用作油和氣井水力壓裂支撐劑的，包含普通粘土顆粒材料的球狀顆粒的制作方法
【專利說明】用作油和氣井水力壓裂支撐劑的，包含普通粘土顆粒材料 的球狀顆粒
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請要求2012年6月26日提交的、名稱為"用作油和氣井的水力壓裂支撐劑 的，包含普通粘土顆粒材料的球狀顆粒"的美國臨時(shí)申請No. 61/664, 591的優(yōu)先權(quán)，并以全 文引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開主要涉及水力壓裂領(lǐng)域，更具體地涉及陶瓷支撐劑（propping agent)或 "支撐劑（proppant) "。
【背景技術(shù)】
[0004] 水力壓裂（Hydraulic fracturing)，經(jīng)常指的是能源工業(yè)中的"水力壓裂 (fracking) "，是一種用于增加油和/或天然氣井的產(chǎn)量的增產(chǎn)技術(shù)。
[0005] 水力壓裂工藝涉及將液體以高速和高壓注射到巖層，以擴(kuò)寬存在于巖石中的開口 或者在巖層中創(chuàng)造新的裂縫。一旦裂縫被創(chuàng)造，包含顆粒材料的液體，一般指的是支撐劑 (propping agent)或"支撐劑（proppant)"，將被泵入新創(chuàng)造的裂縫中，以保持該開口。這 種工藝通過增加的滲透能力，允許烴（例如，油和/或天然氣）在繃緊的地下結(jié)構(gòu)中更簡單 和更有效地流動(dòng)。
[0006] 水力壓裂越來越多地被用于改善低滲透能力儲層中的油和/或天然氣井的產(chǎn)量。 以前用作支撐劑的原材料包括：沙子（最普通的支撐劑），堅(jiān)果殼，鋁和鋁合金，木片，碎焦 炭，顆粒狀的爐渣，粉煤，壓碎的巖石，金屬，例如鋼的微粒，燒結(jié)的鋁土礦，燒結(jié)的氧化鋁， 耐火材料，例如莫來石，以及玻璃珠。
[0007] 隨著水力壓裂相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，在工業(yè)上已經(jīng)認(rèn)識到了制造球狀支撐劑本 體的優(yōu)點(diǎn)。特別是使用經(jīng)歷"干"或"濕"制造技術(shù)的顆粒材料來制造陶瓷支撐劑。
[0008] 已發(fā)現(xiàn)陶瓷支撐劑會(huì)產(chǎn)生比一些更普通和便宜的支撐劑更穩(wěn)定和有效的產(chǎn)量。基 于其增加的強(qiáng)度以及尺寸和形狀的均一性，陶瓷支撐劑已經(jīng)顯示出具有更多的有利特點(diǎn)。 由于一些限制，陶瓷支撐劑在過去并沒有像其他支撐劑一樣被廣泛利用。
[0009] 歷史上用于制造陶瓷支撐劑的普通礦物顆粒的特點(diǎn)是高氧化鋁含量。這在制造工 藝中帶來困難，因?yàn)楹芏嗟V物顆粒沉積層供應(yīng)有限并且只有在特定的地理位置才能獲得。 原材料的匱乏導(dǎo)致制造設(shè)備位于離油和/或天然氣井較遠(yuǎn)的位置，并在該較遠(yuǎn)的位置處利 用它們，因此產(chǎn)生了所述支撐劑的更高的運(yùn)輸費(fèi)用。
[0010] 多年來在油和氣工業(yè)中，所期望的是：更高強(qiáng)度以及更有效率的，并且具有更經(jīng)濟(jì) 的制造方法的陶瓷支撐劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明涉及一種陶瓷支撐劑（propping agent)或"支撐劑（proppant) "。
[0012] 為了描述以下實(shí)施方案，術(shù)語"微粒陶瓷（particulate ceramic) "指的是一種期 望得到的組合物，其用于油和/或天然氣井（或者其他油氣礦床）中作為陶瓷支撐劑。術(shù)語 "礦物顆粒（mineral particulate)"指的是用于制備特定陶瓷支撐劑的原材料。在一個(gè)實(shí) 施方案中，期望的支撐劑可以限定為一種微粒陶瓷，其由包括以下組成的原材料制備得到： 約10% -90%重量份的天然形成的礦物顆粒，約30% -70%重量份的鋁硅酸鹽網(wǎng)格修飾體， 約0. 25% -20%重量份的增強(qiáng)劑，以及至少1份，典型地少于10%重量份的粘合劑。
[0013] 如下面描述的實(shí)施方案所示，普通粘土可以與其他材料結(jié)合以增強(qiáng)微粒陶瓷的壓 碎強(qiáng)度。"鋁硅酸鹽網(wǎng)格修飾體"可以選自各種修飾體，其包括但不限于下列物質(zhì)的一種或 多種：高嶺土、偏高嶺土、鋁土礦、鋁土礦粘土、氧化鋁、以及其它金屬氧化物。微粒陶瓷的一 些實(shí)施方案可包含約30% -70%的鋁硅酸鹽網(wǎng)格修飾體。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案提供的微 粒陶瓷中，偏高嶺土作為鋁硅酸鹽網(wǎng)格修飾體，〇. 25% -20%重量的霞石正長巖作為強(qiáng)度增 強(qiáng)劑以及助溶劑。該材料顆粒和鋁硅酸鹽網(wǎng)格修飾體可以未煅燒的、部分煅燒的或者煅燒 的形式進(jìn)行利用。
[0014] 在一個(gè)實(shí)施方案中，普通粘土被磨碎并凝聚精細(xì)磨碎的鋁酸鹽網(wǎng)格修飾體、強(qiáng)度 增強(qiáng)劑、水，并且在一些實(shí)施方案中，還有粘合劑。該粘合劑可以選自，但不限于以下物質(zhì)的 一種或多種：玉米淀粉，聚乙烯醇（"PVA")，或纖維素膠（"CMC"）。這個(gè)過程的結(jié)果是，各 種組分形成具有最期望的篩目尺寸的，且能夠滿足他們的目的固態(tài)球狀顆粒，例如，用于油 和/或天然氣井的水力壓裂。在一些實(shí)施方案中，"生坯（green body)"顆粒將在窯中燒制， 或者以其它方式在約1200°C -約1800°C的溫度范圍內(nèi)加熱約30-約60min，并且在最高溫 度時(shí)保溫約15-約30min。
[0015] 其中一個(gè)實(shí)施方案使用了賓夕法尼亞年齡斯特朗集團(tuán)粘土（Pennsylvanian age Strawn Group clay)或者"普通紅粘土"。這主要為具有超薄I丐質(zhì)層（〈5英尺）的娃質(zhì)粘土/ 頁巖，極細(xì)粒砂巖和富含化石的粘土。近來X射線衍射（XRD)分析已經(jīng)在粘土礦床內(nèi)鑒定出 石英、伊利石、綠泥石、方鐵礦、高嶺石。在所述實(shí)施方案中，普通的紅粘土構(gòu)成10% -90% 重量的微粒陶瓷。
[0016] 普通粘土不同于氧化錯(cuò)含量為約7% -小于約25%，娃石含量為約60% -小于約 90%，以及，石英含量小于約45%的粘土。普通粘土在大多數(shù)市場和地理區(qū)域能夠容易地獲 得。它歷來被用于制造陶瓷體，包括磚、瓷磚、地磚、陶器和硅酸鹽水泥。
[0017] 在一些實(shí)施方案中，礦物顆粒被研磨成顆粒尺寸，其中95%的磨碎的礦物顆粒的 粒度小于45微米，并且在一些實(shí)施方案中，粒度小于10微米。礦物顆粒可以是未煅燒的，部 分煅燒的或者煅燒的。磨碎的礦物顆粒通常與磨碎至，例如約等于或小于該礦物顆粒的粒 度的鋁硅酸鹽網(wǎng)格修飾體混合及凝聚。該鋁硅酸鹽網(wǎng)格修飾體可以選自，但不限于高嶺土、 偏高嶺土、鋁土礦、鋁土礦粘土、珍珠巖、飛灰、火山灰和氧化鋁源。強(qiáng)度增強(qiáng)劑可以選自，但 不限于霞石材料、或金屬氧化物，例如鐵錳或白云石組成的群組。該礦物顆粒和鋁硅酸鹽網(wǎng) 格修飾體可以是未煅燒的，部分煅燒的或者煅燒的。在一些實(shí)施方案中，普通粘土、鋁硅酸 鹽網(wǎng)格修飾體和強(qiáng)度增強(qiáng)劑可以結(jié)合成為球狀顆粒。可以使用不同的顆粒形成方法，其中 一種該類方法包括使用艾里希（Eirich)混合器。
[0018] 磨碎的礦物微粒、鋁硅酸鹽網(wǎng)格修飾體和強(qiáng)度增強(qiáng)劑通常與少量的粘合劑和水混 合。然后，額外添加的磨碎的礦物顆粒通?？杀惶砑硬⒗^續(xù)混合，形成球狀顆粒?？梢岳^續(xù) 添加干燥的粉末直至生的球粒達(dá)到期望的尺寸。該生的球粒然后被干燥至1%或者更少的 濕度，并進(jìn)行篩分以消除比期望的篩目尺寸范圍更大或更小的球粒。在一些實(shí)施方案中，篩 分過的生球粒將在回轉(zhuǎn)窯中于約1200°c -約1800°C下燒結(jié)約30-約60分鐘，而在其他一 些實(shí)施方案中，可以采用不同的溫度、不同的時(shí)間和不同的加熱裝置。在一些實(shí)施方案中， 最高溫度處的保溫時(shí)間為約15-約30分鐘。取決于礦物顆粒含量，這將使球形陶瓷顆粒具 有約2. 30-約3. 40克/立方厘米的比重?？梢允褂萌魏文艹浞謱⑽礋频那蛄１３衷谝?起，且不會(huì)對該未燒制的球粒的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響的粘結(jié)劑，例如處于1至3%的干重負(fù)載 的PVA。燒制后，該微粒陶瓷一般可適合用作支撐劑。
[0019] 在其他實(shí)施方案中，將燒制的微粒陶瓷包封在樹脂中，從而使產(chǎn)生于粉碎的微粒 陶瓷中的細(xì)粒包含在酚醛或非酚醛樹脂包覆的支撐劑內(nèi)，進(jìn)而使該細(xì)粒傾向于包含在該微 粒中而不是釋放進(jìn)入由水力壓裂產(chǎn)生的地下裂縫中。
[0020] 在其他實(shí)施方案中，用作原材料的粘合劑包括但不限于以下物質(zhì)的一種或多種： PVA、膨潤土，例如鈉膨潤土、硅酸鈉、纖維素膠、植物淀粉和木質(zhì)素磺酸鈉。
[0021] 作為支撐劑，本發(fā)明的組合物的實(shí)施方案提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括但不限于：與主要 通過鋁土礦、高嶺土或高嶺石粘土制造的支撐劑相比，具有更低的原材料成本；與燒結(jié)鋁土 礦和由鋁土礦、鋁土礦粘土、高嶺土或高嶺石粘土、蒙脫石-綠土粘土制成的支撐劑相比， 在一些產(chǎn)品線上具有更低的燒制溫度，進(jìn)而具有更低的能耗成本；與砂石或者樹脂包覆的 砂石相比，具有更優(yōu)的抗壓裂性；裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)于砂石或者樹脂包覆的砂石；比重低于 鋁土礦的比重，且與砂石的比重幾乎相同；體積密度大大低于鋁土礦和砂石的體積密度； 對于最終用戶來說，具有更低的運(yùn)輸成本，這是因?yàn)樵谒毫旬a(chǎn)生的大部分區(qū)域可以獲 得普通粘土，生產(chǎn)設(shè)施可以建立在該區(qū)域附近；以及，與現(xiàn)有的陶瓷支撐劑相比，具有更便 捷的配送物流，這是因?yàn)橹圃旃S可以建在最終用戶的貨車運(yùn)輸距離內(nèi)，消除最終配送物 流中的鐵路轉(zhuǎn)運(yùn)到貨車過程。
[0022] 根據(jù)本文所提供的描述，所公開的主題中的這些和其他方面，以及附加的新穎特 征將是顯而易見的。本概述的意圖并非是對主題進(jìn)行全面描述，而是對一些主題的功能進(jìn) 行簡短概述。通過查看以下附圖和詳細(xì)描述，本文提供的其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)對于 本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。它意在將所有此類附加的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)包