[发明专利]一种超轻密度陶粒支撑剂及其制造方法

说明书

背景

水力压裂是一种用于提高石油和天然气产量的技术操作。该工艺通常涉及两个步骤。首先，通过以足以使地层裂开的速度和压力向井眼中注入压裂液来形成裂缝，从而容许压裂液进入并扩大裂缝。其次，将固体支撑剂(propping agent)或支撑剂(proppant)注入地层内以“撑住(prop)”裂缝并为石油和天然气提供导流通道。具有低渗透率的油气藏通常需要水力压裂以使它们提高经济效益。

可使用各种不同类型的材料作为支撑剂，例如压裂砂、树脂覆膜砂和人造陶粒支撑剂，材料的选择取决于地层渗透性的类型或所需的颗粒强度。好的支撑剂必须具有足够的抗压强度以防被地层的闭合压力压碎。油气井越深，越需要更高抗压强度的支撑剂。由于压裂砂来源极其广泛且成本低，所以最常使用的支撑剂是压裂砂。然而，在地层较深处使用时，由于有更大的闭合压力，压裂砂并不具有足够的抗压强度，并且通常压裂砂的导流渗透性不够。

在大于15,000英尺井深的油气井中，通常建议使用烧结铝矾土支撑剂，一种比重约为3.50g/cc，具有约83％的氧化铝含量的高密度支撑剂。

业已发现，中密度支撑剂(例如比重约为介于3.10g/cc-3.45g/cc之间)在中等深度和压力下具有足够的强度和导流渗透性，常常用于约为介于8,000英尺至约12,000英尺之间的油气井。

然而，高密度和中密度支撑剂在压裂操作期间需要大型泵送设备、高黏度压裂液和高泵送率以保持支撑剂在悬浮状态，因而更容易在流体输送和泵送设备上造成过量的磨损。

考虑到高密度和中密度支撑剂的缺点，自20世纪80年代起，科研人员不断研究使用含较低氧化铝含量的材料来获得轻密度和具有足够抗压能力的支撑剂。另外，越来越多的减水阻压裂液和水平井压裂都需要使用轻密度陶粒支撑剂。

在授予Lunghofer的美国专利No.4,522,731和美国专利No.5,120,455中描述了一种低密度支撑剂，该支撑剂使用氧化铝含量为50％的高岭土。这种低密度支撑剂具有小于3.0g/cc的比重。

在授予Sweet的美国专利No.5,188,175中描述了另一种具有2.20g/cc至2.60g/cc之间比重的低密度支撑剂，这种支撑剂使用氧化铝含量为25％至40％之间的原料。

在授予Cannan的美国专利No.7,036,591中描述了一种用于浅油气井的具有氧化铝含量约为介于40％至60％之间的更低密度的支撑剂。为获得约1.60g/cc至约2.10g/cc的比重，原料的烧结时间要少于30分钟，使支撑剂在不完全烧结致密的情况下，使支撑剂颗粒获得晶化。

由于大多数压裂操作的深度比较浅，在此范围内都常常使用压裂砂。人们希望提供一种能够由经济的、氧化铝含量较低(例如氧化铝含量小于25％的)的自然风化的黏土制得的，在低或中等深度应用时具有比压裂砂更大导流能力的轻密度支撑剂。

减小颗粒的氧化铝含量通常会减小其密度。然而，当氧化铝含量变得过低时，支撑剂的强度往往会成为一个问题。因此，业内的一个目标是开发一种不牺牲强度的低密度支撑剂。

本发明的超轻密度支撑剂使用比铝矾土更经济的自然风化的黏土(例如瓷土、高岭土(或焦宝石))作为主要原材料。因此，每一磅支撑剂具有更低的制作成本。另外，与铝矾土相比，自然风化的黏土来源更广。

另外，在水力压裂中，从最终客户的角度来看，与高密度或中密度支撑剂相比，超轻密度支撑剂具有更低的密度。所以对于一定的支撑操作，只需要更少重量的超轻密度支撑剂来填充地层中的裂缝。支撑剂往往按重量出售，所以这是使用超轻密度支撑剂显著的优点之一。

超轻密度支撑剂的其他优点包括：与高密度或中密度支撑剂所要求的那些条件相比，超轻密度支撑剂能够使用较低黏度的压裂液，以便使用更经济的泵送率，以使流体输送和泵送设备上形成更低的磨损。

发明总结