專利名稱：低密度陶瓷支撐劑及其生產(chǎn)方法
低密度陶瓷支撐劑及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油和天然氣工業(yè)的領(lǐng)域，并且可以被用于特別是在使用 水力壓裂技術(shù)時提高石油和天然氣的開采量。
本發(fā)明描述了構(gòu)成具有低于2.65 g/cn^的低密度的支撐劑粒子的陶瓷 顆粒、它們的組成和制備方法。
在基于使用水力壓裂法的石油開采技術(shù)中，通過下列方法提高井開采 量將支撐劑顆粒注射到含油地層中形成的裂縫內(nèi)，以固定裂縫壁的位置， 從而防止它們閉合。支撐劑是通過在高壓下泵送含支撐劑的壓裂流體而注 射到裂縫中的。已經(jīng)在實驗上確認(rèn)的是，較低的表觀密度允許支撐劑的更 均勻分布，并且增加石油和天然氣開采水平。
存在的現(xiàn)有技術(shù)方案(WO，申請2006/034298)描述了一種由無機(jī)材料 制成的涂覆粒子形式的支撐劑顆粒，其是石英和氧化鋁的約2.2 : 5的比率 的混合物，并且具有小于或約等于1 g/cn^的堆積密度。此外，此技術(shù)解 決方案描述了一種地下地層處理方法，根據(jù)該方法，將壓裂流體注射到地 下地層中，并且所述壓裂流體含有由石英和氧化鋁以約2.2 : 5的比率組成 的無機(jī)粒子，并且所述無機(jī)材料具有小于或約等于1 g/cr^的表觀密度。
而且，存在的現(xiàn)有技術(shù)的低密度復(fù)合粒子(美國專利6,582,819)，該復(fù) 合粒子基于粘合劑和填料并且適用于水力壓裂技術(shù)。所述填料可以含有兩 種以上的不同材料。所述粘合劑通常由聚合物材料構(gòu)成，可能地，添加有 水泥。得到的復(fù)合粒子具有在0.5至1.30 g/cr^范圍內(nèi)的堆積密度，并且
可以被用作石油和天然氣開采工業(yè)中的支撐劑，以及用于水過濾和用于運 動場用合成草的生產(chǎn)。現(xiàn)有技術(shù)方案還描述了所述復(fù)合粒子的生產(chǎn)方法。
還存在的現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)合粒子(美國專利6,632,527)，該復(fù)合粒子基于 粘合劑和填料并且適用于水力壓裂技術(shù)。所述填料通常是可以向其中添加 纖維狀材料的細(xì)小礦物質(zhì)。除水力壓裂技術(shù)以外，所述粒子可以用于水過 濾并且用于運動場用合成草的生產(chǎn)。還描述了所述復(fù)合粒子的生產(chǎn)方法。
根據(jù)實驗檢驗，現(xiàn)有技術(shù)支撐劑顯示在水力壓裂技術(shù)方面缺乏效率。
3要通過所開發(fā)的技術(shù)方案解決的技術(shù)問題在于密度低于2.6 g/cn^的陶
瓷支撐劑的開發(fā)。
通過技術(shù)方案的執(zhí)行得到的技術(shù)結(jié)果在于提高了通過使用水力壓裂技 術(shù)工作的井的開采量。
為了獲得所述技術(shù)結(jié)果，建議使用一種球形和/或角形粒子形式的支撐
劑，其具有低于2.6g/cr^的低表觀密度，并且由也稱為填料的輕質(zhì)聚集體 和也稱為粘合劑的粘合材料組成。
所述輕質(zhì)聚集體是天然礦物，其在燒制時能夠在支撐劑顆粒中形成新 的相并且改變所述輕質(zhì)聚集體的比容(蛭石、珍珠巖、水云母和天然沸石)， 或其己經(jīng)具有多孔結(jié)構(gòu)(浮石)。
可以將所屬輕質(zhì)聚集體預(yù)涂覆有機(jī)或無機(jī)(包括金屬)涂層(例如，硅、 糊精、硅酸鹽玻璃、環(huán)氧樹脂或它們的組合物)，以改進(jìn)材料的模塑性質(zhì)和 最終用途性質(zhì)。
可以以不同的重量比使用不同類型的輕質(zhì)聚集體的組合(尤其是，以下 系列中的至少一種蛭石、燒結(jié)骨料(aggl叩orite)、膨脹粘土、珍珠巖、合 成和天然沸石)，并且每一種輕質(zhì)填料都可以被預(yù)涂覆。最終產(chǎn)物中的輕質(zhì) 填料含量低于80重量％(通常，10-40重量％)，并且取決于填料本身的物 理性質(zhì)，以及取決于對所得到的支撐劑顆粒的要求。
粘合材料是有機(jī)、無機(jī)或金屬粉末，例如鋁土礦、高嶺土、粘土、氧 化鋁、冶金級礦渣、酚醛樹脂、鋁、青銅或它們的組合。
所開發(fā)的支撐劑顆粒生產(chǎn)方法包括預(yù)壓碎和預(yù)混合原料組分，隨后進(jìn) 行它們的造粒、干燥和尺寸篩分。在此方法中，將至少一種陶瓷粘合劑和 填料用作原料組分，并且將至少一種天然礦物用作輕質(zhì)聚集體，所述天然 礦物在燒制時能夠在支撐劑顆粒中形成新的相，并且能夠由于通過熱處理 對填料所致的體積變化而改變它的表觀密度。
根據(jù)此方法的一個實施方案，將預(yù)熱處理的填料或不同填料的混合物 與其它組分一起加入到基本材料中，然后將混合物造粒并燒制(bumt)。
例如，將25%的由高嶺土和鋁土礦組成的混合物加入到孔隙率為75% 并且平均粒徑為約40微米的預(yù)膨脹粘土中。該混合物中高嶺土與鋁土礦 的比率分別為80至20重量％。將得到的混合物在Eirich-型混合機(jī)中造粒，并且向其中加入5%的聚乙烯醇溶液，并且加入量為要造粒的材料的體積 的10體積％?？傇炝r間等于4分鐘，其中1分鐘為成核時間，并且3
分鐘為顆粒生長時間。將得到的粒狀材料在干燥器中、在IO(TC的溫度干 燥，然后以3r/分鐘的速率在l,35(TC的溫度燒制，并且在最終溫度保持2 小時。所得到的20/40大小的支撐劑顯示了 1.75 g/cm3的密度和在5,000 psi 的5重量％的壓碎強(qiáng)度。
根據(jù)此方法的另一個實施方案，將未預(yù)熱處理的填料與其它組分一起 加入到基本材料中，然后將混合物造粒并燒制?？梢詫⒋颂盍吓c不同物質(zhì) (具體地，與過氧化氫或與多種磷酸鹽粘合劑，例如，H3P04、鋁-鉻-磷酸 鹽粘合劑、鋁-硼-磷酸鹽粘合劑、鋁-硼-磷酸鹽濃縮物、含鉀離子的鹽，以 及與多種銨鹽和硝酸鹽)預(yù)處理，以強(qiáng)化相形成過程并且降低它的溫度。
例如，將原料蛭石粉末用鋁-絡(luò)-磷酸鹽粘合劑以9:l的比率預(yù)涂覆。將 得到的混合物在混合機(jī)中混合2分鐘。其后，將90%的高嶺土加入到以 100%加入的所得漿料中，并且碾制顆粒。將得到的粒狀材料干燥、在1,350 。C的溫度燒制，然后尺寸篩分。得到的在尺寸上為20/40的支撐劑顯示了 2.3 g/cm3的密度和在7,500 psi的5重量％的壓碎強(qiáng)度。
根據(jù)此方法的第三實施方案，在使用兩種以上的添加劑時，將一種或 多種預(yù)熱處理的填料與陶瓷粘合材料混合，并且與其它組分混合，同時將 余下的填料加入到?jīng)]有被熱處理的粘合材料中，然后將混合物造粒并燒 制。
例如，將原料蛭石粉末用鋁-鉻-磷酸鹽粘合劑以9:l的比率預(yù)包覆。將 得到的混合物在混合機(jī)中混合2分鐘。其后，另外將70%的高嶺土加入到 以100%加入的所得漿料中，并且碾制顆粒，并且加入30%的膨脹粘土。 將得到的粒狀材料干燥、在1,35(TC的溫度燒制，然后尺寸篩分。得到的 在尺寸上為20/40的支撐劑顯示了 2.0 g/cm3的密度和在5,000 psi的6重量 %的壓碎強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.低密度陶瓷支撐劑，其由輕質(zhì)聚集體和陶瓷粘合材料組成，其中將天然礦物用作所述輕質(zhì)聚集體，所述天然礦物在燒制時能夠膨脹它在支撐劑顆粒中的體積，并且改變它的真密度和表觀密度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的支撐劑，其中將蛭石、珍珠巖、水云母、天然沸 石、燒結(jié)骨料、膨脹粘土用作所述天然礦物，所述天然礦物在燒制時能夠 膨脹它在支撐劑顆粒中的體積，并且改變添加劑的比容。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的支撐劑，其中在支撐劑顆粒中的所述輕質(zhì)聚集體 的含量不超過80重量％。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的支撐劑，其中在將所述輕質(zhì)聚集體加入到原料混 合物之前，所述輕質(zhì)聚集體被預(yù)涂覆有有機(jī)或無機(jī)涂層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的支撐劑，其中將粘土、高嶺土、鋁土礦或它們的 組合物用作所述粘合材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的支撐劑，其中將氧化鋁、冶金級礦渣、酚醛樹脂、 鋁、青銅或它們的組合另外加入到所述粘合材料中。
7. 支撐劑的生產(chǎn)方法，所述方法包括預(yù)壓碎和預(yù)混合原料組分，隨后 將它們進(jìn)行造粒、干燥和尺寸篩分，其中將至少一種陶瓷粘合材料和輕質(zhì) 聚集體用作所述原料組分，并且將至少一種天然礦物用作所述輕質(zhì)聚集 體，所述天然礦物在燒制時能夠膨脹它在支撐劑顆粒中的體積，并且改變 它的比容。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中將所述輕質(zhì)聚集體在混合步驟之前燒 制，這樣導(dǎo)致體積變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及石油和天然氣工業(yè)的領(lǐng)域，并且可以用于特別是在使用水力壓裂技術(shù)時提高石油和天然氣的開采量。低密度陶瓷支撐劑由輕質(zhì)聚集體和陶瓷粘合材料組成，其中將天然礦物用作所述輕質(zhì)聚集體，所述天然礦物在燒制時能夠膨脹它在支撐劑顆粒中的體積，并且改變它的真密度和表觀密度。
文檔編號C09K8/60GK101627101SQ200880004784
公開日2010年1月13日 申請日期2008年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者埃萊娜·米哈伊洛夫娜·佩爾?？仆? 季娜伊達(dá)·尤里耶夫·烏索娃 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司