КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХЛЕГКОГО КЕРАМИЧЕСКОГО РАСКЛИНИВАЮЩЕГО НАПОЛНИТЕЛЯ
COMPOSITION AND METHOD OF PREPARING ULTRALIGHT CERAMIC PROPPING AGENT

Гидравлический разрыв - это технологическая операция, предназначенная для увеличения добычи нефти и газа. Обычно процесс состоит из двух этапов. Сначала образуют гидравлический разрыв нагнетанием текучей среды для гидроразрыва в ствол скважины при расходе и давлении, достаточных для раскрытия пласта, благодаря чему текучая среда проникает внутрь и еще больше раскрывает пласт. Затем подают твердый расклинивающий наполнитель или проппант и вводят его в пласт для «расклинивания» открытого разрыва и создания проводящего канала для нефти и газа. Для повышения экономической эффективности малодебитных нефтяных и газовых коллекторов, как правило, требуется гидравлический разрыв.
В зависимости от типа проницаемости или необходимой прочности частиц в качестве расклинивающих наполнителей можно использовать различные виды материалов, такие как песок, песок с полимерным покрытием и искусственный керамический расклинивающий наполнитель - проппант. Хороший расклинивающий наполнитель должен иметь достаточную прочность на раздавливание под действием механических напряжений, вызываемых смыканием пласта. Чем глубже скважина, тем прочнее должен быть расклинивающий наполнитель для того, чтобы противостоять раздавливанию. Наиболее широко в качестве расклинивающего наполнителя используют песок по причине его очень высокой доступности и низкой стоимости. Однако при больших глубинах прочность песка на раздавливание под действием вызываемых смыканием пласта механических напряжений недостаточна, при этом проницаемость песка часто также оказывается недостаточной.
3
Для использования в скважинах глубиной более 15000 футов (4572 м) рекомендуется спеченный боксит, представляющий собой расклинивающий наполнитель высокой плотности с кажущимся удельным весом около 3,50 г/см и содержанием глинозема около 83%.
3
3
Установлено, что расклинивающие наполнители средней плотности, например, с кажущимся удельным весом примерно от 3,10 г/см до 3,45 г/см имеют достаточную эффективность для обеспечения необходимой проницаемости при средних глубинах и давлениях и достаточную прочность на раздавливание при глубине скважины примерно от 8000 футов (2438,4 м) до 12000 футов (3657,6 м).
Недостатками расклинивающих наполнителей как высокой, так и средней плотности являются необходимость применения крупногабаритного насосного оборудования, использования высоковязких жидкостей для гидроразрыва и высоких расходов нагнетания для удержания их во взвешенном состоянии; а также повышенный по сравнению с обычным износ транспортирующего и перекачивающего жидкость оборудования.
Из-за недостатков расклинивающих наполнителей высокой и средней плотности с 1980-х годов предпринимаются попытки использования материалов с пониженным содержанием глинозема. Кроме того, постоянно растущий объем применения гидроразрыва с использованием воды с химикатами и гидроразрыва горизонтальных скважин требует применения легковесных керамических наполнителей.
3
В патенте США №4522731 и в патенте США №5120455, выданных Лунгхоферу (Lunghofer), описан расклинивающий наполнитель низкой плотности на каолиновой глине, содержащей менее 50% глинозема. Кажущийся удельный вес этого расклинивающего наполнителя ниже 3,0 г/см.
3
3
Другой расклинивающий наполнитель низкой плотности с кажущимся удельным весом от 2,20 г/см до 2,60 г/см описан в патенте США №5188175, выданном Свиту (Sweet), приготовляют из сырья с содержанием глинозема от 25% до 40%.
3
3
Расклинивающий наполнитель еще более низкой плотности, описанный в патенте США №7036591, выданном Кеннану (Cannan), имеет содержание глинозема примерно от 40 до 60% и предназначен для применения в неглубоких нефтяных и газовых скважинах. Для достижения удельного веса примерно от 1,60 г/см примерно до 2,10 г/см время обжига гранул не превышает 30 минут, при этом цель заключается в спекании и кристаллизации материала без полного повышения плотности расклинивающего наполнителя.
Поскольку гидроразрыв пласта проводят на небольших глубинах с применением песка, желательно создать легковесный расклинивающий наполнитель, который можно приготовлять из недорогого материала с низким содержанием глинозема, например из природной глины, содержащей менее 25% глинозема. Такой наполнитель должен иметь проводимость выше, чем у песка при применении в скважинах небольшой или средней глубины.
Уменьшение содержания глинозема в частице, как правило, снижает ее плотность. Однако при слишком низком содержании глинозема возникает реальная проблема с прочностью. По этой причине постоянно стремились создать расклинивающий наполнитель низкой плотности без ухудшения прочности.
В предлагаемом сверхлегком расклинивающем наполнителе в качестве основных сырьевых материалов более дешевых, чем боксит, используются природные глины, например фарфоровая глина, каолин (или кремнистую глину). Следовательно, затраты на производство единицы массы наполнителя ниже. Кроме того, природные глины более доступны, чем боксит.
К тому же, с точки зрения конечного пользователя при гидравлическом разрыве для заполнения разрыва пласта в каждом конкретном случае расклинивания потребуется меньше по весу сверхлегкого расклинивающего наполнителя вследствие его меньшей объемной плотности в сравнении с расклинивающими наполнителями высокой или средней плотности. Это - существенное преимущество, поскольку расклинивающие наполнители обычно продают по весу.
Другие преимущества сверхлегкого расклинивающего наполнителя включают возможность его использования с менее вязкими жидкостями для гидроразрыва, применение при более экономичных производительностях насосов, пониженный износ транспортирующего и перекачивающего жидкость оборудования в сравнении с износом при применении расклинивающего наполнителя высокой или средней плотности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
3
3
3
3
3
3
3
3
Изобретение относится к сверхлегкому расклинивающему наполнителю, приготовленному из природных глин с содержанием глинозема примерно от 5,5% до 35%, предпочтительно от 5,5% до 25% и наиболее предпочтительно от 14% до 25%. Предлагаемый расклинивающий наполнитель имеет кажущийся удельный вес примерно от 2,10 г/см примерно до 2,55 г/см, предпочтительно от 2,30 г/см до 2,50 г/см и объемную плотность примерно от 1,30 г/см примерно до 1,50 г/см, предпочтительно от 1,30 г/см до 1,40 г/см. По результатам испытания в STIM-Lab предлагаемый расклинивающий наполнитель имеет более высокую по сравнению с песком проводимость при давлениях до 8000 фунтов на кв. дюйм (55,16 МПа) через 50 часов при 275°F (135°C) в огайском песчанике в присутствии обескислороженного 2% водного раствора KCl.
В одном варианте реализации изобретения предлагаемый расклинивающий наполнитель может быть в виде смеси, содержащей от 5% до 85% фарфоровой глины, от 5% до 85% каолиновой глины и от 5% до 30% гончарной глины. Смесь имеет содержание глинозема примерно от 5,5% до 35%, предпочтительно от 5,5% до 25% и наиболее предпочтительно от 14% до 25%.
2
В некотором предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемый расклинивающий наполнитель имеет содержание диоксида кремния (SiO) от 89,5% до 69,5%, предпочтительно от 81,5% до 69,5%.
3
3
3
3
3
3
3
3
Кроме того, изобретение относится к спеченной сферической грануле по существу округлой и сферической формы, характеризуемой коэффициентом, по меньшей мере, около 0,8 по диаграмме округлости и сферичности Крумбейна/Шлосса (Krumbein/Sloss). Содержание глинозема в указанной грануле составляет примерно от 5,5% до 35%, предпочтительно от 5,5% до 25% и наиболее предпочтительно от 14% до 25%. Предлагаемая гранула имеет кажущийся удельный вес примерно от 2,10 г/см примерно до 2,55 г/см, предпочтительно от 2,30 г/см до 2,50 г/см и объемную плотность примерно от 1,30 г/см примерно до 1,50 г/см, предпочтительно от 1,30 г/см до 1,40 г/см.
Этот сверхлегкий расклинивающий наполнитель можно применять для гидроразрыва, а также в качестве среды для гравийных набивок при борьбе с поступлением песка. По результатам испытания в STIM-Lab он имеет более высокую по сравнению с песком проводимость при давлениях до 8000 фунтов на кв. дюйм (55,16 МПа) через 50 часов при 275°F (135°C) в огайском песчанике в присутствии обескислороженного 2% водного раствора KCl.
С целью получения максимальной прочности частиц расклинивающего наполнителя, частицы спекают при времени обжига примерно от 75 минут примерно до 960 минут, предпочтительно примерно от 120 минут примерно до 720 минут в туннельной или вращающейся печи. Обычно температура обжига составляет примерно от 1150°C примерно до 1380°C, предпочтительно от 1200°C до 1320°C.
Кроме того, изобретение относится к способу гидроразрыва подземного пласта, при котором нагнетают в пласт гидравлическую текучую среду с расходом и давлением, достаточными для раскрытия в нем разрыва, и нагнетают в разрыв текучую среду, содержащую предлагаемые спеченные сферические гранулы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
3
3
3
3
3
3
3
3
Предлагаемый сверхлегкий расклинивающий наполнитель представляет собой твердые сферические гранулы, получаемые из природных глин, имеющих содержание глинозема примерно от 5,5% до 35%, предпочтительно от 5,5% до 25% и наиболее предпочтительно от 14% до 25%. Предлагаемый расклинивающий наполнитель имеет кажущийся удельный вес примерно от 2,10 г/см примерно до 2,55 г/см, предпочтительно от 2,30 г/см до 2,50 г/см и объемную плотность примерно от 1,30 г/см примерно до 1,50 г/см, предпочтительно от 1,30 г/см до 1,40 г/см. По результатам испытания в STIM-Lab предлагаемый расклинивающий наполнитель имеет более высокую по сравнению с песком проводимость при давлениях до 8000 фунтов на кв. дюйм (55,16 МПа) через 50 часов при 275°F (135°C) в огайском песчанике в присутствии обескислороженного 2% водного раствора KCl. Все процентные содержания, приведенные в описании данного изобретения, - весовые проценты.
В одном варианте реализации, предлагаемый расклинивающий наполнитель может быть приготовлен из смеси, содержащей от 5% до 85% фарфоровой глины, от 5% до 85% каолиновой глины и от 5% до 30% гончарной глины. Смесь имеет содержание глинозема примерно от 5,5% до 35%, предпочтительно от 5,5% до 25% и наиболее предпочтительно от 14% до 25%.
Сырьевые материалы
В соответствии с настоящим изобретением, одним таким сырьевым материалом является фарфоровая глина. Фарфоровая глина - это обычно белый мелкозернистый грунт, образовавшийся в результате эрозии глиноземных минералов, таких как полевой шпат или полувыветрелый гранит. Вязкость, прочность и светопроницаемость фарфоровой глины определяются в основном образованием стекла и минерального муллита в спекаемом теле при указанных выше высоких температурах. Содержание глинозема в фарфоровой глине, как правило, примерно менее 20%, а содержание диоксида кремния примерно выше 65%. Процентное содержание здесь приводится в пересчете на сухое вещество.
Второй сырьевой материал, используемый в соответствии изобретением, - гончарная глина. Гончарная глина - это очень мелкозернистый грунт, пластичный и клейкий во влажном состоянии и твердый в обожженном виде. Смешанная с водой в определенной пропорции гончарная глина более пластична, чем фарфоровая глина и каолин. В сухом виде гончарная глина становится твердой, а при обжиге в печи для обжига в ней происходят необратимые химические и физические реакции. Эти реакции, наряду с другими изменениями, вызывают превращение гончарной глины в прочный керамический материал. Благодаря этим свойствам, особенно пластичности, гончарная глина является прекрасным сырьевым материалом, применяемым для приготовления сырых гранул расклинивающих наполнителей. Содержание глинозема в гончарной глине, как правило, примерно менее 25%, а содержание диоксида кремния примерно выше 60%.
2
3
2
2
Третьим основным сырьевым материалом является каолин. Содержание глинозема в каолине или белой фарфоровой глине обычно составляет около 40%, а содержание диоксида кремния - около 45%. По своему химическому составу каолин содержит в основном каолинит с химической формулой минерала (AlO·2SiO·2HO). Каолин - это высокоогнеупорная глина с точкой плавления выше 1700°C. Если каолин используют сам по себе, ему трудно придать форму гранул из-за низкой пластичности, при этом вследствие огнеупорности его трудно спекать путем обжига в твердую, плотную частицу. Для изготовления расклинивающего наполнителя каолин сам по себе используют очень редко. Следовательно, к каолину необходимо добавить фарфоровую и гончарную глину для повышения его технологичности и для снижения температуры в печи, необходимой для производства твердого и плотного расклинивающего наполнителя.
В данном изобретении использовали фарфоровую глину, гончарную глину и каолин из Вангяо (Wangyao), город Нингдэ (Ningde City), провинция Фуцзянь (Fujian), Китай (общепризнанные названия соответственно «Фарфоровая глина Нингдэ», «Гончарная глина Нингдэ» и «Каолин Нингдэ»). Другим источником фарфоровой и гончарной глины и каолина, пригодных для изготовления данного расклинивающего наполнителя, были глины, добываемые в Ванву (Wanwu), город Фуан (Fuan City), провинция Фуцзянь (Fujian), Китай (общепризнанные названия соответственно «Фарфоровая глина Фуан», «Гончарная глина Фуан» и «Каолин Фуан»). Как Нингдэ, так и Фуан - это те места в Китае, которые имеют долгую историю изготовления керамических изделий как для домашнего хозяйства, так и для промышленного применения. Например, Вангяо (Wangyao) буквально означает «печь для обжига миски», он знаменит производством различной домашней утвари, такой как миски, погребальные урны, гончарные изделия и т.д. Глины Фуан используются в основном для производства гончарных изделий, огнеупорного кирпича и различных изделий, применяемых в металлообрабатывающей промышленности, таких как тигли, капсулы для отжига отливок, реторты и т.д. Количество свободного песка (т.е. кварца), как в глинах Нингдэ, так и в глинах Фуан, меньше 2 весовых процентов (в дальнейшем в этом документе «без»).
Для изготовления предлагаемого расклинивающего наполнителя каолин в данном случае можно заменить кремнистой глиной. Кремнистая глина - это обожженная высокоогнеупорная глина. Она должна содержать большое количество диоксида кремния и глинозема и минимально возможное количество примесей, таких как известь, оксид магния, сода и поташ, которые понижают точку плавления глины. Содержание глинозема в кремнистой глине, как правило, ниже примерно 45%, а содержание диоксида кремния выше примерно 40%.
Так как каолин (или кремнистая глина) содержит достаточно большое количество глинозема, для получения смеси, содержащей от 5,5% до 35% глинозема, предпочтительно от 5,5% до 25% и наиболее предпочтительно от 14% до 25% его необходимо смешать с фарфоровой и гончарной глиной, которые состоят главным образом из диоксида кремния.
В одном примере осуществления изобретения процентное содержание сырьевых материалов в смеси следующее:
- фарфоровая глина: 5%~85%;
- каолин (и/или кремнистая глина): 5%~85%;
- гончарная глина: 5%~30%.
Основными примесями в фарфоровой глине, гончарной глине и каолине (или кремнистой глине) являются соединения титана и железа и небольшие количества калия и магния.
В некотором предпочтительном варианте осуществления изобретения смесь сырьевых материалов может дополнительно содержать упрочняющие добавки, выбранные из титанового концентрата, цирконового песка, оксида алюминия или их сочетаний. Массовый процент упрочняющих добавок составляет примерно от 5% примерно до 10%.
Предлагаемый сверхлегкий расклинивающий наполнитель может также быть приготовлен из других природных глин, имеющих содержание глинозема примерно от 5,5% до 35%, предпочтительно от 5,5% до 25% и наиболее предпочтительно от 14% до 25%.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИНОВ
Применительно к настоящему изобретению, термин «песок» обозначает оттавский песок высшего сорта фракции 20/40 меш.
Термин «проводимость» в описании изобретения используется для обозначения произведения ширины разрыва на проницаемость набивки из расклинивающего наполнителя. Проводимость расклинивающего наполнителя при определенных условиях механических напряжений, температуры, агрессивной среды и времени является единственным важнейшим показателем качества расклинивающего наполнителя.
Проводимость упакованного расклинивающего наполнителя определяется как произведение проницаемости набивки из расклинивающего наполнителя на ширину расклиненного разрыва и обычно выражается в единицах миллидарси/фут (мД/фут).
В данном описании изобретения термин «проницаемость» означает способность среды пропускать жидкость через поровые пространства. Обычно данные о проводимости или проницаемости являются наилучшими показателями сопротивления раздавливанию и могут давать ценную информацию об эффективности расклинивающего наполнителя в подземном пласте.
Термин «сферичность» в контексте данного изобретения обозначает степень приближения формы частиц расклинивающего наполнителя к сферической форме. Термин «округлость» в настоящем изобретении используется как мера остроты углов или кривизны гранул расклинивающего наполнителя. С 1963 г. для визуальной оценки сферичности и округлости широко применятся диаграмма, разработанная Крумбейном (Krumbein) и Шлоссом (Sloss). Для образца необходимо определять, записывать и усреднять как сферичность, так и округлость.
Термин «кажущийся удельный вес» обозначает вес частиц на единицу объема, с включением сюда внутренней пористости (граммы на кубический сантиметр). В Таблице I приведен кажущийся удельный вес имеющихся на рынке расклинивающих наполнителей.
ТАБЛИЦА I
Промышленные расклинивающие наполнители
Объемная плотность (г/см<sup>3</sup>)
Кажущийся удельный вес (г/см<sup>3</sup>)
Керамический высокой плотности, фракция 20/40 меш
2,02
3,50
Керамический средней плотности, фракция 20/40 меш
1,88
3,25
Керамический легковесный,  фракция 20/40 меш
1,57
2,71
Песок с полимерным покрытием, фракция 20/40 меш
1,60
2,61
Оттавский песок, фракция 20/40 меш
1,60
2,62
Термин «объемная плотность» относится к весу на единицу объема (граммы на кубический сантиметр), включая свободное пространство между частицами в рассматриваемом объеме. В Таблице I приведена объемная плотность имеющихся на рынке расклинивающих наполнителей.
В общем виде предлагаемый способ приготовления включает 7 операций: обжиг сырьевого материала, смешивание и измельчение, образование гранул, сушку и подогрев, спекание, охлаждение и окончательную классификацию. Ниже приведено подробное описание этого процесса.
Обжиг сырьевого материала
Перед образованием гранул каолин может быть либо обожженным, либо необожженным. Фарфоровая и гончарная глина в обжиге не нуждаются. Если используют обожженный каолин, то обжиг необходимо проводить при температуре около 1100°C. Температура обжига настолько высока, что обжиг служит не только для термической обработки, проводимой с целью осуществления термического разложения, например удаления органических соединений и воды гидратации и влаги, но также для проведения процесса фазового превращения с образованием муллита или кристобалита.
Смешивание и измельчение
Каолин необходимо смешивать с необожженной и измельченной фарфоровой глиной и гончарной глиной. Содержание глинозема в смеси должно быть менее 35%. Если содержание глинозема в смеси менее 35%, смесь измельчают до среднего размера частиц примерно от 3 до 5 микрон, с образованием сухого порошка перед образованием гранул.
Образование гранул
Для образования гранул могут применяться различные способы, хорошо известные в производстве расклинивающих наполнителей, например способ, описанный в патенте США №4522731 с использованием распылительного гранулятора или флюидизатора. Ниже приведено описание способа образования гранул с использованием миксера.
Смесительная машина или миксер производства компании Yixing Zhengda Ceramic Equipment, Inc, может вращаться с частотой вращения примерно от 10 до 120 оборотов в минуту (об/мин). Дополнительно непрерывно вводят и перемешивают измельченный сухой глиняный порошок, с образованием сферических гранул до получения сырых гранул необходимого размера. Процесс может привести к образованию гладких сферических хорошо уплотненных твердых сырых гранул расклинивающего наполнителя только с введением необходимого количества воды и порошка с требуемым расходом и в течение требуемого времени.
Предлагаемые частицы расклинивающего наполнителя после спекания представляют собой твердые сферические однородные по цвету гранулы.
Неожиданно было обнаружено, что для изготовления предлагаемого расклинивающего наполнителя нет необходимости в ведении каких-либо связующих. При этом можно получить округлость и сферичность, характеризуемые коэффициентом, по меньшей мере, около 0,8 по диаграмме округлости и сферичности Крумбейна/Шлосса (Krumbein/Sloss).
Сушка и подогрев
Далее сферические гранулы выгружают из миксера и высушивают до содержания свободной влаги менее 3%. Подходящая температура сушки составляет примерно от 300°C примерно до 400°C, а время сушки - от 30 минут до 45 минут. После высушивания сферические гранулы необходимого размера отделяют просеиванием на ситах с различным размером ячеек. Гранулы нежелательных размеров отсеивают и перерабатывают.
Спекание
Вскоре после просеивания высушенных сырых гранул необходимого фракционного состава их спекают во вращающейся или туннельной печи. Критическими параметрами для вращающейся или туннельной печи являются время и температура обжига. Выбор времени и температуры обжига определяется различными переменными параметрами, в том числе минералогическим составом материала, размером измельченных частиц, размером гранул и объемом материала в печи.
1) Спекание во вращающейся печи
Обычно температура обжига составляет примерно от 1150°C примерно до 1380°C, предпочтительно от 1200°C до 1320°C. Время обжига составляет примерно от 75 минут примерно до 960 минут, предпочтительно примерно от 120 минут примерно до 720 минут.
Так, было обнаружено, что прочность частицы при времени обжига 120 минут выше прочности частицы при времени обжига 35 минут.
2
3
Кроме того, в соответствии с изобретением, заявители обнаружили, что чрезмерно высокая температура обжига, например выше 1450°C, приводит к неудовлетворительной форме частиц и к слипанию гранул друг с другом из-за низкого содержания глинозема (AlO).
2) Спекание в туннельной печи
Туннельная печь представляет собой печь непрерывного действия с вагонетками и состоит из зон предварительного нагрева, сушки, обжига и охлаждения. Она пригодна для крупномасштабного производства керамических расклинивающих наполнителей. Это - способ поточного производства, при котором примерно каждый час на одном конце линии загружают вагонетку с сырыми гранулами и выгружают вагонетку на другом конце. Толкающее устройство постепенно толкает вновь загруженную вагонетку вместе с рядом других находящихся впереди нее вагонеток на расстояние, равное длине одной вагонетки, а затем отводится назад для загрузки следующей вагонетки. Зона обжига расположена в центре туннеля, при этом ее температура поддерживается неделями, месяцами или годами либо до тех пор, пока не потребуется останов для технического обслуживания.
Производство расклинивающего наполнителя в туннельной печи имеет несколько преимуществ в сравнении с производством во вращающейся печи. Во-первых, процессы предварительного нагрева, сушки, обжига и охлаждения происходят в туннеле, в замкнутой системе. Такая туннельная конструкция поглощает и сберегает много тепла, здесь проще задавать температуру и контролировать время обжига. Во-вторых, так как это - непрерывное производство, качество расклинивающего наполнителя стабильно, и его легко можно улучшать. В-третьих, поскольку гранула находится почти в «статическом» положении в процессе нагрева и обжига, частица способна сохранять гладкую сферическую форму. И наконец, производство имеет более высокую эксплуатационную гибкость по сравнению с вращающейся печью, при этом его можно корректировать в соответствии с потребностью рынка на ежемесячный объем от 3000 метрических тонн до 6000 метрических тонн.
Как и в случае процесса во вращающейся печи, подходящая температура предварительного нагрева и сушки составляет примерно от 300°C примерно до 400°C, а время - от 30 минут до 45 минут.
После сушки и предварительного нагрева гранула попадает в зону обжига, расположенную в центре туннеля. Обычно температура обжига составляет примерно от 1150°C примерно до 1380°C, предпочтительно от 1200°C до 1320°C. Время обжига составляет примерно от 75 минут примерно до 960 минут, предпочтительно примерно от 120 минут примерно до 720 минут. В результате частица полностью уплотняется и принимает правильную форму.
2
3
Кроме того, заявители обнаружили, что при чрезмерно высокой температуре обжига, например выше 1450°C, частицы имеют неудовлетворительную форму, при этом гранулы слипаются друг с другом из-за слишком низкого содержания глинозема (AlO).
Охлаждение и классификация
После обжига во вращающейся или туннельной печи гранулы охлаждают до температуры воздуха около 28°C, а затем просеивают до необходимого гранулометрического состава, например, на фракции 20/40, 40/70 меш.
После обжига гранулы вновь просеивают до необходимого окончательного размера. Например, размер типичной фракции составляет 40/70 меш, 90% которой составляют гранулы размером от 0,425 мкм до 0,212 мкм.
3
3
3
3
3
3
3
3
Расклинивающие наполнители в предпочтительном варианте осуществления изобретения имеют удельный вес (по ISO 13503-2) примерно от 2,10 г/см примерно до 2,55 г/см, предпочтительно от 2,30 г/см до 2,50 г/см и объемную плотность примерно от 1,30 г/см примерно до 1,50 г/см, предпочтительно от 1,30 г/см до 1,40 г/см.
Предлагаемые частицы расклинивающего наполнителя однородны по цвету.
Далее изобретение иллюстрируется следующими примерами, не ограничивающими его объем, в которых при отсутствии иных указаний приведены содержания в весовых процентах.
ПРИМЕР 1
Смесь, состоящую из 52% фарфоровой глины и 26% каолина, добавляли к 22% порошка гончарной глины. Каолин был обожжен и измельчен. Затем каолин перемешивали с порошком необожженной фарфоровой и гончарной глины. Все сырьевые материалы добыты в Вангяо (Wangyao), город Нингдэ (Ningde City), провинция Фуцзянь (Fujian), Китай.
В качестве примера осуществления изобретения, содержание глинозема в полученной смеси составляет 23,36%. Подробный состав следующий.
Химическая формула
Содержание в смеси (%)
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
23,36
SiO<sub>2</sub>
70,68
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2,04
K<sub>2</sub>O
2,11
TiO<sub>2</sub>
1,16
MgO
0,30
CaO<sub>2</sub>
0,15
Na<sub>2</sub>O
0,18
Прочие
0,02
Полученную смесь гранулировали в миксере, поставленном компанией Yixinfg Zhengda Ceramic Equipment, Inc. Для фракции 40/70 меш частота вращения миксера составляла 25 об/мин, а общее время гранулирования было равно 75 минут.
Полученный гранулированный материал сушили в печи (или сушилке) при температуре 350°C, а затем спекали при температуре 1275°C.
3
3
Полученный в Примере 1 расклинивающий наполнитель соответствовал фракции 40/70 меш и был испытан в лаборатории Stim-Lab компании Core Laboratories в г. Дункан, штат Оклахома, США. Результаты испытаний, проведенных в лаборатории Stim-Lab, следующие: объемная плотность 1,34 г/см, удельный вес 2,42 г/см, сопротивление раздавливанию - 2,7% мелких частиц при 7500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа) и 6,7% мелких частиц при 10000 фунтов на кв. дюйм (68,95 МПа).
Ниже приведены характеристики расклинивающего наполнителя фракции 40/70 меш, исследованного в лаборатории STIM-Lab. Методика испытания - по ISO 13503-2:
ХАРАКТЕРИСТИКА
РЕЗУЛЬТАТ ИСПЫТАНИЯ
ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ
Сферичность
0,9
нет
Округлость
0,9
нет
Растворимость в кислотах
4,0
%
Мутность
18
ЕМФ (единица мутности по формазину)
Объемная плотность
1,34
г/см<sup>3</sup>
Удельный вес
2,42
г/см<sup>3</sup>
Испытание на раздавливание при 7500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа)
2,7
%
Испытание на раздавливание при 10000 фунтов на кв. дюйм (68,95 МПа)
6,7
%
Лаборатория Stim-Lab разработала методики испытаний для определения проводимости и проницаемости расклинивающего наполнителя, которые широко применяются в промышленности.
В результате испытаний, проведенных STIM-Lab, установлено, что проводимость предлагаемых расклинивающих наполнителей выше, чем у песков, имеющих более высокий удельный вес. Например, по результатам измерений STIM-Lab ("Методика STIM-Lab") проводимость расклинивающего наполнителя фракции 40/70 меш в предпочтительном варианте реализации изобретения составляет, по меньшей мере, 560 мД/фут, предпочтительно, по меньшей мере, 580 мД/фут через 50 часов при 275°F (135°C) в присутствии обескислороженного азотом 2% раствора KCl.
В рамках изобретения измерения проводимости и проницаемости для жидкости выполняли по следующим методикам:
1. Для измерения проводимости и проницаемости для жидкости использовали следующее оборудование:
2
- пресс с пневмогидроусилителем, марка Dake, усилие 75 тонн. Проточные ячейки API (Американский институт нефти) изготовлены из нержавеющей стали SS316 или монеля К-5000; площадь сечения протоков 10 кв. дюймов (6451,6 мм);
- измерительные преобразователи давления Rosemont (серия Smart) 40:1 для измерения перепада давления, соединенные с трубопроводами диаметром ¼ дюйма (6,35 мм), откалиброванные компьютером системы Smart и настроенные на диапазон 0-5 дюймов (0-127 мм) в.ст.;
- емкости с вытесняемой азотом жидкостью объемом 2 галлона (7571 см), заполненные обескислороженным азотом 2% раствором KCl;
- нутромеры и штангенциркули для измерения ширины;
- ПК IBM для обработки данных и расчета проводимости и проницаемости;
2
- два образца огайского песчаника площадью 10 кв. дюймов (6451,6 мм);
- в ячейку API загружали образец испытуемого расклинивающего наполнителя. Расклинивающий наполнитель разравнивали ножом.
2. Образец расклинивающего наполнителя помещали между плитками из керна и получали пакет из четырех секций.
3. Ячейки набирали в стопу высотой с точностью до 0,002 дюйма (0,051 мм) от низа до верха и помещали между плитами пресса Dake. Давление повышали до 500 фунтов на кв. дюйм (3,45 МПа), после чего систему откачивали и насыщали водой при температуре 70-75°F (21,1-23,9°C).
4. После насыщения давление смыкания повышали до 1000 фунтов на кв. дюйм (6,9 МПа) со скоростью 100 фунтов на кв. дюйм в минуту (0,69 МПа/мин) и оставляли расклинивающий наполнитель до установления равновесного состояния, как указано в таблицах данных.
5. Для расчета проводимости и проницаемости при каждой величине давления измеряли расход, перепад давления и среднюю ширину. Каждое значение проводимости определяли, проводя пять измерений и усредняя полученные значения. Расход измеряли с помощью расходомера LiquiFlow, который был откалиброван с точностью 0,01 мл/мин с помощью весов Mettler. В расчетах для определения проводимости и проницаемости использовали закон Дарси.
6. Температуру испытания повышали до 250°F (121°C) и давали время на установление равновесного состояния. Перед повышением давления смыкания температуру 250°F (121°C) поддерживали в течение 12 часов.
7. Данные для расчета проводимости и проницаемости расклинивающего наполнителя регистрировали при 1000 фунтов на кв. дюйм (6,9 МПа) как при комнатной температуре, так и при 250°F (121°C), как указано в таблицах данных.
8. Давление повышали со скоростью 100 фунтов на кв. дюйм в минуту (0,69 МПа/мин) с шагом 1000 фунтов на кв. дюйм (6,9 МПа) и повторяли все описанные выше измерения.
9. Проводимость и проницаемость расклинивающего наполнителя непрерывно контролировали при 2000 фунтов на кв. дюйм (13,8 МПа) и 250°F (121°C) в течение 50 часов.
10. Проводимость и проницаемость расклинивающего наполнителя непрерывно контролировали при 4000 фунтов на кв. дюйм (27,6 МПа) и 250°F (121°C) в течение 50 часов.
11. Проводимость и проницаемость расклинивающего наполнителя непрерывно контролировали при 6000 фунтов на кв. дюйм (41,4 МПа) и 250°F (121°C) в течение 50 часов.
12. Проводимость и проницаемость расклинивающего наполнителя непрерывно контролировали при 8000 фунтов на кв. дюйм (55,2 МПа) и 250°F (121°C) в течение 50 часов.
Например, по результатам измерений STIM-Lab (отчет №SL 8674) проводимость расклинивающего наполнителя фракции 40/70 меш в предпочтительном варианте реализации изобретения через 50 часов при 275°F (135°C) в присутствии обескислороженного азотом 2% раствора KCl составляет, по меньшей мере, 560 мД/фут, предпочтительно, по меньшей мере, 580 мД/фут.
Часов при давлении смыкания и температуре
Давление смыкания, фунты на кв. дюйм (МПа)
Температура, °F (°C)
Проводимость, мД/фут
Ширина, дюйм (мм)
Проницаемость, дарси
50
2000 (13,8)
250 (121)
1925
0,253 (6,426)
91
50
4000 (27,6)
250 (121)
1534
0,248 (6,299)
74
50
6000 (41,4)
250 (121)
1085
0,242 (6,147)
54
50
8000 (45,2)
250 (121)
583
0,233 (5,918)
30
Примечания: Сверхлегкий керамический расклинивающий наполнитель, фракция 40/70. Концентрация расклинивающего наполнителя 2,0 фунта на кв. фут (9,76 кг на кв. м). Между кернами огайского песчаника. Определено в STIM-Lab по методике STIM-Lab.
ПРИМЕР 2
Использовали те же сырьевые материалы и тот же способ приготовления, которые описаны в Примере 1. В этом случае взяли фракцию 30/50 меш, 90% которой составляют гранулы размером от 0,600 мкм до 0,300 мкм. Для получения сырых гранул необходимого размера, частота вращения миксера составляла около 25 об/мин, а общее время гранулирования составляло около 90 минут.
Ниже приведены характеристики расклинивающего наполнителя фракции 30/50, исследованного в лаборатории STIM-Lab. Методика испытания основана на ISO 13503-2:
ХАРАКТЕРИСТИКА
РЕЗУЛЬТАТ ИСПЫТАНИЯ
ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ
Сферичность
0,8
нет
Округлость
0,8
нет
Растворимость в кислотах
4,0
%
Мутность
8
ЕМФ
Объемная плотность
1,31
г/см<sup>3</sup>
Удельный вес
2,41
г/см<sup>3</sup>
Испытание на раздавливание при 7,500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа)
7,1
%
Для расклинивающего наполнителя фракции 30/50 повторили все те же испытания проводимости и свойств по методикам Stim-Lab, которые описаны в Примере 1.
Часов при давлении смыкания и температуре
Давление смыкания, фунты на кв. дюйм (МПа)
Температура, °F (°C)
Проводимость, мД/фут
Ширина, дюйм (мм)
Проницаемость, дарси
50
2000 (13,8)
250 (121)
3216
0,256 (6,502)
151
50
4000 (27,6)
250 (121)
2350
0,249 (6,325)
113
50
6000 (41,4)
250 (121)
1378
0,239 (6,071)
69
50
8000 (45,2)
250 (121)
657
0,226 (5,740)
35
Примечания: Сверхлегкий керамический расклинивающий наполнитель, фракция 30/50. Концентрация расклинивающего наполнителя 2,0 фунта на кв. фут (9,76 кг на кв. м). Между кернами огайского песчаника. Определено в STIM-Lab по методике STIM-Lab.
ПРИМЕР 3
Смесь, состоящую из 65% фарфоровой глины и 15% каолина, добавляли к 20% гончарной глины. В этом случае каолин был необожженным. В качестве примера изобретения, содержание глинозема в получившейся смеси равно 19,05%. Подробный состав следующий.
Химическая формула
Содержание в смеси (%)
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
19,05
SiO2
71,60
Fe2O<sub>3</sub>
2,23
K<sub>2</sub>O
2,08
TiO<sub>2</sub>
1,98
MgO
1,93
CaO<sub>2</sub>
0,45
Na<sub>2</sub>O
0,23
Прочие
0,45
3
3
Повторили тот же способ приготовления, который описан в Примере 1. Полученный в Примере 3 расклинивающий наполнитель соответствовал фракции 40/70 меш и был испытан в Центре управления и контроля качества компании PetroChina. Результаты испытаний, проведенных в лаборатории PetroChina, следующие: объемная плотность 1,30 г/см, удельный вес 2,40 г/см, сопротивление раздавливанию - 4,6% мелких частиц при 7500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа).
Ниже приведены характеристики расклинивающего наполнителя, исследованного в лаборатории PetroChina. Методика испытания основана на ISO 13503-2:
ХАРАКТЕРИСТИКА
РЕЗУЛЬТАТ ИСПЫТАНИЯ
ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ
Сферичность
0,88
нет
Округлость
0,88
нет
Растворимость в кислотах
6,0
%
Объемная плотность
1,30
г/см<sup>3</sup>
Удельный вес
2,40
г/см<sup>3</sup>
Испытание на раздавливание при 7500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа)
4,6
%
Ниже представлены результаты испытаний проводимости, выполненных в лаборатории PetroChina:
Давление смыкания (МПа/фунты на кв. дюйм)
Проводимость (мД/фут)
10/1450
1072
20/2900
938
30/4350
748
40/5800
601
50/7250
367
60/8700
236
Примечания: Сверхлегкий керамический расклинивающий наполнитель, фракция 40/70. Концентрация расклинивающего наполнителя 2,0 фунта на кв. фут (9,76 кг на кв. м). Между кернами огайского песчаника. Испытания лаборатории PetroChina.
ПРИМЕР 4
Использовали те же сырьевые материалы и тот же способ приготовления, которые описаны в Примере 3. Содержание глинозема в полученной смеси было также равно 19,05%. В этом случае взяли фракцию 20/40, 90% которой составляют гранулы размером от 0,850 мкм до 0,425 мкм. Для получения сырых гранул необходимого размера, частота вращения миксера составляла около 25 об/мин, а общее время гранулирования составляло около 105 минут.
Ниже приведены характеристики расклинивающего наполнителя фракции 20/40.
ХАРАКТЕРИСТИКА
РЕЗУЛЬТАТ ИСПЫТАНИЯ
ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ
Сферичность
0,9
нет
Округлость
0,9
нет
Растворимость в кислотах
4,2
%
Объемная плотность
1,30
г/см<sup>3</sup>
Удельный вес
2,40
г/см<sup>3</sup>
Испытание на раздавливание при 5000 фунтов на кв. дюйм (34,47 МПа)
3,8
%
Испытание на раздавливание при 7500 фунтов на кв.дюйм (51,71 МПа)
9,5
%
ПРИМЕР 5
Смесь, состоящую из 24% фарфоровой глины и 59% кремнеземистой глины, добавляли к 12% гончарной глины и 5% титанового концентрата в качестве добавки. В этом случае титановый концентрат можно заменить цирконовым песком, оксидом алюминия или их сочетаниями.
В качестве примера изобретения, содержание глинозема в полученной смеси составляет 34,18%. Подробный состав следующий.
Химическая формула
Содержание в смеси (%)
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
34,18
SiO<sub>2</sub>
57,23
TiO<sub>2</sub>
3,38
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2,08
K<sub>2</sub>O
1,01
MgO
0,47
CaO<sub>2</sub>
0,40
Na<sub>2</sub>O
0,91
Прочие
0,34
3
3
Для получения расклинивающего наполнителя фракции 40/70 меш повторили тот же способ приготовления, который описан в Примере 1. Полученный расклинивающий наполнитель фракции 40/70 имел следующие характеристики: плотность 1,40 г/см, удельный вес 2,46 г/см, сопротивление раздавливанию - 2,36% мелких частиц при 7500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа) и 5,80% мелких частиц при 10000 фунтов на кв. дюйм (68,95 МПа).
Ниже приведены характеристики расклинивающего наполнителя фракции 40/70.
ХАРАКТЕРИСТИКА
РЕЗУЛЬТАТ ИСПЫТАНИЯ
ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ
Сферичность
0,8
нет
Округлость
0,8
нет
Растворимость в кислотах
5,1
%
Мутность
15
ЕМФ
Объемная плотность
1,40
г/см<sup>3</sup>
Удельный вес
2,46
г/см<sup>3</sup>
Испытание на раздавливание при 7500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа)
2,36
%
Испытание на раздавливание при 10000 фунтов на кв. дюйм (68,95 МПа)
5,8
%
Было замечено, что после введения упрочняющих добавок фракция 40/70 содержала раздавленных частиц примерно менее 3% при 7500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа) и примерно менее 6% при 10000 фунтов на кв. дюйм (68,95 МПа).
СВОДКА ПРИМЕРОВ
Частицы расклинивающего наполнителя примеров с 1-5 однородны по цвету. Данные испытаний характеристик следующие:
ХАРАКТЕРИСТИКА
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Пример 5
Гранулометрический состав расклинивающего наполнителя по стандарту API
40/70
30/50
40/70
20/40
40/70
Содержание глинозема (%)
23,36
23,36
19,05
19,05
34,18
Содержание диоксида кремния (%)
70,68
70,68
71,60
71,60
57,13
Сферичность
0,9
0,8
0,88
0,9
0,8
Округлость
0,9
0,8
0,88
0,9
0,8
Растворимость в кислотах (%)
4,0
4,0
6,0
4,2
5,1
Объемная плотность (г/см<sup>3</sup>)
1,34
1,31
1,30
1,30
1,40
Удельный вес (г/см<sup>3</sup>)
2,42
2,41
2,40
2,40
2,46
Испытание на раздавливание при 5000 фунтов на кв. дюйм (34,47 МПа)
3,8
Испытание на раздавливание при 7500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа)
2,7
7,1
4,6
9,5
2,36
Испытание на раздавливание при 10000 фунтов на кв. дюйм (68,95 МПа)
6,7
5,8
Предлагаемый расклинивающий наполнитель фракции 40/70 меш содержит раздавленных частиц примерно менее 5% при 7500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа) и примерно менее 10% при 10000 фунтов на кв. дюйм (68,95 МПа); при фракции 30/50 меш он содержит раздавленных частиц примерно менее 10% при 7500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа) и примерно менее 15% при 10000 фунтов на кв. дюйм (68,95 МПа); и при фракции 20/40 меш он содержит раздавленных частиц примерно менее 15% при 7500 фунтов на кв. дюйм (51,71 МПа) и примерно менее 20% при 10000 фунтов на кв. дюйм (68,95 МПа).
Любому специалисту в данной области техники будет очевидно, что данное изобретение можно по существу воспроизвести путем внесения небольших изменений в состав материала или способ приготовления. В той мере, в какой такой материал или такие способы по существу эквивалентны, следует считать, что они определяются следующими пунктами формулы изобретения.