GRANULOS ESFÉRICOS SINTERIZADOS QUE SON ÚTILES PARA AGENTES DE ENTIBACIÓN PARA POZOS DE GAS Y PETRÓLEO
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a agentes de entibación para pozos de gas y petróleo y, más particularmente, a agentes de entibación sinterizados en una amplia gama de aplicaciones. El petróleo y el gas natural son producidos a partir de pozos que tienen formaciones subterráneas porosas y permeables. La porosidad de la formación permite que la formación almacene petróleo y gas y la permeabilidad de la formación permite que el fluido de petróleo o gas se mueva a través de la formación. La permeabilidad de la formación es esencial para permitir que el petróleo y el gas fluyan para la producción del pozo. Algunas veces, la permeabilidad de la formación que retiene el gas o el petróleo es insuficiente para la recuperación económica del petróleo y el gas. En otros casos, durante la operación del pozo, la permeabilidad de la formación cae al grado que la recuperación adicional se vuelve costosa. En estos casos, es necesario fracturar la formación y apuntalar la fractura en una condición abierta por medio de un material de entibación o un agente de apuntalamiento. Esta fracturación se realiza usualmente por medio de presión hidráulica y el material de entibación o agente de apuntalamiento es un material particulado, el cual es llevado al interior de la fractura en una suspensión espesa de fluido y agente de apuntalamiento. Este agente de apuntalamiento debe tener suficiente fortaleza para resistir el aplastamiento por las tensiones de constricción de la formación. Mientras más profundo sea el pozo, generalmente es necesario que el agente de entibación sea más fuerte para resistir el aplastamiento. De esta manera, es necesario que los agentes de entibación utilizados en pozos más superficiales sean considerablemente tan fuertes como los agentes de entibación utilizados en pozos más profundos. Durante mucho tiempo se ha sabido que la bauxita sinterizada que tiene un contenido de alúmina de aproximadamente 85% es suficientemente fuerte para resistir el aplastamiento en profundidades de pozos mayores de 6,100 metros (20,000 pies). Sin embargo, estos agentes de apuntalamiento de alta fortaleza tienen altas densidades, es decir pesos específicos aparentes superiores a 3.4 g/cc y requieren fluidos de bombeo de alta viscosidad o velocidades de bombeo altas para mantenerlos en suspensión durante la operación de bombeo. El uso de los fluidos de bombeo de viscosidad más alta requeridos para transportar los agentes de entibación de alta densidad puede causar más daño a la cara fracturada de la formación y la fractura apuntalada resultante ya que los residuos de los fluidos de alta viscosidad llegan a concentrarse a lo largo de la cara de la fractura durante el bombeo y si no se rompen adecuadamente permanecen dentro de la fractura apuntalada, reduciendo por lo tanto la permeabilidad de la fractura apuntalada. Debido a las desventajas asociadas con el uso de fluidos para fracturas de alta viscosidad, el uso de agentes de entibación de alta densidad está limitado al uso en pozos donde una fortaleza alta es el atributo predominante. Como resultado de los efectos negativos de fluidos para fracturas de alta viscosidad, se ha desarrollado una variedad de agentes de entibación con densidades más bajas y menos fortaleza para el uso en los pozos más superficiales. Estos agentes de entibación de densidad más baja requerirán fluidos para fracturas de viscosidad más baja que generarán menos daño a la superficie de la fractura y la fractura apuntalada final. Se ha descubierto que los agentes de entibación de densidad intermedia, que tienen generalmente un peso específico aparente de aproximadamente 3.1 a 3.4 g/cc, tienen suficiente fortaleza para proporcionar una permeabilidad adecuada en profundidades y presiones intermedias. En estos agentes de entibación de densidad intermedia, la densidad se disminuyó principalmente al reducir el contenido de alúmina a aproximadamente 75%, como se describe en la Patente Norteamericana No. 4,427,068 de Fitzgibbon. Los agentes de entibación de densidad intermedia están recomendados generalmente para el uso en pozos que tienen una profundidad de aproximadamente 2,440 a aproximadamente 3,660 metros (de aproximadamente 8,000 a aproximadamente 12,000 pies). Un agente de entibación de baja densidad se describe en la Patente Norteamericana No. 5,120,455, la cual fue concedida a Lunghofer, que utiliza arcilla de caolín que tiene un contenido de alúmina del 50%. Este agente de entibación de baja densidad tiene un peso específico aparente de 2.62 a 2.80 g/cc y se utiliza en pozos que tienen una profundidad de hasta aproximadamente 2,440 metros (8,000 pies). Un agente de entibación de densidad aún más baja, que tiene un peso específico aparente de 2.20 a 2.60 g/cc, se describe en la Patente Norteamericana No. 5,188,175 de Sweet, que utiliza un material de partida que tiene un contenido de alúmina de 25% a 40%. Como se observa en la Patente Norteamericana No. 5,188,175, la densidad reducida significa que el fluido de bombeo puede ser menos viscoso y la velocidad de bombeo puede disminuirse, las cuales son ambas características de ahorro. Por lo tanto, existe el deseo de un agente de entibación que tenga una densidad aún más baja que el agente de entibación de Sweet, tal como un peso específico aparente de 2.10 g/cc o menos. Como se puede observar a partir de la técnica anterior, la reducción del contenido de alúmina del material da por resultado generalmente un agente de entibación de densidad más baja. Sin embargo, cuando el contenido de alúmina se reduce demasiado generalmente hay un incremento concomitante con el contenido de sílice lo cual conduce a una pérdida de fortaleza preferentemente significativa. Por lo tanto, los esfuerzos para desarrollar un agente de entibación aún más. ligero por medio del uso de materiales con un contenido de alúmina más bajo han fallado generalmente. No obstante, existe la necesidad de un agente de entibación de densidad muy baja que tenga un peso específico aparente de 2.10 g/cc o menos, que sea suficientemente fuerte para utilizarse en pozos profundos, por ejemplo, pozos a profundidades de hasta aproximadamente 2287.5 metros (7500 pies).
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN De acuerdo con la presente invención, se producen granulos o partículas esféricos compuestos que tienen pesos específicos aparentes de aproximadamente 1.80 a aproximadamente 2.50. Las partículas esféricas son útiles como agentes de entibación para pozos de petróleo y gas. El agente de entibación de las presentes modalidades tiene una fortaleza moderada y es efectivo en tensiones de constricción de hasta aproximadamente 351.08 kg/cm2 (5000 lb/pg2) . El agente de entibación comprende granulos sinterizados sustancialmente redondos y esféricos formados a partir de materiales de origen natural e incluye aproximadamente de 65 a 95 por ciento en peso de arcilla, bauxita o mezclas de arcilla-bauxita y de aproximadamente 5 a aproximadamente 35 por ciento en peso de un material de fase de sacrificio. Los ingredientes para formar las partículas de agente de entibación tienen un tamaño de partícula promedio menor que aproximadamente 15 micrómetros y, preferiblemente, menor que aproximadamente 10 micrómetros y, mucho más preferiblemente, menor que aproximadamente 5 micrómetros. En general, el agente de entibación puede hacerse a partir de cualquier material de aluminosilicato que pueda combinarse con un material de fase de sacrificio, que se nodulizará en partículas esféricas y que puede secarse y sinterizarse para retirar el material de fase de sacrificio del granulo para formar un granulo poroso final que tiene las propiedades deseadas, tales como aquellas descritas en este documento. Los materiales de arcilla adecuados para el uso en las composiciones para producir el agente de entibación de las presentes modalidades incluyen arcilla de caolín, arcilla de diasporo, arcilla de tabaco fino y arcilla de pedernal . Los materiales de bauxita adecuados para el uso en las composiciones para producir el agente de entibación de las presentes modalidades incluyen bauxita natural la cual contiene principalmente alúmina (Al203) y varias impurezas que incluyen óxido de hierro, silicato de aluminio, dióxido de titanio y cuarzo. En otra modalidad de la presente invención, los materiales de bauxita pueden sustituirse por un material de alúmina. Un material de alúmina adecuado para el uso en las composiciones para producir el agente de entibación de las presentes modalidades es el subproducto del recolector de polvos finos de alúmina de la purificación de alúmina utilizando el proceso de Bayer. De acuerdo con el proceso de Bayer, el componente de aluminio del mineral bauxita se disuelve en hidróxido de sodio, las impurezas son retiradas de la solución y el trihidrato de alúmina se precipita de la solución y luego se calcina a óxido de aluminio. Una planta para el proceso de Bayer es esencialmente un dispositivo para calentar y enfriar una corriente grande de recirculación de una solución de sosa cáustica. La bauxita se agrega en el punto de temperatura alta, el lodo rojo se separa a una temperatura intermedia y la alúmina se precipita en el punto de temperatura baja en el ciclo. Los polvos finos de alúmina que son útiles para la preparación de los granulos de agente de entibación de acuerdo con las presentes modalidades son un subproducto de este proceso. Un producto preferido de polvos finos de alúmina tiene un contenido de alúmina de aproximadamente 99% y una pérdida en calcinación de aproximadamente 13%-22%. El término "pérdida en calcinación" se refiere a un proceso, bien conocido para aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo, en el cual las muestras son secadas a aproximadamente 100 °C para desplazar la humedad libre y luego son calentadas a aproximadamente 1000 °C para desplazar el agua enlazada químicamente y otros compuestos . Para el propósito de esta solicitud de patente, se entenderá que el término "bauxita" incluye el subproducto del recolector de polvos finos de alúmina descrito anteriormente . De acuerdo con ciertas modalidades, los materiales de arcilla o bauxita pueden estar calcinados, calcinados parcialmente o no calcinados. Si los materiales se calcinan, los materiales pueden calcinarse por medio de métodos bien conocidos para aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo, a temperaturas y en tiempos para retirar suficiente agua de hidratación para facilitar la nodulación y para lograr un producto final de fortaleza más alta.
Los materiales de fase de sacrificio adecuados para el uso en las composiciones para producir el agente de entibación de la presente modalidad incluyen carbón mineral, harina de trigo, cascaras de arroz, fibra leñosa, azúcar y otros materiales orgánicos o inorgánicos que se inflamarán y se quemarán o de otra manera pueden ser retirados de los granulos dejando atrás poros en su lugar. Estos materiales son referidos como que constituyen una "fase de sacrificio" ya que pueden ser retirados de los granulos para generar porosidad y reducir consecuentemente la densidad de los granulos. En ciertas modalidades, la harina de trigo es el material de fase de sacrificio. En ciertas modalidades, la composición para producir el agente de entibación puede incluir 10 por ciento en peso de harina de trigo. En ciertas modalidades, el carbón mineral es el material de fase de sacrificio ya que se inflama y se quema dejando atrás poros y un residuo de ceniza a temperaturas de sinterizado típicas de los granulos. El carbón mineral da de esta manera un grado deseado de porosidad a los granulos de agente de entibación. En ciertas modalidades, las composiciones para producir el agente de entibación pueden incluir 5, 10, 15, 20, 25 o 35 por ciento en peso de carbón mineral . Aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo reconocerán que otros materiales de fase de sacrificio adecuados para el uso en las composiciones para producir el agente de entibación de las presentes modalidades incluyen cualquier material que se descomponga parcial o completamente a un gas durante el calentamiento. Los materiales para el uso en las composiciones para producir el agente de entibación de las presentes modalidades son compatibles con, y pueden utilizarse como una matriz para, una amplia variedad de materiales de entibación y, de esta manera, se puede producir una amplia variedad de agentes de entibación compuestos, los cuales pueden adaptarse para condiciones o formaciones particulares. De esta manera, las propiedades de los granulos compuestos, sínterizados , finales, tales como fortaleza, porosidad, peso específico aparente y densidad aparente pueden controlarse a través de variaciones en la mezcla inicial de componentes. A menos que se establezca de otra manera, todos los porcentajes, proporciones y valores con respecto a la composición se expresan en términos de peso. Una ventaja del agente de entibación de densidad más baja de las presentes modalidades es que se requieren menos kilogramos (libras) de este agente de entibación, en comparación con los agentes de entibación de densidad más alta, para llenar un hueco dado en una formación. Puesto que los agentes de entibación se venden generalmente por kilogramo (libra) , el usuario compra menos kilogramos (libras) de agente de entibación para una aplicación particular. Otra ventaja de este agente de entibación de baja densidad es la capacidad de utilizar un fluido de viscosidad más baja durante las operaciones de bombeo, dando por resultado costos de fluido totales más bajos, un daño reducido al paquete de interfaz de fractura y fractura apuntalada contra el uso de agentes de entibación más pesados o más densos. La presente invención también proporciona un proceso para apuntalar fracturas en pozos de petróleo y gas a profundidades de hasta aproximadamente 2,287.5 metros
(7,500 pies) utilizando el agente de entibación de las presentes modalidades. De acuerdo con estos procesos, un fluido viscoso, referido frecuentemente como una "almohadilla" , se inyecta en el pozo a una velocidad y presión para iniciar y propagar una fractura en la formación subterránea. El fluido fracturante puede ser una base oleosa, base acuosa, ácido, emulsión, espuma o cualquier otro fluido. La inyección del fluido fracturante continúa hasta que se obtiene una fractura de geometría suficiente para permitir la colocación de los granulos de apuntalamiento. Posteriormente, los granulos como se describiera anteriormente en este documento se colocan en la fractura por medio de la inyección en la fractura de un fluido dentro del cual han sido introducidos y suspendidos previamente los granulos. La distribución de apuntalamiento es usualmente, pero no necesariamente, un paquete de múltiples capas. Después de la colocación de los granulos, el pozo es cerrado durante un tiempo suficiente para permitir que la presión en la fractura sea purgada dentro de la formación. Esto causa que la fractura se cierre y aplique presión sobre los granulos de apuntalamiento los cuales resisten la constricción adicional de la fractura. En los pozos a profundidades descritas anteriormente, la tensión compresiva sobre el agente de entibación es generalmente superior a aproximadamente 351.08 kg/cm2 (5,000 lb/pg2) . En un método de las presentes modalidades, los granulos esféricos sinterizados se producen de acuerdo con el siguiente método: 1. La arcilla, bauxita o mezclas de arcilla-bauxita no calcinadas, parcialmente calcinadas o calcinadas y el material de fase de sacrificio se muelen en un polvo de tamaño de partícula fino, tal como un polvo en el cual aproximadamente 90-100% de las partículas tienen un tamaño menor que la malla 325. La arcilla, bauxita o mezclas de arcilla-bauxita y el material de fase de sacrificio pueden molerse independientemente y combinarse o pueden molerse en conjunto. En cualquier caso, el material de fase de sacrificio se mezcla homogéneamente con y se distribuye en la combinación de arcilla, bauxita o mezclas de arcilla-bauxita. La arcilla, bauxita o mezclas de arcilla-bauxita y el material de fase de sacrificio junto con agua se agregan en una relación predeterminada a una mezcladora de alta intensidad. 2. La arcilla, bauxita o mezclas de arcilla-bauxita, el material de fase de sacrificio y agua se agitan para formar una mezcla particulada, homogénea, húmeda. Los dispositivos de agitación o mezclado intensivos, comercialmente disponibles, adecuados tienen una mesa circular, horizontal o inclinada, giratoria y un impulsor de impacto giratorio, tal como se describe en la Patente Norteamericana Número 3,690,622, de Brunner, la descripción completa de la cual se incorpora en este documento a manera de referencia. 3. Mientras que la mezcla está siendo agitada, se agrega suficiente agua para causar la formación de granulos esencialmente esféricos, compuestos de un tamaño deseado a partir de la mezcla de arcilla, bauxita o mezclas de arcilla-bauxita y el material de fase de sacrificio. La acción intensa de mezclado dispersa rápidamente el agua por todas las partículas. En general, la cantidad total de agua que es suficiente para causar que se formen granulos esencialmente esféricos es de aproximadamente 15 a aproximadamente 30 por ciento en peso de la mezcla de arcilla, bauxita o mezclas de arcilla-bauxita y el material de fase de sacrificio. El tiempo de mezclado total es usualmente de aproximadamente 2 a aproximadamente 15 minutos. Aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo entenderán como determinar una cantidad adecuada de agua para agregar a la mezcla de manera que se formen granulos sustancialmente redondos y esféricos. Opcionalmente, una sustancia aglutinante, por ejemplo, varias resinas o ceras, almidón o alcohol polivinílico, se puede agregar a la mezcla inicial para mejorar la formación de los granulos y para incrementar la resistencia mecánica en crudo de los granulos no sinterizados. Las sustancias aglutinantes adecuadas incluyen pero no están limitadas a almidón de maíz, alcohol polivinílico o solución de silicato de sodio o una combinación de los mismos. Las sustancias aglutinantes líquidas pueden agregarse a la mezcla y la bentonita y/o varias resinas o ceras conocidas y disponibles para aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo también se pueden utilizar como una sustancia aglutinante. Una sustancia aglutinante adecuada es el almidón de maíz el cual puede agregarse en niveles de aproximadamente 0 por ciento en peso a 1.5 por ciento en peso. En ciertas modalidades, el almidón puede agregarse en una cantidad de aproximadamente 0.5 por ciento en peso a 0.7 por ciento en peso. En otras modalidades, una sustancia aglutinante adecuada puede agregarse en una cantidad de aproximadamente 0.25 por ciento en peso a aproximadamente 1.0 por ciento en peso de la materia prima o cualquier otra cantidad para ayudar en la formación de los granulos. Si se utiliza más o menos sustancia aglutinante que los valores reportados en este documento puede ser determinado por una persona de experiencia ordinaria en el campo a través de la experimentación de rutina. 4. Los granulos resultantes se secan y se tamizan a un tamaño apropiado previo al sinterizado que compensará el encogimiento que ocurre durante el sinterizado en el horno. Los granulos rechazados demasiado grandes y demasiado pequeños y el material en polvo obtenido después de los pasos de secado y tamizado pueden reciclarse. Los granulos también pueden tamizarse ya sea antes del secado o después de la cocción o ambos. 5. Los gr nulos secos entonces se cuecen a una temperatura de sinterizado durante un período suficiente para hacer posible la recuperación de los granulos esféricos, sinterizados que tienen un peso específico aparente entre 1.80 y 2.50 y una densidad aparente de aproximadamente 1.05 a aproximadamente 1.35 g/cm3. El tiempo y temperatura específicos que se emplean son dependientes de las cantidades relativas de arcilla, bauxita o mezclas de arcilla-bauxita y el material de fase de sacrificio y se determinan empíricamente de acuerdo con los resultados de la prueba física de los granulos después de la cocción. Los granulos terminados pueden pulirse en tambor para mejorar la suavidad. De acuerdo con las presentes modalidades, cuando el material de fase de sacrificio es carbón mineral, con el sinterizado de los granulos crudos a una temperatura de aproximadamente 1316°C (2400°F) a aproximadamente 1539°C
(2800°F) , el carbón mineral se inflama y se quema, produciendo dióxido de carbono (C02) , cantidades variantes de dióxido de azufre (S02) , dependiendo de donde fue extraído, y ceniza. La quemadura del carbón mineral deja de esta manera una pequeña cantidad de ceniza y poros en su lugar. Debido a que el carbón mineral está distribuido homogéneamente en los granulos crudos, los poros dejados detrás después del sinterizado están distribuidos homogéneamente por todos los granulos sinterizados dando por resultado granulos sinterizados porosos que tienen baja densidad y alta fortaleza. La estructura de poros dejada detrás por el carbón mineral ha sido determinada por medio de pruebas del peso específico aparente y la porosimetría de mercurio que están relativamente desconectadas. También, como se confirma por medio de un picnómetro de helio, los granulos de agente de entibación están completamente sinterizados . La utilidad de los agentes de entibación de las presentes modalidades puede extenderse en aplicaciones de tensión compresiva alta al agregar un revestimiento de resina al agente de entibación. El revestimiento de resina puede ser curado o curable. En una modalidad, los granulos de agente de entibación son revestidos con una resina disuelta en un solvente. En esta modalidad, el solvente se evapora y luego la resina se cura. En otra modalidad, los granulos de agente de entibación se mezclan con una resina fundida, la resina fundida se enfría para revestir los granulos y luego el revestimiento de resina se cura. Alternativamente, el revestimiento de resina es curable, pero no se cura sustancialmente antes del uso. En esta modalidad, la resina se cura después de la inyección en la formación del pozo por medio de técnicas bien conocidas para aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo. Las resinas adecuadas para revestir los granulos de agente de entibación son generalmente cualquier resina que pueda ser revestida sobre el substrato y luego ser curada a un grado más alto de polimerización tales como resinas de epoxi o fenólicas. Los ejemplos de estas resinas incluyen resinas de fenol-aldehido del tipo tanto resol como novolac, resinas de urea-aldehido, resinas de melamina-aldehído, resinas de epoxi, resinas de alcohol furfurílico, resinas de poliéster y resinas alquídicas así como también copolímeros de estas resinas. Las resinas deben formar un revestimiento sólido no pegajoso a temperaturas ambientales de manera que las partículas revestidas permanezcan en una circulación libre y no se aglomeren bajo condiciones de almacenamiento normales. En ciertas modalidades, las resinas son resinas de fenol-formaldehído. Estas resinas incluyen las auténticas resinas fenólicas termoendurecibles del tipo resol y las resinas fenólicas del tipo novolac que pueden hacerse reactivas al calor por medio de la adición de un catalizador y formaldehído. Estas resinas de fenol-formaldehído adecuadas tienen puntos de ablandamiento de 85°C a 143°C (de 185°F a 290°F) . En ciertas modalidades, la resina es una resina fenólica del tipo novolac. Las resinas fenólicas del tipo novolac adecuadas son comercialmente disponibles de Jinan Shengquan Hepworth Chemical Co . , Ltd bajo el nombre comercial PF-0987 y Georgia-Pacific Corporation bajo los nombres comerciales GP-2202MR y GP-2207MR. Cuando se utilizan estas resinas, usualmente es necesario agregar a la mezcla un agente de reticulación para efectuar la curación subsecuente de la resina. La hexametilentetramina es un agente de reticulación adecuado y sirve como un catalizador y una fuente de formaldehído. En otras modalidades, las resinas son resinas fenólicas del tipo resol. Las resinas fenólicas del tipo resol adecuadas están comercialmente disponibles de una variedad de proveedores. Las resinas del tipo resol adecuadas se proporcionan generalmente en una solución de agua y metanol como el sistema de solvente. Los niveles de sólidos orgánicos adecuados son de 65 a 75%, con un contiendo de agua en el nivel de 5 a 15%. Un tiempo de curación en placa térmica adecuado a 150°C está en el intervalo de 25 a 40 segundos. El revestimiento de resina puede formarse por medio de una variedad de métodos. Por ejemplo, un proceso de revestimiento de solvente adecuado se describe en la Patente Norteamericana No. 3,929,191, de Graham y colaboradores, la descripción completa de la cual se incorpora en este documento a manera de referencia. Otros procesos adecuados tal como aquel descrito en la Patente Norteamericana No. 3,492,147 de Young y colaboradores, la descripción completa de la cual se incorpora en este documento a manera de referencia, implican el revestimiento de un substrato particulado con una composición de resina no catalizada, líquida caracterizada por su capacidad para extraer un catalizador o agente de curación de una solución no acuosa. Como se estableciera anteriormente, las resinas adecuadas para el uso en las modalidades de la presente invención incluyen resinas de fenol-formaldehído del tipo novolac. Cuando se utilizan estas resinas, un método de revestimiento adecuado es un procedimiento de revestimiento de aplicación en caliente. Un procedimiento de revestimiento de aplicación en caliente adecuado se describe en la Patente Norteamericana No. 4,585,064, de Graham y colaboradores la descripción completa de la cual se incorpora en este documento a manera de referencia. Los solventes también se pueden utilizar para aplicar el revestimiento de resina. Lo siguiente es una descripción de los parámetros típicos del proceso de revestimiento utilizando resinas de fenol -formaldehído del tipo novolac. El revestimiento de resina puede formarse sobre el substrato particulado al precalentar primero el substrato particulado a una temperatura superior al punto de fusión de la resina particular utilizada. Típicamente, el substrato particulado se calienta de 176°C a 260°C (de 350°F a 500°F) antes de la adición de resina. El substrato calentado se carga en una mezcladora o mortero y luego la resina se agrega a una proporción de aproximadamente 1% a aproximadamente 6% en peso del substrato. Una cantidad particularmente adecuada de resina es aproximadamente 2% en peso de substrato. Después de la consumación de la adición de la resina al substrato, el substrato y la resina fundida se dejan mezclar en el mortero durante un tiempo suficiente para asegurar la formación de un revestimiento uniforme de resina sobre el material particulado, usualmente de aproximadamente 10 a aproximadamente 30 segundos. Después del paso de mezclado, la hexametilentetramina se agrega a la mezcla de resina de substrato a una proporción de aproximadamente 5 a aproximadamente 25% en peso de la resina. Una cantidad particularmente adecuada de hexametilentetramina es aproximadamente 13% en peso de la resina. Después de la adición de la hexametilentetramina, la mezcla completa se deja amasar durante aproximadamente uno a cinco minutos hasta que el revestimiento de resina está curado completamente. Se anticipa que al revestir con resina las partículas de agente de entibación de las presentes modalidades, la resina penetrará al menos algo de la porosidad superficial abierta de las partículas y sellará y encapsulará algo de la porosidad superficial abierta, conduciendo de esta manera a una reducción del peso específico aparente (ASG, por sus siglas en inglés) de las partículas . Los gr nulos de agente de entibación compuestos, sinterizados de las presentes modalidades tienen una forma esférica. El término "esférico" utilizado en este documento se refiere tanto a la redondez como la esfericidad y se utiliza para designar los granulos de agente de entibación que tienen una relación promedio de diámetro mínimo con respecto al diámetro máximo de aproximadamente 0.8 en el diagrama de Krumbein y Sloss (Krumbein y Sloss, Stratigraphy and Sedimentation, segunda edición, 1955, W.H. Freeman & Co . , San Francisco, California) como se determina al clasificar visualmente 10 a 20 partículas seleccionadas aleatoriamente . De acuerdo con una modalidad, la porosidad sobre la superficie del agente de entibación se controla de tal manera que se reduce el peso específico aparente de los granulos de agente de entibación. De acuerdo con esta modalidad, los granulos de agente de entibación son sinterizados a una etapa final y los granulos sinterizados tienen una porosidad superficial de entre aproximadamente 6.0% y aproximadamente 15.0% en volumen de los granulos que comprenden el agente de entibación. En algunas modalidades, los granulos de agente de entibación sinterizados tienen una porosidad superficial entre aproximadamente 6.6% y 21.8% en peso de los granulos que comprenden el agente de entibación. El término "peso específico aparente", utilizado en este documento, es un número sin unidades, pero se define que es numéricamente igual al peso en gramos por centímetro cúbico de volumen, excluyendo el espacio vacío o la porosidad abierta en la determinación del volumen. Los valores del peso específico aparente proporcionados en este documento se determinaron por medio del método de Arquímedes de desplazamiento de líquidos (agua) de acuerdo con API RP60, un método el cual es conocido para aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo. El término "densidad aparente", utilizado en este documento, se define que significa el peso por volumen unitario, inclusive en el volumen considerado, los espacios vacíos entre las partículas . Los valores de densidad aparente reportados en este documento se determinaron de acuerdo con el método ANSÍ B74.4 al ponderar aquella cantidad de una muestra que llenaría una taza de volumen conocido. El tamaño de partícula total de los granulos está entre aproximadamente 0.1 y aproximadamente 2.5 milímetros y, más preferiblemente, entre aproximadamente 0.15 y aproximadamente 1.7 milímetros. Para propósitos de esta descripción, los métodos para someter a prueba las características de los granulos de agente de entibación en términos del peso específico aparente, densidad aparente y resistencia al aplastamiento son las pruebas API estándar que se realizan rutinariamente sobre muestras de agentes de entibación. Otra característica importante de cualquier agente de entibación es su conductividad a los fluidos en varias tensiones de constricción. Una prueba de conductividad se lleva a cabo rutinariamente sobre agentes de entibación para determinar la disminución de la velocidad de flujo de fluido a través de la muestra de agente de entibación a medida que se incrementa la presión (o tensión de constricción) sobre el paquete de agente de entibación. En la prueba de conductividad, una cantidad medida de agente de entibación, por ejemplo 0.907 kilogramos por 929 cm2 (dos libras por pie cuadrado) , se colocan en una celda y se pasa un fluido (usualmente agua desionizada) a través del paquete de agente de entibación en varias velocidades de flujo. A medida que se incrementa la presión sobre el paquete, causa que el agente de entibación se aplaste, disminuyendo en consecuencia la capacidad de flujo que se está midiendo. La conductividad de un agente de entibación proporciona generalmente un buen indicador de su resistencia al aplastamiento y también proporciona información valiosa acerca de como se desempeñará el agente de entibación en una formación subterránea. El agente de entibación de las presentes modalidades tiene una baja densidad lo cual permite un buen transporte del agente de entibación mientras que la fortaleza y esfericidad dan por resultado una buena conductividad retenida. El siguiente ejemplo es ilustrativo de los métodos y composiciones descritos anteriormente.
EJEMPLO 1
Se preparó una combinación de materia prima que comprende harina de trigo de grado alimenticio o carbón mineral con bajo contenido de azufre Wyoming Powder River BasinMR y arcilla de caolín calcinada la cual es comercialmente disponible como Mulcoa 47MKMR de C-E Minerals. Un producto de arcilla de caolín el cual es comercialmente disponible como Mulcoa CK 46MR también se podría utilizar. En cada caso, la combinación de materia prima se agregó a un molino de jarro para reducir el tamaño de partícula a un tamaño suficientemente pequeño para alimentar un molino de chorro. La materia prima entonces se alimentó a un molino de chorro para la molienda y combinación finales para crear una mezcla homogénea. La mezcla homogénea entonces se alimentó a un dispositivo Eirich R02MR, una mezcladora de alta intensidad comercialmente disponible de Eirich Machines, Inc. En el presente ejemplo, la mezcladora tuvo una mesa circular horizontal o inclinada que podía girar a una velocidad de aproximadamente 10 a aproximadamente 72 revoluciones por minutos (rpm) y un impulsor de impacto giratorio que podía girar a una velocidad de la punta de aproximadamente 5 a aproximadamente 50 metros por segundo. La dirección de rotación de la mesa era opuesta a aquella del impulsor, causando que el material agregado a la mezcladora fluyera sobre sí mismo de una manera contracorriente. El eje central del impulsor de impacto estaba localizado generalmente dentro de la mezcladora en una posición fuera del eje central de la mesa giratoria. La mesa podía estar en una posición horizontal o inclinada, en donde la posición inclinada, si existía, era entre 0 y 35 grados del plano horizontal. Para formar el agente de entibación de este Ejemplo 1, la mesa se giró de aproximadamente 20 a aproximadamente 72 rpm, en una inclinación de aproximadamente 30 grados del plano horizontal. El impulsor de impacto se hizo girar inicialmente a una velocidad de la punta de aproximadamente 27 metros por segundo y se ajustó como se describe posteriormente, durante la adición de agua que contenía almidón disuelto a la mezcladora. Mientras que la materia prima estaba siendo agitada en el dispositivo Eirich R02MR, el agua se agregaba intermitentemente a la mezcladora en una cantidad suficiente para causar la formación de granulos esféricos. En este ejemplo particular, el agua era agua dulce que contenía sustancia aglutinante de almidón y se alimentó a la mezcladora en una cantidad suficiente para mantener un porcentaje basado en el peso de la materia prima en la mezcladora de aproximadamente 15 a aproximadamente 30 por ciento en peso de las materias primas, aunque esta cantidad puede variar. El agua incluía una cantidad suficiente de almidón, es decir de aproximadamente 4.7 a 2.3 por ciento en peso para generar una concentración de almidón de aproximadamente 0.70 por ciento en peso. Aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo reconocerán que el almidón también se puede agregar a la combinación de materia prima y se puede moler como se describiera anteriormente . La velocidad de adición de agua a la mezcladora no era crítica. La acción de mezclado intenso dispersa el agua por todas las partículas. Aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo pueden determinar si se ajusta la velocidad de rotación a valores mayores o menores que aquellos descritos en este Ejemplo 1 de tal manera que se formen granulos esféricos de aproximadamente el tamaño deseado. Después de aproximadamente 2 a aproximadamente 6 minutos de mezclado, se formaron los granulos esféricos. La cantidad de tiempo de mezclado puede variar dependiendo de una variedad de factores que incluyen, pero no están limitados a, la cantidad de material en la mezcladora, la velocidad de operación de la mezcladora, la cantidad de agua alimentada a la mezcladora y el tamaño de granulo deseado. Aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo pueden determinar si el tiempo de mezclado debe ser mayor o menor que los tiempos descritos en este Ejemplo 1 de tal manera que se formen granulos esféricos de aproximadamente el tamaño deseado. Una vez que se formaron los granulos de aproximadamente el tamaño deseado, se agregó materia prima adicional a la mezcladora en una cantidad de aproximadamente 10 por ciento en peso y la velocidad de la mezcladora se redujo a una velocidad de la punta de aproximadamente 16 metros por segundo. El mezclado continuó a la velocidad más baja durante aproximadamente 1 a aproximadamente 120 segundos y entonces los granulos se descargaron de la mezcladora. Después de la descarga de la mezcladora, los granulos se secaron. En el presente ejemplo, los gr nulos se secaron en un horno de convección forzada. Otros tipos de equipo de secado que podían ser adecuados para el uso con los métodos dados a conocer en este documento incluyen pero no están limitados a secadores giratorios, secadores de lecho fluido, secadores térmicos directos, secadores de aire comprimido y secadores infrarrojos. Las fuentes comerciales para los secadores descritos en este documento son conocidas para aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo. El secador se operó a una temperatura que variaba de aproximadamente 100°C (212°F) a aproximadamente 300°C (572°F) . En este ejemplo particular, los granulos crudos se sinterizaron en un horno giratorio, operado a una temperatura que variaba de aproximadamente 1316°C (2,400°F) a aproximadamente 1539°C (2,800°F), durante un tiempo de residencia de aproximadamente 30 minutos. De acuerdo con otros ejemplos, el tiempo de residencia puede estar en el intervalo de aproximadamente 30 a aproximadamente 90 minutos . Se pueden emplear otros tiempos y temperaturas . Durante el sinterizado de los granulos, el carbón mineral se quemó dejando ceniza y poros en su lugar. Opcionalmente, antes del sinterizado, los granulos se pueden tamizar para retirar los granulos que están abajo y arriba de un tamaño deseado. Si se emplea el tamizado, solo los granulos secos que tienen el tamaño deseado se envían a un horno giratorio para el sinterizado. La selección de tamices para granulos crudos requeridos para lograr un tamaño deseado de granulos sinterizados debe permitir el encogimiento de cocción de los granulos, típicamente tamaños de Malla U.S. 1 a 2. Una persona de experiencia ordinaria en el campo puede determinar los tamices de granulos crudos necesarios para lograr un tamaño deseado de granulos sinterizados a través de la experimentación de rutina. El tamaño deseado de los granulos cocidos en este ejemplo fue la Malla U.S. entre aproximadamente 16 y aproximadamente 70 después del sinterizado o expresado como micrómetros, entre aproximadamente 1180 y 212 micrómetros después del sinterizado. De acuerdo con otros ejemplos, el tamaño deseado está en un intervalo de Malla U.S. entre aproximadamente 6 y 270 después del sinterizado. De acuerdo con aún otros ejemplos, el tamaño deseado está en un intervalo de aproximadamente 3.35 a aproximadamente 0.05 milímetros. En el presente ejemplo mostrado en la Tabla I, se determinó que los granulos sinterizados que incluían una fase de sacrificio de ya sea harina de trigo o carbón mineral tenían una densidad aparente en el intervalo de aproximadamente 1.06 g/cc a aproximadamente 1.33 g/cc, expresada como un peso por volumen unitario, inclusive en el volumen considerado, los espacios vacíos entre las partículas. La densidad aparente se determinó para el presente ejemplo por medio del Método de Prueba ANSÍ B74. -1992 (R 2002), el cual es una prueba conocida y disponible para aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo. Como se muestra en la Tabla I, a medida que se incrementa la cantidad de carbón mineral, disminuye la densidad aparente. El agente de entibación con una fase de sacrificio de carbón mineral del 25% tiene una densidad aparente que es aproximadamente 32% más baja que la arena fracturante la cual se muestra en la Tabla I como un control. En general, el presente método puede utilizarse para hacer granulos que tienen una densidad aparente de aproximadamente 1.05 g/cc a aproximadamente 1.35 g/cc. También, en el presente ejemplo mostrado en la
Tabla I, se determinó que los granulos sinterizados tenían un peso específico aparente en el intervalo de aproximadamente 2.11 a 2.40. El agente de entibación con una fase de sacrificio de harina de trigo del 10% tiene un ASG que es aproximadamente 10% más bajo que la arena fracturante la cual se muestra en la Tabla I como un control. El agente de entibación con una fase de sacrificio de carbón mineral del 25% tiene un ASG que es aproximadamente 20% más bajo que la arena fracturante la cual se muestra en la Tabla I como un control. En general, el presente método puede utilizarse para hacer granulos que tienen un peso específico aparente de aproximadamente 1.80 a aproximadamente 2.50. Además, en el presente ejemplo, se determinó que los granulos sinterizados con una fase de sacrificio de harina de trigo del 10% malla -20/malla +40 tenían una resistencia al aplastamiento de aproximadamente 8.2 por ciento en peso de polvos finos (es decir, material menor que malla 40) a 280.864 kg/cm2 (4000 lb/pg2) y se determinó que los granulos sinterizados con una fase de sacrificio de carbón mineral malla -20/malla +40 tenían una resistencia al aplastamiento de aproximadamente 1.6 por ciento en peso a aproximadamente 3.3 por ciento en peso de polvos finos (es decir, material menor que malla 40) a 280.864 kg/cm2 (4000 lb/pg2) . Los valores de aplastamiento reportados en este documento se determinaron de acuerdo con API Recommended Practices RP60 para someter a prueba agentes de entibación, el cual es un texto conocido para aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo. Generalmente, sin embargo, de acuerdo con este procedimiento, un lecho de aproximadamente 6 mm de profundidad de la muestra que ha sido tamizada para contener granulos entre malla 20 y 40 se coloca en una celda cilindrica hueca. Se inserta un pistón en la celda. Posteriormente, se aplica una carga a la muestra por vía del pistón. Se toma un minuto para alcanzar la carga máxima la cual luego se mantiene durante dos minutos. La carga se retira posteriormente, la muestra se retira de la celda y se tamiza a malla 40 para separar el material aplastado. Los resultados (es decir, la cantidad de "polvos finos" o material aplastado) se reportan como un porcentaje en peso de la muestra original. En el presente ejemplo, se determinó que los granulos sinterizados con una fase de sacrificio de carbón mineral tenían un porcentaje de porosidad superficial en un intervalo de aproximadamente 6.6% a aproximadamente 14.8% en volumen. Los valores de porosidad superficial se determinaron por medio de la porosimetría de mercurio a una presión de 2.106 a 4212.96 kg/cm2 (de 30 a 60,000 lb/pg2 de presión absoluta) . Un porosímetro de mercurio es un dispositivo cuyo uso es conocido para aquellas personas de experiencia ordinaria en el campo. En general, el presente método puede utilizarse para hacer granulos que tienen un porcentaje de porosidad superficial de aproximadamente 5% a aproximadamente 15% en volumen. En el presente ejemplo, también se determinó que los granulos sinterizados con una fase de sacrificio de carbón mineral demostraban un perfil típico de conductividad a corto plazo, en el cual la conductividad disminuyó con un incremento en la presión de constricción.
Tabla I
Los granulos sinterizados, esféricos, compuestos de la presente invención son útiles como un agente de apuntalamiento en métodos para fracturar formaciones subterráneas para incrementar la permeabilidad de las mismas, particularmente aquellas formaciones que tienen una presión de compactación de hasta aproximadamente 351.08 kg/cm2 (5,000 lb/pg2), las cuales están localizadas típicamente a profundidades de hasta aproximadamente 2287.5 metros (7,500 pies). Cuando se utilizan como un agente de apuntalamiento, los granulos de la presente invención pueden manipularse de la misma manera que otros agentes de apuntalamiento. Los granulos pueden suministrarse al sitio del pozo en bolsas o en forma a granel junto con los otros materiales utilizados en el tratamiento de fracturación. Se puede utilizar equipo y técnicas convencionales para colocar los granulos esféricos como un agente de apuntalamiento . La descripción y modalidades anteriores se proponen para ilustrar la invención sin limitarla en consecuencia. Será obvio para aquellas personas expertas en el campo que la invención descrita en este documento puede duplicarse esencialmente al hacer cambios menores en el contenido de material o el método de manufactura. Al grado de que el material o métodos de ese tipo sean sustancialmente equivalentes, se propone que sean incluidos por las siguientes reivindicaciones.