[发明专利]陶粒支撑剂及其制造方法

说明书

本发明涉及一种陶粒支撑剂的生产方法，包括制备原始装载材料的步骤(该步骤包括研磨原料，具体而言是含镁材料和辅助材料)，从而生产出装载材料，将装载材料造粒，生产支撑剂前体颗粒，并烧制支撑剂前体颗粒，从而生产支撑剂颗粒，其中所述方法包括在还原空气中预烧制含镁材料的步骤。本发明还涉及通过所述方法生产的陶粒支撑剂。

技术领域

本发明涉及石油和天然气生产工业领域，即陶粒支撑剂的制造技术，用于通过地层水力压裂(HF)方法生产石油或天然气。

背景技术

水力压裂是一种提高石油或天然气开采井的生产率的方法，是指以足够高的速率和压力，将注入流体注入到含油或含气地下地层，以便在地层中形成裂缝，增加流体从油或气藏到井中的流动。

为了使裂缝保持开放状态，可将不与井眼流体反应的强机械性支撑剂注入裂缝中。此类支撑剂为球形颗粒(支撑剂)，通过流体渗透裂缝，至少部分地填充裂缝，形成可渗透的强支撑框架，以便油和气从地层中释放。

通常，支撑剂为固体材料，可用于在水力压裂过程中或之后将引起的水力压裂保持在开放状态。将进行水力压裂时，可将支撑剂添加到井处理流体中，再将支撑剂插入地下地层中。井处理流体的组分可根据地层类型而变化。传统的支撑剂包括砂(最常见的类型)、坚果壳、铝和铝合金、碎焦煤、颗粒状矿渣、煤粉、碎石、金属颗粒(例如，钢、烧结铝土矿、烧结氧化铝、耐火材料(例如，莫来石和玻璃颗粒)，以及人造陶瓷材料和聚合物等材料。

选择适合特定井的材料非常重要，原因是支撑剂不仅需抵抗高储层压力从而使支撑剂颗粒易于变形(可能导致裂缝闭合)，还需承受侵蚀性井眼介质(水分、酸性气体、盐溶液)在高温下产生的影响。

人们已发现，通常，陶粒支撑剂相比许多其他类型的材料具有有利的特性，例如，具有耐久性，粒径和形状非常均匀。

然而，虽然陶粒支撑剂足够耐用且有效，且可以经济有效的方式生产，但人们应创造出具有改进型机械特性(例如，耐久性、渗透性、比重(堆积密度)、水热稳定性和耐酸性)的新支撑剂，及其有效的生产方法。

支撑剂的生产技术方案，即支撑剂(专利号为US5188175的美国专利)，以球形陶瓷颗粒为代表，所述陶瓷颗粒由含有铝、硅、铁和钛的氧化物的烧结高岭土制成，其中氧化物在所述颗粒中的存在比例(重量百分比(wt％))如下：氧化铝：25-40、氧化硅：50-65、氧化铁：1.6、氧化钛：2.6。然而，所述支撑剂的耐久性很低，仅适用于压力小于8000psi的中深井。

另外，专利号为RU2235703C1的俄罗斯联邦专利公开了一种镁硅酸盐材料陶粒支撑剂的生产方法，其中镁橄榄石含量为55-80％(wt/wt)。根据所述方法，可将镁橄榄石基原始陶瓷材料在1150至1350℃的温度下研磨、造粒和烧制。

该公开方法的缺点在于，水热条件下，镁橄榄石会部分水合，因此大大降低了支撑剂颗粒的机械耐久性。

专利号为RU2235702C2的俄罗斯联邦专利公开了一种类似的方法，其中硅酸镁前体由具有约40％(wt/wt)的MgO和约60％(wt/wt)的SiO₂的偏硅酸镁组成。由于烧结范围(ΔТ_max为10至20℃)很小，因此生产此类支撑剂非常困难且昂贵。另外，由于烧结温度范围很小，标准工业条件下，在回转窑中进行烧制会导致多孔支撑剂颗粒未燃烧，而熔融支撑剂颗粒过度燃烧。

因此，工业条件下实际获得的支撑剂的耐久性、耐酸性和水热稳定性明显低于实验室条件下获得的批次产品。此外，烧结范围很小，则需要支撑剂材料在烧结温度下具有较长的固化时间，以便实现均匀的温度分布。这会导致硅酸镁晶体在冷却过程中生长并相变，也降低了所得支撑剂的质量。

因此，所公开方法和由此获得的产品的缺点在于，所得支撑剂具有较低机械特性(具体而言，耐久性值较低)，也会导致支撑剂层在高压下的渗透性较低。