專利名稱：支撐劑、支撐劑制備方法以及支撐劑的用途的制作方法
支撐劑、支撐劑制備方法以及支撐劑的用途
本發(fā)明涉及油氣開采的領(lǐng)域(具體地，涉及其中將支撐技術(shù)用于井的 增產(chǎn)的開采)，并且可以用于開發(fā)組合物，以及支撐劑的制備方法以及這些 支撐劑的應用方法。
通過水力壓裂含油或含氣地層而強化采油或采氣的方法自1940年起 就是已知的。從那時起，許多固體填料(支撐劑)已經(jīng)被提出用于固定產(chǎn)生 的裂縫。為此，提出了使用砂、堅果殼、鋁及其合金、碎木片、碎焦炭、 碎煤、莫來石、玻璃球、二氧化鋯、氮化硅和碳化硅。在被提出作為支撐 劑的上述物質(zhì)中，砂已經(jīng)具有最廣泛的實際用途。然而，砂是低強度材料, 并且在壓力超過34.5MPa的油氣產(chǎn)地深度由于砂破裂而難以使用砂。由此， 提出了在高的油氣產(chǎn)地深度使用由燒結(jié)鋁土礦制成的中強度和高強度支 撐劑。
因此，已知有用于由燒結(jié)鋁土礦制備支撐劑的方法，所述燒結(jié)鋁土礦 含有至多85-88重量。/。的Al203(US專利4068718， 1978; EP專利0112360， 1984)。由燒結(jié)鋁土礦制成的支撐劑是高強度材料。然而，此支撐劑的成本 比砂的成本高得多，所述砂子盡管具有缺點，但是由于其低成本仍然被廣 泛使用。此外，由燒結(jié)鋁土礦制成的支撐劑的密度超過3g/cm3。
較廉價的粘土材料和礦物被提出作為原料使用，以在保持它們的強度
性能的同時，降te支撐劑的成本和密度。
因此，有一種已知的支撐劑及其制備方法(EP專利0168479， 1989)， 所述制備方法包括由礦物制備顆粒和使球形表面充滿八1203。由這種方法 制備的支撐劑含有50至97重量％的礦物和3至50重量％的八1203。礦物選自 包括霞石正長巖、玄武巖、長石、頁巖、泥質(zhì)巖、輝石及其它們的混合物 組成的組。與由燒結(jié)鋁土礦制成的支撐劑相比，提出的支撐劑具有較低的 成本、較低的燒結(jié)溫度和較低的重量。然而，這種支撐劑的成本仍然比由 砂制成的支撐劑高得多，因為原料(即，在支撐劑制備中所使用的礦物和 ^203)仍然相當昂貴。已知有一種被提出由含有超過5重量Q/。的三水鋁礦(Eufaula，阿拉巴馬 州)的氧化鋁礦石制備的支撐劑(US，專利4522731， 1985)。根據(jù)該申請人， 這種支撐劑具有比燒結(jié)鋁土礦更低的密度，并具有能夠承受高達70MPa以 上的壓力的機械強度。支撐劑顆?？梢园ㄟx自包括霞石正長巖、熔融的 鋁土礦、硅灰石、滑石和螢石的組中的增強添加劑，所述增強添加劑在制 備球狀顆粒期間可以以至多5重量％的量被添加到氧化鋁礦石中。然而，根 據(jù)已知的專利，在流化床中燒結(jié)支撐劑顆粒，這并不總是經(jīng)濟可行的。
有一種由來自阿肯色州的廉價礬土制備的已知支撐劑(US專利 4668645， 1987)。已證實可以由含有16至19重量％的石英和少于0.35重量％ 的堿金屬和堿土金屬的氧化物的原料制備最終產(chǎn)物(支撐劑)，并且這種支 撐劑滿足對中強度支撐劑強加的要求。根據(jù)該專利中描述的方法，在 1，000'C的溫度下鍛燒含有70至80重量n/。鋁氧化物的原料，直到水已經(jīng)被完 全除去。然后，它減小為具有低于10微米的細度的粉末，在強力混合器內(nèi) 形成為球狀顆粒，并在1,400至1,500'C的溫度下被燒結(jié)，直到鍛燒的材料 已經(jīng)轉(zhuǎn)化為莫來石和剛玉。然而，在這種方法中使用具有低含量的堿金屬 和堿土金屬的氧化物和相對高含量的鋁氧化物的原料顯著地限制了用于 支撐劑制備的原材料的來源。
有一種己知的支撐劑(US專利4427068， 1984)，所述支撐劑被提出在 添加鋁土礦、氧化鋁氧化物或它們的混合物的情況下由一種或多種粘土制 備。燒結(jié)的最終產(chǎn)物的球狀顆粒具有從9:l至l:l變化的Al2CVSi02比率和低 于3.4g/cn^的密度。在這種方法中，使用硬水鋁石、難熔材料和硬質(zhì)粘土， 并且它們在初級材料的最初混合物中的含量至少為40重量％。根據(jù)此專利
的發(fā)明，粉末狀退火的粘土和Al203(或鋁土礦及它們的混合物)被混合在一
起，并且以濃混合物形式被?；?，并且生成的顆粒在干燥之后于1，50(TC的 溫度下被燒結(jié)。此支撐劑制備方法沒有對原料組成強加任何嚴格限制。然 而，但使用以上粘土時，必須將高達40重量％的昂貴的鋁土礦添加到這些 粘土中，這顯著地增加了原料的成本，因此增加了最終產(chǎn)物的成本。 由所開發(fā)的技術(shù)方案解決的技術(shù)任務(wù)在于開發(fā)一種新型支撐劑。 通過實施所開發(fā)的技術(shù)方案獲得的技術(shù)效果在于允許制備具有2.5至 4.0g/ci^的表觀密度以及高機械強度和高化學耐久性的支撐劑。
4為了確定最初的技術(shù)效果，提出了使用由包含以下材料中的至少一種 的最初混合物制備的支撐劑碳化硅、碳化硼、碳化鈦、氮化硅、氮化鈦、
氮化硼、氮氧化硅、硅鋁氧氮陶瓷類化合物(即，其組成包含Si-Al-O-N元
素的化合物，以這些元素對這些混合物命名)。此外，最初的混合物可以另
外含有至多95重量％的以下組分中的至少一種:天然的未燒制的鋁水合物、
鋁土礦、霞石正長巖、粘土、高嶺土、葉蠟石、藍晶石-硅線石精礦、紅柱
石、硅線石、藍晶石、長石、偉晶巖、珍珠巖、蛭石和粘土頁巖；以及己 經(jīng)被燒制以實現(xiàn)化合水的完全或部分去除的鋁水合物、鋁土礦、霞石正長 巖、粘土、葉蠟石、藍晶石-硅線石精礦、紅柱石、硅線石、藍晶石、長石、 偉晶巖、珍珠巖、蛭石和粘土頁巖；由過渡亞穩(wěn)態(tài)的鋁氧化物和剛玉氧化 物的混合物組成的工業(yè)氧化鋁；高爐渣；來自有色金屬工業(yè)的尾礦和廢料； 鋁土礦漿；高嶺土選礦廢渣(cleaningrejects);由石頭和陶瓷切割和加工產(chǎn) 生的碎屑和廢料；硅、鎂、鈣、鋅、鈦、鋯、鐵、鋅、錳和錫的二氧化物 以及硅酸鋯對配料組成強加的限制在于生成的支撐劑必須具有由井的操 作條件設(shè)定的表觀密度值的要求。
提出的支撐劑組合物的區(qū)別特征在于除了通常使用的具有不同組成 的鋁土礦和粘土之外，還使用諸如不同元素的碳化物、氮化物、硼化物和 硅化物的這種非氧化物組分作為最初的原料組分。利用開發(fā)的技術(shù)方案， 可以制備具有2.5至4.0g/cii^的表觀密度以及高機械強度和高化學耐久性的 支撐劑。
支撐劑可以如下制備
將至少一種最初的非氧化物組分，以及必要時的最初氧化物組分中的 至少一種粉碎直到90至100%的這些產(chǎn)物已經(jīng)通過325目的篩網(wǎng)。必要時， 將表面活性劑(羧甲基纖維素、聚乙烯醇等)到最初的材料中?？梢詥为毜?以及共同地粉碎所述組分。將初始組分在磨機(除非在此之前使用共同研磨 法)或直接在?；瘷C中部分地混合在一起。必要時，在混合過程中以使球狀 顆粒成核和這些顆粒后續(xù)增長到需要的尺寸所需的量添加臨時處理粘合 劑。通常，臨時處理粘合劑的量從5重量％變化到25重量％，并且總的混合 和?；瘯r間從1分鐘變化到30分鐘?？梢允褂盟?、聚合物的水性和有機溶 液，膠乳，微晶蠟和石蠟作為粘合劑。在預先放置在?；瘷C內(nèi)的混合物中的成核結(jié)束之后，將至多15重量％的最初粉碎的混合物添加到?；瘷C中， 然后混合至多5分鐘。將由此方法制備的顆粒進行干燥并篩選出允許補償 由燒制過程產(chǎn)生的收縮的尺寸?？梢栽傺h(huán)未能滿足尺寸要求的顆粒。在 混合和?；^程期間使用有機臨時處理粘合劑的情況下，可以利用預燒制 階段將它們燒掉。在實現(xiàn)低于4g/cmS的表觀密度所需的溫度和暴露時間內(nèi) 燒制被干燥和分級的顆粒。在燒制階段之后可以進行另外的分級。
雖然使用提出的支撐劑的方法類似于標準方法，但是它允許制備可以 在具有高達20,000psi的破裂應力的井中使用的堅固支撐劑。
將利用實施例進一步考慮所開發(fā)的技術(shù)方案。
1. 將最初的碳化硅和熱處理過的鋁土礦分別粉碎以通過325目篩網(wǎng)，并 以60/40重量％的比率混合在一起。然后，將約4公斤生成的混合物放置在 Eirich型粒化機(R02)中。以允許在混合物中成核的葉片式攪拌器轉(zhuǎn)速開始 混合過程。另外，將600克3%的羧甲基纖維素水溶液添加到所述材料中。 在以上速度下混合的時間持續(xù)4分鐘。然后，改變轉(zhuǎn)速，并將200克粉碎的 碳化硅和熱處理過的鋁土礦礦石的最初混合物投入?；瘷C中。以在允許所 需尺寸(0.15-5.0mm)的顆粒生長的速度下另外混合的時間持續(xù)2分鐘。將由 此方法制備的顆粒進行干燥并篩選直到超過90%的顆粒已經(jīng)落入-16目 /+30目篩網(wǎng)的范圍內(nèi)。在1,300-1，50(TC的溫度下進行燒制過程。在材料已 經(jīng)被燒制之后，其表觀密度等于3.52g/cm3。在1，450。C的溫度觀察到最佳強 度值，并且根據(jù)API推薦的作法(Prattice)60確定的破裂百分比在 10,000psi(69MPa)的壓力下等于3重量y。。
2. 將約3公斤的含有比率為55/40/5重量％的氮化硅、粘土和氧化錳的混 合物(超過95o/。的顆粒的尺寸低于325目)放置在由Eirich生產(chǎn)的R02混合器 中。以允許顆粒最大成核的葉片式攪拌器轉(zhuǎn)速下開始混合過程。另外，將 400克1%的聚乙烯醇水溶液添加到所述材料中。在以上速度下混合的時間 持續(xù)6分鐘。然后，改變轉(zhuǎn)速以促進顆粒尺寸的最大增加，并且將200克的 氮化硅、粘土和氧化錳的最初混合物投入?；瘷C中。在此速度下的混合時 間持續(xù)2分鐘。將由此方法制備的顆粒進行干燥并篩選直到超過90%的顆粒 已經(jīng)落入-16目/+30目篩網(wǎng)的范圍內(nèi)。在1,300至1，500。C的溫度下進行燒制 過程。在材料已經(jīng)被燒制之后，其表觀密度等于3.2§/(^13。在1,35(TC的溫度下觀察到最佳強度值，并且根據(jù)API推薦的作法60確定的破裂百分比在 10，000psi(69MPa)的壓力下等于2.5重量％ 。
3.將約3公斤的含有比率為55/40/5重量％的碳化硅、經(jīng)熱處理的鋁土礦 礦石和氧化鎂的混合物(超過98M的顆粒的尺寸低于325目)放置在由Eirich 生產(chǎn)的R02混合器中。在允許顆粒最大成核的葉片式攪拌器轉(zhuǎn)速下開始混 合過程。然后，將400克的石蠟粘合劑添加到所述材料中。在以上速度下 混合的時間持續(xù)6分鐘。然后，改變轉(zhuǎn)速以促進顆粒的最大增長，并將200 克的碳化硅、經(jīng)熱處理的鋁土礦礦石和氧化鎂的最初混合物投入?；瘷C 中。在此速度下的混合時間持續(xù)1.5分鐘。將由此方法制備的顆粒進行干燥 和篩選直到超過卯％的顆粒已經(jīng)落入-16目/+30目篩網(wǎng)的范圍內(nèi)。在600至 l，OO(TC的溫度下進行初步的粘合劑燒掉過程。在1，300至1,50(TC的溫度下 進行燒制過程。在材料已經(jīng)被燒制之后，其表觀密度等于3.4g/cm3。在 1，43(TC的溫度下觀察到最佳強度值，并且根據(jù)API推薦的作法60確定的破 裂百分比在15，000psi (69MPa)的壓力下等于2.5重量。/0。
使用由類似方法制備的支撐劑允許在具有高的破裂應力值(高達 20,000psi)的井中的水力壓裂性能，在所述井中支撐劑的化學耐久性由于濾 失性流體的酸性pH作用也是重要的。
權(quán)利要求
1.一種支撐劑，其包含由燒結(jié)原料制成的顆粒，其中含有以下材料中的至少一種的配料被用作所述原料碳化硅、碳化硼、碳化鈦、氮化硅、氮化鈦、氮化硼、氮氧化硅、硅鋁氧氮陶瓷類化合物。
2. 如權(quán)利要求l所述的支撐劑，其中所述配料另外含有至多95重量 %的以下組分中的至少一種天然的未燒制的鋁水合物、鋁土礦、霞石正 長巖、粘土、高嶺土、葉蠟石、藍晶石-硅線石精礦、紅柱石、硅線石、藍 晶石、長石、偉晶巖、珍珠巖、蛭石和粘土頁巖；以及己經(jīng)被燒制以實現(xiàn) 化合水的完全或部分去除的鋁水合物、鋁土礦、霞石正長巖、粘土、葉蠟 石、藍晶石-硅線石精礦、紅柱石、硅線石、藍晶石、長石、偉晶巖、珍珠 巖、蛭石和粘土頁巖；由過渡亞穩(wěn)態(tài)的鋁氧化物和剛玉氧化物的混合物組 成的工業(yè)氧化鋁；高爐渣；來自有色金屬工業(yè)的尾礦和廢料；鋁土礦槳； 高嶺土選礦廢渣；由石頭和陶瓷切割和加工產(chǎn)生的碎屑和廢料；硅、鎂、 鈣、鋅、鈦、鋯、鐵、鋅、錳和錫的二氧化物以及硅酸鋯。
3. —種支撐劑制備方法，所述方法包括初步粉碎并且混合初始組分， 隨后將這些組分?；?、干燥和篩選為目標部分，其中將以下材料中的至少 一種用作所述初始組分碳化硅、碳化硼、碳化鈦、氮化硅、氮化鈦、氮 化硼、氮氧化硅、硅鋁氧氮陶瓷類化合物。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述初始組分混合有至多95重量 %的以下組分中的至少一種天然的未燒制的鋁水合物、鋁土礦、霞石正 長巖、粘土、高嶺土、葉蠟石、藍晶石-硅線石精礦、紅柱石、硅線石、藍 晶石、長石、偉晶巖、珍珠巖、蛭石和粘土頁巖；以及已經(jīng)被燒制以實現(xiàn) 化合水的完全或部分去除的鋁水合物、鋁土礦、霞石正長巖、粘土、葉蠟 石、藍晶石-硅線石精礦、紅柱石、硅線石、藍晶石、長石、偉晶巖、珍珠 巖、蛭石和粘土頁巖；由過渡亞穩(wěn)態(tài)的鋁氧化物和剛玉氧化物的混合物組 成的工業(yè)氧化鋁；高爐渣；來自有色金屬工業(yè)的尾礦和廢料；鋁土礦漿； 高嶺土選礦廢渣；由石頭和陶瓷切割和加工產(chǎn)生的碎屑和廢料；硅、鎂、 鈣、鋅、鈦、鋯、鐵、鋅、錳和錫的二氧化物以及硅酸鋯。
5.權(quán)利要求1或2所述的支撐劑在烴的開采中的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及油氣開采的領(lǐng)域(具體地，涉及其中將支撐技術(shù)用于井的增產(chǎn)的開采)，并且可以用于開發(fā)組合物，以及支撐劑的制備方法以及這些支撐劑的應用方法。新型支撐劑、支撐劑制備方法和支撐劑用途基于允許具有2.5至4.0g/cm³的表觀密度以及高機械強度和高化學穩(wěn)定性的支撐劑的制備。支撐劑包含由燒結(jié)原料制成的顆粒，其中包含以下材料中的至少一種的配料被用作所述原料碳化硅、碳化硼、碳化鈦、氮化硅、氮化鈦、氮化硼、氮氧化硅、硅鋁氧氮陶瓷類化合物。
文檔編號C09K8/80GK101617018SQ200780048650
公開日2009年12月30日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者埃萊娜·米哈伊洛夫娜·佩爾?？仆? 埃蒙·奧尼爾 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司