[发明专利]高强度陶瓷元件及其制造方法和使用方法

说明书

发明领域

本发明一般涉及用于各种工业应用的陶瓷元件。其中一些应用包括使用陶 瓷元件用于以下用途：作为促进从地质层组中取出液体和/或气体的支撑剂 (proppant)；作为用于擦洗，研磨或抛光的介质；作为化学反应器中的床支撑 介质；作为传热介质；和作为过滤介质。更具体地，本发明能用于需要高抗碾 性的陶瓷球的应用。更具体地，本发明涉及可用于地质层组中的支撑剂，地质 层组中，施加在支撑剂上的压力超过常规支撑剂如砂和树脂覆膜砂的抗碾性。

涉及支撑剂的专利和公开的专利申请的例子包括：US 4,632,876；US 7,067,445；以及US 2006/0177661。

发明概述

在一个实施方式中，本发明可以是球形陶瓷元件，该陶瓷元件包含固定于 烧结层的已烧结基体(base)。该基体具有一定的热膨胀系数，烧结层具有一定 的热膨胀系数。基体的热膨胀系数大于所述层的热膨胀系数。基体在烧结层上 施加压缩力。

在另一个实施方式中，本发明可以是制造陶瓷元件的方法。该方法可包括 以下步骤。由可烧结的陶瓷材料形成球形的未烧结基体。将可烧结材料的未烧 结层沉积在基体的表面，因而形成具有涂覆了至少一层的基体的球形未烧结复 合材料。通过使所述复合材料经历完整的热循环，在陶瓷元件上施加压缩力， 所述热循环包括热量斜线上升阶段和热量冷却阶段。在斜线上升阶段中，基体 的粘结和收缩大于所述层。在冷却阶段之后，基体在所述层上施加压缩力。

在另一个实施方式中，本发明可以是制造陶瓷元件的方法。该方法包括以 下步骤。由可烧结的陶瓷材料形成球形的未烧结基体。在基体表面上沉积可烧 结材料的未烧结层，因而形成具有涂覆了至少一个层的基体的球形未烧结复合 材料。使所述复合材料经历完整的热循环，所述热循环至少包括第一热量斜线 上升阶段和最后热量冷却阶段。第一斜线上升阶段开始后，基体收缩，所述层 向基体施加压缩力。最后冷却阶段开始后，至少一部分的层与基体分离。

在又一个实施方式中，本发明可以是另一种制造陶瓷元件的方法。该方法 可以包括以下步骤。由可烧结的陶瓷材料形成球形的未烧结基体。对基体加热 以实现基体的至少部分烧结。在基体表面上沉积可烧结材料的未烧结层，因而 形成具有涂覆了未烧结层的至少部分烧结的基体的球形复合材料。使复合材料 经历完整的热循环，热循环温度超过基体和层的烧结温度。在热循环期间，基 体和层相互粘结，并且基体的收缩在层上施加压缩力。

本发明可以涉及支撑地质层组的方法。该方法可以包括以下步骤：使多个 支撑剂与流体混合，形成可流动的混合物，并在压力下迫使该混合物进入地质 层组，直到将至少一部分的支撑剂设置在层组的裂纹中，其中，至少5重量％ 的支撑剂各自包含固定于烧结层的已烧结基体，所述基体在所述层上施加压缩 力。

本发明可以涉及另一种支撑地质层组的方法。该方法可以包括使多个支撑 剂与液体混合形成可流动混合物的步骤。所述支撑剂包含粘结于烧结层的已烧 结基体，所述基体在所述层上施加初始力。在压力下将该混合物设置在地质层 组中，直到多个支撑剂中的至少一部分插入层组的裂缝中。利用由地质层组提 供的地下热量来加热支撑剂，所述热量使得在所述层上施加净压缩力，而该净 压缩力超过所述初始力。

如本文中所用，“烧结”表示通过施加热量使颗粒结合。烧结通常导致致 密化，但并不是所有情况都如此。

支撑剂的“抗碾性”是常用的术语，表示支撑剂的强度，可采用ISO 13503-2：2006(E)确定。高强度的支撑剂产生的抗碾性(以重量％表示)小于 低强度的支撑剂。例如，具有2重量％抗碾性的支撑剂被认为是高强度支撑剂， 相对于10重量％抗碾性的低强度支撑剂而是优选的。

附图简述

图1显示假设对均质材料随温度的线性百分率变化的曲线图；

图2显示假设对两种材料随温度的线性百分率变化的曲线图；

图3是与本发明的支撑剂进行比较的常规支撑剂放大约100倍的照片；

图4是本发明第一实施方式的支撑剂放大约150倍的照片；

图5是本发明第二实施方式的支撑剂放大约120倍的照片；

图6显示本发明第一支撑剂制造方法的步骤；

图7显示本发明第二支撑剂制造方法的步骤；