[发明专利]制备支撑剂的组合物及方法

说明书

本申请要求于2005年2月4日提交的美国临时专利申请60/649,594按 照35 U.S.C§119(e)规定的权益，该专利申请在此全文纳入作为参考。

发明背景

材料的宏观性质不仅取决于其化学组成，而且还取决于其尺寸、形状和 结构，这样的认识引发了对各种材料的上述参数进行控制的研究。在这方面， 均匀中空球的制造近来已经获得了强烈的兴趣。纳米和微米尺度的中空囊提 供了多种的潜在应用领域，包括用作各种物质如药物、染料、蛋白质和化妆 品的控制释放的胶囊材料(encapsulant)。当用作涂层、复合材料、绝缘材料 或颜料的填料时，中空球由于其带来的低密度而具有优于常规实心颗粒的优 点。中空球还可用于诸如分级过滤膜(hierarchical filtration membrane)和支撑 地层中开放断面(open fracture)的支撑剂(proppant)的多种应用中。

陶瓷支撑剂被广泛用作保持油层和气体层中的渗透性的支撑剂。市售的 常规支撑剂具有优异的压碎强度但还具有极高的密度。陶瓷支撑剂的常见密 度超过100磅每立方英尺。支撑剂为在压裂操作期间在极高的压力下以载体 溶液(通常为盐溶液)的形式被泵入油井或气井的材料。当除去由泵入引起的 压力时，支撑剂“支撑”岩层中的开放断面，从而避免该断面闭合。结果， 提高了暴露于井的钻孔的地层表面积的量，增加了回收率。支撑剂还可增强 所述岩层的机械强度，从而帮助保持长时间的流动速率。通常采用三个级别 的支撑剂：沙子、涂覆树脂的沙子和陶瓷支撑剂。支撑剂主要用在气井中， 但在油井中也有应用。

相关的质量参数包括：颗粒密度(低密度是期望的)、压碎强度和硬度、 粒度(该值取决于地层的类型)、粒度分布(紧密分布是期望的)、颗粒形状(球 形是期望的)、孔径分布(紧密分布是期望的)、表面平滑度、耐腐蚀性、温度 稳定性和亲水性(水中性的到疏水性的是期望的)。

在压碎强度和硬度的临界尺寸方面，陶瓷支撑剂优于沙子和涂覆树脂的 沙子。其在最大可获得粒度、耐腐蚀性和温度性能方面提供某些优点。众多 理论模型和实际案例的经验表明，对大多地层来说常规陶瓷支撑剂提供相对 于沙子或涂覆树脂的沙子更引人注目的优点。相对于常规沙子溶液，陶瓷驱 动的流动速率和回收率具有20％或更高的改进是常见的。

陶瓷支撑剂最初是为深井(例如深于7500英尺的)中的应用而开发的， 在该深井中沙子的压碎强度不足。为拓展其可应用的市场，陶瓷支撑剂生产 商已引入面向中等深度井的产品。

相对于常规沙子，涂覆树脂的沙子提供了一些优点。首先，由于树脂涂 层将负载的应力分散在更宽广的面积上，涂覆树脂的沙子表现出与未涂覆的 沙子相比更高的压碎强度。第二，涂覆树脂的沙子具有粘性，从而相对于常 规沙子支撑剂表现出下降的“支撑剂回流”(例如该支撑剂更好地停留在地 层中)。第三，树脂涂层通常增加球度和圆度，从而降低了通过该支撑剂部 分的流阻。

陶瓷通常应用在中等到较深深度的井中。浅井通常采用沙子或不采用支 撑剂。如将在以下部分中描述的，从陶瓷市场的规模来看，浅的“水力压裂 (water frac)”代表了大致与目前的陶瓷市场相当的潜在市场。

由于具有合计超过3千万吨的年产量，铝的氧化物和氢氧化物无疑是工 业上最重要的化学品之一(K.Wefers和C.Misra，“铝的氧化物和氢氧化物 (Oxides and Hydroxides of Aluminum)”，Alcoa Laboratories，1987)。其用途 包括：制备金属铝、催化剂和吸收剂的前体；结构陶瓷材料；塑料和橡胶的 增强剂，制药工业的抗酸剂和粘合剂；和作为电子工业中低介电损失的绝缘 体。由于如此多样化的应用领域，很多研究已集中于开发和理解制备这些材 料的方法是不奇怪的。