[发明专利]牢固的低密度陶瓷

说明书

发明背景

本发明涉及石油和天然气的开采，以及特别地涉及支撑剂、即陶瓷粒料支撑剂的生产，所述支撑剂用于含烃地层的水力压裂以提高井中石油和天然气采收率。

目前，砂和由各种铝土矿和粘土或者它们的混合物制成的各类陶瓷支撑剂主要用于石油和天然气地层的水力压裂实践中。当煅烧用于制备这些陶瓷的原料时，在材料的相组成中产生氧化铝、铝硅酸盐和各种形式的二氧化硅(比如石英和石英玻璃)。这些新产生相的化学组成和结构决定支撑剂的强度、密度和化学耐久性，其继而决定支撑剂填料的主要工作性能，即，填料导流性(pack conductivity)和渗透性。

US 4,894,285描述了由铝土矿和粘土的混合物制备并在1,350-1,550℃烧制(bunt)可以在2,000-10,000psi(2.98-14.88kPa)的压力使用的2.75-3.4g/cm³密度支撑剂的方法。

根据US 4,921,821中描述的方法，密度低于3.0g/cm³的支撑剂可以通过将高岭土造粒并随后煅烧来制备。

根据US 5,120,455中描述的方法，由含有40-60％氧化铝的原料制成这样的支撑剂，其具有低于3.0g/cm³的密度，并且在10,000psi(14.88kPa)形成渗透性高于100,000毫达西的填料。

根据US 5,188,175，由含有25-40重量％的氧化铝的原料制成这样的支撑剂，其具有2.2-2.60g/cm³的密度，并且形成其渗透性超过砂的导流性的填料。

本发明的目的是提供与以前可得到的支撑剂相比具有更低密度和更高抗碎强度的组合的支撑剂。

发明概述

本发明的第一个实施方案是烧结球形粒料(pellet)陶瓷支撑剂，所述陶瓷支撑剂是由至少包含第一组分的前体混合物制备的，所述第一组分为以下材料中的一种或多种：氧化铝、包含氧化铝的矿物、无机盐、其中金属不全是铝的金属氧化物、不纯的氧化铝或者这些材料的混合物。所述第一组分不能仅为氧化铝(除非第二组分含有不同于铝和硼的金属，或者有第三组分，见下文)或者仅为无机盐(除非有铝源)。前体混合物还含有第二组分，即硼源。支撑剂至少含有：第一相，所述第一相选自硼酸铝、硼硅酸铝(aluminum boron silicates)、或这些与氧化铝和硅酸铝的固溶体；以及第二相，所述第二相增加强度和/或降低密度。

第一组分可以选自铝土矿、高岭石、粘土、氧化铝、氢氧化铝、含氧化铝的冶金矿渣、云母、含氧化铝的流化床裂化催化剂粒子、硅酸铝、氧化铝氯化物(alumina chlorides)、氧化铝氮化物(alumina nitrides)、氧化铝硫酸盐(alumina sulfates)、氧化铝氟化物(alumina fluorides)、氧化铝碘化物(alumina iodides)、氧化铝溴化物(alumina bromides)、硼酸铝、硼硅酸铝、以及这些材料的混合物。第二组分可以选自硼酸、氧化硼、含水四硼酸盐、无水四硼酸盐、氮化硼、碳化硼、硬硼酸钙石、硼酸铝、硼酸锌、硼酸钙、硼酸镁，以及这些材料的混合物。前体混合物可以含有第三组分，所述第三组分最初(initially)以下列形式存在：所述第一组分中的至少一种的一部分或所述第二组分中的至少一种的一部分，或两者，或者单独添加的组分。第三组分可以选自硅灰石、硅酸镁、橄榄石、二氧化硅、碳化硅、氮化硅；钙、钾、钠、钡、镁、铁、锌、锂和铵，氧化物、氯化物、氮化物、亚硝酸盐、碳化物、碳酸盐、碳酸氢盐、氟化物、萤石、硫酸盐和磷酸盐；白云石、氧化钛、硼酸、氧化硼、含水四硼酸盐、无水四硼酸盐、氮化硼、碳化硼、硬硼酸钙石、硼酸铝、硼酸锌、硼酸钙、硼酸镁、铝土矿、高岭石、粘土、氧化铝、氢氧化铝、含氧化铝的冶金矿渣、云母、含氧化铝的流化床裂化催化剂粒子、硅酸铝；铝氯化物、氮化物、碳化物、硫酸盐、氟化物、碘酸盐和溴化物；碳化钙；膨润土和伊利石粘土；长石、霞石正长岩、滑石、飞灰、氧化铝微球、硅酸铝空心微珠，以及它们的混合物。

陶瓷支撑剂可以包含选自有机纤维、无机纤维和由矿渣制备的纤维中的一种或多种纤维。

陶瓷支撑剂还可以包覆有优选选自环氧树脂和酚醛树脂的树脂包覆层。所述环氧树脂优选为亚异丙基二苯酚-表氯醇树脂。可以将所述树脂用于一个或两个包覆层中，所述两个包覆层可以是相同或不同的树脂。