六面体、或它们的任意组合。35.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分基本上分布在整个所述陶瓷基体或聚合物中。36.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为在由所述陶瓷基体 或聚合物基本上包覆的至少一层中的离散相引入到所述支撑剂颗粒中。37.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，包括由所述陶瓷基体或聚合物基本上包覆 的功能组分的芯。38.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中使用电磁辐射辐照所述支撑剂颗粒 时，所述功能组分吸收部分电磁辐射。39.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述电磁辐射具有约0. 25毫米 约1 米的波长。40.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中使用电磁场辐照所述支撑剂颗粒时， 所述功能组分产生热。41.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，进一步包括二氧化硅芯，其中所述二氧化 硅芯由碳纳米管基本上或者完全涂布，并且所述碳纳米管由所述陶瓷基体或聚合物基本上 或完全包覆。42.)支撑剂颗粒，包含陶瓷基体；和包含反应性化合物的功能组分。43.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述反应性化合物包含酸、碱、或它们 的任意组合。44.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分基本上分布在整个所述 陶瓷基体中。45.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为在由所述陶瓷基体 或聚合物基本上或完全包覆的至少一层中的离散相引入到所述支撑剂颗粒中。46.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，包括由所述陶瓷基体或聚合物基本上或完 全包覆的功能组分的芯。47.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中当所述支撑剂颗粒收到信号时从该支 撑剂颗粒中释放反应性化合物。48.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述信号包括声音信号。49.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述支撑剂颗粒吸收反应性化合物、 储存反应性化合物并且当收到信号时释放反应性化合物。50.)支撑剂颗粒，包含陶瓷基体；和包含磁性、超磁性或顺磁性材料的功能组分。51.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分基本上分布在整个所述 陶瓷基体中。52.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为在由所述陶瓷基体 或聚合物的层基本上包覆的一层或多层中的离散相引入到所述支撑剂颗粒中。53.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分分布在所述陶瓷基体或 聚合物的外层中。
54.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分包括氧化铁。55.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分包括铁氧体。56.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述铁氧体包括式MnxSvj^e2O4的 Mn-Zn铁氧体，其中χ为0 1的任意数，条件是χ不能等于0或1。57.)用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括将检测器放置在检测由地质地层产生的磁场的位置；将支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含元素周期表的d区元素；测量从地质地层产生的磁场；和由所测得的磁场确定所述断层的几何形状。58.)任意前述实施方式的方法，其中所述检测器包括一个或多个地磁仪。59.)任意前述实施方式的方法，其中所述检测器包括一个或多个航空地磁仪。60.)任意前述实施方式的方法，其中所述检测器包括一个或多个超导量子干涉仪 (SQUID)。61.)任意前述实施方式的方法，进一步包括在高到足以容许压裂液扩展断层的压 力下将压裂液注射到与断层流体连通的井筒中，其中所述压裂液包括包含陶瓷基体和元素 周期表的d区元素的支撑剂颗粒。62.)用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括将一个或多个电极放置在测量地质地层的电阻的位置；将支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含元素周期表的d区元素；测量地质地层的电阻；和由测得的电阻确定所述断层的几何形状。63.)任意前述实施方式的方法，进一步包括在高到足以容许压裂液扩展断层的压 力下将压裂液注射到与断层流体连通的井筒中，其中所述压裂液包括包含陶瓷基体和元素 周期表的d区元素的支撑剂颗粒。64.)用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括将地面穿透雷达检测器放置在将电磁信号辐射到地质地层中并检测从地质地层 反射的电磁信号的位置；将支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含元素周期表的d区元素；将电磁信号辐射到地质地层中；测量从地质地层反射的电磁信号；和由所反射电磁信号确定所述断层的几何形状。65.)任意前述实施方式的方法，进一步包括在高到足以容许压裂液扩展断层的压 力下将压裂液注射到与断层流体连通的井筒中，其中所述压裂液包括包含陶瓷基体和元素 周期表的d区元素的支撑剂颗粒。66.)用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括将检测器放置在测量地质地层的振动的位置；将支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含压电材料和与该压电材料电耦合的 天线型器件；使用足以在所述天线型器件中产生电流的交变电磁辐射来辐照地质地层；
使用电流来激发所述压电材料以引发该压电材料引起振动；测量所述振动的频率；和由测得的振动确定所述断层的几何形状。67.)任意前述实施方式的方法，进一步包括在高到足以容许压裂液扩展断层的压 力下将压裂液注射到与断层流体连通的井筒中，其中所述压裂液包括包含陶瓷基体、天线 型器件和压电材料的支撑剂颗粒。68.)任意前述实施方式的方法，其中所述检测器包括一个或多个加速度计。69.)任意前述实施方式的方法，其中所述检测器包括一个或多个地音仪。70.)任意前述实施方式的方法，其中所述交变电磁辐射具有正弦式、三角式、方波 式、脉冲式或它们的组合的频率。71.)任意前述实施方式的方法，其中所述压电材料的振动具有与交变电磁辐射的 频率相关的振动频率。72.)任意前述实施方式的方法，进一步包括测量感生振动的飞行时间和由测得的 飞行时间确定断层的深度。73.)任意前述实施方式的方法，其中所述天线型器件包括金属纤维，该金属纤维 的长度为电磁辐射波长的整数倍。74.)任意前述实施方式的方法，其中所述交变电磁辐射具有50Hz 1200GHz的频率。75.)用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括将检测器放置在测量由地质地层发射的光子的位置；将支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含阴极发光材料；使用足以引发所述阴极发光材料发射光子的能量源来辐照支撑剂；测量由地质地层发射的光子；和由测得的光子确定所述断层的几何形状。76.)任意前述实施方式的方法，进一步包括在高到足以容许压裂液扩展断层的压 力下将压裂液注射到与断层流体连通的井筒中，其中所述压裂液包括包含陶瓷基体和阴极 发光材料的支撑剂颗粒。77.)任意前述实施方式的方法，其中所述能量源包括电磁辐射源。78.)任意前述实施方式的方法，其中所述支撑剂进一步包括将电磁辐射转换为电 子流的接收天线，并且所述电子引发阴极发光材料以发射光子。79.)任意前述实施方式的方法，进一步包括在支撑剂的一个相中引发电子/空穴 对形成，并且原位产生电子，其中所述电子引发阴极发光材料以发射光子。80.)任意前述实施方式的方法，其中所述检测器包括布置在所述断层上的地表上 的光电倍增管的2D阵列、光电检测器的2D阵列、或它们的组合。81.)任意前述实施方式的方法，其中将所述检测器送入井下以测量由地质地层发 射的光子。82.)任意前述实施方式的方法，其中所述检测器包括光电倍增管的阵列、光电检 测器的阵列、摄影胶片、CCD器件或它们的组合。83.)用于加热在地质地层中的断层中的支撑剂充填层的方法，所述方法包括
提供电磁辐射源；将支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含碳纳米管、碳纳米颗粒或它们的组 合；和使用足以引发所述支撑剂产生热的电磁辐射来辐照该支撑剂。84.)任意前述实施方式的方法，其中所述电磁辐射具有约1毫米 约1米的波长。85.)任意前述实施方式的方法，其中所述支撑剂进一步包括载体流体，并且所述 方法包括产生量足以使所述载体流体降解的热。86.)任意前述实施方式的方法，其中在断层中存在原油，所述辐照包括产生足够 的热以降低原油的粘度，并且所述方法进一步包括收取原油。87.)用于蚀刻地质地层中的断层中的岩石的方法，所述方法包括将支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含陶瓷基体和蚀刻化学品；从声音信号源产生强度足以从所述支撑剂中释放蚀刻化学品的声音信号；使岩石与释放的蚀刻化学品接触；和使用所述蚀刻化学品蚀刻岩石。88.)任意前述实施方式的方法，其中所述蚀刻化学品包括酸。89.)支撑剂颗粒，包含玻璃-陶瓷基体；和包含磁铁矿的功能组分。90.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分分布在整个所述玻 璃-陶瓷基体中。91.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为一个或多个离散相 引入到支撑剂颗粒中。92.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述玻璃-陶瓷基体包括铝硅酸盐。93.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述磁铁矿以支撑剂颗粒的15重
量％ 20重量％的量存在。94.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，进一步包括结晶改性剂。95.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，进一步包括碳酸钠、氧化钾、氧化镁、氧化 钙、二氧化钛、氧化锌、或它们的组合。96.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为在由玻璃-陶瓷基 体的层基本上包覆的至少一层中的离散相引入到所述支撑剂颗粒中。97.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，进一步包括微粒，其中所述玻璃-陶瓷基 体以玻璃状复合材料的形式与所述微粒结合。98.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述微粒包括玻璃-陶瓷材料。99.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述微粒包括结晶铝硅酸盐。100.)任意前述实施方式的支撑剂颗粒，其中所述微粒包括磁铁矿。101.)用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括将检测器放置在测量由地质地层发射的声音信号的可操作位置；将支撑剂注射到断层中，所述支撑剂包含爆炸性材料；引爆所述爆炸性材料以产生声音信号；
检测该声音信号；和由所检测的声音信号确定所述断层的几何形状。102.)任意前述实施方式的方法，其中使用位于地质地层的地表的地音仪测量所
述声音信号。103.)任意前述实施方式的方法，其中所述引爆是通过地质地层内的压裂、压力、 温度、或化学品浸取触发的。104.)任意前述实施方式的方法，进一步包括在引爆之后将第二支撑剂泵送到断 层中以支撑开所述断层。105.)用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括提供一个或多个设备以在地质地层中产生信号，所述信号包括声音信号、地震信 号、振动信号、磁信号、电信号、电磁信号和/或热信号；提供一个或多个设备以检测地质地层中的信号；将支撑剂充填层注射到断层中，其中所述支撑剂充填层的支撑剂包含信号转化性 质，其配置为转化由一个或多个产生信号的设备所产生的信号；使用一个或多个产生信号的设备在地质地层中产生信号；转化用支撑剂充填层产生的信号以形成经转化的信号；测量经转化的信号；和使用测得的经转化的信号来确定所述断层的几何形状。106.)任意前述实施方式的方法，其中一个或多个产生信号的设备包括超声波发 生设备。107.)任意前述实施方式的方法，其中一个或多个产生信号的设备包括电信号生 成设备，和一个或多个检测设备包括阻抗测量设备。108.)任意前述实施方式的方法，其中一个或多个产生信号的设备包括电信号生 成设备，和一个或多个检测设备包括压电检测器。109.)任意前述实施方式的方法，其中所述压电检测器使用原子力显微镜检测振 动振幅。110.)任意前述实施方式的方法，其中一个或多个检测设备包括通过光学纤维来 检测光学信号的光学检测器。111.)任意前述实施方式的方法，其中一个或多个检测设备包括加速度计的阵列， 和经转化的信号包括重力场强度信号。112.)任意前述实施方式的方法，其中所述支撑剂充填层包括具有电极的压电晶 体和导电支撑剂的混合物。113.)用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括将支撑剂充填层注射到所述断层中，其中所述支撑剂充填层的支撑剂包含放射性 组分；使用所述放射性组分在地质地层中产生放射性信号；测量所述放射性信号；和使用测得的放射性信号确定所述断层的几何形状114.)任意前述实施方式的方法，其中所述放射性组分包括结合到所述支撑剂中的化学标记物，并且所述方法进一步包括对所述支撑剂进行加压以粉碎至少部分的支撑剂 并释放所述化学标记物。115.)任意前述实施方式的方法，其中所述测量包括测量中子活化发射，和所述方 法进一步包括在将支撑剂充填层注入断层中之后使用中子源辐照所述支撑剂充填层。116.)任意前述实施方式的方法，其中所述放射性组分包括被中子捕获活化的元 素，和所述方法进一步包括在将支撑剂充填层注入断层中之前活化所述元素。本发明将通过下列实施例进一步阐述，所述实施例意在对本发明进行示例。理论实施例实施例1 模板材料首先由陶瓷材料组成的隔离涂层涂布，该陶瓷材料可与为支撑剂提供强 度的陶瓷材料相同或不同。该隔离层的厚度使得为涂覆压电相提供均勻的表面。该隔离层 的厚度为5士2微米。然后，涂覆压电相，包覆隔离层。压电相的厚度取决于需要产生的信 号的振幅，对于本实施例来说，压电相的厚度为15士5微米。本实施例中使用的压电相材料 称作PZT，其包括铅、二氧化锆和二氧化钛的固溶体，其基本上是具有钙钛矿晶体结构的基 于钛酸盐的陶瓷材料。接下来涂覆天线组件，其包括氧化镍和陶瓷材料的均质混合物，其中 氧化镍粉末的浓度为约30重量％。该组合的天线和陶瓷基体层的厚度为30士5微米。经 涂布组件的烧结在空气中在约1300°C进行120分钟。实施例2 以与实施例1相同的方法进行实施例2，但是，在涂覆天线陶瓷基体组件时，用直 径0. 5士0. 1微米和长度10士 1微米的聚合物纤维代替氧化镍。经涂布组件的烧结导致聚 合物纤维的热解，在陶瓷基体中产生通道。在烧结之后，将换能器支撑剂组件浸没在含镍溶 液中以渗入形成的通道。经渗入的组件的干燥在110°C进行12小时，随后进行后续的渗入。 这些干燥和渗入步骤重复3遍以完全填充陶瓷基体中的通道。在最后的干燥步骤之后，将 组件在1200°C在由一氧化碳组成的还原气氛中烧结180分钟，得到一端与压电相直接接触 的镍纤维(或棒)。实施例3:与实施例2相同，除了用含银溶液代替含镍溶液以形成作为天线元件的银纤维/棒。实施例4 在本实施例中，使用大约与实施例1相同大小的隔离涂层涂覆模板。在该隔离涂 层上涂覆约15士5微米的压电相。在该压电相的上面为约5士2微米厚的导电金属相的薄 层。该金属相层由平均厚度为2士 1微米的薄的堇青石陶瓷层包覆。由于该薄的陶瓷层，涂 层容易形成陶瓷材料的岛状物，其中有未涂布的金属相的区域。使该组件在约1300°C的温 度下进行热处理120分钟。金属相的未涂布区域将优先熔融并从该组件的表面蒸发。该热 处理之后，使用流化床涂布系统涂覆厚度35士5微米的结构陶瓷层。最终组件的热处理在 1250°C 1300°C进行180分钟以实现最终陶瓷层的致密化。最终组件由与压电相层紧密接 触的金属天线设备组成，并且被致密的高强度陶瓷层包封。实施例5 在本实施例中，使用大约与实施例1相同大小的隔离涂层涂覆模板。在该隔离涂层上涂覆约15士5微米的压电相。将约5士2微米的薄金属相涂覆在压电材料的表面。在 金属相的涂覆之后，进行选定区域的蚀刻以除去金属相的指定部分，产生薄的金属区域，其 作为天线以提供驱动压电相所需的电流(在电磁波的影响下)。金属相的选择除去可通过 以下方式进行掩蔽金属表面的选定区域，随后通过化学蚀刻以溶解未被掩蔽的区域。在化 学蚀刻之后，使用流化床涂布系统涂覆厚度35士5微米的结构陶瓷层。最终组件的热处理 在1250°C 1300°C进行180分钟以实现最终陶瓷层的致密化。最终组件由与压电相层紧 密接触的金属天线设备组成，并且被致密的高强度陶瓷层包封。实施例6 在本实施例中，经涂布的模板在1250°C 1300°C的温度进行热处理最高达180分 钟。经涂布的模板的热处理产生能够耐受地下地层中遇到的所需闭合压力的致密的高强度 系统。经热处理的组件由耐蚀刻的金属相(例如Cr)包覆，该金属层的厚度为15士2微米。 在井的完井阶段期间将涂布有金属相的颗粒(支撑剂颗粒)置于地下地层中。可通过大地 电阻率测量的方式检测放置的支撑剂。将线形排列的四个电极的组件推入到受支撑区域以 上的大地中至规定的深度。对两个外部电极施加交流电，并测量出现在两个内电极之间的 所得电位差。这种电位差的大小与电极组件之下紧邻的大地空间的电阻率相关。该电阻率 取决于土壤类型、岩石类型和流体类型。高导电性和因此低电阻率的支撑剂将产生大的电 位差，由此在受支撑区域和周围的地层之间产生高水平的对比。实施例7 由于添加了顺磁相，可通过表征大地磁场的扰动来检测实施例6的支撑剂。在放 置到地下地层中之前，进行区域的磁性勘测以表征该区域中现有的磁场通量向量。在放置 实施例6的支撑剂之后，重复磁性勘测。磁场通量向量的扰动可归因于地下地层中顺磁相 的存在，因此可通过分析这些扰动推算受支撑区域的范围。实施例8:实施例6中所述的支撑剂可用于实现对地下地层的加热。将放射性元素沿井筒送 下至受支撑区域的水平。使用交流电流赋予放射性元素能量。放射性元素中的交流电场引 起从放射性元素发射电磁波。电磁波与支撑剂金属相的相互作用将引起在金属相内产生涡 流，由此局部加热各个支撑剂颗粒。加热的大小取决于放射性元素的均方根(rms)发射功 率和电磁波的频率，该电磁波的频率取决于施加给放射性元素的交流电的频率。实施例9 实施例1 5中所述的支撑剂可用于产生可在地表检测的声发射。以规定的方式 将高灵敏度单向地音仪的阵列设置在所研究的地层之上的地表上。具有已知电磁能持续时 间的短脉冲用于刺激压电元件，因此产生通过地层传播的声能短脉冲。通过地音仪检测声 脉冲容许确定受支撑区域的长度。此外，测量声波的飞行时间将容许确定受支撑区域的深 度。可通过测量井筒的声波飞行时间对该体系校正，井筒中受支撑区域的深度是已知的，因 此可确定地层中声波的速度。然后该速度值可用于从飞行时间测量计算其它区域的深度。 根据地音仪的阵列收集的数据，可在水平和垂直方向上确定受支撑区域的轨迹。实施例10 下列实施例显示使用声学手段确定断层性质的示例性方法。就简单的地下断层来 说，其从井筒向外辐射并含有支撑剂的填充床，所述支撑剂收到由驱动换能器的脉冲简谐振荡器提供的声信号。沿着第一换能器放置用于接收反射脉冲的第二换能器。支撑剂充填 层将具有特性声阻抗Z^fjw，其必须不同于周围地层的声阻抗Zi4Jg。由于地层的密度和剪切 质量(shear mass)，Zwg将表现为对所施加声信号的无限大阻抗。入射声波将带有取决于该声波的频率和振幅的给定量的能量。该入射能量中的一 部分将由于支撑剂床的阻抗而被填充的支撑剂床吸收。在支撑剂充填层和地层的边界处， 将发生两种不同的事件，第一件是形成连续通过地层的透射波。第二件是通过支撑剂充填 层行进返回信号源的反射波。由于地层的极高阻抗，反射波的能量将比透射波的能量高得 多。通过测量声脉冲的飞行时间，和了解支撑剂充填层中声波的速度，可计算断层的长度。实施例11 与实施例10的情况相同，除了用可变频率简谐振荡器代替脉冲简谐振荡器。这种 振荡器用于驱动换能器，使支撑剂充填层/断层收到变化频率的声信号。该振荡器的频率 从约0. IHz的低频率向约45kHz的高频率连续扫描，直至接收器检测到最大的强度，由此 表明支撑剂充填层/地层处于共振。通过接收器检测该频率下的反射波，并使用傅里叶变 换减少所得的复合波形以去卷积由支撑剂颗粒反射和支撑剂充填层/地层边界反射引起 的分量。一旦计算得到该分量的特征频率，可计算相应的波长并由此确定受支撑区域的长 度。与支撑剂充填层/地层边界的反射相关的频率是得自傅里叶变换的基，因此支撑剂充 填层的长度等于该频率下波长的1/4。或者，可对该频率进行设置，从而在接受器处出现最 小值，这也表明已经在支撑剂充填层/断层孔内达到了共振，在这种情况下，断层的长度等 于计算出的基波长的1/2。实施例12 在本实施例中，使用层厚度约50微米的高强度、高弹性模量的脆性聚合复合材料 包覆平均直径300微米的含有未增塑RDX爆炸物的球形颗粒。以20体积％爆炸性支撑剂 /80体积％常规支撑剂的比率将由此形成的颗粒与常规支撑剂共混。在水力压裂之后将所 得的支撑剂混合物输送到地下地层的断层区中。在地表上，在井筒周围以3C地震构型设置 地音仪的阵列。在除去水力压力时，断层在支撑剂充填层上闭合。随着单轴压力增加，脆性 聚合物灾难性地失效并且产生足以引爆其中所含的爆炸性装料的冲击波。位于地表上的地 音仪检测到这些爆炸事件，并且根据数据的数学处理可计算各个事件的三维(3D)位置，由 此得到支撑剂充填层的3D图像。实施例13 与实施例12的方式类似，但是将聚合物涂层的厚度减小到约20微米。然后使用 固体酸如结晶硫酸锆包覆该聚合物层。然后用薄的聚合物层包覆该固体酸以在取用和断层 中放置期间保护反应性组分。在断层闭合后，在各个颗粒上产生的单轴力大到足以导致颗 粒的灾变失效和产生强度足以使爆炸性装料引爆的冲击波，由此通过载体流体分散硅酸锆 以增强流体的降解和粘度的减小。实施例14 将倾斜仪的阵列布置在井筒周围的地表上。在开始水力压裂过程后，倾斜仪检测 大地的隆起。在放置支撑剂和减小压裂压力后，断层闭合并且通过支撑剂颗粒支撑。在没 有支撑剂的区域，大地的隆起应该恢复到大约其原始值。在支撑剂支撑断层壁的区域，隆起 不同于地表倾斜的原始值。因此，从地表倾斜数据的测绘到各个倾斜仪的位置可确定受支撑区域。申请人:明确地将所有引用文献的全部内容引入本公开内容中。此外，当以范围、优 选范围、或者上限优选值和下限优选值的罗列给出量、浓度、或者其它值或参数时，应理解 为明确地公开由任何上限范围极限或优选值与任何下限范围极限或优选值的任何配对形 成的所有范围，不论范围是否是分开地公开。当在本文中引用数值范围时，除非另有说明， 该范围意在包括其端点、和在该范围内的所有整数和分数。当限定范围时，本发明的范围不 意图限于所引用的特定值。考虑本发明的说明书和本文中公开的本发明的实践，本发明的其它实施方式对本 领域技术人员来说是明显的。认为本发明的说明书和实施例只是示例性的，本发明的真实 范围和主旨由所附权利要求及其等同物表示。
权利要求
1.支撑剂颗粒，包含 陶瓷基体；和功能组分，其包含元素周期表的d区元素、压电材料、阴极发光材料、碳纳米管、碳纳米 颗粒、反应性化合物、磁性材料、超磁性材料、顺磁性材料、热解碳、导电石墨、或它们的任意组合。
2.权利要求1的支撑剂颗粒，其中所述功能组分基本上分布在整个所述陶瓷基体中。
3.权利要求1的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为离散相引入到所述支撑剂颗粒中。
4.权利要求1的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为在一层或多层中与陶瓷基体或聚 合物的固溶体、合金或它们的任意组合引入到所述支撑剂颗粒中，并且由陶瓷基体或聚合 物层基本上包覆。
5.权利要求1的支撑剂颗粒，包含由所述陶瓷基体或聚合物基本上或完全包覆的所述 功能组分的芯。
6.权利要求1的支撑剂颗粒，进一步包括一种或多种与压电材料电耦合的天线型器 件，其中在用电磁场辐照所述支撑剂颗粒时，所述一种或多种天线型器件引发使所述压电 材料产生收缩或膨胀的电流。
7.权利要求1的支撑剂颗粒，其中所述压电材料的收缩或膨胀引发所述支撑剂颗粒的 振动。
8.权利要求1的支撑剂颗粒，其中所述压电材料包含具有钙钛矿型晶体结构的陶瓷材料。
9.权利要求1的支撑剂颗粒，进一步包括天线型器件，其中在使用电磁场辐照所述支 撑剂颗粒时，所述天线型器件引发电子流，所述电子流激发阴极发光材料以引发光子发射。
10.权利要求1的支撑剂颗粒，进一步包括二氧化硅芯，其中所述二氧化硅芯基本上或 完全由碳纳米管涂布，且所述碳纳米管基本上或完全由陶瓷基体或聚合物包覆。
11.权利要求1的支撑剂颗粒，其中所述反应性化合物包含酸、碱、或它们的任意组合。
12.权利要求1的支撑剂颗粒，其中所述功能组分包含氧化铁。
13.用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括 将检测器放置在测量由地质地层产生的磁场的位置；将权利要求1的支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含元素周期表的d区元素； 测量由地质地层产生的磁场；和 由测得的磁场确定所述断层的几何形状。
14.权利要求13的方法，其中所述检测器包括一个或多个超导量子干涉仪(SQUID)。
15.用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括 将一个或多个电极放置在测量地质地层的电阻的位置；将权利要求1的支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含元素周期表的d区元素；测量地质地层的电阻；和由测得的电阻确定所述断层的几何形状。
16.用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括将地面穿透雷达检测器放置在将电磁信号辐射到地质地层中和检测从地质地层反射的电磁信号的位置；将权利要求1的支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含元素周期表的d区元素； 将电磁信号辐射到地质地层中； 测量从地质地层反射的电磁信号；和 由反射的电磁信号确定所述断层的几何形状。
17.用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括 将检测器放置在测量地质地层的振动的位置；将权利要求1的支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含压电材料和与该压电材料 电耦合的天线型器件；使用足以在所述天线型器件中产生电流的交变电磁辐射来辐照地质地层； 使用所述电流来激发压电材料以引发该压电材料弓I起振动； 测量所述振动的频率；和 由测得的振动确定所述断层的几何形状。
18.用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括 将检测器放置在测量由地质地层发射的光子的位置；将支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含阴极发光材料；使用足以引发所述阴极发光材料发射光子的能量源来辐照权利要求1的支撑剂；测量由地质地层发射的光子；和由测得的光子确定所述断层的几何形状。
19.权利要求18的方法，其中所述检测器包括光电倍增管阵列、光电检测器阵列、摄影 胶片、CCD器件或它们的组合，其中将该检测器送到井下以测量由地质地层发射的光子。
20.用于加热在地质地层中断层中的支撑剂充填层的方法，所述方法包括 提供电磁辐射源；将权利要求1的支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含碳纳米管、碳纳米颗粒或 它们的组合；和使用足以引发所述支撑剂产生热的电磁辐射来辐照该支撑剂。
21.权利要求20的方法，其中所述支撑剂进一步包括载体流体，并且所述方法包括产 生足量的使所述载体流体降解的热。
22.权利要求20的方法，其中在断层中存在原油，所述辐照包括产生足以降低原油的 粘度的热，并且所述方法进一步包括收取原油。
23.用于蚀刻地质地层中断层中的岩石的方法，所述方法包括将权利要求1的支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含陶瓷基体和蚀刻化学品； 从声音信号源产生强度足以将蚀刻化学品从所述支撑剂中释放的声音信号； 使岩石与释放的蚀刻化学品接触；和 用所述蚀刻化学品蚀刻岩石。
24.权利要求1的支撑剂颗粒，其中所述陶瓷基体为 玻璃-陶瓷基体；和所述功能组分包含磁铁矿。
25.权利要求M的支撑剂颗粒，其中所述功能组分作为在至少一层中的离散相引入到支撑剂颗粒中，并且所述至少一层基本上由玻璃-陶瓷基体层包覆。
26.用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括 将检测器放置在可操作以测量由地质地层发射的声音信号的位置； 将支撑剂注射到断层中，所述支撑剂包含爆炸性材料；引爆所述爆炸性材料以产生声音信号； 检测该声音信号；和由检测到的声音信号确定所述断层的几何形状。
27.权利要求沈的方法，其中所述引爆是通过地质地层中的压裂、压力、温度或化学浸 取触发的，和任选地，进一步包括在引爆之后将第二支撑剂泵送到断层中以支撑开断层。
28.用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括提供一个或多个在地质地层中产生信号的设备，所述信号包括声音信号、地震信号、振 动信号、磁信号、电信号、电磁信号和/或热信号； 提供一个或多个检测地质地层中信号的设备；将权利要求1的支撑剂注射到断层中，其中所述支撑剂包含信号转化性质，其配置为 转化由所述一个或多个产生信号的设备产生的信号；使用所述一个或多个产生信号的设备在地质地层中产生信号； 使用支撑剂充填层转化所产生的信号以形成经转化的信号； 测量经转化的信号；和使用测量的经转化的信号确定所述断层的几何形状。
29.权利要求观的方法，其中所述一个或多个产生信号的设备包括产生超声波的设 备或产生电信号的设备，和任选地，所述一个或多个检测设备包括阻抗测量设备、压电检测 器、检测由光学纤维携带的光学信号的光学检测器，或加速度计阵列，和经转化的信号包括 引力场强度信号。
30.权利要求观的方法，其中所述支撑剂包含含有电极的压电晶体和导电支撑剂的混 合物。
31.用于确定地质地层中断层的几何形状的方法，所述方法包括将权利要求1的支撑剂注射到所述断层中，其中所述支撑剂包含放射性组分； 使用所述放射性组分在地质地层中产生放射性信号； 测量所述放射性信号；和使用测得的放射性信号确定所述断层的几何形状。
32.权利要求31的方法，其中所述放射性组分包括结合到所述支撑剂中的化学标记 物，并且所述方法进一步包括对所述支撑剂进行加压以粉碎至少部分的支撑剂并释放所述 化学标记物，或者所述测量包括测量中子活化发射，并且所述方法进一步包括在将支撑剂充填层注射到 断层中之后用中子源辐照支撑剂充填层，或者所述放射性组分包括通过中子捕获而活化的元素，并且所述方法进一步包括在将 支撑剂充填层注射到断层中之前活化所述元素。
全文摘要
提供了具有增加的功能性质的支撑剂，以及使用所述支撑剂以追踪和探测地质地层中断层的特性的方法。通过所述方法获得的信息可用于设计压裂作业、提高该断层中的电导率以及增强从地质地层的油气收取。功能化的支撑剂可通过使用如航空地磁仪勘测、地面穿透雷达、高分辨率加速度计、地音仪、核磁共振、超声波、阻抗测量、压电作用、放射性等的各种方法检测。还提供了对地下地层绘图的方法和功能化支撑剂检测地层的特性的用途。
文档编号E21B43/267GK102099545SQ200980128414
公开日2011年6月15日 申请日期2009年5月19日 优先权日2008年5月20日
发明者克里斯托弗.E.科克尔, 安德鲁.R.巴伦, 罗伯特.D.斯卡拉, 谢玉明, 迪利普.K.查特吉 申请人:环氧乙烷材料股份有限公司