支撑剂及其制备方法pdf

  叶夫根尼·鲍里索维奇·巴尔马托夫,埃莱娜·米哈伊洛夫娜·佩尔希科娃,康斯坦丁·米哈伊洛维奇·利亚普诺夫,乔纳森·埃博特

  本发明涉及石油和天然气开采工业，并能用于提高油田井的开采量，因为其通过在产油地层的水力压裂过程中泵送支撑颗粒(支撑剂)而防止裂缝闭合。通过使用水力压裂提高储层的增产是采用这样的支撑剂提供的，所述支撑剂是由陶瓷、聚合物、金属或玻璃制成，并且与普通支撑剂相比具有更高粗糙度的球形或椭圆形微粒，其中所述表面粗糙度不均匀，并且由在以下区间内变化的两个标准A和B表示：A＝0.0085-0.85；B＝0.001-1.0。支撑剂制备方法包括：原料的制备、混合、粒化、干燥、烧制，其中在所述粒化阶段和/或所述烧制阶段增加产生表面粗糙度的另外阶段。

  1.支撑剂，所述支撑剂是由陶瓷、聚合物、金属或玻璃制成，并且与普通支撑剂相比具有更高粗糙度的球形或椭圆形微粒，其中所述表面粗糙度不均匀，并且由在以下区间内变化的两个标准A和B表示：A＝0.0085-0.85；B＝0.001-1.0。 2.支撑剂制备方法，所述方法包括：原料的制备、混合、粒化、干燥、烧制，其中在所述粒化阶段和/或所述烧制阶段增加产生表面粗糙度的另外的阶段。 3.如权利要求2所述的方法，其中将陶瓷、聚合物、金属、玻璃、胶结材料或它们的混合物添加到造粒机中。 4.如权利要求3所述的方法，其中使用粉末、颗粒或纤维以及它们的组合，或陶瓷、聚合物、金属、玻璃和胶结剂粉末和/或纤维的各种附聚物以及它们的混合物。 5.如权利要求2所述的方法，其中在数个阶段内进行所述的产生粗糙度的处理，由此这些阶段被粉末化阶段中断。 6.如权利要求5所述的方法，其中在颗粒生长阶段之后的不同阶段，产生各种形式的粗糙和凹凸不平。 7.如权利要求2所述的方法，其中另外使用增粘剂以使粗糙微粒和颗粒表面之间的粘附性更高。 8.如权利要求7所述的方法，其中将所述增粘剂在粗糙阶段之前以薄层形式沉积在所述颗粒上，和/或将所述增粘剂与用于产生粗糙的微粒混合。 9.如权利要求2所述的方法，其中在所述烧制阶段之前，将增强的陶瓷、玻璃、聚合物、金属、胶结剂涂料或它们的混合物沉积在粒子上。 10.如权利要求2所述的方法，其中所述烧制阶段的温度对于在所述烧制阶段过程中陶瓷表面的部分闪燃以及表面褶曲是足够高的。 11.如权利要求2所述的方法，其中在所述颗粒上沉积熔融温度低于颗粒基材的熔融温度的另外的层。 12.如权利要求2所述的方法，其中在所述粒化阶段过程中半成品颗粒的粉末化是使用熔融温度低于颗粒基材的熔融温度的粉末进行的。 13.如权利要求2所述的方法，其中在所述烧制阶段之后添加陶瓷、聚合物、金属、玻璃、胶结剂粉末和/或纤维或它们的混合物；所述材料粘附到支撑剂上并且产生至少一种形式的粗糙和凹凸不平。

  本发明涉及石油和天然气开采工业，并且能够适用于提高油田井的开采 量，因为其通过在产油地层的水力压裂过程中泵送支撑颗粒(支撑剂)而防 止裂缝闭合。

  目前，水力压裂对于烃开采是最先进的增产方法。水力压裂法的本质 是在高压下向含油和含气的储层中注入粘性流体，这样导致用于流体流动 的裂缝开口的增大。为了保持裂缝张开，通过载体流体将球形颗粒(支撑剂) 输送到裂缝中并且该支撑剂填充裂缝，从而形成地层流体仍然可渗透的强 支撑填料。为了经得起高的地层压力并抵抗在高温下腐蚀性介质(水分、酸 性气体、盐水)的影响，使支撑剂粒子变得足够强。石英砂、铝土矿、高岭 土、氧化铝以及不同的二氧化硅-氧化铝类型的原料被用作制备支撑剂的原 料。

  粒子的球形度和圆度以及它们的尺寸和形状的均匀性是支撑剂的重要 性质。所述性质对于裂缝中的支撑剂填料的渗透性是关键的，因而对于烃 流体从裂缝表面流过支撑剂填料的空间的能力是关键的。

  目前，有多种已知的方法用于显著减少支撑剂微粒或其它支撑剂从裂 缝的返排。

  最通常使用的方法基于固化性树脂包覆的支撑剂(美国专利5,218,038) 的应用，该支撑剂在处理结束时被泵送到裂缝中。然而，对于这种支撑剂 的应用，有许多强加的明显限制；这些限制是由树脂包覆层和压裂液之间 的化学副反应所引起的。一方面，这种相互作用导致树脂包覆层的部分降 解和分裂，从而降低了支撑剂粒子之间的粘附强度，由此降低了支撑剂填 充的强度。另一方面，树脂包覆层组分和压裂液之间的相互作用导致流体 流变性的不可控变化。这也降低了水力压裂法的效率。上述列出的因素以 及在完井和关井(或长关井时间)过程中的周期性载荷可能损害支撑剂填料 的强度。

  而且，有一种已知的方法(美国专利6,059,034)是将固体支撑剂和由珠 状粒子构成的可变形材料混合。该可变形粒子由聚合物材料制成。可变形 聚合物粒子的形状可以是不同的(椭圆形、楔形、立方形、棒状、圆柱形或 锥形)，但是最大的长度/底部的纵横比优选小于或等于5。球形塑料珠子 或具有实心核和可变形包覆层的复合粒子也可以用作可变形粒子。通常 地，不可变形核的体积为粒子总体积的约50至90体积％。实心核可以是 石英、方晶石、石墨、石膏或滑石。

  在另一个实施方案(美国专利6,330,916)中，支撑剂核由可变形材料构 成并且可以包含磨碎或压碎的材料，例如，坚果壳、种子的壳、水果核和 加工过的木材。

  为了固定支撑剂并限制它的移除，我们可以使用支撑剂与粘合剂聚合 物材料的混合物(美国专利5582249)。粘合剂组合物与支撑剂的粒子进行 机械接触，以增粘层形式包裹并且覆盖它们。这导致粒子之间，以及与支 撑剂中砂或压碎的碎片的增粘，从而使得显著地或完全地防止了固体粒子 的返排。即使在高温下，增粘化合物大部分也长时间保持粘性，从而避免 交联或固化。

  增粘材料可以与通常应用于压裂处理的其它化学品，即抑制剂、杀菌 剂、聚合物凝胶破胶剂以及蜡形成和腐蚀的抑制剂组合(美国专利 6,209,643)。

  有一种已知的方法(美国专利7,032,667)是利用增粘剂和树脂包覆 的支撑剂来支撑裂缝。美国专利6,742,590教导了通过输送与可变形微粒 混合的增粘包覆微粒(可变形微粒已经是返排控制的有效手段)来控制支撑 剂返排的方法。

  支撑剂返排控制的已知方法在制备上昂贵并且难于进行。除此之外， 用于支撑剂返排控制的上述材料，包括具有固化性树脂包覆层的支撑剂的 使用还导致支撑剂填料的渗透性显著降低。

  本发明通过提供球形或椭圆形粗糙表面的支撑剂的制备方法，以及用 于支撑剂返排控制的支撑剂输送方法，解决了列出的技术问题。

  水力压裂的这种改进是通过泵送具有粗糙表面的支撑剂而实现的。微 粒是球形或椭圆形，并且由陶瓷、聚合物、金属或玻璃制成，具有以下范 围内的表面粗糙度标准A和B：A＝0.0085-0.85；B＝0.001-1.0。

  其中n是按1mm2的支撑剂表面计的凹凸不平的平均数量，h是凹 凸不平的平均高度，而D是在球体的情况下的支撑剂粒子直径，或椭圆形、 薄片形、圆柱形、管状颗粒或其它非球形形状的颗粒的长轴长度。

  参数A表示凹凸不平(处于峰和孔穴的形状-参见附图)之间的平均距 离与在球体情况下的支撑剂颗粒直径的比率、或与椭圆形和其它非球形形 状的颗粒的长轴长度的比率。

  参数B提供了表面凹凸不平的平均高度(或深度)与在球体情况下的支 撑剂颗粒直径的比率、或与椭圆形和其它非球形形状的颗粒的长轴长度的 比率。

  除此之外，还可以同时采用陶瓷和聚合物材料的组合，和玻璃和金属 组分的引入。

  附图1显示了支撑剂颗粒1的截面的图解，所述支撑剂颗粒1在表面 上具有峰2-6和孔穴7形式的凹凸不平。支撑剂颗粒可以具有下列类型 的峰：球状、椭圆形或液滴状2、金字塔形或锥形3、矩形或梯形4、线以及它们的组合。

  在支撑剂的表面上的凹凸不平2-6具有与支撑剂材料1相同的硬度或 具有更低/更高的硬度。

  在本发明中描述的支撑剂颗粒形状提供在完井、清除、冲洗、酸处理 和其它处理过程中以及在井的开采期间对支撑剂返排的高抵抗力。该方法 的效率是由支撑剂填料内部的机械结合的产生来解释的，所述机械结合是 由颗粒之间的高摩擦以及支撑剂表面上的峰与另一个支撑剂颗粒表面上 的空穴的部分配合引起的；这种结合还通过支撑剂细粉在支撑剂颗粒接触 部位的压实而增强。相互作用的一种特殊情况是硬的峰(3、5、6)部分刺入 相邻支撑剂颗粒的表面。

  即使使用所提出的支撑剂的技术是标准的，这种具有粗糙表面的支撑 剂的使用也显著提高了对支撑剂返排的抵抗力，同时保持了支撑剂填料的 高渗透性。

  所提出的方法允许在整个压裂处理过程中或仅在支撑阶段的最终阶 段使用支撑材料。

  标准支撑剂技术包括原料的制备、其混合、粒化、干燥和烧制。用所 提出的方法制备的支撑剂颗粒的特粗糙表面是在粒化阶段(颗粒成核或生 长)和/或在支撑剂烧制过程中产生的。

  在用所提出的技术制备支撑剂时，原料的选择与常规技术相同。主要 原料是各种铝土矿、粘土、高岭土、烧结添加剂、结构形成组分以及它们 的组合。原料组分按配方混合，然后粒化、干燥、烧制和筛分。然而，此 时，在粒化和/或烧制阶段，粗糙和凹凸不平的产生是可控过程。注意，支 撑剂粒化可以通过干法或湿法进行。

  根据方法实施方案的一个变型，在介于颗粒生长阶段和粒化阶段之间 的粉末化阶段过程中，将陶瓷、聚合物、金属、玻璃、粘合材料和它们的 组合添加到造粒机中。这种细陶瓷粉末化需要防止粗加工的支撑剂的粘附 和填充(packing)。所添加的材料是粉末、粒料、纤维(或它们的组合)或陶 瓷、聚合物、金属、玻璃或粘合粉末和/或纤维的各种附聚物，以及它们的 组合。在粉末化阶段添加的材料产生至少一种类型的粗糙并且不平的表 面，其由标准1和2表示并且显示在附图中。在这个中间阶段添加的材料 的量是基于在1mm2的支撑剂表面上凹凸不平的平均数量、在球体情况下 支撑剂的平均高度和直径计算的。根据这种方法，在粒化之后，进行陶瓷 支撑剂技术的普通阶段(干燥、筛分分级、烧制和最终筛分)。

  根据本发明实施方案的第二变型，在将椭圆形、板状(slated)、圆柱形、 管状粒子或其它非球形粒子以及它们的组合成形的阶段与采用原料粒子 结块的细陶瓷粉末控制的表面粉末化阶段之间，进行另外的包覆阶段。这 种另外的包覆层是由各类陶瓷、聚合物、金属、玻璃、粘合材料以及它们 的组合物涂覆的，因而所述材料是粉末、颗粒或纤维(或它们的组合)，或 陶瓷、聚合物、金属、玻璃或粘合材料(粉末和/或纤维)的各种附聚物，和 它们的组合。这种另外的包覆层产生一种类型的粗糙和凹凸不平，其由关 系式1和2表示并且显示在附图中。在给定的中间阶段添加的材料量基于 按1mm2的支撑剂表面计的凹凸不平的平均数量、它们的平均高度/深度和 椭圆形和其它非球形形状的粒子的主轴长度进行计算。根据这种方法，粒 子形成阶段之后是陶瓷支撑剂技术的常规阶段(干燥、筛分、烧制和最终筛 分)。

  然而，根据用于支撑剂制备的原料的种类，两个实施方案均可省略粉 末化阶段。

  除此之外，处理支撑剂表面以产生不平表面可以被分成数个阶段，每 一个阶段产生一种粗糙类型；这种处理是在颗粒生长阶段之后，因而所述 阶段被粉末化阶段中断。

  在粗糙部分(roughness element)和由任一所列步骤产生的粒子表面之 间的粘附可以通过不同的增粘剂增强。这些增粘物质可以以下列形式使 用：

  在烧制阶段之前的颗粒可以被另外的包覆层：陶瓷、玻璃、聚合物、 金属、玻璃或粘合材料以及它们的组合增强。

  在用于支撑剂制备的标准技术(这包括烧制阶段)中，烧制温度必须使 相变完成，从而实现粒子所需的密度和强度。烧制温度必须足以进行陶瓷 表面的完全或部分闪燃(flashing)；后一过程引起颗粒表面的部分变形。

  在粒化阶段(在生长阶段和粉末化阶段之间)，可以将熔点低于主颗粒 的烧结温度的包覆层沉积在半成品颗粒上。这易熔融层使粗糙产生微粒紧 密地保持在现成颗粒的表面上。

  通过应用熔融温度低于颗粒体的熔融温度的粉末化试剂，可以实现相 同的目标。

  在另一个方面，支撑剂制备方法有在烧制和分级之间的其它阶段： 将支撑剂粒子与陶瓷、聚合物、金属、玻璃、胶结剂材料和它们的组合物 (这些材料可以为粉末、颗粒、纤维或它们的组合的形式)，或陶瓷、聚合 物、金属、玻璃、胶结剂粉末和/或纤维的各种附聚物以及它们的组合混合； 这些材料粘附到支撑剂上并且产生至少一种类型的粗糙和凹凸不平，其由 式1和2表示并且显示在附图中。因而，在中间阶段添加的材料的量基于 1mm2的支撑剂表面上的凹凸不平的平均数量、凹凸不平的平均高度和支 撑剂直径(对于球体而言)进行计算。

  1.在西部的西伯利亚油田中，在3700m的深度，在典型的条件下，并 且预期开采量为80-140m3/天的情况下，进行水力压裂。泵送常规的球 形陶瓷支撑剂(平滑表面)导致的井开采量为90m3/天。

  2.在相同的条件和相同的支撑剂组成下，但是利用人造粗糙表面(由 本发明的式中的第一标准表示)，水力压裂导致的井开采速率为约117m3/ 天，而预期的开采量范围为80-140M3/天。

  在其它条件相同的情况下，将所开发的支撑剂代替平滑表面支撑剂使 用使得井开采速率提高了约30％。

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  本发明涉及石油和天然气开采工业，并能用于提高油田井的开采量，因为其通过在产油地层的水力压裂过程中泵送支撑颗粒(支撑剂)而防止裂缝闭合。利用水力压裂提高储层的增产是采用这样的支撑剂提供的，所述支撑剂是由陶瓷、聚合物、金属或玻璃制成，并且与普通支撑剂相比具有更高粗糙度的球形或椭圆形微粒，其中所述表面粗糙度不均匀，并且由在以下区间内变化的两个标准A和B表示：A0.0085-0.85；B0.001。