ЧАСТИЦЫ РАСКЛИНИВАЮЩЕГО НАПОЛНИТЕЛЯ, СФОРМИРОВАННЫЕ ИЗ КАПЕЛЬ СУСПЕНЗИИ, И СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ
PROPPING AGENT PARTICLES FORMED FROM SUSPENSION DROPS, AND METHOD OF APPLICATION

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к способу гидравлического разрыва пластов подземных формаций в земле. Конкретнее, получены частицы отожженного керамического расклинивающего наполнителя, сформированного при помощи виброиндуцированного капания из сопла суспензии мелкодисперсного керамического материала, а также предложен способ применения данных частиц.
Описание предшествующего уровня техники
Гидравлический разрыв пластов - это способ закачивания жидкостей в скважину и в подземные формации с высокой скоростью и под высоким давлением для формирования трещины в породе вокруг скважины. После закачивания достаточного объема жидкости для соответствующего расширения трещины к жидкости добавляют твердые частицы, называемые "расклинивающим наполнителем". После завершения закачивания скважину открывают для добычи углеводородного сырья. Темп добычи жидкости из скважины обычно значительно возрастает после гидравлического разрыва пласта. Были разработаны существенные усовершенствования способа гидравлического разрыва пласта со времени первого патентования способа в 1949 г. (Патенты США US 2596843 и 2596844).
Материал, впервые использованный в качестве расклинивающего наполнителя для гидравлического разрыва пластов в скважинах, представлял собой кварцевый песок. По мере углубления скважин было обнаружено, что песок обладает недостаточной прочностью. В глубоких скважинах давление земли приводит к тому, что песок дробится и гораздо менее эффективно повышает производительность скважины.
Были разработаны расклинивающие наполнители из синтетических материалов для обеспечения большей прочности расклинивающих наполнителей. Исходным отожженным синтетическим расклинивающим наполнителем был отожженный боксит. В последующие годы для изготовления отожженных керамических расклинивающих наполнителей был использован ряд керамических сырьевых материалов, включая боксит, содержащий меньшие количества оксида алюминия, и глинистые минералы, такие как каолин. В большинстве случаев было обнаружено, что прочность керамических частиц возрастает с содержанием глинозема в частице при прочих равных условиях.
Общая процедура изготовления частиц синтетического расклинивающего наполнителя заключается в получении керамического сырьевого материала, измельчении его до мелкодисперсного порошка, формировании гранул (называемых "отформованными" гранулами) и спекании отформованных гранул в печи. Конечный продукт - это керамические гранулы в диапазоне размеров, пригодных для расклинивающего наполнителя: примерно от 70 меш до 12 меш (от 0,008 дюймов до 0,067 дюймов). Используют различные размеры гранул в зависимости от условий в скважине.
Предложен ряд процессов формирования гранул расклинивающего наполнителя. В ранней работе в патенте США 4427068 описан способ формирования отожженных керамических гранул путем добавления сухих порошков глины и глинозема, боксита или смесей в высокоэффективную мешалку (далее именуемый "способом сухого смешения"). Измельченные мелкогранулированные керамические исходные ингредиенты (керамические сырьевые материалы) перемешивают с формированием сухой однородной смеси. Затем добавляют достаточное количество воды для агломерации мелкодисперсных исходных пылевых частиц с формированием из порошка мелких композитных сферических гранул. Время смешения достаточное, чтобы мелкие гранулы выросли до желательного размера. Во время стадии гранулообразования получают широкий спектр размеров. Предпочтительно использовать устройство для смешивания производства компании Eirich Machines, Inc., называемое мешалкой производства Eirich. Полученные гранулы сушат и спекают, получая конечные частицы расклинивающего наполнителя. Большая часть промышленно изготовленного керамического расклинивающего наполнителя в последние годы была получена с применением данного процесса гранулообразования.
В патенте США 4440866 опубликован альтернативный способ производства гранул, которые спекают для получения гранул большей прочности. Для формирования гранул применяют непрерывное распыление/грануляцию содержащей связующее водной суспензии глиноземной руды, а затем их спекают (далее этот способ называется "распыление с осушением в псевдоожиженном слое"). Все стадии данного процесса можно осуществлять непрерывно. Водную суспензию, содержащую керамический сырьевой материал, непрерывно распыляют и подают в слой уже частично осушенных мелких зарождающихся пылевых частиц (часто называемых зародышами), которые подвергаются псевдоожижению в потоке горячего осушающего воздуха. Водная суспензия керамического сырьевого материала непрерывно напыляется и сушится на зародышевых частицах, пока не будет достигнут желаемый конечный диаметр отформованных частиц. Частицы, полученные этим способом, характеризуются диапазоном размеров, менее широким, чем в случае получаемых обычно при помощи способа сухого смешения в патенте США 4427068, но все еще остаются достаточные колебания размеров, требующие дальнейшей обработки. Частицы непрерывно извлекают из слоя и отделяют от фракций продукта завышенного и заниженного размера. Материал непрерывно подвергают рециклированию в потоке осушающего воздуха. Данный способ распыления с осушением в псевдоожиженном слое также применяли для промышленного получения больших количеств керамических расклинивающих наполнителей.
Описанные выше способы формирования гранул обладают внутренними ограничениями. В способе сухого смешения получают чрезвычайно широкий диапазон размеров отформованных частиц вследствие случайной природы вращений ротора и подситового остатка. В способе распыления с осушением в псевдоожиженном слое получают несколько более узкое распределение размеров гранул, но все еще более широкое распределение, чем желаемое. Эти способы требуют значительного просеивания и рециклирования в процессе производства. В наилучших производственных условиях около 30% отформованных частиц следует подвергнуть рециклированию в процессе гранулообразования. Как способ сухого смешения, так и способ распыления с осушением в псевдоожиженном слое приводят к получению случайного распределения размеров пор в гранулах, включая небольшую долю очень крупных пор, что значительно снижает прочность гранул. Прочность отожженных гранул имеет первоочередное значение, поскольку если частицы разрушаются под высоким давлением в трещине, пропускная способность трещины снижается, и гидравлический разрыв пласта становится менее эффективным. Сферичность и гладкость поверхности частиц, полученных при помощи данных способов, также важны; традиционно наиболее желательны высокая сферичность и очень гладкая поверхность. На все эти характеристики заметно влияет способ гранулообразования.
В патентной заявке США U.S. 2006/0016598 опубликован список способов формирования гранул, которые можно использовать для формирования керамических расклинивающих наполнителей, включая агломерацию, распылительную грануляцию, мокрую грануляцию, экструдирование и окомковывание, виброиндуцированное капание согласно патенту США 5500162, распыление сформированных при помощи сопла капель и селективную агломерацию. В патенте США 5500162 опубликовано производство микросфер путем виброиндуцированного капания химического раствора через сопловую пластину, где падающие капли формируют оболочку, окруженную со всех сторон текущим газом реактивной среды. В жидком химическом растворе отсутствуют твердые частицы, или же их содержание невелико (т.е. 20% или ниже) в то время, когда он попадает в сопловую пластину, покидает сопловую пластину и проходит через первую секцию свободного падения. Требуется газ реактивной среды, стимулирующий осаждение (гелеобразование) мелких твердых частиц (как правило, субмикронных) в жидких каплях по мере их падения через вторую зону свободного падения и затем падения в реакционную жидкость с дальнейшим гелеобразованием. Газ реактивной среды требуется, поскольку он вызывает частичное гелеобразование в жидкости до попадания в реакционную жидкость, и капли теряют скорость в жидкости, проходя через пену, или же реакционная жидкость направляется на падающие капли по касательной к направлению падения капель. Эти две особенности - падение через газ реактивной среды и снижение скорости капель в пене - требуются для обеспечения того, чтобы капли частично подвергались гелеобразованию во время золь-гель реакции, и, таким образом, они не деформируются, например не становятся более плоскими, при попадании в реакционную жидкость. Газ реактивной среды отсасывают изнутри или снаружи оболочки. Способ согласно изобретению можно использовать для производства, например, сфер из глинозема вплоть до диаметра, равного 5 мм.
Виброиндуцированное капание, называемое здесь "капельной отливкой", было изначально разработано для производства гранул ядерного топлива. С тех пор оно было модифицировано для производства широкого спектра металлических и керамических микросфер, такого как абразивные материалы и подложки для катализаторов. Сначала его использовали в пищевой и фармацевтической промышленности. Способ капельной отливки описан на интернет-странице и в рекламной литературе компании Brace GmbH. Также представлены примеры "микросфер", сформированных путем капельной отливки из различных материалов. В патенте США 6197073 опубликован способ производства шариков из глинозема из золя кислотного глинозема или суспензии кислотного глинозема путем пропускания суспензии через вибрирующую сопловую пластину с формированием капель и вымораживанием капель при помощи газообразного аммиака с последующей коагуляцией капель в растворе аммиака. Механическая прочность керамических частиц, сформированных при спекании частиц, полученных путем капельной отливки, не рассматривалась как особый фактор ни в одном из материалов, использованных в данных ссылках.
Известно, что для производства частиц расклинивающего наполнителя с максимальной прочностью для данного керамического материала частицы должны обладать минимальной пористостью, а имеющиеся поры должны быть как можно более маленькими, поскольку прочность данной частицы расклинивающего наполнителя ограничена его наибольшими порами. Здесь требуется способ изготовления отформованных керамических частиц, которые можно спекать для снижения размеров пор и, таким образом, обеспечения максимальной прочности для применения в качестве расклинивающего наполнителя. Предпочтительно частицы должны быть сферическими, иметь гладкую поверхность и однородные размеры. Также требуется способ изготовления отформованных частиц без рециклирования фракции заниженного размера отформованных керамических гранул.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Представлен способ формирования гранул расклинивающего наполнителя из суспензии керамических исходных материалов. Полученные гранулы обладают повышенной прочностью по сравнению с изготовленными ранее гранулами расклинивающего наполнителя, изготовленными из ряда керамических исходных материалов при помощи существовавших ранее способов гранулообразования. Сферические гранулы однородного размера с гладкой поверхностью можно изготавливать в промышленных количествах. Эти частицы используют для обработки скважин путем гидравлического разрыва пластов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - это эскиз, на котором показаны принципы структуры устройства для гранулообразования для изготовления гранул расклинивающего наполнителя, описанного в настоящем документе.
Фиг. 2 - это эскиз, где показаны единственное сопло и формирование капель из потока суспензии.
Фиг. 3 - это эскиз, где показаны многосопловая пластина и формирование капель из потока суспензии.
На фиг. 4a-4f показаны фотографии, полученные при помощи сканирующего электронного микроскопа при увеличении 100x отожженных гранул глинозема, боксита и каолина, сформированных при помощи устройства с фиг. 1 и при помощи уже имеющихся традиционных способов.
Фиг. 5 - это график долгосрочной проницаемости как функции напряжения гранул глинозема, сформированных при помощи описанного здесь гранулирующего устройства и при помощи существующего способа сухого смешения при помощи мешалки Eirich.
Фиг. 6 - этот частотная диаграмма размеров пор для частиц каолина, изготовленных при помощи описанного здесь способа и при помощи существующего способа распыления с осушением в псевдоожиженном слое.
Фиг. 7 - это график долгосрочной проницаемости как функции напряжения: гранул каолина, изготовленных при помощи описанного здесь устройства для изготовления гранул и при помощи имеющегося способа сухого смешения с применением мешалки компании Eirich, и расклинивающего наполнителя с более высоким содержанием глинозема, изготовленного при помощи уже существующего способа.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 1 показано устройство для изготовления гранул 10 с единственным соплом для иллюстрации принципов описываемого способа, которые обычно называют "капельной отливкой". В сопло 12 поступает суспензия 15 из сырьевого резервуара 14, содержащая керамический сырьевой материал, взвешенный в воде. Давление, прикладываемое к сырьевому резервуару 14 при помощи подводки сжатого газа 16, обеспечивает течение суспензии через сопло 12 при выбранной скорости, предпочтительно в ламинарном потоке. Под соплом 12 находится сосуд для осаждения 17, собирающий капли. Устройство для вибрации 18 соединено с соплом 12 и применяется для подачи импульсов давления на сопло или напрямую в суспензию, текущую к соплу. Результирующая вибрация потока суспензии через сопло вызывает распадение потока, вытекающего из сопла 12, на капли однородного размера. Капли падают в сосуд для осаждения 17, причем поверхностное натяжение стремится придать каплям сферическую форму. Сферические частицы формируются в отсутствие необходимости золь-гель реакции, зоны свободного падения в газе реактивной среды, пенного слоя реакционной жидкости или реакционной жидкости, направленной на капли до попадания в ванну с реакционной жидкостью.
На фиг. 2 показаны подробности вытекания суспензии 15 из сопла 12 и ее распадения на капли. Поверхностное натяжение суспензии приводит к тому, что площадь поверхности капель становится минимальной, т.е. они приобретают сферическую форму по мере падения в сосуд для осаждения 17. Расстояние падения предпочтительно выбирают таким, чтобы оно было достаточно большим, чтобы капли могли стать сферическими до попадания в жидкость в сосуде 17.
Суспензия 15 из сырьевого резервуара 14 содержит мелкодисперсный минерал (размером 0,01-50 мкм) или обработанный порошок, из которого после спекания можно получить прочный керамический материал, необходимое количество диспергатора, требуемое для сохранения твердых частиц в суспензии без агрегации, воду и реагент, который будет реагировать с компонентом 19 в жидкости в сосуде для осаждения 17 с формированием полутвердого или нерастворимого соединения. Содержание твердой фазы в суспензиях может колебаться от приблизительно 25% до приблизительно 75%. Вязкость суспензий может составлять от 1 до 1000 сП. Более низкая вязкость суспензии способствует улучшению формирования капель и формированию сферических частиц и является важной составляющей представленного изобретения. Оптимизация типа и концентрации диспергатора позволяет снизить вязкость. Диспергаторы можно выбирать на основании стоимости, доступности и эффективности в отношении снижения вязкости выбранной суспензии. Диспергаторы, которые можно использовать для снижения вязкости суспензий, включают силикат натрия, полиакрилат аммония, полиметакрилат натрия, цитрат натрия, полисульфонат натрия и гексаметафосфат натрия.
Часто используемый реагент в суспензии в сырьевом резервуаре 14 - это альгинат натрия. Это встречающийся в природе полисахарид, растворимый в воде как соль натрия, но с поперечной связью и способностью формировать гель как соль кальция. Альгинат, как правило, добавляют к суспензии в количестве от 0,1% до 1,0% (вес.% твердого альгината от общего веса суспензии). Сосуд для осаждения 17, как правило, содержит жидкость для осаждения 19, превращающую в гель реагент в суспензии 15. Применяемая главным образом жидкость для осаждения в случае альгината натрия - это раствор хлорида кальция при концентрации от 0,5 до 10 вес.%. Можно использовать ряд реагентов в суспензии, пропускаемой через сопло 12 и в сосуд для осаждения 17. Это могут быть другие полисахариды и другие загустители, такие как поливиниловый спирт или боратные жидкости.
Диаметр сопла 12, вязкость суспензии 15, содержание керамических частиц в суспензии 15, давление подачи суспензии в сопло, а также частота и амплитуда вибрации, прилагаемой от источника вибраций 17, подстраивают так, чтобы получать капли желаемого размера. Эти переменные предпочтительно устанавливают постоянными при производстве сфер и формировании партии гранул расклинивающего наполнителя. Можно изготавливать различные партии с различным размером гранул. Предпочтительно каждая партия моноразмерна (т.е. содержит гранулы, отвечающие единственному ситу, как, например, проходящие через сито на 20 меш, но задерживающиеся на сите на 25 меш). Давление подачи суспензии в сопло подстраивают так, чтобы создать ламинарный поток через сопло. Давление подачи может колебаться от 1 до 50 psi. Частоту подстраивают для каждого набора условий для суспензии, так что устанавливается резонанс в потоке суспензии, покидающем сопло с последующим образованием сферических капель. Частота может колебаться от 10 до 20000 Гц. Давление и частоту оптимизируют несколько раз для формирования однородных сферических частиц. Амплитуду подстраивают для улучшения однородной формы образующихся сферических частиц. Скорость потока суспензии через сопло является функцией диаметра сопла, давления подачи суспензии и свойств суспензии, таких как вязкость и плотность. Например, для суспензий каолина и глинозема через сопла диаметром до 500 мкм скорость потока через сопло может колебаться от 0,2 до 3 кг/ч.
Расстояние между соплом 12 и верхней частью жидкости 19 в сосуде для осаждения 17 выбирают таким, чтобы капли могли принять сферическую форму до того, как они достигнут верхней части жидкости. Расстояние может составлять от 1 до 20 см, но, как правило, находится в диапазоне от 1 до 5 см, чтобы снизить искажение формы капли при столкновении с поверхностью жидкости, устраняя, таким образом, необходимость в газе реактивной среды, слое пены или тангенциально направленной реакционной жидкостью до попадания капель в сосуд для осаждения 17. Реагент в каплях суспензии реагирует с жидкостью для осаждения 19 в сосуде для осаждения 17, и в каплях формируется полутвердая поверхность, что помогает сохранить сферическую форму и предотвращает агломерацию гранул. Предпочтительно время пребывания гранул в сосуде для осаждения 17 достаточно для того, чтобы гранулы стали достаточно твердыми, чтобы предотвратить деформацию сферической формы при их удалении и сушке, т.е. полужесткими. В некоторых вариантах осуществления гранулы могут попадать в раствор жидкости для осаждения, текущий вертикально вверх, так, чтобы замедлялось оседание частицы при движении сквозь жидкость и удлинялось время ее пребывания в сосуде для осаждения.
Частицы, сформированные при помощи устройства, приведенного на фиг. 1, промывают для удаления избыточного коагулянта и переносят в другие устройства, где их сушат и позже ожигают, используя хорошо известные промышленные технологии.
На фиг. 3 показано, как применяется описанный выше способ в промышленных масштабах. В сосуд 30 помещают несколько сопел 32, и суспензия вытекает через сопла при контролируемом давлении. Для промышленного производства частиц капельного наполнителя требуется большое число сопел. Сосуд 30 подвергают вибрации, вызывая вибрацию сопел, как описано выше. Напротив, можно обеспечивать различное давление в суспензии, чтобы обеспечить формирование капель однородного размера. Капли собирают, как описано выше.
Гранулы, полученные при помощи способа, описанного на фиг. 1-3, почти однородны по размеру. Например, в таблице 1 приведено сравнение распределений гранул по размеру для отожженного расклинивающего наполнителя из глинозема, полученного при помощи способа сухого смешения и при помощи описанного здесь способа капельной отливки, без просеивания отформованных гранул. Без просеивания отформованных гранул при сухом смешении получается отожженный расклинивающий накопитель с распределением по шести ситам, тогда как при капельной отливке получается отожженный расклинивающий накопитель, отвечающий в основном одному ситу. Таким образом, в способе изготовления расклинивающего наполнителя капельная отливка не требует просеивания отформованных гранул для отбора желаемого диапазона размеров и с последующим рециклированием материала в виде отформованных гранул вне выбранного диапазона размеров. Размер гранул спекаемых до формирования расклинивающего наполнителя выбирают путем контроля диаметра сопла 12 или 32, вязкости суспензии 15, содержания керамических частиц в суспензии 15, давления подачи суспензии в сопло, а также частоты и амплитуды вибрации, прилагаемой при помощи источника вибраций 17.
Таблица 1Распределение размеров отожженных гранул, сформированных путем сухого смешения и капельной отливки
16 меш
20 меш
25 меш
30 меш
35 меш
40 меш
50 меш
Подситовый остаток
Сухое смешение
0%
17,8%
23,9%
24,3%
18,4%
10,6%
4,9%
0%
Капельная отливка
0%
0%
0,2%
99,8%
0%
0%
0%
0%
На фиг. 4(a-e) показаны фотографии частиц глинозема, боксита и каолина, изготовленных при помощи устройства, приведенного на фиг. 1, и при помощи ранее существовавших способов. На фиг. 4(a) показана частица глинозема, изготовленная путем капельной отливки, как показано на фиг. 1, которая имеет высокую сферичность и очень гладкую поверхность. На фиг. 4(b) показана частица глинозема, изготовленная при помощи мешалки фирмы Eirich. Поверхность частиц шероховатая, а их форма, как правило, сплющенная. На фиг. 4(c) показана частица боксита, изготовленная путем капельной отливки, а на фиг. 4(d) показана частица боксита, изготовленная при помощи промышленного способа с применением мешалки Eirich (Carbo HSP производства Carbo Ceramics Inc., Хьюстон, Техас). На фиг. 4(e) показана частица каолина, изготовленная при помощи капельной отливки, а на фиг. 4(f) показана частица каолина, изготовленная при помощи процесса осушения в псевдоожиженном слое в полупромышленном масштабе.
Была измерена шероховатость поверхности каждой гранулы, изображенной на фиг. 4(a-e). Вокруг каждой гранулы был нарисован гладкий выпуклый периметр, обозначающий насколько возможно точно средний уровень поверхности, отвечающий фактической поверхности гранулы, оставаясь при этом выпуклым. Затем измеряли интервал между фактической поверхностью и гладкой средней поверхностью по всему периметру с интервалами в 100 мкм. При увеличении 100x, использованном на фиг. 4, интервал можно измерить с точностью до приблизительно 0,5 мкм. Среднее для измерений по всему периметру отвечает шероховатости поверхности гранул. В таблице 2 показано, что гранулы, сформированные путем сухого смешения и способом распыления с осушением в псевдоожиженном слое, обладают шероховатостью поверхности, в 3-7 раз превышающей значения для гранул, полученных путем капельной отливки.
Таблица 2Шероховатость поверхности гранул, сформированных при помощи капельной отливки и при помощи обычного способа
Средняя шероховатость поверхности (мкм)
Глинозем, полученный при помощи капельной отливки (фиг. 4a)
1,4
Глинозем, сформированный путем сухого смешения (фиг. 4b)
5,8
Боксит, полученный при помощи капельной отливки (фиг. 4с)
1,6
Боксит, сформированный путем сухого смешения (фиг. 4d)
4,9
Каолин, полученный при помощи капельной отливки (фиг. 4e)
0,8
Каолин, сформированный путем напыления с осушением в псевдоожиженном слое (фиг. 4f)
5,7
На фиг. 5 показана проницаемость гранул, сформированных в устройстве, показанном на фиг. 1, по сравнению с гранулами, полученными при помощи способа сухого смешения. Гранулы, полученные при помощи этих двух способов, идентичны по размеру и составу и представляют собой высокочистый (99+%) глинозем. Единственной переменной является способ гранулообразования. Проницаемость измеряли согласно ISO 13503-5: "Способы измерения долгосрочной проводимости расклинивающих наполнителей", за исключением того, что вместо пластин из песчаника использовали стальные пластины. В установках для измерения долгосрочной проводимости, описанных в ISO 13503-5, применяют стальную ячейку для измерения проводимости, содержащую внутренний блок размером 7 дюймов в длину и 1,5 дюйма в ширину. В ячейке располагают открытое отверстие от каждого конца щели до внешней части ячейки, чтобы жидкость могла вытекать через щель. Другие отверстия расположены вдоль щели и также начинаются от внешней части ячейки для измерения внутреннего давления в щели. В эту щель вставлены нижний и верхний штоки, размеры которых превышают размеры ячейки, так что нагрузку можно прикладывать непосредственно к штокам при помощи гидравлической нагрузочной рамы. Для загрузки ячейки для измерения проводимости при измерении проводимости сначала фиксируют нижний шток в ячейке так, чтобы он не мешал вытеканию жидкости и не загораживал напорные отверстия. Для предотвращения понижения давления или вытекания жидкости между щелью и стенкой штока устанавливают кольцевой уплотнитель. На нижний шток помещают металлическую прокладку по размеру щели и пластину из песчаника. Также возможно заменить пластину из песчаника стальной пластиной (как в этом случае). Затем на пластину наносят заданное количество расклинивающего наполнителя. В этом случае были загружены равные объемы двух расклинивающих наполнителей, отвечающие исходной ширине группы частиц около 0,19 дюймов. Расклинивающий наполнитель выравнивают. Затем поверх расклинивающего наполнителя помещают вторую стальную пластину, металлическую прокладку, кольцевой уплотнитель и верхний шток. К штокам прикладывают начальное напряжение, и жидкость течет через объем расклинивающего наполнителя одновременно с измерением давления. Температуру жидкости и ячейки поддерживают на уровне 250 градусов по шкале Фаренгейта. Измерение скорости потока жидкости и падения давления позволяет измерить проводимость слоя расклинивающего наполнителя в миллидарси-футах. Проницаемость слоя расклинивающего напряжения рассчитывают путем деления проводимости на измеренную ширину слоя, составлявшую около 0,16-0,19 дюйма для данных, показанных на фиг. 5. Протекающая жидкость представляла собой насыщенный оксидом кремния деоксигенированный водный раствор 2% KCl. Проводимость измеряли при напряжениях от 2000 psi до 20000 psi с шагом в 2000 psi. В каждом случае напряжение выдерживали в течение 50 ч до измерения проводимости. Проницаемость слоя расклинивающего наполнителя снижается по мере возрастания напряжения, вызывающего смыкание трещины, вследствие разрушения зерен расклинивающего наполнителя. Более крупные гранулы обладают более высокой проницаемостью. Как можно видеть на фиг. 5, гранулы, полученные при помощи сухого смешения (линия 2), теряют 78% своей проницаемости по мере возрастания напряжения, вызывающего смыкание трещины, с 2000 psi до 20000 psi. Напротив, гранулы, изготовленные при помощи устройства на фиг. 1 (линия 1), теряют только 31% проницаемости: менее половины потери проницаемости гранул, изготовленных при помощи сухого смешения. Такая более высокая проницаемость гранул, изготовленных при помощи устройства на фиг. 1, связана с повышенной прочностью гранул.
Прочность расклинивающего наполнителя можно определить по данным теста на сопротивление расклинивающего наполнителя раздавливанию, описанного в ISO 13503-2: "Измерение свойств расклинивающих наполнителей, используемых при гидравлическом разрыве пласта и в способе обсыпки скважины". В этом тесте образец расклинивающего наполнителя сначала фильтруют для удаления мелочи (присутствующие гранулы или фрагменты пониженного размера), затем помещают в ячейку для раздавливания, где затем применяют шток для прикладывания ограниченного напряжения, вызывающего смыкание трещины, со значением выше критической точки некоторой части гранул расклинивающего наполнителя. Затем образец подвергают повторной фильтрации и весовую долю мелочи, созданной в результате разрушения гранул, указывают как долю продуктов дробления. Сравнение доли продуктов дробления для двух образцов одинакового размера - это способ оценки относительной прочности. Для двух образцов гранул, используемых при описанном выше измерении проводимости, весовая доля продуктов дробления при 15000 psi для гранул, полученных путем сухого смешения, составляла 2,7% по сравнению с 0,8% в случае капельной отливки. Это снова указывает на то, что капельная отливка позволяет получить более прочные гранулы.
Относительную прочность гранул также можно определить по измерению прочности единичной гранулы. Распределения прочности для сорока гранул каждого из двух образцов гранул, применяемых при описанных выше измерениях проводимости, определяли, заносили в таблицу и анализировали при помощи статистики Вейбулла для определения собственной прочности. Собственная прочность гранул, полученных при помощи капельной отливки, определенная подобным образом, составляла 184 МПа по сравнению с 151 МПа для гранул, изготовленных при помощи сухого смешения.
Как следует из механики разрушения, гранулы разрушаются под напряжением, начиная от крупнейшего дефекта в грануле. Считается, что в гранулах расклинивающего наполнителя наиболее крупный дефект - это самая большая пора. Таким образом, напряжение разрушения обратно пропорционально квадратному корню от размера наиболее крупного дефекта. Итак, соотношение (R) напряжения разрушения для расклинивающего наполнителя, полученного при помощи капельной отливки (DC) при помощи устройства, описанного в настоящем документе, и напряжения разрушения для расклинивающего наполнителя, полученного обычным способом (CONV) (сухое смешение или распыление с осушением в псевдоожиженном слое), следующее:
DMP
CONV
1/2
R = (Макс. размер пор/Макс. размер пор)
Гранулы, изготовленные при помощи метода капельной отливки и имевшихся ранее способов, исследовали с применением сканирующего электронного микроскопа (SEM) при увеличении 500x. Для измерения распределения размеров пор в частицах при помощи SEM исследовали сечения отожженных гранул глинозема, боксита и каолина, полученных в каждом из способов. Для каждого образца фотографировали случайный участок размером приблизительно 252 мкм × 171 мкм для каждой из десяти различных гранул. Измеряли десять наиболее крупных пор на каждом участке и использовали приведенное выше уравнение для расчета теоретического отношения напряжения разрушения гранул, полученных капельной отливкой, и гранул, изготовленных традиционным способом. Результаты приведены в таблице 3. Например, средний максимальный размер пор в гранулах глинозема, полученных путем капельной отливки, составлял 16,3 мкм, а в случае гранул глинозема, полученных путем сухого смешения, средний максимальный размер пор составлял 40,8 мкм. На основании приведенного выше уравнения соотношение напряжения, приводящее к разрушению, в случае гранул, полученных путем капельной отливки, и гранул, полученных способом сухого смешения, составляет 1,6. Таким образом, как следует из механики разрушения, гранулы глинозема, полученные путем капельной отливки, должны выдерживать приблизительно в 1,6 раз большее напряжение без растрескивания, чем гранулы, полученные способом сухого смешения.
Таблица 3Размер пор в гранулах, полученных путем капельной отливки, сухого смешения и напыления с осушением в псевдоожиженном слое
Глинозем
Боксит
Каолин
Капельная отливка
Сухое смешение
Капельная отливка
Сухое смешение
Капельная отливка
Напыление с осушением в псевдоожиженном слое
Средняя крупнейшая пора (мкм)
16,3
40,8
14,3
37,5
11,1
56,0
Среднее по 10 крупнейшим порам (мкм)
10,4
19,1
9,1
20,5
6,0
18,4
Теоретическое соотношение прочности гранул, полученных капельной отливкой, и гранул, полученных обычным способом
1,6x
1,6x
2,2
В случае образцов каолина проводили дополнительные измерения. При этом выполняли измерения для каждой видимой поры, и совокупные данные по всем десяти участкам использовали для расчета среднего размера поры, стандартного отклонения в размере пор и числа пор на квадратный миллиметр, а также данные по наиболее крупной поре, представленные в таблице 3. Сводка данных представлена в таблице 4, а на фиг. 6 показаны графики распределения размеров пор для каолина, полученного при помощи капельной отливки (кривая 1), и каолина, полученного распылением с осушением в псевдоожиженном слое (кривая 2). Небольшая доля очень крупных пор, возникающих в результате способа распыления с осушением в псевдоожиженном слое, показанная на фиг. 6 (кривая 2), легко видна в микроструктурах на фиг. 4f. Отсутствие крупных пор в материале, полученном при помощи капельной отливки, обеспечивает обсуждаемое выше преимущество в прочности.
Таблица 4Дополнительные измерения размера пор для каолина, полученного при помощи капельного литья и распылительной сушки в псевдоожиженном слое
Каолин, полученный при помощи капельной отливки
Каолин, полученный при помощи распыления и осушения в псевдоожиженном слое
Средний размер пор (мкм)
2,0
2,8
Стандартное отклонение размера пор (мкм)
1,8
6,4
Среднее число пор на кв. мм
2121
5133
Расклинивающий материал, изготовленный из каолина, обладает ценовым преимуществом по сравнению с расклинивающими материалами, содержащими большее количество глинозема, изготовленными из более дорогих руд с более высоким содержанием глинозема. Четыре продукта из расклинивающего наполнителя с тремя диапазонами содержаний глинозема продает фирма Carbo Ceramics, например данные с www.carboceramics.com по состоянию на 12/19/2011. Расклинивающий наполнитель с более высоким содержанием глинозема, как правило, продают по более высокой цене, и его себестоимость выше. Более низкому содержанию глинозема соответствуют продукты ECONOPROP и CARBOLITE, в которых содержание глинозема составляет примерно 48 и 51% соответственно. В CARBOPROP более высокое содержание глинозема, составляющее около 72%. CARBOPROP - это более дорогой в изготовлении продукт вследствие, главным образом, более высокой стоимости сырья.
Характеристика расклинивающего наполнителя, напрямую связанная с его эффективностью при гидравлическом разрыве пласта, - это проницаемость под давлением. Данные по долгосрочной проницаемости для чистого расклинивающего наполнителя из глинозема, полученного при помощи имеющегося способа и при помощи способа капельной отливки, представленного здесь, приведены на фиг. 5. На фиг. 7 показаны данные по долгосрочной проницаемости, измеренные при помощи тех же способов, что и использованные для получения данных на фиг. 5, для расклинивающих наполнителей с различным содержанием глинозема и изготовленных при помощи различных способов. Кривая 1 отвечает опубликованной проницаемости расклинивающего наполнителя ECONOPROP 20/40 меш (изготовленного из каолина, с содержанием глинозема около 48%), изготовленного при помощи описанного выше способа с применением мешалки Eirich. Кривая 2 отвечает проницаемости расклинивающего наполнителя CARBOPROP 20/40 меш (изготовленного из смеси руд с содержанием глинозема около 72%). Кривая 3 отвечает зависимости средней проницаемости от напряжения для 15 образцов расклинивающего наполнителя (изготовленного из каолина, с содержанием глинозема около 48%), изготовленного при помощи описанного здесь способа капельной отливки. Способ капельной отливки позволяет получить расклинивающий наполнитель, изготовленный из каолина, с примерно той же проницаемостью под напряжением, что и в случае более дорогого продукта, содержащего 72% глинозема. Средняя долгосрочная проницаемость, измеренная при напряжении 10000 psi для 15 образцов, составила 173 Д. Это гораздо больше опубликованного значения долгосрочной проницаемости при напряжении 10000 psi (85 Д) в случае промышленного расклинивающего наполнителя (ECONOPROP) с приблизительно тем же содержанием глинозема, как можно видеть при сравнении кривой 3 и кривой 1.
Следует понимать, что в изобретение можно внести изменения на усмотрение эксперта в области техники, к которой относится изобретение, в рамках прилагаемой формулы изобретения. Все варианты осуществления, рассмотренные далее, позволяющие осуществить цели изобретения, не показаны подробно. Могут быть разработаны другие варианты осуществления изобретения без отклонения от духа изобретения или выхода за пределы прилагаемой формулы изобретения. Хотя настоящее изобретение было описано в отношении конкретных деталей, не предполагается, что эти детали следует рассматривать как ограничения объема изобретения, кроме случаев, когда они включены в прилагаемую формулу изобретения.