[发明专利]用作油和气井水力压裂支撑剂的，包含普通粘土颗粒材料的球状颗粒

说明书

相关申请

本申请要求2012年6月26日提交的、名称为“用作油和气井的水力压裂支撑剂的，包含普通粘土颗粒材料的球状颗粒”的美国临时申请No.61/664,591的优先权，并以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开主要涉及水力压裂领域，更具体地涉及陶瓷支撑剂(propping agent)或“支撑剂(proppant)”。

背景技术

水力压裂(Hydraulic fracturing)，经常指的是能源工业中的“水力压裂(fracking)”，是一种用于增加油和/或天然气井的产量的增产技术。

水力压裂工艺涉及将液体以高速和高压注射到岩层，以扩宽存在于岩石中的开口或者在岩层中创造新的裂缝。一旦裂缝被创造，包含颗粒材料的液体，一般指的是支撑剂(propping agent)或“支撑剂(proppant)”，将被泵入新创造的裂缝中，以保持该开口。这种工艺通过增加的渗透能力，允许烃(例如，油和/或天然气)在绷紧的地下结构中更简单和更有效地流动。

水力压裂越来越多地被用于改善低渗透能力储层中的油和/或天然气井的产量。以前用作支撑剂的原材料包括：沙子(最普通的支撑剂)，坚果壳，铝和铝合金，木片，碎焦炭，颗粒状的炉渣，粉煤，压碎的岩石，金属，例如钢的微粒，烧结的铝土矿，烧结的氧化铝，耐火材料，例如莫来石，以及玻璃珠。

随着水力压裂相关技术的发展和改进，在工业上已经认识到了制造球状支撑剂本体的优点。特别是使用经历“干”或“湿”制造技术的颗粒材料来制造陶瓷支撑剂。

已发现陶瓷支撑剂会产生比一些更普通和便宜的支撑剂更稳定和有效的产量。基于其增加的强度以及尺寸和形状的均一性，陶瓷支撑剂已经显示出具有更多的有利特点。由于一些限制，陶瓷支撑剂在过去并没有像其他支撑剂一样被广泛利用。

历史上用于制造陶瓷支撑剂的普通矿物颗粒的特点是高氧化铝含量。这在制造工艺中带来困难，因为很多矿物颗粒沉积层供应有限并且只有在特定的地理位置才能获得。原材料的匮乏导致制造设备位于离油和/或天然气井较远的位置，并在该较远的位置处利用它们，因此产生了所述支撑剂的更高的运输费用。

多年来在油和气工业中，所期望的是：更高强度以及更有效率的，并且具有更经济的制造方法的陶瓷支撑剂。

发明内容

本发明涉及一种陶瓷支撑剂(propping agent)或“支撑剂(proppant)”。

为了描述以下实施方案，术语“微粒陶瓷(particulate ceramic)”指的是一种期望得到的组合物，其用于油和/或天然气井(或者其他油气矿床)中作为陶瓷支撑剂。术语“矿物颗粒(mineral particulate)”指的是用于制备特定陶瓷支撑剂的原材料。在一个实施方案中，期望的支撑剂可以限定为一种微粒陶瓷，其由包括以下组成的原材料制备得到：约10％-90％重量份的天然形成的矿物颗粒，约30％-70％重量份的铝硅酸盐网格修饰体，约0.25％-20％重量份的增强剂，以及至少1份，典型地少于10％重量份的粘合剂。

如下面描述的实施方案所示，普通粘土可以与其他材料结合以增强微粒陶瓷的压碎强度。“铝硅酸盐网格修饰体”可以选自各种修饰体，其包括但不限于下列物质的一种或多种：高岭土、偏高岭土、铝土矿、铝土矿粘土、氧化铝、以及其它金属氧化物。微粒陶瓷的一些实施方案可包含约30％-70％的铝硅酸盐网格修饰体。本发明的一个实施方案提供的微粒陶瓷中，偏高岭土作为铝硅酸盐网格修饰体，0.25％-20％重量的霞石正长岩作为强度增强剂以及助溶剂。该材料颗粒和铝硅酸盐网格修饰体可以未煅烧的、部分煅烧的或者煅烧的形式进行利用。

在一个实施方案中，普通粘土被磨碎并凝聚精细磨碎的铝酸盐网格修饰体、强度增强剂、水，并且在一些实施方案中，还有粘合剂。该粘合剂可以选自，但不限于以下物质的一种或多种：玉米淀粉，聚乙烯醇(“PVA”)，或纤维素胶(“CMC”)。这个过程的结果是，各种组分形成具有最期望的筛目尺寸的，且能够满足他们的目的固态球状颗粒，例如，用于油和/或天然气井的水力压裂。在一些实施方案中，“生坯(green body)”颗粒将在窑中烧制，或者以其它方式在约1200℃-约1800℃的温度范围内加热约30-约60min，并且在最高温度时保温约15-约30min。