[RU]

В настоящем документе раскрыты частицы расклинивающего наполнителя, полученные из капель суспензии, и способы применения. Частицы расклинивающего наполнителя могут содержать обожженный керамический материал и могут иметь размер от около 80 до около 10 меш и средний наибольший размер пор менее чем около 20 мкм. Способы применения могут предусматривать закачивание жидкости для гидроразрыва в подземный пласт со скоростью и под давлением, достаточными для открытия в нем трещины, и закачивание жидкости, содержащей частицу расклинивающего наполнителя, в трещину, причем частица расклинивающего наполнителя содержит обожженный керамический материал, имеет размер от около 80 до около 10 меш и средний наибольший размер пор менее чем около 20 мкм.

(57) Реферат / Формула:

В настоящем документе раскрыты частицы расклинивающего наполнителя, полученные из капель суспензии, и способы применения. Частицы расклинивающего наполнителя могут содержать обожженный керамический материал и могут иметь размер от около 80 до около 10 меш и средний наибольший размер пор менее чем около 20 мкм. Способы применения могут предусматривать закачивание жидкости для гидроразрыва в подземный пласт со скоростью и под давлением, достаточными для открытия в нем трещины, и закачивание жидкости, содержащей частицу расклинивающего наполнителя, в трещину, причем частица расклинивающего наполнителя содержит обожженный керамический материал, имеет размер от около 80 до около 10 меш и средний наибольший размер пор менее чем около 20 мкм.

---

Евразийское (21) 201790697 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2017.10.31
(22) Дата подачи заявки 2015.09.29
(51) Int. Cl. E21B 43/267 (2006.01)
(54) ЧАСТИЦЫ РАСКЛИНИВАЮЩЕГО НАПОЛНИТЕЛЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ КАПЕЛЬ СУСПЕНЗИИ, И СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ
(31) 14/502,483
(32) 2014.09.30
(33) US
(86) PCT/US2015/052912
(87) WO 2016/054022 2016.04.07
(71) Заявитель:
КАРБО КЕРАМИКС ИНК. (US)
(72) Изобретатель:
Элдред Бенджамин Т., Уилсон Бретт
A. , Гардиниер Клейтон Ф., Дюнкель Роберт (US)
(74) Представитель:
Лыу Т.Н., Угрюмов В.М., Гизатуллина Е.М., Глухарёва А.О., Дементьев
B. Н., Карпенко О.Ю., Клюкин В.А., Строкова О.В., Христофоров А.А. (RU)
(57) В настоящем документе раскрыты частицы расклинивающего наполнителя, полученные из капель суспензии, и способы применения. Частицы расклинивающего наполнителя могут содержать обожженный керамический материал и могут иметь размер от около 80 до около 10 меш и средний наибольший размер пор менее чем около 20 мкм. Способы применения могут предусматривать закачивание жидкости для гидроразрыва в подземный пласт со скоростью и под давлением, достаточными для открытия в нем трещины, и закачивание жидкости, содержащей частицу расклинивающего наполнителя, в трещину, причем частица расклинивающего наполнителя содержит обожженный керамический материал, имеет размер от около 80 до около 10 меш и средний наибольший размер пор менее чем около 20 мкм.
ЧАСТИЦЫ РАСКЛИНИВАЮЩЕГО НАПОЛНИТЕЛЯ. ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ
КАПЕЛЬ СУСПЕНЗИИ. И СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ОПИСАНИЕ
Область техники
Настоящее изобретение относится к гидравлическому разрыву подземных пластов в земле. Более конкретно, обеспечиваются обожженные керамические частицы расклинивающего наполнителя, полученные при вызванном вибрацией капании из форсунки для суспензии высокодисперсного керамического материала, а также способы применения частиц.
Уровень техники
Гидравлический разрыв представляет собой процесс закачивания жидкостей внутрь скважины и в подземный пласт с высокой скоростью и под высоким давлением так, что трещина образуется в породе вокруг скважины. После закачивания объема жидкости, достаточного для соответствующего расширения трещины, твердые частицы, называемые "расклинивающим наполнителем", добавляют в жидкость. После завершения закачивания скважину открывают для добычи углеводородов. Темп добычи жидкости из скважины обычно значительно повышается после гидроразрыва пласта. Значительные усовершенствования процесса гидравлического разрыва были разработаны с тех пор, как процесс был изначально запатентован в 1949 г. (патенты США №2596843 и №2596844).
Материалом, изначально используемым для расклинивающего наполнителя при гидравлическом разрыве скважин, был кварцевый песок. Когда скважины становились глубже, было обнаружено, что песок имеет недостаточную прочность. В глубоких скважинах давление земли вызывает растрескивание песка, и он становится намного менее эффективным для увеличения производительности скважины.
Синтетические материалы для расклинивающих наполнителей были разработаны для обеспечения большей прочности расклинивающих наполнителей. Исходный синтетический обожженный расклинивающий наполнитель представлял собой обожженный боксит. В последние годы множество керамических сырьевых
материалов использовалось для получения обожженных керамических расклинивающих наполнителей, включая боксит, содержащий небольшие количества оксида алюминия, и глинистые минералы, такие как каолин. В общем, было обнаружено, что прочность керамических частиц повышается с увеличением количества окиси алюминия (оксид алюминия) в частице, если все остальные факторы остаются неизменными.
Общая процедура получения синтетических частиц расклинивающего наполнителя состоит в получении керамического сырьевого материала, размоле его в мелкодисперсный порошок, образовании из него гранул (называемых "сырые" окатыши) и обжиге сырых окатышей в печи. Готовый продукт представляет керамические гранулы с диапазоном размеров, подходящих для расклинивающих наполнителей, от около 70 меш до 12 меш (диаметром от 0,008 дюйма до 0,067 дюйма). Различные размеры гранул используют в зависимости от скважинных условий.
Были предложены различные способы получения гранул расклинивающего наполнителя. В более ранней работе, патенте США №4427068, описывается способ получения обожженных керамических гранул путем добавления сухих порошков глины и оксида алюминия, боксита или смесей в высокоэффективную мешалку (здесь и далее называемый "способ сухого смешивания"). Порошкообразные мелкозернистые керамические исходные ингредиенты (керамические сырьевые материалы) перемешивают для получения сухой однородной смеси. Затем добавляют достаточное количество воды для обеспечения агломерации мелкодисперсных исходных частиц пыли с образованием небольших сложных сферических гранул из порошка. Обеспечивают длительное время перемешивания для роста небольших гранул до желаемого размера. Широкий диапазон размеров получают на стадии образования гранул. Предпочтительный смеситель получают от компании Eirich Machines, Inc., и он известен как смеситель "Айрих". Полученные гранулы сушат и обжигают в готовые частицы расклинивающего наполнителя. Большая часть керамического расклинивающего наполнителя, полученного в промышленности в последние годы, была изготовлена при помощи данного способа получения гранул.
В патентах США №4440866 раскрыт альтернативный способ получения гранул, которые обжигают для получения высокопрочных гранул. Непрерывное распыление/гранулирование водной суспензии алюминийсодержащей руды со связующим используют для получения гранул, которые затем обжигают (здесь и далее в настоящем документе называемое "способ распыления в псевдоожиженном слое").
Все стадии данного способа можно проводить непрерывным образом. Водную суспензию, содержащую керамический сырьевой материал, непрерывно атомизируют и подают в слой уже частично высушенных небольших исходных частиц пыли (часто называемых затравками), которые псевдоожижены потоком горячего осушающего воздуха. Водную суспензию керамического сырьевого материала непрерывно распыляют и сушат на частицах затравки, пока не получат желаемый готовый диаметр сырых частиц. Частицы, полученные таким способом, имеют диапазон размеров, который менее широк, чем обычно получаемый способом сухого смешивания из патента США №4427068, но все еще имеет достаточные отклонения, чтобы требовалась дополнительная обработка. Частицы непрерывно извлекают из псевдоожиженного слоя, и частицы желаемого размера отделяют от фракций продукта с чрезмерным и недостаточным размерами. Материал непрерывно рециркулируют в поток осушающего воздуха. Этот способ распыления в псевдоожиженном слое также использовали для получения больших количеств керамических расклинивающих наполнителей в промышленности.
Способы получения гранул, описанные выше, имеют характерные ограничения. Способ сухого смешивания дает очень широкий диапазон размеров сырых окатышей из-за случайного характера встряхивания ротора и емкости. Способ распыления в псевдоожиженном слое дает несколько более узкое распределение размеров сырых окатышей, но все еще намного более широкое, чем требуется. Эти способы требуют обширного просеивания и рециркуляции в процессе производства. При наилучших условиях производства около 30% сырых частиц необходимо рециркулировать в процессе получения гранул. Как способ сухого смешивания, так и способ распыления в псевдоожиженном слое также дают случайное распределение размеров пор в гранулах, включая небольшой процент очень больших пор, что значительно снижает прочность гранул. Прочность обожженных гранул является главной причиной, поскольку, если гранулы разрушаются под высоким давлением в трещине, потокоемкость трещины снижается, и гидравлический разрыв является менее эффективным. Сферичность и гладкость поверхности частиц, получаемых данными способами, также важны, причем высокая сферичность и очень гладкая поверхность традиционно являются наиболее желательными. На все эти характеристики сильно влияет способ получения гранул.
В публикации США №2006/0016598 раскрыт перечень техник получения гранул, которые можно использовать для получения керамических расклинивающих наполнителей, включая агломерацию, грануляцию распылением, мокрую грануляцию,
экструзию и гранулирование, вызванное вибрацией капание согласно патенту США №5500162, полученные при помощи распылительной форсунки капли и селективную агломерацию. В патенте США №5500162 раскрыто получение микросфер при помощи вызванного вибрацией капания раствора химического вещества через пластину с форсунками, причем падающие капли образуют оболочку, окруженную со всех сторон текущим реакционным газом. Раствор жидкого химического вещества не содержит твердые частицы или имеет низкое содержание (т.е. 20% или менее) твердых частиц в то время, когда он поступает в пластину с форсунками, выходит из пластины с форсунками и проходит через первую секцию свободного падения. Реакционный газ требуется для обеспечения осаждения (загустевания) небольших твердых частиц (обычно субмикронных) в жидких каплях, когда они падают через вторую зону свободного падения, а затем падают в реакционную жидкость для дополнительного загустевания. Реакционный газ необходим для обеспечения частичного загустевания жидкости перед поступлением в реакционную жидкость, и капли замедляются в жидкости посредством пены, или реакционная жидкость направляется на падающие капли по касательной в том же направлении, в котором падают капли. Эти два признака падения через реакционный газ и замедления в пене требуются для обеспечения того, что капли частично загустевают во время золь-гель реакции и, таким образом, не деформируются, например, не становятся плоскими, когда они соударяются с реакционной жидкостью. Реакционный газ откачивают изнутри или снаружи корпуса. Способ согласно изобретению можно использовать для получения, например, сфер из оксида алюминия с диаметром до 5 мм.
Вызванное вибрацией капание, называемое в настоящем документе "капельным литьем", изначально было разработано для получения гранул ядерного топлива. После этого его приспособили для получения очень широкого разнообразия металлических и керамических "микросфер", таких как абразивные материалы и носители катализаторов. Главным образом его использовали в пищевой и фармацевтической промышленностях. Процесс капельного литья описан на сайте и в рекламной литературе компании Brace GmbH. Также обеспечиваются примеры микросфер, полученных капельным литьем из различных материалов. В патенте США №6197073 раскрыт способ получения шариков на основе оксида алюминия из кислого золя оксида алюминия или кислой суспензии оксида алюминия путем пропускания суспензии через вибрирующую пластину с форсунками для получения капель и предварительного отверждения капель при помощи газообразного аммиака, а затем коагуляции капель в
растворе аммиака. Механическая прочность керамических частиц, полученных путем обжига полученных капельным литьем частиц, не была условием ни в одном из материалов, использованных в этих ссылках.
Известно, что для получения керамических частиц расклинивающего наполнителя с максимальной прочностью для заданного керамического материала, частицы должны содержать минимальную пористость, и присутствующие поры должны быть настолько маленькими, насколько это возможно, поскольку прочность заданной частицы расклинивающего наполнителя ограничена ее наибольшей порой. Необходим способ получения сырых керамических частиц, которые можно обжигать для получения сниженного размера пор и, таким образом, максимальной прочности для использования в качестве расклинивающего наполнителя. Предпочтительно частицы должны быть сферическими, иметь гладкую поверхность и одинаковый размер. Способ получения сырых частиц без рециркуляции нежелательной фракции по размеру сырых керамических гранул также необходим.
Сущность изобретения
В настоящем документе раскрыта частица расклинивающего наполнителя. Частица расклинивающего наполнителя может содержать обожженный керамический материал, иметь размер от около 80 меш до около 10 меш и средний наибольший размер пор менее чем около 20 микронов. Соударение множества частиц расклинивающего наполнителя при скорости движения газа около 260 м/с с плоской мишенью из мягкой стали может приводить к эрозионности мишени от около 1 до около 100 мг потери материала мишени из-за соударения на кг множества частиц расклинивающего наполнителя, ударяющих в мишень. Также множество частиц расклинивающего наполнителя может терять менее 15% своей проводимости при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия 5 циклов циклической нагрузки под давлениями от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм, когда частица расклинивающего наполнителя характеризуется удельной массой около 3,5.
Также в настоящем документе раскрыта набивка из частиц расклинивающего наполнителя. Набивка из частиц расклинивающего наполнителя может содержать множество частиц расклинивающего наполнителя, причем каждая частица расклинивающего наполнителя из набивки может содержать обожженный керамический материал, иметь размер от около 80 меш до около 10 меш и средний
наибольший размер пор менее чем около 20 микронов. Набивка из частиц расклинивающего наполнителя с размером частиц 20-40 меш может характеризоваться длительной проницаемостью более 130 дарси под давлением 10000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5, когда частицы расклинивающего наполнителя характеризуются удельной массой около 2,7. Соударение частиц расклинивающего наполнителя при скорости движения газа около 260 м/с с плоской мишенью из мягкой стали может приводить к эрозионности мишени от около 1 до около 100 мг потери материала мишени из-за соударения на кг множества частиц расклинивающего наполнителя, ударяющих в мишень. Также набивка может терять менее 15% своей проводимости при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия 5 циклов циклической нагрузки под давлениями от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм, когда частица расклинивающего наполнителя характеризуется удельной массой около 3,5.
Также в настоящем документе раскрыт способ гидравлического разрыва. Способ может включать закачивание жидкости для гидроразрыва в подземный пласт со скоростью и под давлением, достаточными для открытия в нем трещины, и закачивание жидкости, содержащей частицы расклинивающего наполнителя, в трещину. Частица расклинивающего наполнителя может содержать обожженный керамический материал, иметь размер от около 80 меш до около 10 меш и средний наибольший размер пор менее чем около 20 микронов. Соударение множества частиц расклинивающего наполнителя при скорости движения газа около 260 м/с с плоской мишенью из мягкой стали может приводить к эрозионности мишени от около 1 до около 100 мг потери материала мишени из-за соударения на кг множества частиц расклинивающего наполнителя, ударяющих в мишень. Также множество частиц расклинивающего наполнителя может терять менее 15% своей проводимости при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия 5 циклов циклической нагрузки под давлениями от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм, когда частица расклинивающего наполнителя характеризуется удельной массой около 3,5.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение можно лучше понять со ссылкой на следующее описание и приложенные графические материалы, которые используются для иллюстрации вариантов осуществления настоящего изобретения. На фигурах:
фиг. 1 представляет собой рисунок, показывающий принципы устройства получения гранул для частиц расклинивающего наполнителя, раскрытых в настоящем документе;
фиг. 2 представляет собой рисунок, показывающий капли, полученные из одной форсунки, из потока суспензии;
фиг. 3 представляет собой рисунок, показывающий капли, полученные из пластины с множеством форсунок, из потока суспензии;
фиг. 4А представляет фотографию со сканирующего электронного микроскопа при увеличении в 100 раз обожженных гранул из оксида алюминия, полученных при помощи устройства фиг. 1;
фиг. 4В представляет фотографию со сканирующего электронного микроскопа при увеличении в 100 раз обожженных гранул из оксида алюминия, полученных при помощи способов уровня техники;
фиг. 4С представляет фотографию со сканирующего электронного микроскопа при увеличении в 100 раз обожженных гранул из боксита, полученных при помощи устройства фиг. 1;
фиг. 4D представляет фотографию со сканирующего электронного микроскопа при увеличении в 100 раз обожженных гранул из боксита, полученных при помощи способов уровня техники;
фиг. 4Е представляет фотографию со сканирующего электронного микроскопа при увеличении в 100 раз обожженных гранул из каолина, полученных при помощи устройства фиг. 1;
фиг. 4F представляет фотографию со сканирующего электронного микроскопа при увеличении в 100 раз обожженных гранул из каолина, полученных при помощи способов уровня техники;
фиг. 5 представляет график длительной проницаемости в зависимости от давления для гранул из оксида алюминия, полученных при помощи устройства получения гранул, раскрытого в настоящем документе, и при помощи способа сухого смешивания уровня техники при помощи смесителя "Айрих";
фиг. 6 представляет собой частотный график размера пор для частиц расклинивающего наполнителя из каолина, полученных способом, раскрытым в настоящем документе, и при помощи способа распыления в псевдоожиженном слое уровня техники;
фиг. 7 представляет график длительной проницаемости в зависимости от давления для расклинивающего наполнителя, полученного из каолина и других материалов и имеющего различное содержание оксида алюминия, полученного при помощи устройства получения гранул, раскрытого в настоящем документе, и при помощи способа сухого смешивания уровня техники при помощи смесителя "Айрих";
фиг. 8 представляет график длительной проницаемости в зависимости от давления для расклинивающего наполнителя, полученного из боксита и других материалов и имеющего различное содержание оксида алюминия, полученного при помощи устройства получения гранул, раскрытого в настоящем документе, и при помощи способа сухого смешивания уровня техники при помощи смесителя "Айрих";
фиг. 9 представляет график эрозионности в зависимости от скорости расклинивающего наполнителя для расклинивающего наполнителя на основе боксита, полученного обычными способами, и расклинивающего наполнителя на основе оксида алюминия, полученного способом капельного литья фиг. 1-3;
фиг. 10 представляет график, показывающий длительную проводимость обычного расклинивающего наполнителя на основе боксита и полученного капельным литьем оксида алюминия, причем каждый имеет размер 20/40 меш, после воздействия на каждый 50 часов вызывающего смыкание трещины напряжения величиной 20000 фунтов/кв. дюйм, а потом 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм и, наконец, повторного измерения каждого при вызывающем смыкание трещины напряжении величиной 20000 фунтов/кв. дюйм для определения снижения проводимости из-за циклических изменений;
фиг. 11 представляет график, показывающий длительную проводимость обычного расклинивающего наполнителя на основе боксита и полученного капельным литьем оксида алюминия, причем каждый имеет размер 20/40 меш, после воздействия на каждый 50 часов вызывающего смыкание трещины напряжения величиной 14000 фунтов/кв. дюйм, а потом 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 6000 фунтов/кв. дюйм до около 14000 фунтов/кв. дюйм и, наконец, повторного измерения каждого при вызывающем смыкание трещины напряжении величиной 14000 фунтов/кв. дюйм для определения снижения проводимости из-за циклических изменений;
фиг. 12 представляет график, показывающий длительную проводимость обычного расклинивающего наполнителя на основе боксита и полученного капельным
литьем оксида алюминия, причем каждый имеет размер 30/50 меш, после воздействия на каждый 50 часов вызывающего смыкание трещины напряжения величиной 20000 фунтов/кв. дюйм, а потом 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм и, наконец, повторного измерения каждого при вызывающем смыкание трещины напряжении величиной 20000 фунтов/кв. дюйм для определения снижения проводимости из-за циклических изменений;
фиг. 13 представляет график, показывающий бета-факторы обычного расклинивающего наполнителя на основе боксита и полученного капельным литьем оксида алюминия, причем каждый имеет размер 20/40 меш, после воздействия на каждый 50 часов вызывающего смыкание трещины напряжения величиной 20000 фунтов/кв. дюйм, а потом 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм и, наконец, повторного измерения каждого при вызывающем смыкание трещины напряжении величиной 20000 фунтов/кв. дюйм для определения увеличения бета-факторов из-за циклических изменений;
фиг. 14 представляет график, показывающий бета-факторы обычного расклинивающего наполнителя на основе боксита и полученного капельным литьем оксида алюминия, причем каждый имеет размер 30/50 меш, после воздействия на каждый 50 часов вызывающего смыкание трещины напряжения величиной 20000 фунтов/кв. дюйм, а потом 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм и, наконец, повторного измерения каждого при вызывающем смыкание трещины напряжении величиной 20000 фунтов/кв. дюйм для определения увеличения бета-факторов из-за циклических изменений.
Подробное описание изобретения
Ссылаясь на фиг. 1 увидим, что устройство 10 получения гранул с одной форсункой показано для иллюстрации принципов способа, раскрытого в настоящем документе, который обычно называют "капельным литьем". Форсунка 12 принимает суспензию 15 из питающего резервуара 14, который содержит керамические сырьевые материалы, суспендированные в воде. Давление, прикладываемое к питающему резервуару 14 системой 16 подачи давлением, вызывает течение суспензии через форсунку 12 с выбранной скоростью, предпочтительно ламинарным потоком. Под форсункой 12 находится емкость 17 коагуляции, которая принимает капли. Вибрационный блок 18 соединен с форсункой 12 и используется для подачи импульсов давления к форсунке или непосредственно в суспензию, протекающую в форсунку. Полученная вибрация суспензии, протекающей через форсунку, вызывает разрушение потока, выходящего из форсунки 12, на капли одинакового размера. Когда капли падают в направлении емкости 17 коагуляции, эффекты поверхностного натяжения стремятся образовать сферические капли. Сферические частицы образуются без необходимости в золь-гель реакции, зоне свободного падения с реакционным газом, вспененного слоя реакционной жидкости или реакционной жидкости, направляемой на капли перед поступлением в ванну с реакционной жидкостью.
На фиг. 2 показана более подробно суспензия 15, выходящая из форсунки 12 и разрушающаяся на капли. Поверхностное натяжение суспензии приводит капли к минимальной площади поверхности, которая достигает сферической формы, когда они падают в направлении емкости 17 коагуляции. Расстояние падения предпочтительно выбирают достаточно большим для того, чтобы капли стали сферическими перед поступлением в жидкость в емкости 17.
Суспензия 15 из питающего резервуара 14 содержит тонкоизмельченный (размером 0,01-50 микронов) минерал или обработанный порошок, способный давать прочный керамический материал после обжига, необходимое количество диспергирующего средства, необходимого для поддержания твердых частиц в суспензии хорошо распределенными, воду и реагент, который будет реагировать с компонентом в жидкости 19 в емкости 17 коагуляции для получения полутвердого или нерастворимого соединения. Содержание твердых веществ в суспензиях может находиться в диапазоне от около 25% до около 75%. Вязкость суспензий обычно составляет от 1 до 1000 сантипуаз, но может быть выше. Более низкая вязкость
суспензии способствует улучшению образования капель и образованию сферических частиц и является важной частью заявленного изобретения. Оптимизация типа и концентрации диспергирующего средства будет снижать вязкость. Диспергирующие средства можно выбирать на основании стоимости, доступности и эффективности для снижения вязкости выбранной суспензии. Диспергирующие средства, которые можно использовать для снижения вязкости суспензий, включают силикат натрия, полиакрилат аммония, полиметакрилат натрия, цитрат натрия, полисульфонат и гексаметафосфат натрия.
Обычно используемым химическим реагентом в суспензии в питающем резервуаре 14 является альгинат натрия. Это встречающийся в природе полисахарид, который растворим в воде в виде натриевой соли, но сшивается с образованием геля в виде кальциевой соли. Альгинат обычно добавляют в суспензию на уровне от 0,1% до 1,0% (массовый процент твердого альгината ко всей суспензии). Емкость 17 коагуляции обычно содержит жидкость 19 коагуляции, которая загущает химический реагент в суспензии 15. Обычно используемая жидкость коагуляции для альгината натрия представляет собой раствор хлорида кальция с уровнями концентрации от 0,5 масс. % до 10 масс. %. Можно использовать разнообразие реагентов в суспензии, текущей через форсунку 12 и в емкость 17 коагуляции. Они могут включать другие полисахариды и другие сшивающие соединения, такие как поливиниловый спирт или боратные жидкости.
Диаметр форсунки 12, вязкость суспензии 15, содержание керамических частиц в суспензии 15, давление для подачи суспензии в форсунку, а также частоту и амплитуду вибрации, прикладываемой источником 17 вибрации, регулируют для получения капель желаемого размера. Эти переменные предпочтительно устанавливают на постоянном значении, когда сферы получают для формирования в партию гранул расклинивающего материала. Различные партии можно получать с гранулами различного размера. Предпочтительно каждая партия будет иметь один размер (т.е. содержаться на одном сите, например, проходя через сито 20 меш, но оставаясь на сите 25 меш). Давление, используемое для подачи суспензии в форсунку, регулируют для создания ламинарного потока через форсунку. Давление подачи может находиться в диапазоне от 1 до 50 фунтов/кв. дюйм. Частоту регулируют для каждого набора условий суспензии так, что резонанс создается в потоке суспензии, выходящем из форсунки, которая затем дает сферические капли. Частота может находиться в диапазоне от 10 до 20000 Гц. Давление и частоту оптимизируют несколько раз для
создания одинаковых сферических форм. Амплитуду регулируют для улучшения одинаковой формы полученных сферических капель. Расход суспензии через форсунку зависит от диаметра форсунки, давления подачи суспензии и свойств суспензии, таких как вязкость и плотность. Например, для суспензий каолина и оксида алюминия через форсунки диаметром до 500 микронов расход на форсунку может находиться в диапазоне от 0,2 до 3 кг/ч.
Расстояние между форсункой 12 и поверхностью жидкости 19 в емкости 17 коагуляции выбирают для обеспечения того, чтобы капли становились сферическими перед достижением поверхности жидкости. Расстояние может составлять от 1 до 20 см, но чаще находится в диапазоне от 1 до 5 см, чтобы снижать деформацию формы капель при соударении с поверхностью жидкости, при этом исключая необходимость в реакционном газе, вспененном слое или направленной по касательной реакционной жидкости перед тем, как капли входят в емкости 17 коагуляции. Химический реагент в каплях суспензии реагирует с жидкостью 19 коагуляции в емкости 17 коагуляции, и образуется полутвердая поверхность на каплях, что способствует сохранению сферической формы и предотвращает агломерацию гранул. Предпочтительно время удержания гранул в емкости 17 коагуляции достаточно для обеспечения того, что гранулы станут достаточно жесткими для предотвращения деформации сферической формы, когда их отводят и сушат, т.е. полужесткими. Согласно некоторым вариантам осуществления гранулы могут падать в раствор жидкости коагуляции, текущий вертикально вверх, так, что осаждение частицы через жидкость будет задерживаться для получения более длительного времени удержания в емкости коагуляции.
Гранулы, полученные при помощи устройства фиг. 1, промывают для удаления избытка средства коагуляции и перемещают в другие устройства, где их сушат и потом обжигают, используя хорошо известные в промышленности способы.
На фиг. 3 показано устройство с множеством форсунок, которое требуется для применения способа в промышленном масштабе. Множество форсунок 32 помещают в емкость 30, которая работает под регулируемым давлением для протекания суспензии через форсунки. Большое число форсунок требуется для промышленного получения частиц расклинивающего наполнителя. Емкость 30 вибрирует для обеспечения вибрации форсунок, как описано выше. Альтернативно, переменное давление можно вызывать в суспензии для обеспечения образования капель одинакового размера. Капли собирают, как описано ранее.
Гранулы, полученные способом, описанным на фиг. 1-3, имеют практически одинаковый размер. Например, в таблице 1 сравниваются распределения размеров гранул для обожженного расклинивающего наполнителя из оксида алюминия, полученного способом сухого смешивания и способом капельного литья, описанным в настоящем документе, без просеивания сырых окатышей. Без просеивания сырых окатышей сухое смешивание дает обожженный расклинивающий наполнитель с распределение по шести ситам, тогда как капельное литье дает обожженный расклинивающий наполнитель по существу на одном сите. Таким образом, в процессе производства расклинивающего наполнителя капельное литье не требует просеивания сырых окатышей для выбора желаемого диапазона размеров и затем рециркуляции материала в сырых окатышах вне выбранного диапазона размеров. Размер гранул, которые следует обжечь для получения расклинивающего наполнителя, выбирают путем регулирования диаметра форсунки 12 или 32, вязкости суспензии 15, содержания керамических частиц в суспензии 15, давления для подачи суспензии в форсунку, а также частоты и амплитуды вибрации, прикладываемой источником 17 вибрации. Обожженные гранулы или частицы расклинивающего наполнителя, полученные способом, описанным на фиг. 1-3, могут иметь любой подходящий размер. Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способом, описанным на фиг. 1-3, могут иметь размер по меньшей мере около 100 меш, по меньшей мере около 80 меш, по меньшей мере около 60 меш, по меньшей мере около 50 меш или по меньшей мере около 40 меш. Например, частицы расклинивающего наполнителя могут иметь размер от около 115 меш до около 2 меш, от около 100 меш до около 3 меш, от около 80 меш до около 5 меш, от около 80 меш до около 10 меш, от около 60 меш до около 12 меш, от около 50 меш до около 14 меш, от около 40 меш до около 16 меш или от около 35 меш до около 18 меш.
Таблица 1
Распределение по ситам обожженных гранул (частиц расклинивающего наполнителя),
полученных сухим смешиванием и капельным литьем
16 меш
20 меш
25 меш
30 меш
35 меш
40 меш
50 меш
Емкость
Сухое
17,8%
23,9%
24,3%
18,4%
10,6%
4,9%
смешивание
Капельное
0,2%
99,8%
литье
Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способом, описанным на фиг. 1-3, могут иметь любой подходящий состав. Частицы расклинивающего наполнителя могут представлять собой или содержать диоксид кремния и/или оксид алюминия в любых подходящих количествах. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления частицы расклинивающего наполнителя содержат менее 80 масс. %, менее 60 масс. %, менее 40 масс. %, менее 30 масс. %, менее 20 масс. %, менее 10 масс. % или менее 5 масс. % диоксида кремния в пересчете на общую массу частиц расклинивающего наполнителя. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления частицы расклинивающего наполнителя содержат от около 0,1 масс. % до около 70 масс. % диоксида кремния, от около 1 масс. % до около 60 масс. % диоксида кремния, от около 2,5 масс. % до около 50 масс. % диоксида кремния, от около 5 масс. % до около 40 масс. % диоксида кремния или от около 10 масс. % до около 30 масс. % диоксида кремния. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления частицы расклинивающего наполнителя содержат по меньшей мере около 30 масс. %, по меньшей мере около 50 масс. %, по меньшей мере около 60 масс. %, по меньшей мере около 70 масс. %, по меньшей мере около 80 масс. %, по меньшей мере около 90 масс. % или по меньшей мере около 95 масс. % оксида алюминия в пересчете на общую массу частиц расклинивающего наполнителя. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления частицы расклинивающего наполнителя содержат от около 30 масс. % до около 99,9 масс. % оксида алюминия, от около 40 масс. % до около 99 масс. % оксида алюминия, от около 50 масс. % до около 97 масс. % оксида алюминия, от около 60 масс. % до около 95 масс. % оксида алюминия или от около 70 масс. % до около 90 масс. % оксида алюминия. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления частицы расклинивающего наполнителя, полученные способом, описанным на фиг. 1-3, могут содержать оксид алюминия, боксит или каолин или любую их смесь. Например, частицы расклинивающего наполнителя могут полностью состоять из или состоять по существу из оксида алюминия, боксита или каолина или любой их смеси. Выражение "каолин" хорошо известно в данной области техники и может включать сырьевой материал с содержанием оксида алюминия по меньшей мере около 40 масс. % в пересчете на прокаленное вещество и содержание диоксида кремния по меньшей мере около 40 масс. % в пересчете на прокаленное вещество. Выражение "боксит" хорошо известно в данной области техники и может представлять собой или включать сырьевой материал
с содержанием оксида алюминия по меньшей мере около 55 масс. % в пересчете на прокаленное вещество.
Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способом, описанным на фиг. 1-3, могут иметь любую подходящую удельную массу. Частицы расклинивающего наполнителя могут характеризоваться удельной массой по меньшей мере около 2,5, по меньшей мере около 2,7, по меньшей мере около 3, по меньшей мере около 3,3 или по меньшей мере около 3,5. Например, частицы расклинивающего наполнителя могут характеризоваться удельной массой от около 2,5 до около 4,0, от около 2,7 до около 3,8, от около 3,5 до около 4,2, от около 3,8 до около 4,4 или от около 3,0 до около 3,5.
На фиг. 4(а-е) показаны фотографии частиц расклинивающего наполнителя на основе оксида алюминия, боксита и каолина, полученные при помощи устройства фиг. 1 и способов уровня техники. На фиг. 4(a) показана частица расклинивающего наполнителя на основе оксида алюминия, полученная капельным литьем, как показано на фиг. 1, которая имеет высокую сферичность и очень гладкую поверхность. На фиг. 4(b) показана частица расклинивающего наполнителя на основе оксида алюминия, полученная при помощи смесителя "Айриха". Поверхности частиц шероховатые, а формы обычно сплюснутые. На фиг. 4(c) показана частица расклинивающего наполнителя на основе боксита, полученная капельным литьем, а на фиг. 4(d) показана частица расклинивающего наполнителя на основе боксита, полученная промышленным способом уровня техники при помощи смесителя "Айриха" (CARBO HSP(r), продаваемая CARBO Ceramics Inc., Хьюстон, Техас). На фиг. 4(e) показана частица расклинивающего наполнителя на основе каолина, полученная капельным литьем, а на фиг. 4(f) показана частица расклинивающего наполнителя на основе каолина, полученная полупромышленным способом с псевдоожиженным слоем.
Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способом, описанным на фиг. 1-3, могут иметь любую подходящую шероховатость поверхности. Частицы расклинивающего наполнителя могут иметь шероховатость поверхности менее 5 мкм, менее 4 мкм, менее 3 мкм, менее 2,5 мкм, менее 2 мкм, менее 1,5 мкм или менее 1 мкм. Например, частицы расклинивающего наполнителя могут иметь шероховатость поверхности от около 0,1 мкм до около 4,5 мкм, от около 0,4 мкм до около 3,5 мкм или от около 0,8 мкм до около 2,8 мкм.
Измеряли шероховатость поверхности каждой целой частицы расклинивающего наполнителя, показанной на фиг. 4(a-f). Гладкий, выпуклый периметр был нарисован вокруг каждой частицы расклинивающего наполнителя, показывающий средний
уровень поверхности, который имитирует фактическую поверхность частицы расклинивающего наполнителя насколько это возможно близко, все еще оставаясь выпуклым. Затем различие между фактической поверхностью и гладкой, средней поверхностью измеряли по всему периметру с интервалами 100 мкм при увеличении в 100 раз, используемом на фиг. 4, различие можно измерить с точностью около 0,5 мкм. Среднее измерений всего периметра представляет шероховатость поверхности частицы расклинивающего наполнителя. В таблице 2 показано, что частицы расклинивающего наполнителя, полученные сухим смешиванием и распылением в псевдоожиженном слое, имеют шероховатость поверхности в три-семь раз больше, чем их полученные капельным литьем аналоги.
Таблица 2
Шероховатость поверхности полученных капельным литьем и обычным способом частиц
расклинивающего наполнителя
Средняя шероховатость поверхности (мкм)
Полученный капельным литьем оксид алюминия (фиг. 4а)
1,4
Полученный сухим смешиванием оксид алюминия (фиг. 4Ь)
5,8
Полученный капельным литьем боксит (фиг. 4с)
1,6
Полученный сухим смешиванием боксит (фиг. 4d)
4,9
Полученный капельным литьем каолин (фиг. 4е)
0,8
Полученный распылением в псевдоожиженном слое каолин (фиг. 4f)
5,7
На фиг. 5 сравнивается проницаемость частиц расклинивающего наполнителя, полученных в устройстве фиг. 1, по сравнению с частицами расклинивающего наполнителя, полученными способом сухого смешивания. Частицы расклинивающего наполнителя из двух способов идентичны по размеру и составу, причем обе представляют собой оксид алюминия высокой чистоты (99+%). Единственной переменной является способ получения гранул. Проницаемости измеряли согласно ISO 13503-5: "Процедуры измерения длительной проводимости расклинивающих наполнителей", за исключением того, что использовали стальные пластины, а не пластины из песчаника. В устройстве для измерения длительной проводимости, описанное в ISO 13503-5, используется стальная ячейка для измерения проводимости, которая содержит внутреннюю прорезь с размерами: длина 7 дюймов и ширина
1,5 дюйма. В ячейку помещают открытое отверстие, выступающее с каждой стороны прорези на внешнюю часть ячейки, для обеспечения потока жидкости через прорезь. Другие отверстия помещают вдоль длины прорези, также выступающие на внешнюю часть ячейки, для измерения внутреннего давления прорези. В эту прорезь вставляют нижний и верхний поршень, длины которых выходят за размеры ячейки так, что нагрузку можно прикладывать непосредственно к поршням при помощи рамы гидравлической нагрузки. Для приложения нагрузки к ячейке для измерения проводимости для измерения проводимости нижний поршень сначала закрепляют в ячейке так, чтобы он не заграждал отверстия для жидкости или давления. Уплотнительное кольцо устанавливают для предотвращения утечки давления или жидкости между прорезью и стенкой поршня. Подогнанную по размеру прорези металлическую прокладку и пластину из песчаника затем помещают на нижний поршень. Альтернативно, стальная пластина может заменять пластину из песчаника (как было в этом случае). Заданное количество расклинивающего наполнителя затем помещают на пластину. В этом случае загружали равные объемы двух расклинивающих наполнителей, которые представляли ширину исходной набивки около 0,19 дюйма. Расклинивающий наполнитель выравнивали. Затем сверху расклинивающего наполнителя помещали вторую стальную пластину, металлическую прокладку, уплотнительное кольцо и верхний поршень. Исходную нагрузку прикладывали к поршням, и жидкость протекала через набивку из расклинивающего наполнителя, в то время как измеряли давление. Температуру жидкости и ячейки поддерживали на 250°F. Измерение скорости потока жидкости и падения давления обеспечивало измерение проводимости набивки из расклинивающего наполнителя в миллидарси-фут. Проницаемость набивки из расклинивающего наполнителя рассчитывали делением проводимости на измеренную ширину набивки, которая составляла около 0,16-0,19 дюйма для данных, показанных на фиг. 5. Протекающая жидкость представляла собой насыщенный диоксидом кремния бескислородный водный раствор 2% КС1. Проводимость измеряли при давлении от 2000 фунтов/кв. дюйм до 20000 фунтов/кв. дюйм с шагом 2000 фунтов/кв. дюйм. В каждом случае давление поддерживали в течение 50 часов перед измерением проводимости. Проницаемость набивки из расклинивающего наполнителя снижалась с повышением вызывающего смыкания трещины напряжения из-за разрушения зерен расклинивающего наполнителя. Более прочные гранулы будут давать более высокую проницаемость. Как можно увидеть на фиг. 5, частицы расклинивающего наполнителя,
полученные сухим смешиванием (линия 2), теряют 78% своей проницаемости, когда вызывающее смыкание трещины напряжение повышается с 2000 фунтов/кв. дюйм до 20000 фунтов/кв. дюйм. Напротив, частицы расклинивающего наполнителя, полученные при помощи устройства фиг. 1 (линия 1), теряют только 31% своей проницаемости - менее половины потери проницаемости частиц расклинивающего наполнителя, полученных сухим смешиванием. Эта более высокая проницаемость частиц расклинивающего наполнителя, полученных при помощи устройства фиг. 1, обусловлена улучшенной прочностью частицы расклинивающего наполнителя.
Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, могут иметь любую подходящую проницаемость. Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способами капельного литья и имеющие удельную массу около 2,7, могут иметь длительную проницаемость более чем около 130 дарси, около 150 дарси, около 170 дарси, около 190 дарси, около 195 дарси, около 200 дарси, около 225 дарси или около 250 дарси при нагрузке 10000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5. Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способами капельного литья и имеющие удельную массу около 3,3, могут иметь длительную проницаемость более чем около ПО дарси, около 120 дарси, около 130 дарси, около 140 дарси, около 150 дарси, около 155 дарси, около 165 дарси или около 170 дарси при нагрузке 14000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5. Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способами капельного литья и имеющие удельную массу около 3,5, могут иметь длительную проницаемость более чем около 80 дарси, около 90 дарси, около 100 дарси, около ПО дарси, около 115 дарси, около 120 дарси, около 130 дарси, около 140 дарси, около 150 дарси, около 160 дарси, около 170 дарси или около 185 дарси при нагрузке 20000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5.
Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, могут иметь любую подходящую прочность. Подходящая прочность может включать снижение длительной проницаемости для жидкостей менее чем на 85%, менее чем на 80% или менее чем на 75%, что измерено согласно ISO 13503-5 при 250°F, набивки из тестовых частиц, причем тестовые частицы имеют такой же состав и способ получения, что и частицы расклинивающего наполнителя, когда давление, приложенное к набивке из тестовых частиц, увеличивается от 2000 фунтов/кв. дюйм до 12000 фунтов/кв. дюйм, а тестовые
частицы имеют размер в диапазоне 20-40 меш и имеют удельную массу около 2,7. Подходящая прочность может также включать снижение длительной проницаемости для жидкостей менее чем на 75%, менее чем на 65% или менее чем на 55%, что измерено согласно ISO 13503-5 при 250°F, набивки из тестовых частиц, причем тестовые частицы имеют такой же состав и способ получения, что и частицы расклинивающего наполнителя, когда давление, приложенное к набивке из тестовых частиц, увеличивается от 2000 фунтов/кв. дюйм до 14000 фунтов/кв. дюйм, а тестовые частицы имеют размер в диапазоне 20-40 меш и имеют удельную массу около 3,3. Подходящая прочность может также включать снижение длительной проницаемости для жидкостей менее чем на 90%, менее чем на 80%, менее чем на 75%, менее чем на 70%, менее чем на 65% или менее чем на 60%, что измерено согласно ISO 13503-5 при 250°F, набивки из тестовых частиц, причем тестовые частицы имеют такой же состав и способ получения, что и частицы расклинивающего наполнителя, когда давление, приложенное к набивке из тестовых частиц, увеличивается от 12000 фунтов/кв. дюйм до 20000 фунтов/кв. дюйм, а тестовые частицы имеют размер в диапазоне 20-40 меш и имеют удельную массу около 3,5.
Прочность частицы расклинивающего наполнителя можно указывать исходя из теста на сопротивление раздавливанию расклинивающего наполнителя, описанного в ISO 13503-2: "Измерения свойств расклинивающих наполнителей, используемых при гидравлическом разрыве и операциях установки гравийных фильтров". В этом тесте образец расклинивающего наполнителя сначала просеивают для удаления любых мелких частиц (нежелательных гранул или фрагментов, которые могут присутствовать), затем помещают в ячейку для раздавливания, где поршень затем используют для приложения вынужденного вызывающего смыкание трещины напряжения на некоторую величину больше критической точки для некоторой фракции частиц расклинивающего наполнителя. Образец затем повторно просеивают и массовый процент мелкой фракции, полученной в результате разрушения частиц расклинивающего наполнителя, записывают как процент раздавливания. Сравнение процента раздавливания двух образцов одинакового размера представляет собой способ измерения относительной прочности. Для двух образцов частиц расклинивающего наполнителя, используемых в тесте на проводимость, описанном выше, массовый процент раздавливания при 15000 фунтов/кв. дюйм частиц расклинивающего наполнителя, полученных сухим смешиванием, составлял 2,7% по сравнению с 0,8% для полученных капельным литьем частиц расклинивающего
наполнителя. Это снова показывает, что капельное литье дает более прочные частицы расклинивающего наполнителя.
Относительную прочность расклинивающего наполнителя можно также определить исходя из измерений прочности одной частицы расклинивающего наполнителя. Распределение по прочности сорока частиц расклинивающего наполнителя из каждого из двух образцов расклинивающего наполнителя, используемых в тесте на проводимость, описанном выше, измеряли, вносили в таблицу и анализировали при помощи статистики Вейбулла для определения собственной прочности. Собственная прочность полученных капельным литьем частиц расклинивающего наполнителя, определенная таким образом, составляла 184 МПа по сравнению с 151 МПа для частиц расклинивающего наполнителя, полученных сухим смешиванием.
Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, могут иметь любое подходящее распределение пор по размерам. Например, частицы расклинивающего наполнителя могут иметь стандартное отклонение размера пор менее 6 мкм, менее 4 мкм, менее 3 мкм, менее 2,5 мкм, менее 2 мкм, менее 1,5 мкм или менее 1 мкм. Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, могут иметь любой подходящий средний максимальный или наибольший размер пор. Например, частицы расклинивающего наполнителя могут иметь средний наибольший размер пор менее около 25 мкм, менее около 20 мкм, менее около 18 мкм, менее около 16 мкм, менее около 14 мкм или менее около 12 мкм. Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, могут иметь любую подходящую концентрацию пор. Например, частицы расклинивающего наполнителя характеризуются менее 5000, менее 4500, менее 4000, менее 3500, менее 3000, менее 2500 или менее 2200 видимыми порами при увеличении в 500 раз на квадратный миллиметр частиц расклинивающего наполнителя.
Механика гидроразрыва сообщает, что частицы разрушаются под напряжением, начиная с наибольшего дефекта в частице. В частицах расклинивающего наполнителя наибольший дефект, как считается, это наибольшая пора. Таким образом, напряжение при разрушении обратно пропорционально квадратному корню размера наибольшего дефекта. Таким образом, отношение (R) напряжения при разрушении полученного капельным литьем расклинивающего наполнителя (DC), полученного при помощи
устройства, раскрытого в настоящем документе, к полученному обычным способом (CONV) расклинивающему наполнителю (способы сухого смешивания или распыления в псевдоожиженном слое) будет следующим:
К=(максимальный размер порос/максимальный размер nopcoNv)172.
Частицы расклинивающего наполнителя, полученные способом капельного литья и способами уровня техники, исследовали при помощи сканирующего электронного микроскопа (SEM) при увеличении 500х. Для измерения распределения пор по размерам в частицах сечения частиц расклинивающего наполнителя на основе оксида алюминия, боксита и каолина, полученные каждым способом, изучали в SEM. Для каждого образца фотографировали произвольную площадь около 252 мкм х 171 мкм из каждой из десяти различных гранул. Измеряли десять наибольших пор на каждой площади и вышеуказанное уравнение использовали для расчета теоретического отношения напряжения при разрушении полученных капельным литьем частиц расклинивающего наполнителя относительно полученных обычными способами частиц расклинивающего наполнителя. Результаты представлены в таблице 3. Например, средний максимальный размер пор в полученных капельным литьем частицах расклинивающего наполнителя на основе оксида алюминия составлял 16,3 мкм, а для способа сухого смешивания средний максимальный размер пор частиц расклинивающего наполнителя на основе оксида алюминия составлял 40,8 мкм. Используя вышеуказанное уравнение, отношение напряжения при разрушении полученных капельным литьем частиц расклинивающего наполнителя к полученным способом сухого смешивания частицам расклинивающего наполнителя составляло 1,6. Таким образом, механика гидроразрыва предполагает, что полученные капельным литьем частицы расклинивающего наполнителя с высоким содержанием оксида алюминия будут выдерживать около в 1,6 раз большее напряжение без растрескивания, чем полученные способом сухого смешивания частицы расклинивающего наполнителя.
Таблица 3
Размеры пор частиц расклинивающего наполнителя, полученных капельным литьем, сухим
смешиванием и распылением в псевдоожиженном слое
Оксид
Боксит
Каолин
алюминия
Капельное литье
Сухое смешивание
Капельное литье
Сухое смешивание
Капельное литье
Сухое смешивание
Средняя наибольшая пора (мкм)
16,3
40,8
14,3
37,5
56,0
Среднее 10 наибольших пор (мкм)
10,4
19,1
20,5
6,0
18,4
Теоретическое отношение прочности для капельного литья относительно прочности для обычных способов (мкм)
1,6х
1,6х
2,2х
Дополнительные измерения проводили на образцах из каолина. При этом каждую видимую пору измеряли и сводные данные обо всех десяти областях использовали для расчета среднего размера пор, стандартного отклонения размера пор и числа пор на квадратный миллиметр, а также данные о наибольших порах, которые представлены в таблице 3. Итоги данных представлены в таблице 4, и на фиг. 6 представлены графики распределений пор по размерам для полученного капельным литьем каолина (кривая 1) и полученного распылением в псевдоожиженном слое каолина (кривая 2). Небольшой процент очень больших пор, полученных способом распыления в псевдоожиженном слое, показанный на фиг. 6 (кривая 2), ясно виден в микроструктурах на фиг. 4f. Отсутствие больших пор в полученном капельным литьем материале обеспечивает преимущество прочности, обсуждаемое выше.
Таблица 4
Дополнительные измерения размеров пор для полученного капельным литьем и распылением
в псевдоожиженном слое каолина
Полученный капельным литьем каолин
Полученный распылением в псевдоожиженном слое каолин
Средний размер пор (мкм)
2,0
2,8
Стандартное отклонение размера пор (мкм)
1,8
6,4
Среднее число пор на квадратный миллиметр
2121
5133
Расклинивающий наполнитель, полученный из каолина, имеет преимущество стоимости относительно расклинивающего наполнителя, содержащего более высокое содержание оксида алюминия, которые получены из более дорогостоящих руд, содержащих больший процент оксида алюминия. Четыре продукционных расклинивающих наполнителя с тремя диапазонами содержания оксида алюминия продаются, например, компанией Carbo Ceramics (данные с www.carboceramics.com, представленные на 19 декабря 2011 г.). Расклинивающие наполнители с более высоким
содержанием оксида алюминия обычно продают дороже, и они более дорогостоящи при производстве. Более низкие содержания оксида алюминия находятся в продуктах ECONOPROP и CARBOLITE, в которых содержание оксида алюминия составляет около 48% и 51%, соответственно. Более высокое содержание оксида алюминия находится в CARBOPROP, в котором содержание оксида алюминия составляет около 72%. CARBOPROP - более дорогой продукт для первоначального получения из-за более высокой стоимости сырьевых материалов.
Свойство расклинивающего наполнителя, которое наиболее прямо связано с его рабочими характеристиками в трещинах гидроразрыва, является проницаемостью под нагрузкой. Данные длительной проницаемости для расклинивающего наполнителя из чистого оксида алюминия, полученного способами уровня техники и способом капельного литья, раскрытым в настоящем документе, показаны на фиг. 5. На фиг. 7 показаны данные длительной проницаемости, измеренные при помощи таких же процедур, что использовались для получения данных на фиг. 5, для расклинивающего наполнителя с различным содержанием оксида алюминия, полученного различными способами. Кривая 1 представляет опубликованную проницаемость расклинивающего наполнителя ECONOPROP 20/40 меш (полученного из каолина, с содержанием оксида алюминия около 48%), полученного способом со смесителем "Айрих", описанным выше. Кривая 2 представляет проницаемость расклинивающего наполнителя CARBOPROP 20/40 меш (полученного из смеси руд с содержанием оксида алюминия около 72%). Кривая 3 представляет среднюю проницаемость относительно напряжения 15 образцов расклинивающего наполнителя (полученного из каолина, с содержанием оксида алюминия около 48%), полученного способом капельного литья, раскрытым в настоящем документе. Способ капельного литья дает расклинивающий наполнитель, полученный из каолина, который имеет около такую же проницаемость под напряжением, как и более дорогой продукт, содержащий 72% оксида алюминия. Средняя измеренная длительная проницаемость при напряжении 10000 фунтов/кв. дюйм 15 образцов составляла 173 дарси. Это намного выше, чем опубликованная длительная проницаемость при нагрузке 10000 фунтов/кв. дюйм (85 дарси) промышленного расклинивающего наполнителя (ECONOPROP) с около таким же содержанием оксида алюминия, как можно видеть при сравнении кривой 3 и кривой 1.
На фиг. 8 показаны данные длительной проницаемости, измеренные при помощи таких же процедур, что использовались для получения данных на фиг. 5 и 7, для расклинивающего наполнителя с различным содержанием оксида алюминия,
полученного различными способами. Кривая 1 представляет опубликованные данные проницаемости для расклинивающего наполнителя CARBOPROP20/40 меш, полученного способом со смесителем "Айрих", описанным выше (полученным из смеси руд с содержанием оксида алюминия около 72%). Кривая 2 представляет данные проницаемости для расклинивающего наполнителя (сначала просеянного на сите 25 меш), полученного способом капельного литья, раскрытым в настоящем документе, при помощи боксита с содержанием оксида алюминия 70%. Кривая 3 представляет данные проницаемости для расклинивающего наполнителя 20/40 меш, полученного способом со смесителем "Айрих" и с содержанием оксида алюминия около 83%. Проницаемость расклинивающего наполнителя, полученного способом капельного литья, с содержанием оксида алюминия только 70%, проявляет практически такое же поведение проницаемости, как и расклинивающий наполнитель уровня техники, полученный в смесителе "Айрих", с около 83% оксида алюминия. Поскольку оксид алюминия более дорогостоящий компонент расклинивающих наполнителей, обеспечивается значительная экономия при использовании менее дорогих сырьевых материалов и способа капельного литья, раскрытого в настоящем документе. Сравнение кривых 1 и 2 показывает преимущества способа капельного литья с около таким же содержанием оксида алюминия в расклинивающем наполнителе.
Также обеспечиваются способы гидравлического разрыва при помощи частиц расклинивающего наполнителя, раскрытых в настоящем документе. Способы могут предусматривать закачивание жидкости для гидроразрыва в подземный пласт со скоростью и под давлением, достаточными для открытия в нем трещины, и закачивание частиц расклинивающего наполнителя, раскрытых в настоящем документе, в трещину в подземном пласте. Скважинные инструменты и пластовое оборудование при операциях разрыва часто эродирует, по меньшей мере, частично из-за того, что частицы расклинивающего наполнителя соударяются с металлическими поверхностями скважинных инструментов и оборудования при закачивании во время операции гидравлического разрыва. Эти частицы расклинивающего наполнителя часто перемещаются с высокими скоростями, достаточными для повреждения или разрушения скважинных инструментов и оборудования. Эти скважинные инструменты и оборудование включают, помимо прочего, обсадные трубы, измерительные приборы, пакер-пробки, пробки для гидроразрыва, раскрепляющие устройства, пакеры и сборки гравийных фильтров и набивок из расклинивающего наполнителя и подобное. Заявители обнаружили, что гидравлический разрыв с расклинивающим наполнителем,
получаемым способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, вместо полученных обычными способами частиц расклинивающего наполнителя показывает неожиданное и непредвиденное снижение эрозии скважинных инструментов и оборудования. Например, замена полученных обычными способами частиц расклинивающего наполнителя на частицы расклинивающего наполнителя, полученные способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, может давать по меньшей мере 10%, по меньшей мере 20%, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 40% или по меньшей мере 50% снижение эрозионности для скважинных инструментов и оборудования при таких же или аналогичных условиях гидравлического разрыва.
На фиг. 9 представлен график эрозионности в зависимости от скорости расклинивающего наполнителя для расклинивающего наполнителя на основе боксита, полученного обычными способами, и расклинивающего наполнителя на основе оксида алюминия, полученного способом капельного литья фиг. 1-3. При этом тестировании износ плоских мишеней, полученных из мягкой стали, измеряли отдельно для каждого расклинивающего наполнителя при трех отдельных скоростях расклинивающего наполнителя. Расклинивающий наполнитель подавали в 20-футовую длинную трубку, которая имела поток газообразного азота с заданной скоростью. Расклинивающий наполнитель ускоряли газовым потоком, и он будет выходить из трубы на расстоянии 1 дюйм от мишени под углом падения 45 градусов. Расклинивающий наполнитель подавали с десятью отдельными, 25-граммовыми приращениями для всего 250 грамм для каждого теста. Три различные скорости газообразного азота использовали для оценки износа, вызываемого каждым из образцов расклинивающего наполнителя. Износ измеряли путем измерения массы стальных мишеней перед и после воздействия на нее образцов расклинивающего наполнителя. Эрозионность выражали как отношение потери массы мишени в миллиграммах к массе расклинивающего наполнителя, действующего на мишень в килограммах. Результаты представлены в таблице 5. Результаты показали, что использование частиц расклинивающего наполнителя, полученных способом капельного литья фиг. 1-3, дает снижение эрозионности до около 86%.
Таблица 5
Образец
Скорость газа (м/с)
Масса образца перед тестированием (г)
Масса образца после тестирования (г)
Потеря массы (г)
Общая масса расклинивающего
наполнителя, сталкивающегося с
образцом (г)
Эрозионность (мг/кг)
Обычный
расклинивающий
наполнитель
150
54,5619
54,5592
0,0027
250
10,8
200
57,757
57,7455
0,0115
250
260
56,8724
56,8306
0,0418
250
167,2
Полученный способом капельного литья расклинивающий наполнитель
150
57,7018
57,7011
0,0007
250
2,8
200
53,0541
53,0525
0,0016
250
6,4
260
52,3513
52,3327
0,0186
250
74,4
Соударение захваченных газом частиц расклинивающего наполнителя, полученных способами капельного литья, при скорости около 160 метров в секунду (м/с) с плоской мишенью из мягкой стали может приводить к эрозионности около 0,01 миллиграмм потери с плоской мишени из мягкой стали на килограмм расклинивающего наполнителя, контактирующего с мишенью (мг/кг), от около 0,05 мг/кг, около 0,1 мг/кг, около 0,5 мг/кг, около 1 мг/кг или около 2 мг/кг до около 5 мг/кг, около 7 мг/кг, около 10 мг/кг, около 12 мг/кг или около 15 мг/кг. Соударение захваченных газом частиц расклинивающего наполнителя, полученных способами капельного литья, при скорости около 200 м/с с плоской мишенью из мягкой стали может приводить к эрозионности от около 0,01 мг/кг, около 0,05 мг/кг, около 0,1 мг/кг, около 0,5 мг/кг, около 1 мг/кг или около 2 мг/кг до около 5 мг/кг, около 7 мг/кг, около 10 мг/кг, около 12 мг/кг или около 15 мг/кг. Соударение захваченных газом частиц расклинивающего наполнителя, полученных способами капельного литья, при скорости около 260 м/с с плоской мишенью из мягкой стали может приводить к эрозионности от около 1 мг/кг, около 5 мг/кг, около 10 мг/кг, около 20 мг/кг, около 40 мг/кг или около 60 мг/кг до около 65 мг/кг, около 70 мг/кг, около 80 мг/кг, около 90 мг/кг или около 100 мг/кг.
При нормальной работе подвергнутых гидравлическому разрыву нефтяных и газовых скважин рабочие давления, присутствующие в скважине, могут значительно изменяться. Например, нефтяные и газовые скважины могут переходить от закрытого состояния, при котором давление в скважине поддерживается на максимуме, в состояние добычи, при котором давление в скважине намного ниже. Кроме того, условия потока могут изменяться, давая циклы более высокого или низкого давления в
скважине. Это "циклическое изменение давления" в подвергнутой гидравлическому разрыву скважине, как известно, вызывает повреждение расклинивающего наполнителя в трещине из-за перемещения и повторного воздействия давления на зерна расклинивающего наполнителя. Это приводит к меньшей проводимости набивки из расклинивающего наполнителя в трещине и отрицательно влияет на продуктивность скважины. Следовательно, желателен расклинивающий наполнитель, который устойчив к потере проводимости из-за циклического изменения давления.
Набивка из частиц расклинивающего наполнителя, полученного способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, может также иметь повышенную проводимость после условий циклического изменения нагрузки по сравнению с набивкой из полученных обычными способами частиц расклинивающего наполнителя. Например, набивка из частиц расклинивающего наполнителя с удельной массой свыше 3,5, полученная обычными способами, может терять по меньшей мере 16% своей проводимости при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия на нее 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм. Также набивка из частиц расклинивающего наполнителя с удельной массой свыше 3,5, полученная обычными способами, может терять по меньшей мере 10% своей проводимости при 14000 фунтах/кв. дюйм после воздействия на нее 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 6000 фунтов/кв. дюйм до около 14000 фунтов/кв. дюйм. Набивка из частиц расклинивающего наполнителя с удельной массой свыше 3,5, полученная способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, может терять менее 15%, менее 12%, менее 10% или менее 8% своей проводимости при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия на нее 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм. Также набивка из частиц расклинивающего наполнителя с удельной массой свыше 3,5, полученная способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, может терять менее 10%, менее 8%, менее 6%, менее 4%, менее 2%, менее 1% или менее 0,1% своей проводимости при 14000 фунтах/кв. дюйм после воздействия на нее 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 6000 фунтов/кв. дюйм до около 14000 фунтов/кв. дюйм.
На фиг. 10 представлен график, показывающий длительную проводимость обычного расклинивающего наполнителя на основе боксита и полученного капельным литьем оксида алюминия, причем каждый имеет размер 20/40 меш, после воздействия на каждый 50 часов вызывающего смыкание трещины напряжения величиной
20000 фунтов/кв. дюйм, а потом 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунты/кв. дюйм до около 20000 фунты/кв. дюйм и, наконец, повторного измерения каждого при вызывающем смыкание трещины напряжении величиной 20000 фунтов/кв. дюйм для определения снижения проводимости из-за циклических изменений. Во-первых, можно было наблюдать, что проводимость расклинивающего наполнителя, полученного способом капельного литья, по существу больше при 20000 фунтах/кв. дюйм, чем у двух обычных расклинивающих наполнителей. Во-вторых, можно увидеть, что расклинивающий наполнитель, полученный способом капельного литья, теряет только 7% своей проводимости из-за циклического изменения напряжения, тогда как два обычных бокситных расклинивающих наполнителя теряют 17% своей проводимости. Аналогично, на фиг. 11 представлен график, показывающий длительную проводимость обычного расклинивающего наполнителя на основе боксита и полученного капельным литьем оксида алюминия, причем каждый имеет размер 20/40 меш, после воздействия на каждый 50 часов вызывающего смыкание трещины напряжения величиной 14000 фунтов/кв. дюйм, а потом 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 6000 фунты/кв. дюйм до около 14000 фунты/кв. дюйм и, наконец, повторного измерения каждого при вызывающем смыкание трещины напряжении величиной 14000 фунтов/кв. дюйм для определения снижения проводимости из-за циклических изменений. Во-первых, можно наблюдать, что проводимость расклинивающего наполнителя, полученного способом капельного литья, по существу больше при 14000 фунтах/кв. дюйм, чем у двух обычных расклинивающих наполнителей. Во-вторых, можно увидеть, что расклинивающий наполнитель, полученный способом капельного литья, по существу не проявлял потерю проводимости из-за циклического изменения напряжения, тогда как два обычных бокситных расклинивающих наполнителя теряли 10% своей проводимости. Также на фиг. 12 представлен график, показывающий длительную проводимость обычного расклинивающего наполнителя на основе боксита и полученного капельным литьем оксида алюминия, причем каждый имеет размер 30/50 меш, после воздействия на каждый 50 часов вызывающего смыкание трещины напряжения величиной 20000 фунтов/кв. дюйм, а потом 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм и, наконец, повторного измерения каждого при вызывающем смыкание трещины напряжении величиной 20000 фунтов/кв. дюйм для определения снижения проводимости из-за циклических изменений. Во-первых, можно наблюдать, что проводимость расклинивающего
наполнителя, полученного способом капельного литья, по существу больше при 20000 фунтах/кв. дюйм, чем у обычного расклинивающего наполнителя. Во-вторых, можно увидеть, что расклинивающий наполнитель, полученный способом капельного литья, проявлял 5% потерю проводимости из-за циклического изменения напряжения, тогда как обычный бокситный расклинивающий наполнитель терял 20%.
Поток пластовых жидкостей через набивку из расклинивающего наполнителя в гидравлической трещине обычно возникает при скоростях, которые намного выше, чем возникающие в пластах. При этих очень низких скоростях жидкости, возникающих в пласте, падение давления доминирует над поведением ламинарного потока. Это обеспечивает то, что поведение давления соответственно описывается законом Дарси, как показано:
Ap/L=piv/k, где:
Ap/L представляет собой изменение давления на единицу длины, ц представляет собой вязкость жидкости, v представляет собой скорость жидкости, а к представляет собой проницаемость набивки. Однако, инерционные эффекты на режимы течения преобладают над скоростями, часто обнаруживаемыми в трещине, и, таким образом, используется уравнение Форхгеймера:
Ap/L = juv/k + (3pv2.
Первая составляющая в уравнении Форхгеймера идентична закону Дарси. Уравнение Форхгеймера добавляет инерционную составляющую падения давления, которая содержит функцию квадрата скорости, v2, и плотность жидкости, р. При высоких скоростях эта инерционная составляющая будет преобладать над падением давления и, таким образом, указывать на поток жидкости. Также включен в инерционную составляющую бета-фактор Форхгеймера, (3. Аналогично проницаемости, бета-фактор представляет внутреннее свойство пористой среды, которое будет изменяться в зависимости от напряжения, создаваемого горным давлением. Как показано уравнением Форхгеймера, изменение давления (Ар) снижается с увеличением проницаемости и снижением бета-фактора. Таким образом, при условиях высоких скоростей жидкости, например, таких как в расклиненной полученной гидравлическим
разрывом трещине, где инерционные силы будут преобладать, низкий бета-фактор будет снижать потери давления в трещине, давая более высокие скорости потока.
Набивка из частиц расклинивающего наполнителя, полученного способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, может также иметь сниженный бета-фактор после условий циклического изменения нагрузки по сравнению с полученным обычными способами расклинивающим наполнителем. Например, набивка из частиц расклинивающего наполнителя, полученных обычными способами, в диапазоне размеров 20/40 меш может иметь увеличение бета-фактора по меньшей мере 0,0004 при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия на нее 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм. Также набивка из частиц расклинивающего наполнителя, полученных обычными способами, в диапазоне размеров 30/50 меш может иметь увеличение бета-фактора по меньшей мере 0,0004 при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия на нее 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм. Набивка из частиц расклинивающего наполнителя, полученных способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, в диапазоне размеров 20/40 меш может иметь увеличение бета-фактора менее 0,0005, менее 0,0002, менее 0,0001, менее 0,00005 или менее 0,00001 при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия на нее 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм. Также набивка из частиц расклинивающего наполнителя, полученных способами капельного литья, раскрытыми в настоящем документе, в диапазоне размеров 30/50 меш может иметь увеличение бета-фактора менее 0,0006, менее 0,0004 или менее 0,0002 при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия на нее 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм.
На фиг. 13 представлен график, показывающий бета-факторы обычного расклинивающего наполнителя на основе боксита и полученного капельным литьем оксида алюминия, причем каждый имеет размер 20/40 меш, после воздействия на каждый 50 часов вызывающего смыкание трещины напряжения величиной 20000 фунтов/кв. дюйм, а потом 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм и, наконец, повторного измерения каждого при вызывающем смыкание трещины напряжении величиной 20000 фунтов/кв. дюйм для определения увеличения бета-факторов из-за циклических изменений. Во-первых, можно наблюдать, что бета-фактор расклинивающего
наполнителя, полученного способом капельного литья, по существу ниже при 20000 фунтах/кв. дюйм, чем у двух обычных расклинивающих наполнителей. Во-вторых, можно увидеть, что бета-фактор для расклинивающего наполнителя увеличивается только незначительно по сравнению с увеличением бета-фактора после воздействия циклической нагрузки для двух обычных бокситов. Аналогично, на фиг. 14 представлен график, показывающий бета-факторы обычного расклинивающего наполнителя на основе боксита и полученного капельным литьем оксида алюминия, причем каждый имеет размер 30/50 меш, после воздействия на каждый 50 часов вызывающего смыкание трещины напряжения величиной 20000 фунтов/кв. дюйм, а потом 5 циклов циклической нагрузки под давлением от около 12000 фунты/кв. дюйм до около 20000 фунты/кв. дюйм и, наконец, повторного измерения каждого при вызывающем смыкание трещины напряжении величиной 20000 фунтов/кв. дюйм для определения увеличения бета-факторов из-за циклических изменений. Во-первых, можно наблюдать, что бета-фактор расклинивающего наполнителя, полученного способом капельного литья, по существу ниже при 20000 фунтах/кв. дюйм, чем у двух обычных расклинивающих наполнителей. Во-вторых, можно увидеть, что бета-фактор для расклинивающего наполнителя, полученного капельным литьем, увеличивается только незначительно по сравнению с увеличением бета-фактора после воздействия циклической нагрузки для двух обычных бокситов.
Понятно, что можно сделать модификации настоящего изобретения, которые могут возникнуть у специалиста в области техники настоящего изобретения, в пределах объема приложенной формулы изобретения. Все варианты осуществления, рассмотренные здесь, которые достигают целей настоящего изобретения, не были показаны с полными подробностями. Другие варианты осуществления можно разработать без отклонения от сущности настоящего изобретения или от объема приложенной формулы изобретения. Хотя настоящее изобретение было описано в отношении конкретных подробностей, не предполагается, что такие подробности должны рассматриваться как ограничения объема настоящего изобретения, за исключением той степени, в которой они включены в приложенную формулу изобретения.
ИЗМЕНЕННАЯ ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Частица расклинивающего наполнителя, содержащая:
обожженный керамический материал;
размер от около 80 меш до около 10 меш и
средний наибольший размер пор менее около 20 микронов.
2. Частица расклинивающего наполнителя по п. 1, в которой обожженный керамический материал содержит оксид алюминия, каолин или боксит или любую их смесь.
3. Частица расклинивающего наполнителя по п. 1, причем частица расклинивающего наполнителя состоит по существу из обожженного керамического материала.
4. Частица расклинивающего наполнителя по п. 3, в которой обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного оксида алюминия.
5. Частица расклинивающего наполнителя по п. 3, в которой обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного каолина.
6. Частица расклинивающего наполнителя по п. 3, в которой обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного боксита.
7. Частица расклинивающего наполнителя по п. 1, причем соударение множества частиц расклинивающего наполнителя при скорости движения газа около 260 м/с с плоской мишенью из мягкой стали дает эрозионность мишени от около 1 мг/кг до около 100 мг/кг.
8. Частица расклинивающего наполнителя по п. 1, дополнительно характеризующаяся шероховатостью поверхности менее чем около 5 мкм.
9. Частица расклинивающего наполнителя по п. 1, причем множество частиц расклинивающего наполнителя характеризуется длительной проницаемостью более 130 дарси при нагрузке 10000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 135035, когда частица расклинивающего наполнителя имеет размер около 20-40 меш и удельную массу около 2,7.
10. Частица расклинивающего наполнителя по п. 4, причем множество частиц расклинивающего наполнителя характеризуется длительной проницаемостью более 75 дарси при нагрузке 20000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 135035, когда частица расклинивающего наполнителя имеет размер около 20-40 меш.
11. Частица расклинивающего наполнителя по п. 5, причем множество частиц расклинивающего наполнителя характеризуется длительной проницаемостью более 70 дарси
9.
при нагрузке 12000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 135035, когда частица расклинивающего наполнителя имеет размер около 20-40 меш.
12. Частица расклинивающего наполнителя по п. 6, причем множество частиц расклинивающего наполнителя характеризуется длительной проницаемостью более 110 дарси при нагрузке 14000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 135035, когда частица расклинивающего наполнителя имеет размер около 20-40 меш и удельную массу около 3,3.
13. Частица расклинивающего наполнителя по п. 1, причем частица расклинивающего наполнителя имеет подходящую прочность, причем подходящая прочность определена как снижение менее чем на 85% длительной проницаемости для жидкости, что измерено согласно ISO 13503-5 при 250°F, набивки из тестовых частиц, причем тестовые частицы имеют такой же состав и способ получения, что и частица расклинивающего наполнителя, когда нагрузка, приложенная к набивке из тестовых частиц, увеличивалась от 2000 фунтов/кв. дюйм до 20000 фунтов/кв. дюйм, и тестовые частицы имеют размер в диапазоне 20-40 меш, и тестовые частицы имеют удельную массу свыше 3,5.
14. Частица расклинивающего наполнителя по п. 1, причем множество частиц расклинивающего наполнителя с размером около 20-40 меш, с удельной массой свыше 3,5 теряет менее 15% своей длительной проводимости для жидкостей при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия 5 циклов циклической нагрузки под давлениями от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм.
15. Частица расклинивающего наполнителя по п. 1, причем множество частиц расклинивающего наполнителя с диапазоном размеров 20-40 меш, с удельной массой свыше 3,5 имеет увеличение бета-фактора менее 0,0005 при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия 5 циклов циклической нагрузки под давлениями от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм.
16. Набивка из частиц расклинивающего наполнителя, содержащая:
множество частиц расклинивающего наполнителя, причем каждая частица расклинивающего наполнителя из множества содержит:
обожженный керамический материал;
размер от около 80 меш до около 10 меш, и
средний наибольший размер пор менее чем около 20 микронов; и
длительную проницаемость более 130 дарси при нагрузке 10000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5, когда частицы расклинивающего наполнителя имеют размер около 20-40 меш и удельную массу около 2,7.
17. Набивка по п. 16, в которой обожженный керамический материал содержит оксид алюминия, каолин или боксит или любую их смесь.
18. Набивка по п. 16, в которой множество частиц расклинивающего наполнителя состоит по существу из обожженного керамического материала.
19. Набивка по п. 18, в которой обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного оксида алюминия.
20. Набивка по п. 18, в которой обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного каолина.
21. Набивка по п. 18, в которой обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного боксита.
22. Набивка по п. 19, в которой частицы расклинивающего наполнителя имеют размер около 20-40 меш, и набивка характеризуется длительной проницаемостью более 75 дарси при нагрузке 20000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5.
23. Набивка по п. 20, в которой частицы расклинивающего наполнителя имеют размер около 20-40 меш, и набивка характеризуется длительной проницаемостью более 70 дарси при нагрузке 12000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5.
24. Набивка по п. 21, в которой частицы расклинивающего наполнителя имеют размер около 20-40 меш и удельную массу около 3,3, и причем набивка характеризуется длительной проницаемостью более ПО дарси при нагрузке 14000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5.
25. Набивка по п. 16, в которой соударение множества частиц расклинивающего наполнителя при скорости движения газа около 260 м/с с плоской мишенью из мягкой стали дает эрозионность мишени от около 1 мг/кг до около 100 мг/кг.
17.
26. Набивка по п. 16, в которой частицы расклинивающего наполнителя имеют размер около 20-40 меш и удельную массу свыше около 3,5, и набивка теряет менее 15% своей проводимости при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия 5 циклов циклической нагрузки под давлениями от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм.
27. Набивка по п. 16, в которой множество частиц расклинивающего наполнителя с диапазоном размеров 20-40 меш и удельной массой свыше 3,5 имеет увеличение бета-фактора менее 0,0005 при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия 5 циклов циклической нагрузки под давлениями от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм.
28. Способ гидравлического разрыва подземного пласта, предусматривающий:
подачу жидкости для гидроразрыва в подземный пласт со скоростью и под давлением, достаточными для открытия разрыва в нем, и
закачивание жидкости, содержащей частицу расклинивающего наполнителя, в трещину, причем частица расклинивающего наполнителя содержит:
обожженный керамический материал;
размер от около 80 меш до около 10 меш и
средний наибольший размер пор менее около 20 микронов.
29. Способ по п. 28, в котором обожженный керамический материал содержит оксид алюминия, каолин или боксит или любую их смесь.
30. Способ по п. 28, в котором частица расклинивающего наполнителя состоит по существу из обожженного керамического материала.
31. Способ по п. 30, в котором обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного оксида алюминия.
32. Способ по п. 30, в котором обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного каолина.
33. Способ по п. 30, в котором обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного боксита.
29.
34. Способ по п. 28, в котором соударение множества частиц расклинивающего наполнителя при скорости движения газа около 260 м/с с плоской мишенью из мягкой стали дает эрозионность мишени от около 1 мг/кг до около 100 мг/кг.
35. Способ по п. 28, в котором частица расклинивающего наполнителя имеет размер около 20-40 меш и удельную массу свыше около 3,5, и множество частиц расклинивающего наполнителя теряет менее 15% своей проводимости при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия 5 циклов циклической нагрузки под давлениями от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм.
36. Способ по п. 28, в котором множество частиц расклинивающего наполнителя с диапазоном размеров 20-40 меш и удельной массой свыше 3,5 имеет увеличение бета-фактора менее 0,0005 при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия 5 циклов циклической нагрузки под давлениями от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм.
37. Способ по п. 30, в котором закачивание жидкости, содержащей частицу расклинивающего наполнителя, в трещину дает набивку из множества частиц расклинивающего наполнителя, причем частица расклинивающего наполнителя имеет размер около 20-40 меш и удельную массу около 2,7, и набивка имеет длительную проницаемость более 130 дарси при нагрузке 10000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5.
38. Частица расклинивающего наполнителя, содержащая:
обожженный керамический материал;
причем частица расклинивающего наполнителя имеет размер от около 40 меш до около 20 меш, средний наибольший размер пор менее чем около 20 микронов и наружную поверхность, состоящую по существу из обожженного керамического материала, и причем соударение множества частиц расклинивающего наполнителя при скорости движения газа около 260 м/с с плоской мишенью из мягкой стали дает эрозионность мишени от около 1 мг/кг до около 100 мг/кг.
39. Частица расклинивающего наполнителя по п. 38, в котором обожженный
керамический материал содержит оксид алюминия, каолин или боксит или любую их смесь.
40. Частица расклинивающего наполнителя по п. 38, в котором частица расклинивающего наполнителя состоит по существу из обожженного керамического материала.
41. Частица расклинивающего наполнителя по п. 40, в котором обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного оксида алюминия.
42. Частица расклинивающего наполнителя по п. 40, в котором обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного каолина.
43. Частица расклинивающего наполнителя по п. 40, в котором обожженный керамический материал состоит по существу из обожженного боксита.
44. Частица расклинивающего наполнителя по п. 38, дополнительно
характеризующаяся шероховатостью поверхности менее чем около 5 мкм.
45. Частица расклинивающего наполнителя по п. 38, причем множество частиц расклинивающего наполнителя имеет длительную проницаемость более 130 дарси при нагрузке 10000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5, когда частица расклинивающего наполнителя имеет удельную массу около 2,7.
46. Частица расклинивающего наполнителя по п. 41, причем множество частиц расклинивающего наполнителя имеет длительную проницаемость более 75 дарси при нагрузке 20000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5.
47. Частица расклинивающего наполнителя по п. 42, причем множество частиц расклинивающего наполнителя имеет длительную проницаемость более 70 дарси при нагрузке 12000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5.
48. Частица расклинивающего наполнителя по п. 43, причем множество частиц расклинивающего наполнителя имеет длительную проницаемость более 110 дарси при нагрузке 14000 фунтов/кв. дюйм и температуре 250°F, что измерено согласно ISO 13503-5, когда частица расклинивающего наполнителя имеет удельную массу около 3,3.
49. Частица расклинивающего наполнителя по п. 38, причем частица расклинивающего наполнителя имеет подходящую прочность, причем подходящая прочность определена как снижение менее чем на 85% длительной проницаемости для жидкости, что измерено согласно ISO 13503-5 при 250°F, набивки из тестовых частиц, причем тестовые частицы имеют такой
45.
же состав и способ получения, что и частица расклинивающего наполнителя, когда нагрузка, приложенная к набивке из тестовых частиц, увеличивается от 2000 фунтов/кв. дюйм до 20000 фунтов/кв. дюйм, и тестовые частицы имеют размер в диапазоне 20-40 меш, и тестовые частицы имеют удельную массу свыше 3,5.
50. Частица расклинивающего наполнителя по п. 38, причем множество частиц расклинивающего наполнителя с удельной массой свыше 3,5 теряет менее 15% своей длительной проводимости для жидкостей при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия 5 циклов циклической нагрузки под давлениями от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм.
51. Частица расклинивающего наполнителя по п. 38, причем множество частиц расклинивающего наполнителя с удельной массой свыше 3,5 имеет увеличение бета-фактора менее 0,0005 при 20000 фунтах/кв. дюйм после воздействия 5 циклов циклической нагрузки под давлениями от около 12000 фунтов/кв. дюйм до около 20000 фунтов/кв. дюйм.
50.
50.
---^jC:
> Фиг. 2
20/40 обычный бокситный расклинивающий наполнитель
Снижение
j^o/0 Скорость газа
Расклинивающий наполнитель на основе оксида алюминия из нового способа
50 часов
20000 фунтов/кв. дюйм RSj после циклических изменений
к н сг> и tr Я
Я 43 О
м о
к 2 о о
о Я Я
я я
й?>
о о
Я "
я х сг> о я я
2 сг> Я
I-'
И 14000
о снижения
Проводимость/циклические изменения при 14000 фунтах/кв. дюйм
2500 -, 1;
1500
1000
500
Боксит 1
Боксит 2 Фиг. 11
Капельное литье
20000
после циклических изменений % снижения
Боксит Капельное
литье
Проводимость/циклические изменения при 20000 фунтах/кв. дюйм
Исходный ?та После циклических изменений
Увеличение
Бета-фактор - после циклических изменений 20/40 - 5 циклов при 12000-20000 фунтах/кв. дюйм
001
0008
0008
ООО?
0006
0005
Боксит 1
Боксит 2
Оксид алюминия
Оксид алюминия
Исходный
^ После циклических изменений
Увеличение
Бета-фактор - после циклических изменений 30/50-5 циклов при 12000-20000 фунтах/кв. дюйм
0.00400
0.00350 -
0,00300 -
0.00250 --
0,00200 -
0.00150
0,00100
0.00050 -
0.00000 -
h-'
Боксит 1
Боксит 2
Оксид алюминия
Оксид алюминия
(19)
(19)
(19)
3/16