專利名稱：支撐劑及其制備方法
支撐劑及其制備方法本發(fā)明涉及石油和天然氣開(kāi)采工業(yè)，并且可以用于提高油田井的開(kāi)采 量，因?yàn)槠渫ㄟ^(guò)在產(chǎn)油地層的水力壓裂過(guò)程中泵送支撐顆粒(支撐劑)而防 止裂縫閉合。目前，水力壓裂對(duì)于烴開(kāi)采是最先進(jìn)的增產(chǎn)方法。水力壓裂法的本質(zhì) 是在高壓下向含油和含氣的儲(chǔ)層中注入粘性流體，這樣導(dǎo)致用于流體流動(dòng) 的裂縫開(kāi)口的增大。為了保持裂縫張開(kāi)，通過(guò)載體流體將球形顆粒(支撐劑) 輸送到裂縫中并且該支撐劑填充裂縫，從而形成地層流體仍然可滲透的強(qiáng) 支撐填料。為了經(jīng)得起高的地層壓力并抵抗在高溫下腐蝕性介質(zhì)(水分、酸性氣體、鹽水)的影響，使支撐劑粒子變得足夠強(qiáng)。石英砂、鋁土礦、高嶺 土、氧化鋁以及不同的二氧化硅-氧化鋁類型的原料被用作制備支撐劑的原 料。 '粒子的球形度和圓度以及它們的尺寸和形狀的均勻性是支撐劑的重要 性質(zhì)。所述性質(zhì)對(duì)于裂縫中的支撐劑填料的滲透性是關(guān)鍵的，因而對(duì)于烴 流體從裂縫表面流過(guò)支撐劑填料的空間的能力是關(guān)鍵的。目前，有多種已知的方法用于顯著減少支撐劑微?；蚱渌蝿牧?縫的返排。最通常使用的方法基于固化性樹(shù)脂包覆的支撐劑(美國(guó)專利5,218,038) 的應(yīng)用，該支撐劑在處理結(jié)束時(shí)被泵送到裂縫中。然而，對(duì)于這種支撐劑 的應(yīng)用，有許多強(qiáng)加的明顯限制；這些限制是由樹(shù)脂包覆層和壓裂液之間 的化學(xué)副反應(yīng)所引起的。 一方面，這種相互作用導(dǎo)致樹(shù)脂包覆層的部分降 解和分裂，從而降低了支撐劑粒子之間的粘附強(qiáng)度，由此降低了支撐劑填 充的強(qiáng)度。另一方面，樹(shù)脂包覆層組分和壓裂液之間的相互作用導(dǎo)致流體 流變性的不可控變化。這也降低了水力壓裂法的效率。上述列出的因素以 及在完井和關(guān)井(或長(zhǎng)關(guān)井時(shí)間)過(guò)程中的周期性載荷可能損害支撐劑填料 的強(qiáng)度。而且，有一種己知的方法(美國(guó)專利6,059，034)是將固體支撐劑和由珠粒子由聚合物材料制成?？勺冃尉酆衔锪Ｗ拥男螤羁梢允遣煌?橢圓形、楔形、立方形、棒狀、圓柱形或錐形)，但是最大的長(zhǎng)度/底部的縱橫比優(yōu)選小于或等于5。球形塑料珠子 或具有實(shí)心核和可變形包覆層的復(fù)合粒子也可以用作可變形粒子。通常地，不可變形核的體積為粒子總體積的約50至90體積％。實(shí)心核可以是 石英、方晶石、石墨、石膏或滑石。在另一個(gè)實(shí)施方案(美國(guó)專利6,330，916)中，支撐劑核由可變形材料構(gòu) 成并且可以包含磨碎或壓碎的材料，例如，堅(jiān)果殼、種子的殼、水果核和 加工過(guò)的木材。為了固定支撐劑并限制它的移除，我們可以使用支撐劑與粘合劑聚合 物材料的混合物(美國(guó)專利5582249)。粘合劑組合物與支撐劑的粒子進(jìn)行 機(jī)械接觸，以增粘層形式包裹并且覆蓋它們。這導(dǎo)致粒子之間，以及與支 撐劑中砂或壓碎的碎片的增粘，從而使得顯著地或完全地防止了固體粒子 的返排。即使在高溫下，增粘化合物大部分也長(zhǎng)時(shí)間保持粘性，從而避免 交聯(lián)或固化。增粘材料可以與通常應(yīng)用于壓裂處理的其它化學(xué)品，即抑制劑、殺菌 劑、聚合物凝膠破膠劑以及蠟形成和腐蝕的抑制劑組合(美國(guó)專利 6,209,643)。有一種已知的方法(美國(guó)專利7,032,667)是通過(guò)使用增粘劑和樹(shù)脂包覆 的支撐劑來(lái)支撐裂縫。美國(guó)專利6,742，590教導(dǎo)了通過(guò)輸送與可變形微粒 混合的增粘包覆微粒(可變形微粒已經(jīng)是返排控制的有效手段)來(lái)控制支撐 劑返排的方法。支撐劑返排控制的已知方法在制備上昂貴并且難于進(jìn)行。除此之外， 用于支撐劑返排控制的上述材料，包括具有固化性樹(shù)脂包覆層的支撐劑的 使用還導(dǎo)致支撐劑填料的滲透性顯著降低。本發(fā)明通過(guò)提供球形或橢圓形粗糙表面的支撐劑的制備方法，以及用 于支撐劑返排控制的支撐劑輸送方法，解決了列出的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)效果是通過(guò)使用水力壓裂使儲(chǔ)層的增產(chǎn)得到提高。水力壓裂的這種改進(jìn)是通過(guò)泵送具有粗糙表面的支撐劑而實(shí)現(xiàn)的。微 粒是球形或橢圓形，并且由陶瓷、聚合物、金屬或玻璃制成，具有以下范圍內(nèi)的表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)A和B: A = 0.0085-0.85; B = 0.001-1.0。粒子表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)是由下列式給定的其中n是按l mn^的支撐劑表面計(jì)的凹凸不平的平均數(shù)量，h是凹 凸不平的平均高度，而D是在球體的情況下的支撐劑粒子直徑，或橢圓形、 薄片形、圓柱形、管狀顆?；蚱渌乔蛐涡螤畹念w粒的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度。參數(shù)A表示凹凸不平(處于峰和孔穴的形狀-參見(jiàn)附圖)之間的平均距 離與在球體情況下的支撐劑顆粒直徑的比率、或與橢圓形和其它非球形形 狀的顆粒的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的比率。參數(shù)B提供了表面凹凸不平的平均高度(或深度)與在球體情況下的支 撐劑顆粒直徑的比率、或與橢圓形和其它非球形形狀的顆粒的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的 比率。除此之外，還可以同時(shí)采用陶瓷和聚合物材料的組合，和玻璃和金屬 組分的引入。附

圖1顯示了支撐劑顆粒1的截面的圖解，所述支撐劑顆粒1在表面 上具有峰2 - 6和孔穴7形式的凹凸不平。支撐劑顆?？梢跃哂邢铝蓄愋?的峰球狀、橢圓形或液滴狀2、金字塔形或錐形3、矩形或梯形4、線狀、 刺狀或板條狀5、圓頂狀6以及它們的組合。在表面上的峰和空穴的分布可以是任意或規(guī)則的。在支撐劑的表面上的凹凸不平2-6具有與支撐劑材料1相同的硬度或 具有更低/更高的硬度。在本發(fā)明中描述的支撐劑顆粒形狀提供在完井、清除、沖洗、酸處理 和其它處理過(guò)程中以及在井的開(kāi)采期間對(duì)支撐劑返排的高抵抗力。該方法 的效率是由支撐劑填料內(nèi)部的機(jī)械結(jié)合的產(chǎn)生來(lái)解釋的，所述機(jī)械結(jié)合是 由顆粒之間的高摩擦以及支撐劑表面上的峰與另一個(gè)支撐劑顆粒表面上 的空穴的部分配合引起的；這種結(jié)合還通過(guò)支撐劑細(xì)粉在支撐劑顆粒接觸 部位的壓實(shí)而增強(qiáng)。相互作用的一種特殊情況是硬的峰(3、 5、 6)部分刺入 相鄰支撐劑顆粒的表面。 '即使使用所提出的支撐劑的技術(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的，這種具有粗糙表面的支撐 劑的使用也顯著提高了對(duì)支撐劑返排的抵抗力，同時(shí)保持了支撐劑填料的 高滲透性。所提出的方法允許在整個(gè)壓裂處理過(guò)程中或僅在支撐階段的最終階 段使用支撐材料。標(biāo)準(zhǔn)支撐劑技術(shù)包括原料的制備、其混合、?；?、干燥和燒制。用所 提出的方法制備的支撐劑顆粒的特粗糙表面是在?；A段(顆粒成核或生 長(zhǎng))和/或在支撐劑燒制過(guò)程中產(chǎn)生的。在用所提出的技術(shù)制備支撐劑時(shí)，原料的選擇與常規(guī)技術(shù)相同。主要 原料是各種鋁土礦、粘土、高嶺土、燒結(jié)添加劑、結(jié)構(gòu)形成組分以及它們 的組合。原料組分按配方混合，然后?；?、干燥、燒制和篩分。然而，此 時(shí)，在?；?或燒制階段，粗糙和凹凸不平的產(chǎn)生是可控過(guò)程。注意，支 撐劑粒化可以通過(guò)干法或濕法進(jìn)行。根據(jù)方法實(shí)施方案的一個(gè)變型，在介于顆粒生長(zhǎng)階段和?；A段之間 的粉末化階段過(guò)程中，將陶瓷、聚合物、金屬、玻璃、粘合材料和它們的 組合添加到造粒機(jī)中。這種細(xì)陶瓷粉末化需要防止粗加工的支撐劑的粘附和填充(packing)。所添加的材料是粉末、粒料、纖維(或它們的組合)或陶 瓷、聚合物、金屬、玻璃或粘合粉末和/或纖維的各種附聚物，以及它們的 組合。在粉末化階段添加的材料產(chǎn)生至少一種類型的粗糙并且不平的表 面，其由標(biāo)準(zhǔn)1和2表示并且顯示在附圖中。在這個(gè)中間階段添加的材料 的量是基于在1 mi^的支撐劑表面上凹凸不平的平均數(shù)量、在球體情況下 支撐劑的平均高度和直徑計(jì)算的。根據(jù)這種方法，在?；螅M(jìn)行陶瓷 支撐劑技術(shù)的普通階段(干燥、篩分分級(jí)、燒制和最終篩分)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的第二變型，在將橢圓形、板狀(slated)、圓柱形、 管狀粒子或其它非球形粒子以及它們的組合成形的階段與采用原料粒子 結(jié)塊的細(xì)陶瓷粉末控制的表面粉末化階段之間，進(jìn)行另外的包覆階段。這 種另外的包覆層是由各類陶瓷、聚合物、金屬、玻璃、粘合材料以及它們 的組合物涂覆的，因而所述材料是粉末、顆?；蚶w維(或它們的組合)，或 陶瓷、聚合物、金屬、玻璃或粘合材料(粉末和/或纖維)的各種附聚物，和 它們的組合。這種另外的包覆層產(chǎn)生一種類型的粗糙和凹凸不平，其由關(guān)系式1和2表示并且顯示在附圖中。在給定的中間階段添加的材料量基于按1 mn^的支撐劑表面計(jì)的凹凸不平的平均數(shù)量、它們的平均高度/深度和 橢圓形和其它非球形形狀的粒子的主軸長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)這種方法，粒 子形成階段之后是陶瓷支撐劑技術(shù)的常規(guī)階段(干燥、篩分、燒制和最終篩 分)。然而，根據(jù)用于支撐劑制備的原料的種類，兩個(gè)實(shí)施方案均可省略粉 末化階段。除此之外，處理支撐劑表面以產(chǎn)生不平表面可以被分成數(shù)個(gè)階段，每 一個(gè)階段產(chǎn)生一種粗糙類型；這種處理是在顆粒生長(zhǎng)階段之后，因而所述 階段被粉末化階段中斷。在粗糙部分(roughness dement)和由任一所列步驟產(chǎn)生的粒子表面之間的粘附可以通過(guò)不同的增粘劑增強(qiáng)。這些增粘物質(zhì)可以以下列形式使 用-在粗糙沉積(roughness-depositing)階段之前以細(xì)粉包覆層形式涂覆于 粒子上；-與用于粗糙和凹凸不平的微粒預(yù)先混合； -這兩種方法的組合。在燒制階段之前的顆?？梢员涣硗獾陌矊犹沾伞⒉Ａ?、聚合物、 金屬、玻璃或粘合材料以及它們的組合增強(qiáng)。在用于支撐劑制備的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)(這包括燒制階段)中，燒制溫度必須使 相變完成，從而實(shí)現(xiàn)粒子所需的密度和強(qiáng)度。燒制溫度必須足以進(jìn)行陶瓷 表面的完全或部分閃燃(flashing);后一過(guò)程引起顆粒表面的部分變形。在粒化階段(在生長(zhǎng)階段和粉末化階段之間)，可以將熔點(diǎn)低于主顆粒 的燒結(jié)溫度的包覆層沉積在半成品顆粒上。這易熔融層使粗糙產(chǎn)生微粒緊 密地保持在現(xiàn)成顆粒的表面上。通過(guò)應(yīng)用熔融溫度低于顆粒體的熔融溫度的粉末化試劑，可以實(shí)現(xiàn)相 同的目標(biāo)。在另一個(gè)方面，支撐劑制備方法包括在燒制和分級(jí)之間的其它階段將支撐劑粒子與陶瓷、聚合物、金屬、玻璃、膠結(jié)劑材料和它們的組合物 (這些材料可以為粉末、顆粒、纖維或它們的組合的形式)，或陶瓷、聚合物、金屬、玻璃、膠結(jié)劑粉末和/或纖維的各種附聚物以及它們的組合混合; 這些材料粘附到支撐劑上并且產(chǎn)生至少一種類型的粗糙和凹凸不平，其由式1和2表示并且顯示在附圖中。因而，在中間階段添加的材料的量基于 1 mii^的支撐劑表面上的凹凸不平的平均數(shù)量、凹凸不平的平均高度和支 撐劑直徑(對(duì)于球體而言)進(jìn)行計(jì)算。所制備的支撐劑通過(guò)水力壓裂的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)使用。具體地，所開(kāi)發(fā)的支撐劑的優(yōu)點(diǎn)在井群，即在相同的條件下進(jìn)行測(cè)量。1. 在西部的西伯利亞油田中，在3700m的深度，在典型的條件下，并 且預(yù)期開(kāi)采量為80 - 140 mV天的情況下，進(jìn)行水力壓裂。泵送常規(guī)的球 形陶瓷支撐劑(平滑表面)導(dǎo)致的井開(kāi)采量為90 mV天。2. 在相同的條件和相同的支撐劑組成下，但是利用人造粗糙表面(由 本發(fā)明的式中的第一標(biāo)準(zhǔn)表示)，水力壓裂導(dǎo)致的井開(kāi)采速率為約117 m3/ 天，而預(yù)期的開(kāi)采量范圍為80- 140MV天。在其它條件相同的情況下，將所開(kāi)發(fā)的支撐劑代替平滑表面支撐劑使 用使得井開(kāi)采速率提高了約30 %。
權(quán)利要求
1.支撐劑，所述支撐劑是由陶瓷、聚合物、金屬或玻璃制成，并且與普通支撐劑相比具有更高粗糙度的球形或橢圓形微粒，其中所述表面粗糙度不均勻，并且由在以下區(qū)間內(nèi)變化的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)A和B表示A＝0.0085-0.85；B＝0.001-1.0。
2. 支撐劑制備方法，所述方法包括原料的制備、混合、?；?、干燥、 燒制，其中在所述粒化階段和/或所述燒制階段增加產(chǎn)生表面粗糙度的另外 的階段。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中將陶瓷、聚合物、金屬、玻璃、膠 結(jié)材料或它們的混合物添加到造粒機(jī)中。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中使用粉末、顆?；蚶w維以及它們的 組合，或陶瓷、聚合物、金屬、玻璃和膠結(jié)劑粉末和/或纖維的各種附聚物 以及它們的混合物。
5. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中在數(shù)個(gè)階段內(nèi)進(jìn)行所述的產(chǎn)生粗糙 度的處理，由此這些階段被粉末化階段中斷。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中在顆粒生長(zhǎng)階段之后的不同階段， 產(chǎn)生各種形式的粗糙和凹凸不平。
7. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中另外使用增粘劑以使粗糙微粒和顆 粒表面之間的粘附性更高。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中將所述增粘劑在粗糙階段之前以薄層形式沉積在所述顆粒上，和/或?qū)⑺鲈稣硠┡c用于產(chǎn)生粗糙的微?；?合。
9. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述燒制階段之前，將增強(qiáng)的陶 瓷、玻璃、聚合物、金屬、膠結(jié)劑涂料或它們的混合物沉積在粒子上。
10. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述燒制階段的溫度對(duì)于在所述 燒制階段過(guò)程中陶瓷表面的部分閃燃以及表面褶曲是足夠高的。
11. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述顆粒上沉積熔融溫度低于 顆粒基材的熔融溫度的另外的層。
12. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述?；A段過(guò)程中半成品顆粒的粉末化是使用熔融溫度低于顆粒基材的熔融溫度的粉末進(jìn)行的。
13.如權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述燒制階段之后添加陶瓷、聚合物、金屬、玻璃、膠結(jié)劑粉末和/或纖維或它們的混合物；所述材料粘 附到支撐劑上并且產(chǎn)生至少一種形式的粗糙和凹凸不平。
全文摘要
本發(fā)明涉及石油和天然氣開(kāi)采工業(yè)，并且可以用于提高油田井的開(kāi)采量，因?yàn)槠渫ㄟ^(guò)在產(chǎn)油地層的水力壓裂過(guò)程中泵送支撐顆粒(支撐劑)而防止裂縫閉合。通過(guò)使用水力壓裂提高儲(chǔ)層的增產(chǎn)是采用這樣的支撐劑提供的，所述支撐劑是由陶瓷、聚合物、金屬或玻璃制成，并且與普通支撐劑相比具有更高粗糙度的球形或橢圓形微粒，其中所述表面粗糙度不均勻，并且由在以下區(qū)間內(nèi)變化的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)A和B表示A＝0.0085-0.85；B＝0.001-1.0。支撐劑制備方法包括原料的制備、混合、粒化、干燥、燒制，其中在所述?；A段和/或所述燒制階段增加產(chǎn)生表面粗糙度的另外階段。
文檔編號(hào)C09K8/80GK101617019SQ200880005898
公開(kāi)日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月22日
發(fā)明者喬納森·埃博特, 葉夫根尼·鮑里索維奇·巴爾馬托夫, 埃萊娜·米哈伊洛夫娜·佩爾?？仆? 康斯坦丁·米哈伊洛維奇·利亞普諾夫 申請(qǐng)人:普拉德研究及開(kāi)發(fā)股份有限公司