[发明专利]用于生产支撑剂的挤出工艺

说明书

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2011年1月25日提交的在先美国临时专利申请No.61/435,938的权利，其全部内容引入本文供参考。

背景技术

许多粒状颗粒(particle)被广泛用作支撑剂，以在油气地层中保持渗透性。通常使用三个等级的支撑剂：砂、树脂涂布的砂、和陶瓷支撑剂。常规支撑剂呈现杰出的抗碎强度以及极端的密度。陶瓷支撑剂的典型密度超过100磅/立方英尺。当用于油气井时，支撑剂是在水力压裂过程期间在载体溶液(典型地为盐水)中以极端压力泵送到油井或气井中的材料。一旦泵送引起的压力被除去，支撑剂在岩层(rock formation)中“支撑”开裂缝(fracture)，并且因此阻止所述裂缝闭合。结果，暴露于井眼(well bore)的地层表面积的量增加，从而使采收速度提高。支撑剂还增加地层的机械强度，并且因此有助于保持随着时间流逝的流速。支撑剂主要用于气井，但是在油井中也找到应用。

相关的质量参数(尤其是当支撑剂用于增强油气生产时)包括：颗粒密度(低密度是期望的)、抗碎强度和硬度、粒度(值取决于地层类型)、粒度分布(紧密分布期望的)、颗粒形状(期望球形)、孔径(值取决于地层类型和粒度，通常越小越好)、孔径分布(紧密分布是期望的)、表面平滑度、耐腐蚀性、温度稳定性和亲水性(期望水中性的到疏水性的)。较轻比重的支撑剂可为期望的，因为它们更容易在压裂液(fracturing fluid)中输送，并且因此可以在沉降之前被更远地运送到裂缝中，并且与较高比重的支撑剂相比，可以产生更宽的被支撑的裂缝。

用于油气工业的支撑剂经常是砂和人造陶瓷。砂的成本低，并且与其它支撑剂材料相比密度适中，但是砂具有低的强度。人造陶瓷、主要是铝土矿基陶瓷或莫来石基陶瓷，比砂坚固得多，但是比砂致密得多，并且更昂贵。陶瓷支撑剂在抗碎强度和硬度的临界尺寸上优于砂和树脂涂布的砂。它们还在最大可实现的粒度、腐蚀和温度性能方面提供了一些益处。大量的理论建模和实际情况的经验表明：对于大多数地层，常规的陶瓷支撑剂提供了相对于砂或树脂涂布的砂令人注目的益处。相对于常规砂方案而言陶瓷驱动的流速和采收率改善20%或更多是常见的。

当前的陶瓷支撑剂通常用于深度为中等到深的井。浅井通常使用砂或不使用支撑剂。陶瓷支撑剂最初是为了用于深井(例如，深于7,500英尺的那些)中而开发的，在所述深井中砂的抗碎强度不足。在拓展其可应用的市场的尝试中，陶瓷支撑剂制造商已经引入专注于中等深度井的产品。

树脂涂布的砂相对于常规的砂提供了许多优点。首先，树脂涂布的砂与未涂布的砂相比呈现出更高的抗碎强度，因为树脂涂层将负荷分散在更宽广的面积上，从而降低支撑剂内的应力。第二，树脂涂布的砂是“粘性的”，并且因此，相对于常规的砂支撑剂而言，显示出减少的“支撑剂回流”。换句话说，树脂涂布的砂支撑剂更有可能留在地层中。第三，树脂涂层通常增加支撑剂的球度和圆度，由此减少通过支撑剂充填层(pack)的流动阻力。

陶瓷支撑剂方面最近的发展已经追求在降低支撑剂密度的同时保持抗碎强度。作为实例，已经将孔隙引入支撑剂坯(主体，body)中。在支撑剂坯中引入孔通常对应于降低的强度。

在支撑剂向油气地层的各施加中，一些支撑剂被压碎。多孔的陶瓷支撑剂倾向于产生显著量的可从地层运送的细颗粒。细粒必须被过滤，并且可磨损在井生产期间使用的设备。

陶瓷支撑剂通常使用标准系列(序列，series)的工艺形成：

1)混合生坯材料

2)形成生坯形状

3)将生坯烧结成最终的陶瓷支撑剂。

生产陶瓷颗粒如支撑剂的传统工艺是费时并且昂贵的。原材料通常预先研磨(pre-grind)到规定尺寸(to size)。然后将该规定尺寸的(sized)材料转移到具有针对强剪切的介质的混合机中，以便形成均匀的分散体或生坯材料。然后通过另外的工艺如喷雾干燥、压实或碾磨(milling)，使生坯材料形成为颗粒。如果期望多层陶瓷颗粒构造，则该成形工艺可以重复数次。无论是以单层工艺还是以多层工艺形成的稳定的、未烧结的颗粒均称为“生坯”。最后，将生坯烧结，以产生最终的陶瓷、玻璃-陶瓷或复合物。该工艺中的多个步骤需要很多件设备、大的制造区域，并且需要将材料从一件设备转移到下一件设备。该常规工艺中的大多数步骤是间歇操作。