專(zhuān)利名稱(chēng)：寬粒徑分布的陶瓷壓裂支撐劑的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于油井和天然氣井的支撐劑。具體地說(shuō)，涉及包括各種尺寸支撐劑的陶瓷支撐劑材料，將對(duì)其具體情況進(jìn)行描述。但是要理解，本發(fā)明也適用于從鉆井比如水井中提取其他流體。
技術(shù)討論石油和天然氣是從具有多孔和滲透性地下結(jié)構(gòu)的井中生產(chǎn)的。該結(jié)構(gòu)的多孔性允許它儲(chǔ)存石油和天然氣，該結(jié)構(gòu)的滲透性允許石油或天然氣在其中流動(dòng)。有時(shí)候儲(chǔ)存天然氣或石油的結(jié)構(gòu)滲透性不夠充分，難以經(jīng)濟(jì)地開(kāi)采石油和天然氣。在其他情況下，在井工作時(shí)，該結(jié)構(gòu)的滲透性會(huì)下降到進(jìn)一步開(kāi)采變得不經(jīng)濟(jì)的程度。在這些情況下，通常是使該結(jié)構(gòu)壓裂，并用支撐劑材料在敞開(kāi)條件下支撐裂縫。這種壓裂通常是使用凝膠狀流體的液壓而完成的。使壓力增大直到地下巖石中形成裂縫。懸浮在加壓流體中的支撐劑被推入裂縫或裂隙中。液壓降低時(shí)，支撐劑材料起到防止形成的裂縫再次閉合的作用。
各種支撐劑材料的使用取決于地質(zhì)條件。典型的支撐劑是顆粒材料，例如砂，玻璃珠或陶瓷球，形成多孔結(jié)構(gòu)。石油或天然氣能從顆粒之間的孔隙流過(guò)，到達(dá)收集區(qū)，并被泵送至地面。隨著時(shí)間的流逝，周?chē)鷰r石的壓力會(huì)使支撐劑粉碎。這種崩解作用形成的細(xì)粉會(huì)移動(dòng)并堵塞受支撐結(jié)構(gòu)中的空隙流動(dòng)通道。這些移動(dòng)的細(xì)粉會(huì)顯著降低滲透性，減小石油或天然氣的導(dǎo)通率。導(dǎo)通率是石油或天然氣流過(guò)受支撐劑結(jié)構(gòu)通暢性的量度，對(duì)井的生產(chǎn)率很重要。導(dǎo)通率降至一定水平以下時(shí)，就再次進(jìn)行壓裂，或者該井被廢棄。
有時(shí)被稱(chēng)為人造支撐劑的陶瓷支撐劑優(yōu)于例如砂或樹(shù)脂包覆的砂這些天然支撐劑，因?yàn)榍罢吣艹惺芨邏?，高溫和腐蝕。盡管其成本高于天然材料，陶瓷較大的壓碎強(qiáng)度使陶瓷支撐劑適合于對(duì)其他材料而言過(guò)于嚴(yán)酷的條件，例如巖石壓力超過(guò)約350到700千克/平方厘米(5000-10000磅/平方英寸)的情況。因?yàn)閴毫﹄S著深度而增加，所以陶瓷支撐劑通常被用于大約1500米或以下深度。它們通常是由粘土，礬土或氧化鋁等精細(xì)研磨的材料與水在旋轉(zhuǎn)式混料器中混合而成的。混料器中的葉片使潮濕的粘土成球，干燥并高溫?zé)Y(jié)之后具有要求的粒徑。超出要求范圍的球粒在干燥步驟之后返回到混料器中進(jìn)行再加工。
支撐劑的壓碎強(qiáng)度與陶瓷組成和密度相關(guān)。通常將支撐劑分成以下三個(gè)級(jí)別輕質(zhì)支撐劑(LWP)，中級(jí)支撐劑(IP)和高強(qiáng)度支撐劑(HSP)。輕質(zhì)支撐劑適用于閉合應(yīng)力約為小于1000到8000磅/平方英寸的情況，中級(jí)支撐劑適用于高達(dá)約10000磅/平方英寸的情況，高強(qiáng)度支撐劑適用于壓力超過(guò)12000磅/平方英寸的情況。提高導(dǎo)通率的努力曾集中于提高支撐劑壓碎強(qiáng)度的方法。這些方法包括施加涂層，制造強(qiáng)度更高的球體，以及改變形狀。雖然已經(jīng)在導(dǎo)通率方面獲得了可觀程度的提高，例如通過(guò)施加樹(shù)脂涂層，但是這些提高導(dǎo)通率的方法都導(dǎo)致成本升高。
傳統(tǒng)上認(rèn)為均勻尺寸的球粒是最有效的支撐劑，因?yàn)樗鼈儽徽J(rèn)為能使導(dǎo)通率最大化(參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利4623630)。過(guò)量細(xì)粉(非常小的顆粒)會(huì)堵塞堆積體球體之間的空隙，降低流體傳輸。還已知球體強(qiáng)度隨著尺寸增加而減弱；從而更容易被就地壓碎。除了增加細(xì)粉數(shù)量之外，壓碎現(xiàn)象還導(dǎo)致壓裂過(guò)程中形成的裂縫寬度縮小。因此，認(rèn)為支撐劑混合物中同時(shí)存在小顆粒和大顆粒是有害的。因此，此領(lǐng)域通常接受的美國(guó)石油工業(yè)(API)標(biāo)準(zhǔn)要求球粒徑分布在相當(dāng)窄的限制之內(nèi)。例如，根據(jù)篩目尺寸表達(dá)方式確定的粒徑范圍是40/70，30/50，20/40，16/30，16/20和12/18。該表達(dá)方式中的第一個(gè)數(shù)字是指最大篩孔(頂層)篩網(wǎng)的ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸，第二個(gè)數(shù)字是指最小篩孔(底層)篩網(wǎng)的篩目尺寸。API標(biāo)準(zhǔn)要求，用該篩目尺寸的篩網(wǎng)過(guò)篩產(chǎn)品時(shí)，支撐劑中90％的球粒被保留在頂層和底層篩網(wǎng)之間。Saint-Gobain Ceramics &Plastics，Inc.，Stow，OH以商品名VersapropTM出售的支撐劑材料具有比20/40材料的API標(biāo)準(zhǔn)要求更寬的分布范圍。但是因?yàn)檫@種材料的粒徑比較小，所以并不適用于所有地質(zhì)特征。
要求窄粒徑分布的結(jié)果是，形成過(guò)程中只有小部分生成的顆粒在預(yù)定范圍之內(nèi)。剩余的顆粒一般為材料的75-80％，必須經(jīng)過(guò)再次研磨或者經(jīng)其他方式處理，再在旋轉(zhuǎn)式混料器重新形成顆粒。
本發(fā)明克服了上述和其他缺點(diǎn)，提供了新穎和改進(jìn)的支撐劑材料，及其制造和使用方法。
發(fā)明概述本發(fā)明一方面提供了形成支撐劑混合物的方法。該方法包括將粉末材料與一種液體混合成混合物，并將該混合物形成球粒。過(guò)篩并燒結(jié)球粒，提供具有一定中值直徑的支撐劑混合物，用選自10，12，14，16，18，20，25，30，35，40和45的ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸的篩網(wǎng)序列對(duì)支撐劑混合物過(guò)篩時(shí)，該中值直徑位于對(duì)應(yīng)于序列中一個(gè)篩網(wǎng)的中值篩目尺寸。而且，0-25重量％的球粒保其篩目尺寸在該序列中值篩目前第二個(gè)的篩網(wǎng)上，15-33重量％的球粒保留其篩目尺寸在該序列中值篩目前第一個(gè)的篩網(wǎng)上，15-33重量％的球粒保留在該中值篩目的篩網(wǎng)上，15-35重量％的球粒保留在該序列中值篩目后第一個(gè)的篩網(wǎng)上。
本發(fā)明另一方面提供了支撐劑混合物。該支撐劑混合物中包括大量具有一定中值直徑的陶瓷球粒，用選自10，12，14，16，18，20，25，30，35，40和45的ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸的篩網(wǎng)序列對(duì)支撐劑混合物過(guò)篩時(shí)，該中值直徑位于對(duì)應(yīng)于序列中一個(gè)篩網(wǎng)的中值篩目尺寸。而且，0-25重量％的球粒被保留在該序列中值篩目之前的第二個(gè)篩網(wǎng)上，15-33重量％的球粒被保留在該序列中值篩目之前的第一個(gè)篩網(wǎng)上，15-33重量％的球粒被保留在該序列中值篩目上，15-35重量％的球粒被保留在該序列中值篩目之后的第一個(gè)篩網(wǎng)上。
本發(fā)明另一方面提供了支撐地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括將球粒與液體或凝膠混合成混合物，并在壓力下將混合物推入地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，直到球粒位于結(jié)構(gòu)的裂縫之中，球粒具有一定的中值直徑，用選自10，12，14，16，18，20，25，30，35，40和45的ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸的篩網(wǎng)序列過(guò)篩支撐劑混合物時(shí)，該中值粒徑位于對(duì)應(yīng)于序列中一個(gè)篩網(wǎng)的中值篩目尺寸中。而且，0-25重量％的球粒保其篩目尺寸在該序列中值篩目前第二個(gè)的篩網(wǎng)上，15-33重量％的球粒保留其篩目尺寸在該序列中值篩目前第一個(gè)的篩網(wǎng)上，15-33重量％的球粒保留在該中值篩目的篩網(wǎng)上，15-35重量％的球粒保留在該序列中值篩目后第一個(gè)的篩網(wǎng)上。
本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)支撐劑結(jié)構(gòu)導(dǎo)通率增大。
本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，支撐劑混合物在壓力下的強(qiáng)度比傳統(tǒng)粒徑分布范圍所預(yù)期的高。
本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，更少一部分的支撐劑球粒生坯被再循環(huán)。
本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，產(chǎn)品的制造成本與輕質(zhì)支撐劑差不多，但是具有更高在壓力下的壓碎強(qiáng)度和導(dǎo)通率。
本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，支撐劑用戶可以用寬PSD中級(jí)支撐劑混合物替代IP級(jí)和LWP級(jí)支撐劑，或者用寬PSD高強(qiáng)度級(jí)支撐劑混合物替代HSP，IP和LWP級(jí)支撐劑，從而減少用戶持有的存貨數(shù)量。
本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，導(dǎo)通率增加會(huì)因?yàn)榱芽p半長(zhǎng)度的增加而提高地質(zhì)結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)率。裂縫半長(zhǎng)度是地質(zhì)特征中裂縫長(zhǎng)度的量度。
閱讀了以下公開(kāi)內(nèi)容并參見(jiàn)圖之后，本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的。
這里用“球形”和相關(guān)詞語(yǔ)表示最小直徑對(duì)最大直徑的平均比值約為0.75或以上，或者與Krumbein and Sloss圖相比，平均球形度值約為0.75或以上。
“比重”是每立方厘米體積以克表示的重量(克/立方厘米)，測(cè)量體積時(shí)不包括敞開(kāi)孔隙。比重值可以用排液(例如水或醇)法或空氣比重瓶測(cè)量。
這里用“經(jīng)過(guò)煅燒的”表示對(duì)材料進(jìn)行了加熱過(guò)程。充分經(jīng)過(guò)煅燒的礦石表現(xiàn)出非常低的灼減(LOI)和含濕量，例如約為1-2重量％或以下。礬土和粘土等未經(jīng)煅燒的礦石中可以含有大約10到40重量％的揮發(fā)物。“經(jīng)過(guò)部分煅燒的”材料通常表現(xiàn)出5到8重量％的總揮發(fā)物(LOI加含濕量)。揮發(fā)物可以包括水分，有機(jī)物和化合水(例如水合水)。典型的煅燒溫度通常低于1000℃。
這里用“燒結(jié)”表示將材料加熱使其至少部分被轉(zhuǎn)化成另一種形式的加熱過(guò)程，加熱到超過(guò)轉(zhuǎn)化發(fā)生的溫度。對(duì)于礬土，粘土和類(lèi)似物，通常在1150℃左右開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)化。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是第一種寬PSD支撐劑混合物(PSD-1)及其替代的傳統(tǒng)20/40混合物中，保留的支撐劑混合物重量％和ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸之間的關(guān)系圖；圖2是導(dǎo)通率和由第二種寬PSD支撐劑混合物(PSD-2)和傳統(tǒng)20/40中級(jí)強(qiáng)度產(chǎn)品形成的，支撐劑堆積體的應(yīng)力之間的關(guān)系圖，導(dǎo)通率以毫達(dá)西-英尺為單位；圖3是導(dǎo)通率和由第二種寬PSD支撐劑混合物(PSD-2)和傳統(tǒng)20/40輕質(zhì)產(chǎn)品形成的，支撐劑堆積體的應(yīng)力之間的關(guān)系圖，導(dǎo)通率以毫達(dá)西-英尺為單位；
圖4是導(dǎo)通率和由第二種寬PSD支撐劑混合物(PSD-2)和兩種傳統(tǒng)20/40輕質(zhì)產(chǎn)品形成的，支撐劑堆積體的應(yīng)力之間的關(guān)系圖，導(dǎo)通率以毫達(dá)西-英尺為單位；圖5是第三種寬PSD支撐劑混合物(PSD-3)在5000，7500或10000磅/平方英寸的閉合應(yīng)力作用下被壓碎的支撐劑堆積體百分?jǐn)?shù)圖，以及兩種傳統(tǒng)20/40輕質(zhì)支撐劑堆積體在5000和7500磅/平方英寸的閉合應(yīng)力作用下被壓碎的支撐劑堆積體百分?jǐn)?shù)圖；圖6是要替代傳統(tǒng)16/20輕質(zhì)支撐劑材料或者替代傳統(tǒng)16/30中級(jí)支撐劑材料的第四種寬PSD支撐劑混合物(PSD-4)，以及該傳統(tǒng)16/20和16/30混合物中，保留支撐劑混合物的重量％和ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸之間的關(guān)系圖；圖7是第五種寬PSD支撐劑混合物(PSD-5)與傳統(tǒng)16/30混合物的導(dǎo)通率和支撐劑堆積體上應(yīng)力之間的關(guān)系比較圖，導(dǎo)通率以毫達(dá)西-英尺為單位；圖8是第五種寬PSD支撐劑混合物(PSD-5)與傳統(tǒng)16/20LWP混合物的導(dǎo)通率與應(yīng)力之間的關(guān)系比較圖，導(dǎo)通率以毫達(dá)西-英尺為單位；圖9是第五種寬PSD支撐劑混合物(PSD-5)和兩種傳統(tǒng)16/20輕質(zhì)混合物，導(dǎo)通率和支撐劑堆積體上應(yīng)力之間的關(guān)系圖，導(dǎo)通率以毫達(dá)西-英尺為單位；圖10是sv替代傳統(tǒng)16/20LWP或16/30IP級(jí)支撐劑材料時(shí)r第五種寬PSD支撐劑混合物(PSD-5)，在5000，7500或10000磅/平方英寸的閉合應(yīng)力作用下，與兩種傳統(tǒng)16/20輕質(zhì)支撐劑在支撐劑體堆積體壓碎百分?jǐn)?shù)方面的比較圖；圖11是要替代傳統(tǒng)12/18輕質(zhì)支撐劑材料或者替代傳統(tǒng)12/20中級(jí)支撐劑材料的第六種寬PSD支撐劑混合物(PSD-6)，以及傳統(tǒng)12/18和12/20混合物中，保留支撐劑混合物的重量％和ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸之間的關(guān)系圖；圖12是第七種寬PSD支撐劑混合物(PSD-7)與傳統(tǒng)12/20混合物的導(dǎo)通率和支撐劑堆積體上所形成應(yīng)力之間的關(guān)系比較圖，導(dǎo)通率以毫達(dá)西-英尺為單位；圖13是第七種寬PSD支撐劑混合物(PSD-7)與傳統(tǒng)12/18LWP混合物的導(dǎo)通率和應(yīng)力之間的關(guān)系比較圖，導(dǎo)通率以毫達(dá)西-英尺為單位；圖14是第七種寬PSD支撐劑混合物(PSD-7)和兩種傳統(tǒng)12/18輕質(zhì)混合物，導(dǎo)通率和支撐劑堆積體上應(yīng)力之間的關(guān)系圖，導(dǎo)通率以毫達(dá)西-英尺為單位；和圖15是要替代傳統(tǒng)12/18LWP或12/20IP級(jí)支撐劑材料的第七種寬PSD支撐劑混合物(PSD-7)，在5000，7500或10000磅/平方英寸的閉合應(yīng)力作用下，與兩種傳統(tǒng)12/18輕質(zhì)支撐劑在支撐劑堆積體壓碎百分?jǐn)?shù)方面的比較圖。
優(yōu)選實(shí)施方式具體說(shuō)明發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)粒徑分布的類(lèi)似材料相比，同時(shí)含有基本球粒形式細(xì)顆粒和粗顆粒，而且符合特定粒徑分布的支撐劑混合物，能使導(dǎo)通率增大。在一優(yōu)選實(shí)施方式中，這些球粒是一種陶瓷材料，例如鋁硅酸鹽，優(yōu)選是具有選定粒徑分布的材料，能在混合物中同時(shí)提供小顆粒和大顆粒。
在這里被稱(chēng)為寬粒徑分布(寬PSD)混合物的支撐劑混合物，具有與傳統(tǒng)支撐劑混合物大致相等的中值粒徑，但是其粒徑分布曲線更寬，并嚴(yán)格控制特定級(jí)別的粗細(xì)顆粒比。這里所用粒徑是以顆粒直徑形式表示的，假設(shè)顆粒為球形。因此，對(duì)于傳統(tǒng)的16/30中級(jí)支撐劑混合物，中值粒徑(中值直徑)大約是0.85毫米到1.03毫米，大部分顆粒(至少90重量％，通常大約為95重量％或以上)具有-16到+30范圍(即18，20，25和30目的粒度級(jí)分)的篩目尺寸，如表1中所示，符合API標(biāo)準(zhǔn)的要求。
相比之下，寬PSD可具有大約0.88到1.15毫米，更優(yōu)選大約0.98到1.08毫米，最優(yōu)選大約1.03毫米的類(lèi)似的中值粒徑，可以作為相同或較低級(jí)別的傳統(tǒng)16/30支撐劑混合物的替代品。但是，此寬PSD材料中有10％以上的部分超出16/30產(chǎn)品的范圍，因此不符合API標(biāo)準(zhǔn)的要求。優(yōu)選有大約80％以下，更優(yōu)選75％以下，最優(yōu)選70％以下的顆粒在-16到+30的篩目范圍中，如表1中所示(所有篩目都是ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸，除非另有說(shuō)明)。另外，優(yōu)選對(duì)大小顆粒的比例進(jìn)行控制?；旌衔锟傊亓恐?，+12目球粒的數(shù)量(即被12目或更大篩孔篩網(wǎng)截留的所有球粒重量％)優(yōu)選約為10重量％或以下，較優(yōu)選為5％以下，更優(yōu)選為1％以下，最優(yōu)選為不超過(guò)約0.6％?；旌衔锟傊亓恐?，+14目球粒的數(shù)量(即被14目或更大篩孔篩網(wǎng)截留的所有球粒重量％)優(yōu)選約為20重量％或以下，更優(yōu)選為17％以下，最優(yōu)選為不超過(guò)約13％(如表1中所示12和14目的粒度級(jí)分的總和)。在混合物總重量中，-25目球粒的數(shù)量(即能通過(guò)25目篩網(wǎng)的所有球粒重量％)優(yōu)選約為15重量％或以下，更優(yōu)選約為5-10％。在混合物總重量中，-30目球粒的數(shù)量(即能通過(guò)30目篩網(wǎng)的球粒)優(yōu)選約為2重量％或以下，更優(yōu)選約為1重量％或以下。在混合物總重量中，-35目球粒的數(shù)量(即能通過(guò)35目篩網(wǎng)的球粒)優(yōu)選是1重量％或以下，更優(yōu)選是約0.5重量％或以下。為了達(dá)到這些所有或大部分約束條件，寬PSD粒徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)16/30產(chǎn)品的值，即用保留％對(duì)篩目尺寸作圖時(shí)，曲線中部比較寬。
優(yōu)選對(duì)于16/30或16/20替代支撐劑混合物，LWP的比重約為2.1到2.9克/立方厘米，IP約為3.0到3.5克/立方厘米，HSP約為3.3到4.2克/立方厘米(這里討論的所有比重值都是用排水法測(cè)得的，除非另有說(shuō)明)。用篩目尺寸連續(xù)縮小(即ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)增加)的篩網(wǎng)序列地支撐劑混合物過(guò)篩，測(cè)定粒徑分布。例如，按照美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)建議規(guī)程60(RP60)，用以下ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目的篩網(wǎng)對(duì)支撐劑混合物過(guò)篩10，12，14，16，18，20，25，30，35，40。API RP 60測(cè)試只使用6個(gè)篩網(wǎng)，但是可以使用更多篩網(wǎng)，獲得更精確的粒徑分布。
對(duì)于16/30或16/20替代支撐劑混合物，14目篩網(wǎng)上的保留百分?jǐn)?shù)(即直徑為1.4-1.7毫米的顆粒重量％)優(yōu)選為0-25％，更優(yōu)選為3-15％，更優(yōu)選至少為5重量％。16目篩網(wǎng)上的保留百分?jǐn)?shù)(即直徑為1.18-1.4毫米的顆粒重量％)優(yōu)選為15-33重量％，更優(yōu)選為16-28％。18目篩網(wǎng)上的保留百分?jǐn)?shù)(即直徑為1.0-1.18毫米的顆粒重量％)優(yōu)選為15-33重量％，更優(yōu)選為16-28重量％。在20目篩網(wǎng)上的保留百分?jǐn)?shù)(即直徑為0.85-1.0毫米的顆粒重量％)優(yōu)選為15-33重量％，更優(yōu)選為16-30重量％。在25目篩網(wǎng)上的保留百分?jǐn)?shù)(即直徑為0.71-0.85毫米的顆粒重量％)優(yōu)選為1-25重量％，更優(yōu)選為5-25％，最優(yōu)選為10-20重量％。在30目篩網(wǎng)上的保留百分?jǐn)?shù)(即直徑為0.60-0.71毫米的顆粒重量％)優(yōu)選為1％以上，較優(yōu)選為4重量％以上，更優(yōu)選為5-10重量％。在35目篩網(wǎng)上的保留百分?jǐn)?shù)(即直徑為0.50-0.60毫米的顆粒重量％)通常為2％以下，優(yōu)選為1％以下。在這些參數(shù)中，最接近中值粒徑的篩網(wǎng)尺寸，即重疊和鄰接中值粒徑的篩網(wǎng)尺寸，通常是最重要的(表1實(shí)例中的16，18和20目粒度級(jí)分，中值粒徑約為1.04毫米)。優(yōu)選18，20和25目篩網(wǎng)能保留總共75重量％以下的球粒，更優(yōu)選為68％以下，最優(yōu)選約為60重量％，優(yōu)選至少82重量％更優(yōu)選為至少88重量％，的球粒具有0.60到1.4毫米的直徑。
使中值粒徑相當(dāng)接近于傳統(tǒng)16/30陶瓷支撐劑產(chǎn)品的值，寬PSD的支撐劑在用于井中時(shí)具有類(lèi)似的流動(dòng)性質(zhì)。如果中值粒徑很大程度上不同于所替代傳統(tǒng)產(chǎn)品的值(所述實(shí)施方式中為16/30或16/20)，則具有不同的泵抽特征。
以篩目尺寸和粒徑表示，作為16/30產(chǎn)品替代品的適用寬PSD具有表1中給出的分布。
表1
相當(dāng)粒徑以篩目尺寸為基礎(chǔ)，假設(shè)顆粒為球形。
所述寬PSD適合于替代傳統(tǒng)16/30中級(jí)或輕質(zhì)產(chǎn)品，也可以替代傳統(tǒng)16/20輕質(zhì)支撐劑混合物。
適用于形成支撐劑的原料包括含氧化物，例如氧化鋁等鋁的氧化物，氧化硅等硅的氧化物的原料，及其混合物。通常，以經(jīng)過(guò)煅燒(基本無(wú)水)的重量百分?jǐn)?shù)表示時(shí)，氧化硅和氧化鋁占經(jīng)過(guò)煅燒原料的至少80重量％，更優(yōu)選約為90％或以上。示范性原料包括粘土(主要是水合氧化鋁)，例如高嶺土，水鋁石粘土，斑點(diǎn)粘土和燧石粘土，礬土粘土，天然或合成礬土，及其混合物等。原料可以是未經(jīng)煅燒或經(jīng)過(guò)部分煅燒的。由這些原料形成的燒結(jié)支撐劑混合物優(yōu)選是氧化物，硅酸鹽和鋁酸鹽形式的，占燒結(jié)后支撐劑材料的至少50重量％，更優(yōu)選至少80％，最優(yōu)選至少90重量％。
可以添加不超過(guò)約10重量％的各種燒結(jié)助劑幫助燒結(jié)，例如膨潤(rùn)土，氧化鐵，硼，碳化硼，二硼化鋁，氮化硼，磷化硼，其他硼化合物，或助熔劑，例如碳酸鈉，碳酸鋰，長(zhǎng)石，氧化錳，氧化鈦，碳酸鈣和硅酸鈉。需要時(shí)可以向初始混合物中添加粘結(jié)劑，以促進(jìn)造粒和提高未燒結(jié)球粒的生坯強(qiáng)度，例如淀粉，樹(shù)脂或蠟，例如膠質(zhì)化玉米淀粉，聚乙烯醇或其混合物。粘結(jié)劑的添加量通常是氧化物重量的大約0-6重量％。
優(yōu)選通過(guò)球磨或其他研磨過(guò)程對(duì)原料進(jìn)行研磨，所形成顆粒的平均尺寸以粒徑表示時(shí)(或者當(dāng)顆粒為非球形時(shí)，以平均直徑表示)，約為20微米或以下，更優(yōu)選約為15微米或以下，最優(yōu)選約為10微米或以下。在研磨之前，可以對(duì)原料進(jìn)行干燥，以方便研磨。
在一個(gè)優(yōu)選方法中，經(jīng)過(guò)研磨的原料與水等液體在強(qiáng)力混料器中混合，混料器具有可旋轉(zhuǎn)的保護(hù)殼，其中有轉(zhuǎn)盤(pán)和可旋轉(zhuǎn)的沖擊葉輪，例如是Eirich混料器。轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向與沖擊葉輪方向相反。沖擊葉輪可以是帶桿或棒的盤(pán)狀物，通常與葉輪旋轉(zhuǎn)軸平行。添加足量水，使混合物形成基本球形的顆粒(水量通常為原料重量的約15-40重量％)。形成這些球粒之后，添加占球粒重量約0-25％，更優(yōu)選約為5到15％的附加陶瓷粉末(優(yōu)選使用與形成潮濕混合物時(shí)相同的干燥原料)，進(jìn)一步用混料器使添加物累積到形成的球粒上。
雖然強(qiáng)力混料器是制造球粒的一種方法，但是還可以使用其他形成方法。例如可噴灑原料在水中的漿料，制造球粒。
然后干燥制得的球粒至含濕量小于約10重量％，通常使用大約100到300℃的干燥器。然后將干燥形成的“支撐劑生坯球?！痹跔t子中在燒結(jié)溫度進(jìn)行燒結(jié)，直到比重約為2.1到4.2克/立方厘米，這取決于燒結(jié)混合物的組成，以及要求的支撐劑比重。對(duì)于LWP，燒結(jié)后的比重優(yōu)選約為2.1到2.9克/立方厘米，對(duì)于IP約為3.0到3.5克/立方厘米，對(duì)于HSP約為3.3到4.2克/立方厘米。燒結(jié)通常會(huì)使球粒尺寸收縮大約不到20％，并使比重增加。適用的燒結(jié)溫度通常約為1150℃及以上，更優(yōu)選約為1300℃或以上，最優(yōu)選約為1500℃。燒結(jié)溫度可以高達(dá)1600℃。
對(duì)球粒尺寸進(jìn)行篩選，優(yōu)選在干燥之后進(jìn)行。在干燥之后但在燒結(jié)之前，對(duì)支撐劑生坯球粒進(jìn)行初始過(guò)篩。例如，用篩目尺寸約為10或11目的頂層篩網(wǎng)篩出最大顆粒，用篩目尺寸約為18到20目的底層篩網(wǎng)篩出最小顆粒(注意這些篩網(wǎng)并不完全是ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸的)。對(duì)頂層和底層篩網(wǎng)的選擇部分地取決于混料器所形成的混合物，可以根據(jù)混合物的中值粒徑進(jìn)行調(diào)整。被篩出的過(guò)大和過(guò)小球粒可以再循環(huán)使用。燒結(jié)之后可以進(jìn)行再次過(guò)篩。
制成的支撐劑是球形的(即平均球形度值約為0.75或以上，更優(yōu)選至少是0.80，典型值為0.80-0.9)。經(jīng)過(guò)燒結(jié)和過(guò)篩的支撐劑球粒粒徑通常約為0.1到2.5毫米。選擇合適的篩目尺寸，提供具有上述理想粒徑分布的支撐劑混合物。
可以按照Stim實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試步驟，測(cè)試由此形成的支撐劑混合物堆積體的導(dǎo)通率。步驟如下所述。使用75噸Dake壓機(jī)，它具有10平方英寸流動(dòng)通道的API Monel K-500流孔。用兩個(gè)10平方英寸Ohio Sandstone塊作為兩個(gè)板。API流孔中裝有待測(cè)支撐劑樣品，并用葉片推平。將支撐劑樣品置于兩個(gè)板之間，形成四孔堆積體的部分。這些流孔位于Dake壓機(jī)的壓板之間。壓力增加到500磅/平方英寸，對(duì)系統(tǒng)抽真空，并用70-75°F的水飽和。飽和之后，閉合壓力增加到1000磅/平方英寸，增速為100磅/平方英寸/分鐘。使支撐劑平衡。在每個(gè)壓力值測(cè)量流量，壓差和平均寬度，計(jì)算導(dǎo)通率。進(jìn)行五次測(cè)量，求平均值，獲得導(dǎo)通率。用Mettler天平測(cè)量流量精度為0.01毫升/分。用Darcy定解計(jì)算導(dǎo)通率。然后升高測(cè)試溫度到250°F，在增加閉合壓力之前平衡12小時(shí)。在1000磅/平方英寸和室溫條件下，以及1000磅/平方英寸和250°F條件下測(cè)量支撐劑的導(dǎo)通率。
然后以100磅/平方英寸/分鐘的增速，以1000-磅/平方英寸的增量增加壓力，并重復(fù)上述測(cè)量步驟。在250°F和2000磅/平方英寸，4000磅/平方英寸，6000磅/平方英寸，8000磅/平方英寸，或10000磅/平方英寸，或以上壓力的條件下，對(duì)支撐劑的導(dǎo)通率進(jìn)行50小時(shí)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。
對(duì)于替代16/20或16/30傳統(tǒng)混合物的與表1中所示類(lèi)似的中級(jí)陶瓷支撐劑，在至少約1300℃，更優(yōu)選約1500℃的溫度下燒結(jié)之后，由這種方法測(cè)得的導(dǎo)通率在2000磅/平方英寸約為15000-20000毫達(dá)西-英尺，在6000磅/平方英寸約為9000-10000毫達(dá)西-英尺，在8000磅/平方英寸約為6000-7000毫達(dá)西-英尺。還可以獲得比這些數(shù)值更高的導(dǎo)通率。
更高的導(dǎo)通率因?yàn)樵黾恿肆芽p半長(zhǎng)度，因此能提高地質(zhì)結(jié)構(gòu)的生不率。
可以按照美國(guó)石油學(xué)會(huì)建議規(guī)程60(RP 60)測(cè)量壓碎強(qiáng)度，不同之處如下所述。具體地說(shuō)，用18和40目篩網(wǎng)(對(duì)于20/40支撐劑混合物替代品)或用14和30目篩網(wǎng)(對(duì)于16/30支撐劑混合物替代品)過(guò)篩支撐劑混合物的一部分。只用保留在下層篩網(wǎng)上的支撐劑材料進(jìn)行測(cè)試。將已知重量的過(guò)了篩的混合物置于帶活塞的測(cè)試單元中(RP 60的圖7.1)，將該測(cè)試單元置于壓機(jī)中。采用五種不同應(yīng)力水平(例如5000，7500，10000，12500和15000磅/平方英寸)中的一種對(duì)混合物壓制2分鐘。然后用所述兩個(gè)篩網(wǎng)再次過(guò)篩混合物，對(duì)較細(xì)篩網(wǎng)下的淺盤(pán)收集的細(xì)粉進(jìn)行稱(chēng)重。壓碎強(qiáng)度(在該特定應(yīng)力水平)用細(xì)粉重量％的表示，即
對(duì)于作為16/30中級(jí)產(chǎn)品或16/20輕質(zhì)產(chǎn)品替代品的寬PSD中級(jí)支撐劑堆積體，在7500磅/平方英寸的條件下，由這種方法測(cè)得的壓碎強(qiáng)度優(yōu)選為10％以下，更優(yōu)選為7％以下，最優(yōu)選約為4.0％以下，顯著低于具有大致相同中值粒徑的類(lèi)似16/20LWP級(jí)產(chǎn)品，在大部分壓力范圍中，至少與類(lèi)似材料形成的IP級(jí)產(chǎn)品類(lèi)似。能夠理解，對(duì)于高強(qiáng)度支撐劑，例如由燒結(jié)礬土形成的支撐劑，寬PSD混合物的壓碎強(qiáng)度更好。
發(fā)現(xiàn)含量超過(guò)傳統(tǒng)16/20或16/30產(chǎn)品中典型值的額外細(xì)顆粒(“細(xì)粉”)不會(huì)因?yàn)槎氯械瘸叽绾痛蟪叽珙w粒之間的空隙而降低產(chǎn)品的導(dǎo)通率。用占小于中值篩目尺寸的材料百分?jǐn)?shù)定義細(xì)粉。另外，發(fā)現(xiàn)混合物中強(qiáng)度較弱的過(guò)大顆粒不會(huì)被過(guò)早壓碎，也不會(huì)使導(dǎo)通率變差。這些發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)預(yù)計(jì)以及制造窄粒徑分布支撐劑的推論相反。對(duì)于其他寬PSD產(chǎn)品，例如20/40替代品也有相同發(fā)現(xiàn)。
雖然并不完全理解，但是可以認(rèn)為，獨(dú)特分布的天然顆粒堆積體特征會(huì)對(duì)導(dǎo)通率產(chǎn)生有利的作用?？梢栽O(shè)想，較小的顆粒分布在較大球體周?chē)?，在其間起到橋梁的作用，而不是自行隔離，落入并堵塞空隙。因此這些較小顆粒無(wú)法自由地堵塞空隙，而是因?yàn)檩^大球體之間的距離而實(shí)際上增大空隙。結(jié)果是，在低的外施應(yīng)力情況下大大提高導(dǎo)通率，這在導(dǎo)通率曲線上是很明顯的。而且，這種橋接的顆粒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)度較大的支撐劑堆積體，在給定閉合應(yīng)力條件下對(duì)破裂和崩塌的承受能力優(yōu)于預(yù)期?？梢栽O(shè)想，在較大珠粒周?chē)纬傻亩囝w粒橋與較大珠粒彼此直接接觸時(shí)形成的較少高應(yīng)力觸點(diǎn)相比，起到應(yīng)力減小的作用。
雖然借助球形燒結(jié)陶瓷顆粒描述了本發(fā)明的寬PSD支撐劑，但是還可以使用其他剛性材料形成支撐劑，包括塑料，樹(shù)脂包覆的材料和類(lèi)似物。為支撐劑選擇的材料應(yīng)當(dāng)適合于在要支撐的結(jié)構(gòu)的壓力和深度使用，通常還應(yīng)當(dāng)具備抗流體化學(xué)侵蝕的能力。
雖然以上內(nèi)容討論了適合于替代傳統(tǒng)16/30或16/20混合物的寬PSD組合物，但是還可以應(yīng)用類(lèi)似原理制備其他傳統(tǒng)混合物，例如傳統(tǒng)的20/40混合物(其中值粒徑為0.6-0.85)的替代品?？梢杂靡韵翧STM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸的篩網(wǎng)序列定義該混合物10，12，14，16，18，20，25，30，35，40，50。能保留包括寬PSD產(chǎn)品中值粒徑的顆粒范圍的篩目被定義為中值篩目。兩個(gè)相繼相鄰的篩目(即中值篩目以上和以下的篩目)被分別定義為第一上層篩目和第一下層篩網(wǎng)。再兩個(gè)個(gè)相鄰篩孔目是第二上層篩目和第二下層篩目，以此類(lèi)推。對(duì)每種分布，保留在中值篩目，第一上層篩目，第二上層篩目，第一下層篩目，第二下層目的各個(gè)篩網(wǎng)上的重量?jī)?yōu)選是相等的。因此，對(duì)于中值粒徑為1.04毫米的16/30和16/20寬PSD替代品，篩目如表2中所示。
表2
優(yōu)選混合物中共有75％以下，更優(yōu)選68％以下，最優(yōu)選約60％的材料被保留在中值篩目，第一下層篩目和第二下層篩目的篩網(wǎng)上。另外，優(yōu)選有0-25重量％的球粒被保留在第二上層篩目的篩網(wǎng)上，有15-33重量％的顆粒被保留在第一上層篩目的篩網(wǎng)上，有15-33重量％的球粒被保留在中值篩目篩網(wǎng)上，有15-35重量％的球粒被保留在第一下層篩目的篩網(wǎng)上。優(yōu)選有80重量％以下的球粒被保留在寬PSD要替代的傳統(tǒng)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)篩目尺寸的兩個(gè)篩網(wǎng)之間(即，要替代16/30或16/20的寬PSD中的16目和30目的篩網(wǎng)之間)。
適用于替代傳統(tǒng)12/20IP或LWP，或者替代傳統(tǒng)12/18LWP的中級(jí)寬PSD可具有至少1.10毫米的中值直徑，例如約為1.10到1.45毫米。在一個(gè)實(shí)施方式中，0-25重量％的球粒具有1.7-2.0毫米的直徑，更優(yōu)選0.5-15重量％的球粒具有1.7-2.0毫米的直徑。15-33重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑，更優(yōu)選至少16重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑，15-33重量％的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑，更優(yōu)選32重量％以下，最優(yōu)選29重量％以下的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑。15-35重量％的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑，更優(yōu)選16-30重量％的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑。5-25重量％的球粒具有0.85-1.0毫米的直徑。
在適用于替代傳統(tǒng)12/20IP或LWP，或者替代傳統(tǒng)12/18LWP的中級(jí)寬PSD的一個(gè)特定實(shí)施方式中，2-10重量％的球粒具有1.7-2.0毫米的直徑，18-28重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑，24-32重量％的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑，18-28重量％的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑。
本發(fā)明的寬PSD支撐劑以常規(guī)方式使用，用來(lái)?yè)伍_(kāi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的裂縫或裂隙，從而提高從該結(jié)構(gòu)中提取石油，天然氣或其他要求流體的導(dǎo)通率。通常要在鉆井中插入一根中空管子。寬PSD支撐劑和凝膠或液體的混合物通過(guò)入口被引入該管子中，在高壓(通常是12000-20000磅/平方英寸)作用下通過(guò)管子出口被壓入地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。支撐劑堆積體撐開(kāi)所形成的裂縫。凝膠可以是具有足夠粘度，能使支撐劑保持懸浮狀態(tài)的任何液體。
不希望限制本發(fā)明的范圍，以下一些實(shí)施方式將證明由上述方法制得的寬PSD支撐劑的改良性質(zhì)。
實(shí)施方式實(shí)施方式1按照下文所述制備替代傳統(tǒng)20/40混合物的中級(jí)寬PSD(寬PSD-1)的支撐劑。將已經(jīng)預(yù)先研磨至平均粒徑約為10微米的原料(Arkansas礬土)與水和足量粘結(jié)劑一起加入Eirich混料器中，填充其混料室大約2/3體積。轉(zhuǎn)盤(pán)和葉輪持續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到形成合適尺寸的子粒。再添加適量初始的礬土原料。轉(zhuǎn)盤(pán)和葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)幾分鐘，形成球粒。
然后在干燥器中干燥球粒，使含濕量降至大約10％，然后在大約1500℃燒結(jié)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使其燒結(jié)至要求的密度。在燒結(jié)之前，對(duì)其進(jìn)行過(guò)篩，形成一定的粒徑分布，在燒結(jié)之后能形成要求的粒徑分布。燒結(jié)之后再次過(guò)篩。用Krumbein and Sloss圖確定制得球粒的球形度約為0.8-0.9。這些球粒被標(biāo)記為表3中的寬PSD-1(與傳統(tǒng)20/40混合物進(jìn)行比較)。表3中還給出了相當(dāng)粒徑。
表3
以這些結(jié)果作圖，如圖1所示保留重量％與ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸的關(guān)系。
寬PSD產(chǎn)品(寬PSD-1)具有大約3.2克/立方厘米的比重。
測(cè)試本發(fā)明球粒滲透性的步驟和設(shè)備已如上所述，滲透性單位是毫達(dá)西-英尺(md-ft)。
按照上述方法測(cè)量壓碎強(qiáng)度。寬PSD-1產(chǎn)品在7500磅/平方英寸條件下測(cè)得的壓碎強(qiáng)度為1.3％。傳統(tǒng)中級(jí)20/40產(chǎn)品在相同條件下測(cè)得的壓碎強(qiáng)度為0.8％，這說(shuō)明寬PSD-1遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)LWP。
實(shí)施方式2按照實(shí)施方式1的方法制備第二種中級(jí)支撐劑混合物(寬PSD-2)，其粒徑分布如表4中所示。表4中還給出相當(dāng)粒徑。標(biāo)稱(chēng)粒徑是最大與最小值的平均。
表4
寬PSD-2產(chǎn)品的比重為3.2克/立方厘米，中值粒徑約為0.74毫米。導(dǎo)通率通常明顯高于傳統(tǒng)20/40LWP級(jí)產(chǎn)品例如標(biāo)記為對(duì)比例A和對(duì)比例B的兩種商用LWP20/40級(jí)支撐劑混合物，與中級(jí)產(chǎn)品類(lèi)似或更高。
圖2所示為寬PSD-2產(chǎn)品，支撐劑堆積體的導(dǎo)通率與施加在支撐劑堆積體上壓力的關(guān)系，導(dǎo)通率單位是毫達(dá)西-英尺，壓力單位是磅/平方英寸。與采用相同方法測(cè)得的實(shí)施方式1傳統(tǒng)20/40中級(jí)產(chǎn)品的值進(jìn)行比較。圖3所示為與20/40LWP級(jí)產(chǎn)品的類(lèi)似比較。從圖2和3可知，在整個(gè)范圍中寬PSD-2的性能優(yōu)于傳統(tǒng)LWP產(chǎn)品，在2000到8000磅/平方英寸的范圍中，優(yōu)于IP級(jí)產(chǎn)品。
圖4所示為第二種寬PSD樣品(PSD-2)所形成堆積體的導(dǎo)通率，和對(duì)比例A與對(duì)比例B所形成堆積體的導(dǎo)通率。從圖4可知，寬PSD-2產(chǎn)品的性能優(yōu)于兩種傳統(tǒng)LWP樣品，但是成本差不多。對(duì)比例A的中值粒徑約為0.65毫米。對(duì)比例B是鋁硅酸鹽陶瓷支撐劑，其中67-69％是硅酸鋁形式(富鋁紅柱石)，0-30％是氧化硅形式(白硅石)，0-30％是氧化硅形式(石英)，2％以下是氧化鐵，3％以下是鈦。其中值粒徑約為0.66毫米。
實(shí)施方式3按照實(shí)施方式1的方法制備第三種中級(jí)支撐劑混合物(寬PSD-3)，其粒徑分布如表5中所示。表5中還給出相當(dāng)粒徑。標(biāo)稱(chēng)粒徑是最大和最小值的平均。
表5
圖5比較了三種不同壓力條件下，寬PSD-3產(chǎn)品以及被標(biāo)記為對(duì)比例A和對(duì)比例B的兩種商用LWP20/40級(jí)支撐劑混合物的壓碎百分?jǐn)?shù)。對(duì)比例A的中值粒徑約為0.65毫米。對(duì)比例B是鋁硅酸鹽陶瓷支撐劑，其中67-69％是硅酸鋁形式(富鋁紅柱石)，0-30％是氧化硅形式(白硅石)，0-30％是氧化硅形式(石英)，2％以下是氧化鐵，3％以下是鈦。其中值粒徑約為0.66毫米。
實(shí)施方式4按照與實(shí)施方式1相同的方法制備能替代16/30IP/LWP或16/20LWP的中級(jí)寬PSD(寬PSD-4)。在燒結(jié)之前，用合適篩網(wǎng)過(guò)篩顆粒(頂層篩網(wǎng)為10或11目，底層篩網(wǎng)為18或20目)，形成一定的粒徑分布，燒結(jié)之后形成要求的粒徑分布。燒結(jié)之后再次過(guò)篩。用Krumbein and Sloss圖獲得球粒的球形度約為0.8-0.9。這些球粒被標(biāo)記為表6中的寬PSD-4(與傳統(tǒng)16/20LWP和16/30IP混合物進(jìn)行比較)。表6中還給出相當(dāng)粒徑。
表6
以這些結(jié)果作圖，圖6顯所示保留重量％與ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸的關(guān)系。
寬PSD產(chǎn)品(寬PSD-4)的比重約為3.2克/立方厘米，中值粒徑為1.04毫米。
實(shí)施方式5按照與實(shí)施方式1相同方法制備能替代16/30IP/LWP或16/20LWP的中級(jí)寬PSD(寬PSD-5)。在燒結(jié)之前，用合適篩網(wǎng)過(guò)篩顆粒(頂層篩網(wǎng)為10或11目，底層篩網(wǎng)為16或18目)，形成一定的粒徑分布，在燒結(jié)之后形成要求的粒徑分布。燒結(jié)之后再次過(guò)篩。用Krumbein and Sloss圖獲得球粒的球形度約為0.8-0.9。這些球粒被標(biāo)記為表7中的寬PSD-5(與兩種傳統(tǒng)16/20混合物進(jìn)行比較)。表7中還給出相當(dāng)粒徑。
表7
寬PSD產(chǎn)品(寬PSD-5)的比重約為3.2克/立方厘米，中值粒徑為1.02毫米。
圖7顯示，寬PSD-5產(chǎn)品支撐劑堆積體的導(dǎo)通率與支撐劑堆積體上所施加壓力的關(guān)系，導(dǎo)通率單位是毫達(dá)西-英尺，壓力單位是磅/平方英寸。與相同方法測(cè)得的傳統(tǒng)16/30中級(jí)產(chǎn)品的值進(jìn)行比較。圖8所示為與傳統(tǒng)16/20LWP級(jí)產(chǎn)品的類(lèi)似比較。由圖7和8可知，寬PSD-5在壓力高達(dá)6000磅/平方英寸時(shí)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)IP產(chǎn)品，在更高壓力條件下的性能則類(lèi)似。在2000磅/平方英寸時(shí)的性能與傳統(tǒng)LWP產(chǎn)品類(lèi)似，在更高壓力條件下的性能優(yōu)于LWP產(chǎn)品。
圖9所示為寬PSD-5產(chǎn)品支撐劑堆積體的導(dǎo)通率與支撐劑堆積體上所施加壓力的關(guān)系，導(dǎo)通率單位是毫達(dá)西-英尺，壓力單位是磅/平方英寸。與表7中以相同方法測(cè)得的兩種傳統(tǒng)16/20輕質(zhì)產(chǎn)品的值進(jìn)行比較。在測(cè)試壓力范圍中，寬PSD-5的性能優(yōu)于或類(lèi)似于兩種傳統(tǒng)LWP樣品，而成本差不多。
圖10所示為寬PSD-5產(chǎn)品的壓碎強(qiáng)度，以壓碎％形式表示。在7500磅/平方英寸條件下測(cè)得寬PSD-5產(chǎn)品的壓碎強(qiáng)度是1.7％。與傳統(tǒng)中級(jí)16/30產(chǎn)品2.2％的壓碎強(qiáng)度類(lèi)似，優(yōu)于傳統(tǒng)輕質(zhì)16/20產(chǎn)品，后者在相同條件下測(cè)量時(shí)，表現(xiàn)出13.8-14.0％的壓碎強(qiáng)度。
實(shí)施方式6按照與實(shí)施方式1相同的方法制備能替代12/20IP/LWP或12/18LWP的中級(jí)寬PSD(寬PSD-6)。在燒結(jié)之前，用合適篩網(wǎng)過(guò)篩顆粒(頂層篩網(wǎng)為8或9目，底層篩網(wǎng)為16或18目)，形成一定的粒徑分布，燒結(jié)之后形成要求的粒徑分布。燒結(jié)之后再次過(guò)篩。用Krumbein and Sloss圖獲得球粒的球形度約為0.8-0.9。這些球粒被標(biāo)記為表8中的寬PSD-6(與傳統(tǒng)12/20IP和12/18LWP混合物進(jìn)行比較)。表8中還給出相當(dāng)粒徑。
表8
以這些結(jié)果作圖，圖11所示為保留重量％與ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸的關(guān)系。
寬PSD產(chǎn)品(寬PSD-6)的比重約為3.2克/立方厘米，中值粒徑為1.19毫米。
實(shí)施方式7按照與實(shí)施方式1相同的方法制備能替代12/20IP/LWP或12/18LWP的中級(jí)寬PSD(寬PSD-7)。在燒結(jié)之前，用合適篩網(wǎng)過(guò)篩顆粒(頂層篩網(wǎng)為8或9目，底層篩網(wǎng)為16或18目)，形成一定的粒徑分布，燒結(jié)之后形成要求的粒徑分布。燒結(jié)之后再次過(guò)篩。用Krumbein and Sloss圖獲得球粒的粒度約為0.8-0.9。這些球粒被標(biāo)記為表9中的寬PSD-7(與兩種傳統(tǒng)12/18混合物進(jìn)行比較)。表9中還給出相當(dāng)粒徑。
表9
寬PSD產(chǎn)品(寬PSD-7)的比重約為3.2克/立方厘米，中值粒徑為1.23毫米。
圖12所示為寬PSD-7產(chǎn)品支撐劑堆積體的導(dǎo)通率與支撐劑堆積體上所施加壓力的關(guān)系，導(dǎo)通率單位是毫達(dá)西-英尺，壓力單位是磅/平方英寸。與同樣方法測(cè)得的傳統(tǒng)12/20中級(jí)產(chǎn)品的值進(jìn)行比較。圖13是與傳統(tǒng)12/18LWP級(jí)產(chǎn)品的類(lèi)似比較。由圖12和13可知，在測(cè)試壓力范圍中，寬PSD-7的性能優(yōu)于傳統(tǒng)12/20IP產(chǎn)品和傳統(tǒng)12/18LWP產(chǎn)品。
圖14所示為寬PSD-7產(chǎn)品支撐劑堆積體的導(dǎo)通率與支撐劑堆積體上所施加壓力的關(guān)系，導(dǎo)通率單位是毫達(dá)西-英尺，壓力單位是磅/平方英寸。與相同方法測(cè)得的表9中兩個(gè)傳統(tǒng)12/18輕質(zhì)產(chǎn)品的值進(jìn)行比較。在測(cè)試壓力范圍中，寬PSD-7的性能優(yōu)于兩種傳統(tǒng)LWP樣品，而成本差不多。
圖15所示為寬PSD-7產(chǎn)品的壓碎強(qiáng)度，以壓碎％形式表示。7500磅/平方英寸條件下測(cè)得的寬PSD-7產(chǎn)品的壓碎強(qiáng)度為2.5％。與傳統(tǒng)中級(jí)12/20產(chǎn)品3.5％的壓碎強(qiáng)度類(lèi)似，優(yōu)于傳統(tǒng)輕質(zhì)12/18產(chǎn)品，后者在相同條件下測(cè)得的壓碎強(qiáng)度為15.1-17.6％。
權(quán)利要求
1.形成支撐劑混合物的方法，包括將粉末材料與液體混合成混合物，由該混合物形成球粒，其特征在于過(guò)篩球粒；燒結(jié)球粒，形成具有一定中值直徑的支撐劑混合物，用選自10，12，14，16，18，20，25，30，35，40和45的ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸的篩網(wǎng)序列對(duì)此支撐劑混合物過(guò)篩時(shí)，其中值直徑位于對(duì)應(yīng)于該序列中一個(gè)篩目的中值篩目尺寸中，而且其中0-25重量％的球粒保留在該序列中值篩目之前的第二個(gè)的篩網(wǎng)篩網(wǎng)上；15-33重量％的球粒保留在該序列中值篩目之前的第一個(gè)的篩網(wǎng)篩網(wǎng)上；15-33重量％的球粒保留在中值篩目的篩網(wǎng)上；15-35重量％的球粒保留在該序列中值篩目之后的第一個(gè)的篩網(wǎng)篩網(wǎng)上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于中值直徑至少是0.9毫米。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于0-25重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑；15-33重量％的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑；15-33重量％的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑；15-35重量％的球粒具有0.85-1.0毫米的直徑。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于符合以下至少一種情況至少2重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑；至少16重量％的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑；32重量％以下的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑；30重量％以下的球粒具有0.85-1.0毫米的直徑；至少5％的球粒具有0.71-0.85毫米的直徑。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于15％以下的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑；至少16重量％的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑；29重量％以下的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑；至少16重量％的球粒具有0.85-1.0毫米的直徑。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于2-10重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑；18-28重量％的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑；24-32重量％的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑；18-28重量％的球粒具有0.85-1.0毫米的直徑。
7.如以上權(quán)利要求2-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于25重量％以下的球粒具有0.71-0.85毫米的直徑。
8.如以上權(quán)利要求2-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于至少5重量％的球粒具有0.71-0.85毫米的直徑。
9.如以上權(quán)利要求2-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于混合物中經(jīng)燒結(jié)的球粒具有大約0.9到1.15毫米的中值直徑。
10.如以上權(quán)利要求2-9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于混合物中至少95重量％的經(jīng)燒結(jié)球粒具有0.60到1.7毫米的直徑。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于混合物中至少98重量％的經(jīng)燒結(jié)球粒具有0.60到1.7毫米的直徑。
12.如以上權(quán)利要求2-11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于混合物中80％以下的球粒具有0.71-1.18毫米的直徑。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于中值直徑至少是1.10毫米。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于0-25重量％的球粒具有1.7-2.0毫米的直徑；15-33重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑；15-33重量％的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑；15-35重量％的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于符合以下至少一種情況至少2重量％的球粒具有1.7-2.0毫米的直徑；至少16重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑；32重量％以下的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑；30重量％以下的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑；至少5％的球粒具有0.85-1.0毫米的直徑。
16.如權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于15％以下的球粒具有1.7-2.0毫米的直徑；至少16重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑；29重量％以下的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑；至少16重量％的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于2-10重量％的球粒具有1.7-2.0毫米的直徑；18-28重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑；24-32重量％的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑；18-28重量％的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑。
18.如以上權(quán)利要求13-17中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于25重量％以下的球粒具有0.85-1.0毫米的直徑。
19.如以上權(quán)利要求13-18中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于至少5重量％的球粒具有0.85-1.0毫米的直徑。
20.如以上權(quán)利要求13-19中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于混合物中經(jīng)燒結(jié)球粒的中值直徑約為1.10到1.45毫米。
21.如以上權(quán)利要求13-20中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于混合物中至少95重量％的經(jīng)燒結(jié)球粒具有0.71到2.0毫米的直徑。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于混合物中至少98重量％的經(jīng)燒結(jié)球粒具有0.71到2.0毫米的直徑。
23.如以上權(quán)利要求13-22中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于混合物中80％以下的球粒具有0.85-1.4毫米的直徑。
24.如以上權(quán)利要求13-23中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所用粉末材料是氧化硅和氧化鋁中的至少一種。
25.如以上權(quán)利要求1-24中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所用粉末材料具有20微米以下的平均顆粒直徑。
26.如以上權(quán)利要求1-25中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于過(guò)篩步驟至少部分地在燒結(jié)步驟之前進(jìn)行。
27.支撐劑混合物，其特征在于所含一定中值直徑的大量陶瓷球粒，用選自10，12，14，16，18，20，25，30，35，40和45的ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸的篩網(wǎng)序列過(guò)篩該支撐劑混合物時(shí)，該中值直徑位于對(duì)應(yīng)于該序列中一個(gè)篩目的中值篩目尺寸中，而且其中0-25重量％的球粒保留在該序列中值篩目之前的第二個(gè)的篩網(wǎng)篩網(wǎng)上；15-33重量％的球粒保留在該序列中值篩目之前的第一個(gè)的篩網(wǎng)篩網(wǎng)上；15-33重量％的球粒保留在中值篩目的篩網(wǎng)上；15-35重量％的球粒保留在該序列中值篩目之后的第一個(gè)的篩網(wǎng)篩網(wǎng)上。
28.如權(quán)利要求27所述的支撐劑混合物，其特征在于包含凝膠，與該凝膠混合的球粒。
29.如以上權(quán)利要求27和28中任一項(xiàng)所述的支撐劑混合物，其特征在于這些球粒在7500磅/平方英寸下的壓碎強(qiáng)度為10％以下。
30.如以上權(quán)利要求27-29中任一項(xiàng)所述的支撐劑混合物，其特征在于所述球粒的球形度至少為0.75。
31.如以上權(quán)利要求27-30中任一項(xiàng)所述的支撐劑混合物，其特征在于75％以下的球粒落在該序列中值篩目及其后第二個(gè)篩網(wǎng)之間。
32.如權(quán)利要求31所述的支撐劑混合物，其特征在于至少82％的球粒落在該序列中值篩目之后第二個(gè)篩網(wǎng)和之前第二個(gè)篩網(wǎng)之間。
33.如權(quán)利要求32所述的支撐劑混合物，其特征在于至少88％的球粒落在該序列中值篩目之后第二個(gè)篩網(wǎng)和之前第二個(gè)篩網(wǎng)之間。
34.如以上權(quán)利要求27-33中任一項(xiàng)所述的支撐劑混合物，其特征在于中值直徑至少為0.9毫米。
35.如以上權(quán)利要求34所述的支撐劑混合物，其特征在于至少2重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑；至少16重量％的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑；32重量％以下的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑；30重量％以下的球粒具有0.85-1.0毫米的直徑；至少5％的球粒具有0.71-0.85毫米的直徑。
36.如以上權(quán)利要求27-33中任一項(xiàng)所述的支撐劑混合物，其特征在于中值直徑至少為1.10毫米。
37.如權(quán)利要求36所述的支撐劑混合物，其特征在于至少2重量％的球粒具有1.7-2.0毫米的直徑；至少16重量％的球粒具有1.4-1.7毫米的直徑；32重量％以下的球粒具有1.18-1.4毫米的直徑；30重量％以下的球粒具有1.0-1.18毫米的直徑；至少5％的球粒具有0.85-1.0毫米的直徑。
38.對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)支撐的方法，包括將球粒與液體或凝膠混合成混合物，在壓力作用下將混合物壓入地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，直到球粒位于結(jié)構(gòu)的裂縫中，這些球粒具有一定的中值直徑，用選自10，12，14，16，18，20，25，30，35，40和45的ASTM美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩目尺寸的篩目序列過(guò)篩支撐劑混合物時(shí)，該中值直徑位于對(duì)應(yīng)于該序列中一個(gè)篩網(wǎng)的中值篩目尺寸中，而且其中0-25重量％的球粒保留在該序列中值篩目之前的第二個(gè)的篩網(wǎng)篩網(wǎng)上；15-33重量％的球粒保留在該序列中值篩目之前的第一個(gè)的篩網(wǎng)篩網(wǎng)上；15-33重量％的球粒保留在中值篩目的篩網(wǎng)上；15-35重量％的球粒保留在該序列中值篩目之后的第一個(gè)的篩網(wǎng)篩網(wǎng)上。
全文摘要
與窄粒徑分布的傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，具有寬粒徑分布的支撐劑混合物表現(xiàn)出改良的性質(zhì)，例如壓碎強(qiáng)度和導(dǎo)通率。
文檔編號(hào)E21B43/267GK1753846SQ200480005438
公開(kāi)日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2004年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月24日
發(fā)明者R·A·韋伯, D·L·米克爾森, S·K·舒巴特, E·M·斯尼德, A·T·謝帕德 申請(qǐng)人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司