CN101210175A - 硅酸铝支撑剂、支撑剂生产和应用方法 - Google Patents

硅酸铝支撑剂、支撑剂生产和应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及油气生产工业，并可用于防止产油层压裂过程中的断层闭合。具体而言，本发明涉及硅酸铝支撑剂、支撑剂生产和应用方法。包含烘焙过的原料颗粒的支撑剂，其特征在于使用氧化铝含量不小于60重量％的包含二氧化硅和氧化铝的配料作为原料；该支撑剂的视密度在1.7至2.75克/立方厘米之间。

Description

硅酸铝支撑剂、支撑剂生产和应用方法
本发明涉及油气生产工业，并可用于防止产油层压裂过程中的断层闭合。
用于提高油或气生产的地层压裂法是已知的。为了确保断面开放，使用流体和被称作支撑剂的粒状材料的混合物。通常使用沙、氧化铝、氧化铝合金、磨碎的焦煤、玻璃球、粘土等作为粒状材料。还已知由灰分剂制成的支撑剂，其因为适用性低而未能广泛传播。沙是一种天然廉价原料，在实践中广泛使用。但是，沙具有低的传导性，该特征限制了其在石油生产过程中的应用。沙通常在生产天然气时使用(V.N.Moiseyev.Applicationof geophysical methods in the oil development process.M.″Nedra″，1990，第105页)。
支撑剂通常包括氧化铝和二氧化硅，它们的含量影响颗粒的品质。氧化铝改善强度性质，而二氧化硅影响材料的弹性，这能够生成用于的硬化(莫来石化)过程的球形颗粒。但是，所述氧化物的高含量并不总是带来好的结果。例如，氧化铝含量高达96重量％的颗粒是易碎的，因为它们具有坚硬的壳和中空的核；这一事实限制了这些颗粒的实际应用。高强度支撑剂通常在大采深时使用，在此颗粒的坚固性是主要要求。高粘流体用于将这些支撑剂注入断层；该方法伴随着高能耗，并导致烃层开采的成本增加。
多数俄国油井(≈83％)的深度相当小——低至3000米。中等强度支撑剂需要低粘流体和小的泵入断层的压力，对这些油井来说是最有效的选择。
已知一种轻重量支撑剂(美国专利US5188175)，其为陶瓷球形颗粒形式，由含有氧化铝、二氧化硅、铁和钛的氧化物的烧结高岭土制成。其间，这些颗粒中的氧化物具有下列重量比：氧化铝-25-40％；二氧化硅-50-65％；氧化铁-1.6％；二氧化钛-2.6％。颗粒的球度为0.7。球度是最小直径与最大直径的比。该支撑剂是开采小采深或中采深的油层或气层的最有效选择。
使用其中铝对二氧化硅的比率在宽范围内变动的粘土是该已知支撑剂的主要缺陷。在组分的所述范围内，所需品质的支撑剂可以在分别为40％/50％的氧化铝对二氧化硅重量比下制造。在另一比率下，需要不同的添加剂以获得所需品质的颗粒。这又提高了支撑剂的生产成本。例如，在25％/65％的氧化铝对二氧化硅重量比下，产生低强度颗粒。为提高颗粒的强度，使用了诸如氧化铝的高铝添加剂；结果，支撑剂颗粒的初始成本增加。此外，这些组合物中铁氧化物的含量相当高，这个事实不利地影响支撑剂的强度性质。
由铝土矿在1000℃下煅烧以提高Al2O3/SiO2比率而制成的支撑剂是已知的(美国专利US4668645)；但是，这种支撑剂的初始成本较高。
由铝土矿和高岭土混合物制得的支撑剂也是已知的(美国专利US4879181)；这种混合物提供了具有弹性的初始物料，并因此能够生产球形和圆形支撑剂，但是，初始成本更高。
还已知一种双层支撑剂(美国专利US4944905)，其中内层部分由具有相当低的熔融温度的铝硅酸盐物质组成，而具有高浓度氧化铝的外层部分含有矾土。提议使用霞岩型正长岩作为具有低熔融温度的物质，其能够在冷却时形成玻璃相。为了生产上述支撑剂，首先在加入水和粘合成分的情况下将预烧过的正长岩与细颗粒氧化铝的混合物造粒。干燥后，将由此获得的颗粒与细颗粒氧化铝混合，以防止颗粒彼此结块及颗粒焦结在煅烧窑壁上。在接近霞岩型正长岩熔点的温度下进行在回转炉中的煅烧。停止燃烧后，对颗粒鼓风以除去未烧结的氧化铝。此后，将颗粒在回转煅烧窑中在更高的温度下和在额外提供氧化铝的情况下再烧。在再烧过程中，产生较厚的氧化铝表面层，其可以确保支撑剂的足够强度。
这种已知的工程方案的缺陷是相当复杂的多相支撑剂生产技术，其特征是在回转炉中实施两个耗能的颗粒煅烧过程。此外，颗粒的视密度增大(超过2.75克/厘米3)，这要求使用具有提高的粘度的压裂液——其又导致岩石的磨损并降低岩石的渗透性——以及要求供应生产油层压裂液所需的化学品。
使用具有降低的密度的支撑剂可以解决上述问题，此外，可以在较长的断层长度上提供支撑剂的有效输送，并提高油井的生产力。
另一种支撑剂也是已知的(美国专利US3929191)。这种支撑剂基于烧结的铝硅酸盐原料或基于矿物，或由铁、钢，以尺寸为6-100目、优选10-40目，Krumbein’s球度和圆度不低于0.8、密度为2.6克/立方厘米，带有可熔酚醛树脂涂层的颗粒形式生成。这种支撑剂用在采用油层压裂技术的石油生产中。
这种已知的工程方案的缺陷是支撑剂的有限功能能力：树脂涂层仅仅改善支撑剂的坚固性，并形成可透水的密封以便保留支撑剂不被带出油井。使用原型技术生产的支撑剂不能在压裂过程结束后降低油井中的水含量。
从工程角度看，建议的解决方案要求开发出能够制造支撑剂的配料组合物，该支撑剂在采用油层压裂技术和砾石填充的过滤器时可以有效发挥作用。
实施开发出的工程方案，并应用新开发的具有适当组成和物理性质的支撑剂，能够扩大断层的长度，因为该支撑剂在用于将其输送到断层的凝胶中的沉降速率降低。因此，断层生产率提高。此外，支撑剂的密度降低，这显著降低了制备在断层内传输支撑剂所用的较低粘度的凝胶所需的化学品的消耗。
为了实现上述工程结果，提议使用由烧结的原料颗粒构成的支撑剂，其中使用包含二氧化硅和不小于60重量％比率的氧化铝的配料作为原料；在这种情况下，支撑剂的视密度在1.7至2.75克/立方厘米之间。此外，该配料另外还可以包括至少一种下列组分：氧化镁、氧化钙、二氧化钛、氧化铁黑、碱金属氧化物和碱土金属氧化物以及氧化锰，上述组分的含量如下(重量％)：
氧化镁                        1.0-10.0
二氧化钛                      0.1-10.0
氧化钙                        0.1-10.0
氧化铁黑                      0.1-5.0
碱金属氧化物和碱土金属氧化物  0.01-2.0
氧化锰                        0.01-5.0
用于制造所述支撑剂的方法要求预先研磨和混合初始组分，然后将初始组分造粒，将这些组分干燥并分成目标级分。使用氧化铝含量不小于60重量％的二氧化硅和氧化铝作为所述初始组分。在一个实施方案中，在混合阶段之前，首先将包含氧化铝的粘土成分溶解，然后脱水，以达到确保后续的混合和造粒过程的最佳参数所需的湿含量。通常，使用还含有至少一种下列组分的配料：氧化镁、氧化钙、二氧化钛、氧化铁黑、碱金属氧化物和碱土金属氧化物以及氧化锰，上述组分的含量如下(以重量计)：
氧化镁                        1.0-10.0
二氧化钛                      0.1-10.0
氧化钙                        0.1-10.0
氧化铁黑                      0.1-5.0
碱金属氧化物和碱土金属氧化物  0.01-2.0
氧化锰                        0.01-5.0
在基本选项中，新开发的支撑剂可以如下制造。
将根据需要烘烤过的初始组分研磨以使90％的产物通过63微米网筛。如果需要，可在初始材料中添加增塑剂和其它支承材料。可以使用单独的或合并的研磨法。初始组分通常在磨机(如果此前尚未使用合并的研磨法)或在造粒机本身中混合。在混合的同时，如果需要，以足以形成球形颗粒核和足以使这些核生长至所需尺寸的量添加临时工艺粘合剂。临时工艺粘合剂的量为3至20重量％；混合和造粒所需的总时间为2至10分钟。粘合剂以水、水与有机聚合物溶液、胶乳、微晶蜡、石蜡等为代表。一旦由之前加入造粒机中的混合物形成核且颗粒生长至所需尺寸，就随即在造粒机中加入最多12重量％的初始磨碎混合物，此后实施最多持续3分钟的混合过程。然后将通过上述程序制成的颗粒干燥，并分散至能够补偿烘烤在过程中发生的收缩的尺寸。不符合所确立的尺寸要求的颗粒可以再循环。如果在混合和造粒过程中使用了临时工艺粘合剂，可以实施预先烘烤以烧除所述粘合剂。然后将经过干燥并按尺寸分级的颗粒在提供最多2.75克/立方厘米视密度所需的温度和暴露时长下烘烤。在烘烤后，还可以将它们分离为级分。
尽管所述支撑剂的应用技术与标准技术没有不同，但由于所述支撑剂在品质和量上的组成，以及由于其独特的固有物理和化学性质，所述支撑剂的应用能够显著改进支撑剂在断层中的输送深度，因为支撑剂在凝胶中沉降速率降低，减少了制备压裂液所用的化学品的消耗(因为支撑剂的输送需要具有较低粘度的凝胶)。这又降低了断层中岩石的磨损并提高了应用效率。
下面进一步基于其实施方案研究开发出的工程方案。
1.在实施开发出的工程方案时，将来自Boksonskoye矿床的预磨碎铝土矿与Glukhovetsky高岭土和碳酸钙及碳酸镁混合，以形成具有下列组成的初始配料(重量％)：
氧化铝      67.4
二氧化硅    27.6
氧化镁      1.9
氧化钙      1.0
二氧化钛    1.0
氧化铁(III)黑    0.1
氧化铁(II)黑     1.0
为了比较，在表1中列出了商业支撑剂生产中所用的初始配料的组成。
表1
  重量％   Al2O3   SiO2   MgO   CaO   TiO2   Fe2O3   FeO
  实施例1   67.4   27.6   1.9   1.0   1.0   0.1   1.0
  CarboProp(USA) 72 13 4 10
  CarboLite(USA) 51 45 2 1
  EconoProp(USA)   48   48   2   1
在表2中列出了在研究表1所列支撑剂组合物的过程中并根据API PR60测试而获得的对比参数。
表2
参数   根据API60推荐的值 CARBOPROP(USA) CARBOLITE(USA) ECONOPROP(USA) 实施例1
  球度   ＞0.7     0.9     0.9     0.9     0.9
  圆度   ＞0.7     0.9     0.9     0.9     0.9
  堆密度   -     1.88     1.57     1.56     1.61±0.00
  视密度   -     3.27     2.71     2.70     2.74±0.01
表3和表4例示了实施例2。在这些表中，显示了初始配料的组成和根据API RP 60测试的所得支撑剂的参数。在进行实施例2时，将预先单独磨碎的组分——Kiya-Shaltyrskoye矿床的铝土矿、来自Polozhskoye矿床的白云石和高岭土——混合。
表3
  重量，％   Al2O3   SiO2   MgO   CaO   TiO2   Fe2O3   FeO
  实施例2   62.0   32.5   3.2   1.0   0.3   0.1   0.9
  EconoProp(USA) 48 48 2 1
表4
参数  根据API60推荐的值   CARBOECONOPROP 3050(USA) 实施例2
    球度     ＞0.7     0.9     0.9
    圆度     ＞0.7     0.9     0.9
    堆密度     -     1.56     1.57±0.00
    视密度     -     2.70     2.58±0.01
通过表5(初始配料数据)和表6(根据API RP 60测试的支撑剂的物理性质)所示的数据例示实施例3。在进行该实施例时，混合Poletayevskoye矿床的高岭土和Tatulskoye矿床的铝土矿。
表5
  重量，％   Al2O3   SiO2   MgO   CaO   TiO2   Fe2O3   FeO
  实施例2   65   28   3.2   1.0   0.3   2.5   --
  CarboLite   51   45   2   1
表6
参数  根据API60推荐的值 CARBOLITE 1620 实施例3
  球度     ＞0.7     0.9     0.9
  圆度     ＞0.7     0.9     0.9
  堆密度     -     1.57     1.57±0.00
  视密度     -     2.71     2.58±0.01
上述实施例中所示的开发出的支撑剂的视密度能够降低支撑剂在凝胶中的沉降速率，因此可确保支撑剂输送到更长的断层长度中，并因此提高油井的生产力。

Claims (6)

1.包含烘焙过的原料颗粒的支撑剂，其特征在于使用氧化铝含量不小于60重量％的包含二氧化硅和氧化铝的配料作为原料；该支撑剂的视密度在1.7至2.75克/立方厘米之间。
2.根据权利要求1的支撑剂，其特征在于所述配料还包括至少一种下列组分：氧化镁、氧化钙、二氧化钛、氧化铁黑、碱金属氧化物和碱土金属氧化物以及氧化锰，上述组分的重量百分比含量如下：
氧化镁                         1.0-10.0
二氧化                         0.1-10.0
氧化钙                         0.1-10.0
氧化铁黑                       0.1-5.0
碱金属氧化物和碱土金属氧化物   0.01-2.0
氧化锰                         0.01-5.0
3.支撑剂制造方法，包括预先研磨和混合初始组分，然后将它们造粒、干燥并分成目标级分，其特征在于使用二氧化硅和氧化铝作为所述初始组分；在这种情况下，氧化铝含量不小于60重量％。
4.根据权利要求4的支撑剂制造方法，其特征在于，在混合之前，首先将包含氧化铝的粘土成分溶解，然后脱水，以达到确保后续的混合和造粒过程的最佳参数所需的湿含量。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于使用还含有至少一种下列组分的配料：氧化镁、氧化钙、二氧化钛、氧化铁黑、碱金属氧化物和碱土金属氧化物以及氧化锰，上述组分的重量百分比含量如下：
氧化镁                        1.0-10.0
二氧化                        0.1-10.0
氧化钙                        0.1-10.0
氧化铁黑                      0.1-5.0
碱金属氧化物和碱土金属氧化物  0.01-2.0
氧化锰                        0.01-5.0
6.根据权利要求1-2的支撑剂的用途，用于烃生产。
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