[发明专利]由浆滴形成的支撑剂颗粒及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及在地球中地下岩层的水力压裂。更具体地，本发明提供从细碎陶瓷材料的浆料的喷嘴由振动诱导滴落(vibration-induced dripping)形成的烧结陶瓷支撑剂颗粒，以及所述颗粒的使用方法。

背景技术

水力压裂是将液体以高速率和高压力泵压到井下并压入地下岩层中从而在井周围的岩石中形成裂缝的过程。在泵压足以适当扩大裂缝的液体体积之后，将被称为“支撑剂”的固体颗粒加入到液体中。泵压完成后，打开井用于碳氢化合物的生产。压裂处理后，从井生产流体的生产速率通常明显增加。自从该方法最初在1949年获得专利(美国专利Nos.2,596,843和2,596,844)以来，已经对水力压裂方法研发出了大幅改进。

首先用于井的水力压裂的支撑剂的材料是硅砂。随着井变得更深，发现砂强度不足。在深井中，地球的压力导致砂粉碎，因而在提高井的生产速率方面变得不那么有效。

开发了合成支撑剂材料以提供更高强度的支撑剂。原来的合成烧结支撑剂是烧结铝土矿。在后来的几年中，已经使用各种陶瓷原料来制造烧结陶瓷支撑剂，包括含有较少量氧化铝的铝土矿和粘土矿物如高岭土。已经发现陶瓷颗粒的强度通常随着颗粒中铝氧化物(氧化铝)的量而增加，所有其它因素保持不变。

制备合成支撑剂颗粒的一般方法是获得陶瓷原料，将其研磨成细粉末，将其形成丸粒(称为“生球”(green)丸粒))，并在窑中烧结生球丸粒。最终产品是尺寸范围适合于支撑剂的陶瓷丸粒，约70目至12目(直径0.008英寸至0.067英寸)。根据井条件，使用不同尺寸的丸粒。

已经提出了用于形成支撑剂的丸粒的各种方法。在早期的工作中，美国专利No.4,427,068描述了通过将粘土和氧化铝、铝土矿或其混合物的干粉添加到高强度混合器(下文中被称为“干式混合法”)中来形成烧结陶瓷丸粒的方法。搅拌粉末状细粒陶瓷起始成分(陶瓷原料)，形成干的均匀混合物。然后，加入足够的水使细小的起始粉尘颗粒聚集，从而由粉末形成小的复合球形丸粒。允许持续的混合时间，以便使小丸粒生长至所期望的尺寸。在丸粒形成阶段期间，产生宽范围的尺寸。优选的混合装置是从Eirich Machines，Inc.获得的，并且被称为Eirich混合器。所得到丸粒被干燥并烧结成最终的支撑剂颗粒。在过去几年中，工业上制造的大部分陶瓷支撑剂都是用这种丸粒形成方法制成的。

美国专利No.4,440,866公开了用于生产丸粒的替代方法，该丸粒被烧结以产生高强度丸粒。使用具有粘合剂的含水铝矿悬浮液的连续喷雾/造粒形成随后被烧结的小颗粒(下文中被称为“喷雾流化床法”)。该方法的所有步骤可以以连续的方式进行。将含有陶瓷原料的水性悬浮液连续地雾化并进料到在热干燥空气流中流化的已经部分干燥的小起始粉尘颗粒(通常称为种子)的层中。将水性陶瓷原料悬浮液连续喷雾并干燥到种子颗粒上，直到达到所期望的最终生球颗粒直径。在该方法中产生的颗粒具有的尺寸范围比典型地通过美国专利No.第4,427,068的干燥方法产生的那些颗粒尺寸范围更窄，但仍然有足够的变化，必需进一步处理。颗粒从流化层连续地回收，并且所期望尺寸的颗粒与过大尺寸和过小尺寸的产物级分分离。材料在干燥空气流中连续循环利用。这种喷雾流化床法也被用于在工业上生产大量的陶瓷支撑剂。

上文描述的丸粒形成方法具有固有的限制。由于转子和锅的搅动的随机性，干混法产生极宽范围的生球丸粒尺寸。喷雾流化床法产生了一些更紧凑的生球丸粒尺寸分布，但仍然比所期望的分布要宽得多。这些方法在制造过程中需要广泛的筛选和循环利用。在最佳制造条件下，约30％的生球颗粒必须通过丸粒形成方法循环使用。干混法和喷雾流化床法二者还会产生丸粒中的孔径的随机分布，包括一小部分显着降低丸粒强度的非常大的孔。主要考虑烧结丸粒的强度，因为如果丸粒在裂缝中的高压力下破裂，则裂缝的通流能力下降，并且水力压裂处理不太有效。通过这些工艺生产的颗粒的球形度和表面光滑度也是重要的，高球形度和非常光滑的表面在传统上是最期望的。所有这些特征都受到丸粒形成方法的强烈影响。