[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

本发明涉及地球上地层的水压断裂。尤其提供了由来自粒状的陶瓷颗粒浆液的喷嘴中经过振动激励的浆液的微滴形成的烧结的陶瓷支撑剂颗粒，连同该颗粒的使用方法。

相关技术描述

水压断裂是一种在高速和高压下抽空井中的液体并且将液体泵入到地层的方法，从而在井周围的岩石中形成裂缝。在注入足够地用于充分使裂缝延伸的液体体积后，将固体颗粒（被称为“支撑剂”）添加到液体中。泵入完成后，井用于碳氢化合物的生产。经过裂缝处理后，流体的生产率一般会大幅度提高。自从1949年该方法最初被申请专利以来，水压断裂法已经得到改善。（美国专利号2,596,843和2,596,844）

在井的水压断裂中首次用作支撑剂的材料为硅砂。随着井变深，人们发现砂子具有的强度不够。在深井中，地应力引起砂子破碎并且使砂子在提高井的生产率上变得更加低效。

为提供强度更高的支撑剂合成的支撑剂材料得到了发展。最初合成的烧结支撑剂是烧结铝土矿。在随后的几年里，多种陶瓷原材料被用于制造烧结的陶瓷支撑剂，包括含有少量氧化铝和粘土矿物（高岭土）的铝土矿。一般来讲，人们发现在所有其他因素恒定时，陶瓷颗粒的强度随着颗粒中氧化铝的含量提高。

制造合成的支撑剂颗粒的一般步骤是取出陶瓷原材料，将其磨成细粉，使其形成小丸（被称为“生”丸），并且在窑炉里烧结生小丸。最终产品是在适合于支撑剂的尺寸范围的陶瓷球-从70目到80目（0.008英寸到0.067英寸）。依据井况使用不同尺寸的小丸。

多种用于形成支撑剂的小丸的方法已被提出。在早期的工作中，美国专利号4,427,068描述用于形成烧结的陶瓷小丸的方法，此方法将干燥的粘土和氧化铝的干粉、铝土矿或者混合物添加到高强度混合器中（下文被称为“干混法”）。粉细晶粒陶瓷初始成分（陶瓷原材料）被搅拌形成干燥的同相混合物。然后，添加足够的水使细的初始粉尘颗粒凝固从而由粉末形成小的复合球形小丸。为了使小丸增长到期望的尺寸，允许持续的混合时间。优选的混合设备从爱立许机械公司获得，并且其被称为艾氏混合器。产生的颗粒被烘干并且被烧结成最终的支撑剂颗粒。在过去的几年里，工业上制造的多数陶瓷支撑剂用这种形成小丸的方法制成。

美国专利号4，440,86公开了一种用于生产被烧结的小丸的替代方法以生产高强度的小丸。含有铝矿悬浮液的水性粘合剂的连续喷雾/造粒用于形成随后被烧结的小颗粒（下文被称为“喷雾流化床法”）。以连续的方式实现此方法的所有步骤。含有陶瓷原材料的水悬浮液被持续雾化并且被送入已经被部分烘干的细小的初始粉尘颗粒（也被称作种子）层中，该颗粒在干热的空气流中被液化。在种子颗粒上的水陶瓷原材料悬浮液被持续地喷射并且烘干，直到获得期望的成品生颗粒直径。虽然用此方法生产的颗粒具有的尺寸范围比用美国专利号4,427,068的干混法生产出的尺寸范围窄，但是如果进一步的处理可以有多种尺寸范围。从层中持续地取得颗粒，并且将颗粒与尺寸过大或者尺寸过小的产品成分分开。在干燥的空气流中持续地回收材料。在工业上，喷雾流化床法也被用于生产大量的陶瓷支撑剂。

上述的成球法具有固有的局限性。由于转子和盘的随机性，干混法生产出的生小丸的尺寸范围非常大。喷雾流化床法虽然生产出的生小丸的尺寸分布比较窄，但是生产出的分布仍然比期望宽。在加工方法中，这些方法需要进行大量地筛选和回收。在成球法中，在最好的加工条件下大约30%的生颗粒必须被回收。干混法和喷雾流化床法也都会生产出随机分布的小丸中的孔隙尺寸，包括一小部分显著降低小丸强度的非常大的孔隙。烧结的小丸的强度是主要考虑因素，因为一旦处于高压下的小丸在断裂处破碎，断裂处的流量减少并且水压断裂法就会失效。由这些方法生产出的颗粒球度和表面光洁度也是重要的，因为通常期望高球度和高光洁度的表面。成球法严重影响所有这些特性。