[发明专利]硅酸铝支撑剂、支撑剂生产和应用方法

说明书

本发明涉及油气生产工业，并可用于防止产油层压裂过程中的断层闭合。

用于提高油或气生产的地层压裂法是已知的。为了确保断面开放，使用流体和被称作支撑剂的粒状材料的混合物。通常使用沙、氧化铝、氧化铝合金、磨碎的焦煤、玻璃球、粘土等作为粒状材料。还已知由灰分剂制成的支撑剂，其因为适用性低而未能广泛传播。沙是一种天然廉价原料，在实践中广泛使用。但是，沙具有低的传导性，该特征限制了其在石油生产过程中的应用。沙通常在生产天然气时使用(V.N.Moiseyev.Applicationof geophysical methods in the oil development process.M.″Nedra″，1990，第105页)。

支撑剂通常包括氧化铝和二氧化硅，它们的含量影响颗粒的品质。氧化铝改善强度性质，而二氧化硅影响材料的弹性，这能够生成用于的硬化(莫来石化)过程的球形颗粒。但是，所述氧化物的高含量并不总是带来好的结果。例如，氧化铝含量高达96重量％的颗粒是易碎的，因为它们具有坚硬的壳和中空的核；这一事实限制了这些颗粒的实际应用。高强度支撑剂通常在大采深时使用，在此颗粒的坚固性是主要要求。高粘流体用于将这些支撑剂注入断层；该方法伴随着高能耗，并导致烃层开采的成本增加。

多数俄国油井(≈83％)的深度相当小——低至3000米。中等强度支撑剂需要低粘流体和小的泵入断层的压力，对这些油井来说是最有效的选择。

已知一种轻重量支撑剂(美国专利US5188175)，其为陶瓷球形颗粒形式，由含有氧化铝、二氧化硅、铁和钛的氧化物的烧结高岭土制成。其间，这些颗粒中的氧化物具有下列重量比：氧化铝-25-40％；二氧化硅-50-65％；氧化铁-1.6％；二氧化钛-2.6％。颗粒的球度为0.7。球度是最小直径与最大直径的比。该支撑剂是开采小采深或中采深的油层或气层的最有效选择。

使用其中铝对二氧化硅的比率在宽范围内变动的粘土是该已知支撑剂的主要缺陷。在组分的所述范围内，所需品质的支撑剂可以在分别为40％/50％的氧化铝对二氧化硅重量比下制造。在另一比率下，需要不同的添加剂以获得所需品质的颗粒。这又提高了支撑剂的生产成本。例如，在25％/65％的氧化铝对二氧化硅重量比下，产生低强度颗粒。为提高颗粒的强度，使用了诸如氧化铝的高铝添加剂；结果，支撑剂颗粒的初始成本增加。此外，这些组合物中铁氧化物的含量相当高，这个事实不利地影响支撑剂的强度性质。

由铝土矿在1000℃下煅烧以提高Al₂O₃/SiO₂比率而制成的支撑剂是已知的(美国专利US4668645)；但是，这种支撑剂的初始成本较高。

由铝土矿和高岭土混合物制得的支撑剂也是已知的(美国专利US4879181)；这种混合物提供了具有弹性的初始物料，并因此能够生产球形和圆形支撑剂，但是，初始成本更高。

还已知一种双层支撑剂(美国专利US4944905)，其中内层部分由具有相当低的熔融温度的铝硅酸盐物质组成，而具有高浓度氧化铝的外层部分含有矾土。提议使用霞岩型正长岩作为具有低熔融温度的物质，其能够在冷却时形成玻璃相。为了生产上述支撑剂，首先在加入水和粘合成分的情况下将预烧过的正长岩与细颗粒氧化铝的混合物造粒。干燥后，将由此获得的颗粒与细颗粒氧化铝混合，以防止颗粒彼此结块及颗粒焦结在煅烧窑壁上。在接近霞岩型正长岩熔点的温度下进行在回转炉中的煅烧。停止燃烧后，对颗粒鼓风以除去未烧结的氧化铝。此后，将颗粒在回转煅烧窑中在更高的温度下和在额外提供氧化铝的情况下再烧。在再烧过程中，产生较厚的氧化铝表面层，其可以确保支撑剂的足够强度。

这种已知的工程方案的缺陷是相当复杂的多相支撑剂生产技术，其特征是在回转炉中实施两个耗能的颗粒煅烧过程。此外，颗粒的视密度增大(超过2.75克/厘米³)，这要求使用具有提高的粘度的压裂液——其又导致岩石的磨损并降低岩石的渗透性——以及要求供应生产油层压裂液所需的化学品。

使用具有降低的密度的支撑剂可以解决上述问题，此外，可以在较长的断层长度上提供支撑剂的有效输送，并提高油井的生产力。

另一种支撑剂也是已知的(美国专利US3929191)。这种支撑剂基于烧结的铝硅酸盐原料或基于矿物，或由铁、钢，以尺寸为6-100目、优选10-40目，Krumbein’s球度和圆度不低于0.8、密度为2.6克/立方厘米，带有可熔酚醛树脂涂层的颗粒形式生成。这种支撑剂用在采用油层压裂技术的石油生产中。