BRPI0614913A2 - péletes esféricos sinterizados úteis para agente de sustentação de poço de óleo ou de gás - Google Patents
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Abstract
PéLETES ESFéRICOS SINTERIZADOS úTEIS PARA AGENTE DE SUSTENTAçãO DE POçO DE óLEO OU DE GáS. A presente invenção refere-se a péletes de compósito esféricas, sinterizadas tendo alta resistência e baixa densidade juntamente com processos para a sua fabricação. Método inclui a formação de um pélete verde a partir uma mistura de argila, bauxita ou uma mistura de argila-bauxita com uma fase sacrificial de modo que a sinterização do pélete, a fase sacrificial é removida a partir do pélete. O uso de tais péletes sinterizadas na fratura hidraúlica de formações subterrâneas é também descrito.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PÉLETESESFÉRICOS SINTERIZADOS ÚTEIS PARA AGENTE DE SUSTENTAÇÃODE POÇO DE ÓLEO OU DE GÁS".
Antecedentes da Invenção
A presente invenção refere-se a agente de sustentação de poçode gás ou de óleo e, mais particularmente, aos agentes de sustentação sin-terizados em uma ampla faixa de aplicações.
Gás natural e óleo são produzidos a partir de poços tendo for-mações subterrâneas permeáveis e porosas. A porosidade da formaçãopermite a formação para armazenar óleo e gás, e a permeabilidade da for-mação permite que o fluido de gás ou óleo se mova através da formação.Permeabilidade da formação é essencial para permitir que óleo e gás fluampara a produção do poço. Algumas vezes a permeabilidade da formação queretém o gás ou óleo é insuficiente para a recuperação econômica de óleo egás. Em outros casos, durante a operação do poço, a permeabilidade daformação cai na medida que outra recuperação se torna não econômica. Emtais casos, é necessário fraturar a formação e sustentar a fratura em umacondição aberta por meio de um material de agente de sustentação ou agen-te de agente de sustentação. Tal fratura é usualmente realizada por pressãohidráulica, e o material de agente de sustentação ou agente de agente desustentação é um material em partículas, que é transportada para dentro dafratura em uma pasta fluida e agente de agente de sustentação. Este agentede agente de sustentação deve ter resistência suficiente para resistir tritura-ção pelos tensões de fechamento da formação. Quanto mais profundo o po-ço, em geral mais forte o agente de sustentação necessita ser de resistir tri-turação. Assim, o agente de sustentação usado nos poços mais rasos nãonecessita ser totalmente tão forte quando os agentes de sustentação usadosem poços mais profundos.
Foi conhecido por longo tempo que bauxita sinterizada tendo umteor de alumina de cerca de 85% é suficiente forte para resistir trituração aprofundidades de poço de mais do que 6,1 Km (20.000 pés). No entanto,esses agentes de agente de sustentação de alta resistência têm altas densi-dades, isto é, gravidades específicas aparentes acima de 3,4 g/cc, e exigemfluidos de bombeamento de alta viscosidade ou altas taxas de bombeamentopara mantê-los em suspensão durante a operação de bombeamento. O usode fluidos de bombeamento de viscosidade mais altos necessários paratransportar os agentes de sustentação de alta densidade podem causar maisdano à formação de face fraturada e a fratura sustentada resultante comoresíduos dos fluidos de alta viscosidade se tornam concentrados ao longo daface de fratura durante o bombeamento e se não adequadamente rompidaspermanecem dentro da fratura sustentada, portanto, redução da permeabili-dade de fratura sustentada. Por causa das desvantagens associadas ao usode fluidos de fatura de alta viscosidade, o uso de agentes de sustentação dealta densidade são limitados ao uso em poços onde alta resistência é o atri-buto de controle. Como um resultado dos efeitos negativos de fluidos de fra-tura de alta viscosidade, uma variedade de agente de sustentação foram15 desenvolvidos com densidades mais baixas e menos resistência para o usoem poços mais rasos. Esses agentes de sustentação de densidade maisbaixa exigirão fluidos de fratura de viscosidade mais baixa que gerarão me-nos dano a superfície de fratura e a fratura sustentada final.
Agentes de sustentação de densidade intermediária, em geraltendo uma gravidade específica aparente de desde cerca de 3,1 a 3,4 g/cc,demonstrou ter resistência suficiente para prover permeabilidade adequadaa pressões e profundidades intermediárias. Nesses agentes de sustentaçãode densidade intermediária, a densidade era diminuída principalmente porredução do teor de alumina a cerca de 75%, como descrito na patente U.S.nQ 4.427.068 por Fitzgibbon. Agentes de sustentação de densidade interme-diária são em geral recomendados para o uso em poços tendo uma profun-didade de desde cerca de 2,4 a cerca de 3,6 Km (8.000 a cerca de 12.000 pés).
Um agente de sustentação de baixa densidade é descrito napatente U.S. nQ 5.120.455, que foi expedida por Lunghofer, usando-se argilade caulin tendo um teor de alumina de 50%. Este agente de sustentação debaixa densidade tem uma gravidade específica aparente de 2,62 a 2,88 g/ccé usado em poços tendo uma profundidade de até cerca de 2,4 Km (8.000pés).
Um agente de sustentação de densidade ainda mais baixa, ten-do uma gravidade específica aparente de desde 2,20 a 2,60 g/cc, é descritona patente U.S. n9 5.188.175 por Sweet, usando-se um material de partidatendo um teor de alumina de desde 25% a 40%. Como observado na paten-te U.S. ng 5.188.175, densidade reduzida significa que o fluido de bombea-mento pode ser menos viscoso e a taxa de bombeamento pode ser diminuí-da, ambos dos quais têm características de economia de custo. Portanto, háum desejo para um agente de sustentação que tenha uma densidade aindamais baixa do que o agente de sustentação de Sweet, tal como uma gravi-dade específica aparente de 2,10 g/cc ou menos.
Como pode ser visto a partir da técnica anterior, redução do teorde alumina do material em geral resulta em um agente de sustentação dedensidade mais baixa. No entanto, quando o teor de alumina é reduzido de-mais há em geral um aumento concomitante em teor de sílica que leva auma perda bastante significativa de resistência. Portanto, esforços para de-senvolver um agente de sustentação ainda mais leve por uso de materiaiscom teor de alumina mais baixo em geral falharam. No entanto, há uma ne-cessidade de um agente de sustentação de densidade muito baixa tendouma gravidade específica de 2,10 g/cc ou menos, isto é, é forte o suficientepara ser usado em poços rasos, por exemplo, poços a profundidades de atécerca de 2,3 Km (7500 pés).
Descrição Detalhada
De acordo com a presente invenção, compósito, péletes esféri-cos ou partículas, tendo gravidades específicas aparentes de cerca de 1,80a cerca de 2,50, são produzidos. As partículas esféricas são úteis como a-gentes de sustentação de poço de gás e de óleo. O agente de sustentaçãodas presentes concretizações têm resistência moderada e é eficaz no ten-sões de fechamento de até cerca de 3,4 MPa (500 psi).
O agente de sustentação compreende substancialmente péletessinterizados esféricos e redondos formados a partir de materiais de ocorrên-cia natural e inclui cerca de 65 a 95 por cento em peso de argila, bauxita oumisturas de argila - bauxita e inclui cerca de 65 a 95 por cento em peso deum material de fase sacrificial. Os ingredientes para a formação de partícu-las de agente de sustentação têm um tamanho de partícula média de menosdo que cerca de 15 micra e, de preferência menos do que cerca de 10 micrae, mais de preferência menos do que cerca de 5 micra. Em geral, o agentede sustentação pode ser produzido a partir de qualquer material de alumi-nossilicato que pode ser combinado com um material de fase sacrificial, quese transformará em péletes para formar partículas esféricas, e que podemser secas e sinterizadas para remover o material de fase sacrificial a partirdo pélete de modo a formar um pélete poroso tendo propriedades deseja-das, tais como aquelas descritas aqui.
Materiais de argila adequados para o uso nas composições paraa produção do agente de sustentação das presentes concretizações incluemargila de caulin, argila de diásporo, argila refratária e argila refratária nodular.
Materiais de bauxita adequados para o uso nas composiçõespara a produção de agente de sustentação das presentes concretizaçõesincluem bauxita natural que contém principalmente alumina (AI2O3) e váriasimpurezas incluindo oxido de ferro, silicato de alumínio, dióxido de titânio equartzo.
Em uma outra concretização da presente invenção, os materiaisde bauxita podem ser substituídos com um material de alumina. Um materialde alumina adequado para o uso nas composições para a produção de a-gente de sustentação das presentes concretizações é o subproduto de cole-tor de poeira finas de alumina da purificação de alumina usando-se o pro-cesso Bayer. De acordo com o processo Bayer, o componente de alumíniode minério de bauxita é dissolvido em hidróxido de sódio, impurezas são re-movidas a partir da solução e triidrato de alumina é precipitado a partir dasolução e então é calcinado para formar óxido de alumínio. Uma instalaçãode processo Bayer é essencialmente um dispositivo para aquecimento e res-friamento de uma grande corrente de recirculação de solução de soda caús-tica. Bauxita é adicionada no ponto de alta temperatura, lama vermelha éseparada a uma temperatura intermediária, e alumina é precipitada no pontode baixa temperatura no ciclo. Os minérios miúdos de alumina que são úteispara a preparação dos péletes de agente de sustentação de acordo com aspresentes concretizações são um subproduto desse processo. O produto definos preferido tem um teor de alumina de cerca de 99% e uma perda na ig-nição de cerca de 13% - 22%. O termo "perda na ignição" refere-se a umprocesso, bem-conhecido por aqueles versados na técnica, em que amos-tras são secas cerca de 100°C para expelir umidade livre e são então aque-cidas para cerca de IOO0C para expelir água quimicarriente ligada e outroscompostos. Para a finalidade deste pedido de patente, o termo "bauxita" se-rá entendido como incluindo o subproduto de coletor de finos de aluminadescrito acima.
De acordo com certas concretizações, os materiais de argila oude bauxita podem ser calcinados, parcialmente calcinados ou não calcina-dos. Se os materiais forem calcinados, os materiais podem ser calcinadospor métodos bem-conhecidos por aqueles versados na técnica, as tempera-turas e tempos para remover água suficiente de hidratação para facilitar pe-lotização e alcançar um produto final de resistência mais alta.
Materiais de fase sacrificial adequados para o uso nas composi-ções para a produção do agente de sustentação da presente concretizaçãoincluem carvão, farinha de trigo, cascas de arroz, fibra de madeira, açúcar eoutros materiais orgânicos ou inorgânicos que inflamarão e queimarão oupoderão de outra maneira serem removidos a partir dos péletes deixandopara trás poros em seu lugar. Tais materiais são chamados de constituiçãode uma "fase sacrificial" como eles podem ser removidos a partir dos péletespara gerar porosidade e conseqüentemente reduzem a densidade dos péle-tes. Em certas concretizações, farinha de trigo é o material de fase sacrifici-al. Em certas concretizações, a composição para a produção de agente desustentação pode incluir 10 por cento em peso de farinha de trigo. Em certasconcretizações, carvão é o material de fase sacrificial como ela inflama equeima deixando para trás poros e um resíduo de cinza a temperaturas desinterização típicas dos péletes. O carvão assim proporciona um grau dese-jado de porosidade aos péletes de agente de sustentação. Em certas con-cretizações, as composições para a produção de agente de sustentação po-dem incluir 5, 10, 15, 20, 25 ou 35 por cento em peso de carvão.
Aqueles de habilidade comum na técnica reconhecerão que ou-tros materiais de fase sacrificial adequados para o uso nas composições pa-ra a produção do agente de sustentação das presentes concretizações in-cluem qualquer material que parcialmente ou totalmente se decompõe paradar um gás durante o aquecimento.
Os materiais para o uso nas composições para a produção doagente de sustentação das presentes concretizações são compatíveis com,e podem ser usados como uma matriz para, uma ampla variedade de mate-riais de agente de sustentação, e, deste modo, uma ampla variedade de a-gentes de sustentação de compósito podem ser produzidos, que podem sercustomizados para condições ou formações particulares. Assim, as proprie-dades dos péletes de compósito sinterizados finais, tais como resistência,porosidade, gravidade específica aparente e densidade aparente podem sercontroladas através da variações na mistura de componente inicial.
A não ser que de outra maneira afirmado, todas as percenta-gens, proporções e valores com relação a composição São expressos emtermos de peso.
Uma vantagem do agente de sustentação de densidade maisbaixo das presentes concretizações, é necessário menos peso desse agentede sustentação, quando comparado com agentes de sustentação de densi-dade mais baixa, para preencher um dado vazio em uma formação. Uma vezque os agentes de sustentação são em geral vendidos por peso, o usuáriocompra menos peso de agente de sustentação para uma aplicação particu-lar. Uma outra vantagem deste agente de sustentação de baixa densidade éa capacidade de usar um fluido de viscosidade mais baixa durante as opera-ções de bombeamento, resultando em custos de fluido totais mais baixos,dano reduzido à interface de fratura e recheio de fratura sustentada versususo de agentes de sustentação mais densos e mais pesados.
A presente invenção também provê um processo para o agentede sustentação de fraturas em poços de gás e de óleo a profundidades deaté cerca de 2,3 Km (7,500 pés) utilizando o agente de sustentação das pre-sentes concretizações. De acordo com tais processos, um fluido viscoso,freqüentemente chamado de um "tampão", é injetado para dentro do poço auma taxa e pressão para iniciar e propagar uma fratura na formação subter-rânea. O fluido de fratura pode ser um fluido de base oleosa, de base de á-gua, ácido, de emulsão, de espuma ou qualquer outro fluido. Injeção do flui-do de fratura é continuada até que uma fratura de geometria seja suficiente,seja obtida para permitir colocação dos péletes de agente de sustentação.Depois disso, os péletes como aqui mais acima descritos são colocados nafratura por injeção para dentro da fratura de um fluido em que os péletes fo-ram anteriormente introduzidos e suspensos. A distribuição de agente desustentação é usualmente, mas não necessariamente, um recheio de múlti-plas camadas. Após a colocação dos péletes, o poço é isolado por um tem-po suficiente para permitir que a pressão na fratura para eliminar pela san-gria na formação. Isso leva a fratura a fechar e aplicar pressão nos péletesde agente de sustentação que resistem outros fechamento da fratura. Ospoços a profundidades como descritos acima, a tensão compressiva no a-gente de sustentação em geral é até cerca de 0,07 kg/cm2 (5.000 psi).
Em um método das presentes concretizações, os péletes esféri-cos, sinterizados são produzidos de acordo com o seguinte método:1- argila, bauxita ou misturas de argila-bauxita não calcinadas, parcialmentecalcinadas ou calcinadas e o material de fase sacrificial são moídos para aformação de uma poeira de tamanho de partícula fina, tal como uma poeiraem que cerca de 90-100% das partículas têm um tamanho de menos do que325 malhas. A argila, a bauxita ou misturas de argila-bauxita e material defase sacrificial podem ser moídos independentemente e combinados, ou elespodem ser co-moídos. Em outro caso, o material de fase sacrificial é homo-geneamente misturado com e é distribuído na combinação de argila, bauxitaou misturas de argila-bauxita. A argila, bauxita ou misturas de argila-bauxitae material de fase sacrificial juntamente com água são adicionados em umarazão predeterminada para uma mistura de alta intensidade.2- A argila, bauxita ou misturas de argila-bauxita, material de fase sacrificiale água são agitados para formar uma mistura em partículas homogêneaspor via úmida. Dispositivos de misturação ou agitação intensiva comercial-mente disponíveis adequados têm uma mesa circular inclinada ou horizontalgiratória e um impulsionador de impacto giratório tais como descritos na pa-tente U.S. nQ 3.690.622, por Brunner, cuja descrição total é incorporada aquipor referência.
3- Enquanto a mistura está sendo agitada, água suficiente é adicionada paracausar formação de compósito, péletes essencialmente esféricos de tama-nho desejado a partir da mistura de argila, bauxita ou misturas de argila-bauxita e material de fase sacrificial. A ação de misturação intensa rapida-mente dispersa a água através de toda as partículas.
Em geral, a quantidade total de água que é suficiente para levarpéletes essencialmente esféricos a formar é de cerca de 15 a cerca de 30por cento em peso da mistura de argila, bauxita ou misturas de argila-bauxitae o material de fase sacrificial. O tempo de misturação total usualmente é decerca de 2 a cerca de 15 minutos. Aqueles de habilidade comum na técnicaentenderá como determinar uma quantidade adequada de água para adicio-nar ao misturador de modo que péletes substancialmente redondas e esféri-cas sejam formadas.
Opcionalmente, um aglutinante, por exemplo, várias resinas ouceras, amido ou álcool polivinílico podem ser adicionados à mistura inicialpara aperfeiçoar a formação de péletes e aumentar a resistência verde dospéletes não sinterizados. Aglutinantes adequados incluem mas não são Iimi-tados a amido de milho, álcool polivinílico ou solução de silicato de sódio ouum seu aglutinante. Aglutinantes líquidos podem ser adicionados à mistura ebentonita e/ou várias resinas ou ceras conhecidas e disponíveis por aquelesversados na técnica podem ser usadas como um aglutinante. Um aglutinanteadequado é amido de milho que pode ser adicionado a níveis de desde cer-ca de 0 por cento em peso a 1,5 por cento em peso. Em certas concretiza-ções, o amido pode ser adicionado a uma quantidade de desde cerca de 0,5por cento em peso a 0,7 por cento em peso. Em outras concretizações, umaglutinante adequado pode ser adicionado a uma quantidade de desde cer-ca de 0,25 por cento em peso a cerca de 1,0 por cento em peso da matéria-prima, ou qualquer outra quantidade de modo a auxiliar a formação dos péle-tes. Se usar mais ou menos aglutinante do que os valores relatados aquipode ser determinado por aquele versado na técnica através de toda a expe-riência rotineira.
4. Os péletes resultantes são secos e são triados para dar umtamanho de pré-sinterização apropriado que compensará a diminuição queocorre durante a sinterização no forno. Péletes ultradimensionados e subdi-mensionados e material em pó obtidos depois da etapa de secagem e tria-gem podem ser reciclados. Os péletes podem também ser triados ou antesda secagem ou depois da queima ou ambas.
5. Os péletes secos são então queimados a uma temperatura desinterização por um período suficiente para permitir recuperação de péletesesféricos, sinterizados tendo uma gravidade específica aparente de entre1,80 e 2,50 e uma densidade aparente de desde cerca de 1,05 a cerca de1,35 g/cm3. O tempo e a temperatura específicos a serem empregados sãodependentes das quantidades relativas de argila, bauxita ou misturas de ar-gila-bauxita e material de fase sacrificial e são determinados empiricamentede acordo com os resultados da testagem física de péletes depois da quei-ma. Os péletes acabados podem ser tratados em tambor para aumentar alisura.
De acordo com as presentes concretizações, quando o materialsacrificial é carvão, na sinterização dos péletes verdes a uma temperaturade cerca de 1315°C (2400°F) a cerca de (2800°F) 1537°C, o carvão é infla-mado e é queimado, produzindo dióxido de carbono (CO2), quantidades va-riáveis de dióxido de enxofre (SO2), dependendo de onde ele foi cavado, ecinza. A queima do carvão assim leva uma pequena quantidade de cinza eporos em seu lugar. Uma vez que o carvão é homegeneamente distribuídonos péletes verdes, os poros deixados para trás depois da sinterização sãohomgeneamente distribuídos através de todas os péletes sinterizados resul-tando em péletes sinterizados porosos tendo resistência alta e densidadebaixa. A estrutura de poro deixada para trás pelo carvão foi determinada portestes de porosimetria de mercúrio e gravidade específica aparente a seremrelativamente não ligados. Também, como confirmado por picnômetro dehélio, os péletes de agente de sustentação são totalmente sinterizados.
A utilidade dos agentes de sustentação das presentes concreti-zações pode ser estendida para dentro das aplicações de alta tensão com-pressiva por adição de um revestimento de resina ao agente de sustentação.O revestimento de resina pode ser curado ou curável. Em uma concretiza-ção, os péletes de agente de sustentação são revestidos com uma resinadissolvida em um solvente. Nesta concretização, o solvente é evaporado eentão a resina é curada. Em uma outra concretização, os péletes de agentede sustentação são misturados com uma resina fundida, a resina fundida éresfriada para revestir os péletes, e, então o revestimento de resina é cura-do. Alternativamente, o revestimento de resina é curável, mas não substan-cialmente curada antes do uso. Nesta concretização, a resina é curada de-pois da injeção para dentro da formação de poço por técnicas conhecidaspor aqueles versados na técnica.
Resinas curáveis para o revestimentos dos péletes de agente desustentação são em geral quaisquer resinas capazes de serem revestidassobre o substrato e então serem curadas para um grau maior de polimeriza-ção tais como resinas fenólicas ou epóxi. Exemplos de tais resinas incluemresinas de fenol-aldeído de tanto de tipo novolaca quanto resol, resinas deuréia-aldeído, resinas de epóxi, resinas de álcool furfurílico, resinas de poli-éster quanto resinas alquídicas bem como copolímeros de tais resinas. Asresinas formariam um revestimento nao pegajoso sólido a temperatura am-biente de modo que as partículas revestidas permancem sustentando livre enão se aglomeram sob condições de armazenagem normais.
Em certas concretizações, as resinas são resinas de fenol-formaldeído. Essas resinas incluem resinas fenólicas de termoendurecimen-to verdadeiras das resinas novolacas fenólicas e de tipo resol que podem serproduzidas reativas para aquecer pela adição de catalisador e formaldeído.Resinas de fenol-formaldeído adequadas têm pontos de amolecimento de85°C a 143°C (185°F a 290°F).
Em certas concretizações, a resina é uma resina de novolacafenólica. Resinas de novalaca fenólicas estão comercialmente disponíveis daJinan Shengquan Hepworth Chemical Co., Ltd sob a marca registrada PF-0987 e Georgia-Pacific Corporation sob as marcas registradas GP-2202 eGP- 2207. Quando tais resinas são usados, é usualmente necessário adicio-nar à mistura um agente de reticulação para efetuar a cura subseqüente daresina. Hexametilenotetramina é um agente de reticulação adequado e servecomo uma catalisador e uma fonte de formaldeído.
Em outras concretizações, as resinas são resinas fenólicas re-sol. Resinas fenólicas resol adequadas estão comercialmente disponíveis denumerosos fornecedores. Resinas resol adequadas são em geral providasem uma solução de água e metanol como o sistema de solvente. Níveis desólidos orgânicos adequados são de 65 a 75%, com um teor de água no ní-vel de 5 a 15%. Um tempo de cura na placa quente adequada a 150°C estána faixa de 25 a 40 segundos.
O revestimento de resina pode ser formado por uma variedadede métodos. Por exemplo, um processo de revestimento de solvente ade-quado é descrito na patente U.S. nQ 3.929.191, por Grallam e outros, cujadescrição total é aqui incorporada por referência.
Outros processos adequados tal como aquele descrito na pa-tente U.S. n- 3.492.147 por Young e outros, cuja descrição total é aqui in-corporada por referência, involvem o revestimento de um substrato em partí-culas com uma composição de resina não catalisada, líquida caracterizadapor sua capacidade de extrair um catalisador ou agente de cura de uma so-lução não aquosa.
Como afirmado acima, resinas adequadas para o uso nas con-cretizações da presente invenção incluem resinas de novolaca de fenol-formaldeído. Quando do uso de tais resinas um método de revestimento a-dequado é um procedimento de revestimento fundido a quente. Um proce-dimento de revestimento fundido a quente adequado é descrito na patenteU.S. n9 4.585.064, por Graham e outros, cuja descrição total é incorporadaaqui por referência. Solventes podem ser também usados para aplicar o re-vestimento de resina. A seguir é uma discussão de parâmetro de processode revestimento típico usando-se resinas de novolaca de fenol-formaldeído.
O revestimento de resina pode ser formado sobre o substratoem partículas por em primeiro lugar pré-aquecimento do substrato em partí-culas para uma temperatura acima do pontod e fusão da resina particularusada. Tipicamente o substrato em partículas é aquecido para 176°C a260°C (350°F a 500°F) antes da adição de resina. O substrato aquecido écarregado para um misturador ou moedor e então a resina é adicionada auma taxa de desde cerca de 1% a cerca de 6% em peso de substrato. Umaquantidade particularmente adequada de resina é cerca de 2% em peso desubstrato. Depois da conclusão da adição da resina ao substrato, o substratoe resina fundida são deixadas se misturar no moedor por um tempo suficien-te para assegurar a formação de uma resina uniforme de resina sobre a par-tícula, usualmente cerca de 10 a cerca de 30 segundos.
Após a etapa de misturação, hexametilenotetramina é adiciona-da à mistura de resina de substrato a uma taxa de desde cerca de 5 a cercade 25% em peso da resina. Uma quantidade particularmente adequada dehexametilenotetramina é cerca de 13% em peso da resina. Depois da adiçãoda hexametilenotetramina, a mistura total é deixada moer por cerca de um acinco minutos até que o revestimento de resina esteja totalmente curado. Éantecipado que por revestimento de resina as partículas de agente de sus-tentação das presentes concretizações, a resina penetrará pelo menos umpouco da porosidade de superfície aberta das partículas e selar ou encapsu-lar um pouco da porosidade de superfície aberta, assim levando a uma re-dução da gravidade específica aparente (ASG) das partículas.
Os péletes de agente de sustentação de compósito sinterizadasdas presentes concretizações estão em forma esférica. O termo "esférico,"como usado aqui refere-se tanto ao caráter redondo quanto esfericidade e éusado para designar péletes de agente de sustentação tendo uma razãomédia de diâmetro mínimo para diâmetro máximo cerca de 0,8 no mapa deKrwnbein and Sloss (Krumbein and Sloss, Stratigraphy and Sedimentation,segundo edição, 1955, W:H. Freeman & Co., San Francisco, Calif.) comodeterminada por graduação visual de 10 a 20 partículas aleatoriamente sele-cionadas.
De acordo com uma concretização, a porosidade sobre a super-fície do agente de sustentação é controlada de modo que a gravidade espe-cífica aparente dos péletes de agente de sustentação é reduzida. De acordocom esta concretização, os péletes de agente de sustentação são sinteriza-dos para dar um estágio final, e os péletes sinterizados têm uma porosidadede superfície de entre cerca de 6,0% e cerca de 15,0% em volume dos péle-tes compreendendo o agente de sustentação. Em algumas concretizações,os péletes de agente de sustentação sinterizadas têm uma porosidade desuperfície entre cerca de 6,6% e 21,8% em peso dos péletes compreenden-do o agente de sustentação.
O termo "gravidade específica aparente," como usado aqui, éum número sem unidades, mas é definido a ser numericamente igual ao pe-so em gramas por centímetro cúbico de volume, excluindo porosidade abertaou espaço vazio na determinação do volume. Os valores de gravidade espe-cífica aparente dados aqui foram determinados pelo método de Archimedesde deslocamento de líquido (água) de acordo com API RP60, um métodoque é conhecido por aqueles versados na técnica.
O termo "densidade aparente", como usado aqui, é definido parasignificar o peso por volume unitário, incluindo no volume considerado, osespaços vazios entre as partículas. Os valores de densidade aparente rela-tados aqui foram determinados de acordo com o método de ANSI B74.4 porpeso daquela quantidade de uma mostra que preencheria um xícara de vo-lume conhecido. O tamanho de partícula total dos péletes está entre cercade 0,1 e cerca de 2,5 milímetros e, mais de preferência, entre cerca de 0,15e cerca de 1,7 milímetros.
Para as finalidades desta descrição, métodos de testagem dascaracterísticas dos péletes de agente de sustentação em termos de gravida-de específica aparente, densidade aparente, e resistência a trituração e ostestes de API padrão que são rotineiramente realizadas sobre asmostra deagente de sustentação.
Uma outra característica importante de qualquer agente de sus-tentação é sua condutividade a fluidos a várias tensão de fenchamento. Umteste de condutividade é rotineiramente realizada sobre agentes de susten-tação para determinar a diminuição da taxa de fluxo de fluido através da a-mostra de agente de sustentação como a pressão (ou tensão de fechamen-to) sobre o recheio do agente de sustentação. No teste de condutividade,uma quantidade medida de agente de sustentação, por exemplo, 95,8 Pa(duas libras por pé ao quadrado), é colocada em uma célula e um fluido (u-sualmente água desionizada) é passado através do recheio de agente desustentação a várias taxas de fluxo. Uma vez que a pressão no recheio éaumentada, leva o agente de sustentação a triturar, desse modo diminuindoa capacidade de fluxo que está sendo medida. A condutividade de um agen-te de sustentação em geral provê um bom indicador de sua resistência atrituração, e também provê a informação valiosa sobre como o agente desustentação realizará em uma formação subterrânea. O agente de sustenta-ção das presentes concretizações tem uma baixa densidade que permitebom transporte de agente de sustentação enquanto a resistência e resulta-dos de esfericidade em boa condutividade retida.
O seguinte exemplo é ilustrativo dos métodos e composiçõesdiscutidos acima.
Exemplo 1
Uma combinação de matérias primas compreendendo farinha detrigo de grau alimentício e argila de caulin calcinada e carvão de baixo teorde enxofre Wyoming Powder River Basin que está comercialmente disponí-vel como Mulcoa® 47MK da C-E Minerais foi preparada. Um produto de ar-gila de caulin que está comercialmente disponível como Mulcoa® CK 46 po-deria também ser usado. Em cada caso, a combinação de matérias primasfoi adicionada a um moinho de jarra para reduzir o tamanho de partícula aum tamanho suficientemente pequeno para alimentar um moinho de energiade fluido. A matéria-prima foi então fornecida como alimento a um moinho deenergia de fluido para moagem e combinação final para criar uma misturahomogênea.
A mistura homogênea foi então fornecida como alimento a umEirich R02, um misturador de alta intensidade comercialmente disponível daEirich Machines. No presente exemplo, o misturador tinha um mesa circularinclinada ou horizontal que pode girar a uma velocidade de desde cerca de10 a cerca de 72 revoluções por minuto (rpm), e um impulsionador de impac-to giratório que pode girar a uma velocidade de ponta de cerca de 5 a cercade 50 metros por segundo. A direção de rotação da mesa era oposta aquelado impulsionador, levando material adicionado ao misturador a inundar eleprópro de um modo contracorrente. O eixo central do impulsionador de im-pacto estava em geral localizado dentro do misturador a uma posição fora docentro do eixo central da mesa giratória. A mesa poderia estar em uma posi-ção horizontal ou inclinada, em que a inclinação, se existente, era entre 0 e35 graus da horizontal. Para a formação do agente de sustentação desteexemplo 1, a mesa foi girada a de cerca de 20 a cerca de 72 rpm, a umainclinação de cerca de 30 graus da horizontal. O impulsionador de impactofoi inicialmente girado a cerca de 27 metros por segundo de velocidade deponta, e foi ajustado como descrito abaixo, durante a adição de água con-tendo amido dissolvido ao misturador.
Enquanto a matéria-prima estava sendo agitada no Eirich R02, aágua foi intermitentemente adicionada ao misturador em uma quantidadesuficiente para causar a formação de péletes esféricos. Neste exemplo parti-cular, a água era água fresca contendo aglutinante de amido, e foi fornecidocomo alimento ao misturador em uma quantidade suficiente para manteruma percentagem com base no peso da matéria-prima no misturador decerca de 15 a cerca de 30 por cento em peso das matérias primas, emboraesta quantidade possa variar. A água incluía uma quantidade suficiente deamido, isto é, de cerca de 4,7 a 2,3 por cento em peso para gerar uma con-centração de amido de cerca de 0,70 por cento em peso. Aqueles de habili-dade comum na técnica reconhecerão que o amido pode também ser adi-cionado à combinação matérias primas e moído como descrito acima.
A taxa de adição de água ao misturador não é crítica. A ação demisturação intensa dispersa a água através de todas as partículas. Aquelesde habilidade comum na técnica podem determinar se ajustar a velocidadede rotação a valores maiores do que ou menores do que aqueles descritosneste exemplo 1 de modo que os péletes esféricos de aproximadamente otamanho desejado sejam formadas.
Depois de cerca de 2 a cerca de 6 minutos de misturação, péle-tes esféricos são formados. A quantidade de tempo de misturação pode va-riar dependendo de numerosos fatores, incluindo mas não limitados à quan-tidade de material no misturador, da velocidade de operação do misturador,da quantidade de água fornecida como alimento ao misturador, do tamanhode pélete desejado. Aqueles de habilidade comum na técnica podem deter-minar se o tempo de misturação seria maior do que ou menor do que ostempos descritos neste exemplo 1 de modo que péletes esféricos de apro-ximadamente do tamanho desejado são formadas. Uma vez que péletes deaproximadamente o tamanho desejado foram formadas, matéria-prima adi-cional foi adicionada ao misturador em uma quantidade de 10 por cento empeso, e a velocidade do misturador foi reduzida a cerca de 16 metros porsegundo de velocidade de ponta. Misturação foi continuada na velocidademais lenta por cerca de 1 a cerca de 120 segundo, e então os péletes foramdescarregados do misturador.
Depois da descarga do misturador, os péletes foram secos. Nopresente exemplo, os péletes foram secos em um forno de convecção força-do. Outros tipos de equipamento de secagem que poderiam ser adequadospara o uso com os métodos descritos aqui incluem mas não são limitados asecadores rotativos, secadores de leito de fluido, secadores de aquecimentodireto, secadores de ar comprimidos e secadores infravermelho. Fontes co-merciais para os secadores descritos aqui são conhecidos por aqueles ver-sados na técnica.
O secador foi operado a uma temperatura que varia de cerca de100°C (212°F) a cerca de 300°C (572°F).
Neste exemplo particular, os péletes verdes foram sinterizadosem um forno rotativo, operado a uma temperatura que varia de cerca de1315 a cerca de 1537°C (2.400°F a cerca de 2.800°F), por um tempo de re-sidência de cerca de 30 minutos. De acordo com outros exemplos, o tempode residência pode estar na faixa de desde cerca de 30 a cerca de 90 minu-tos. Outros tempos e temperaturas podem ser empregados. Durante a sinte-rização dos péletes o carvão foi queimado deixando cinzas e poros em seulugar.
Opcionalmente, antes da sinterização, os péletes podem ser tri-ados para se remover péletes que estão abaixo ou acima do tamanho dese-jado. Se a triagem for empregada, apenas os péletes secos tendo o tamanhodesejado são enviadas para um fome rotativo para sinterização. Seleção detriagens de péletes verdes necessitam alcançar um tamanho desejado depéletes sinterizados permitiria diminuição por queimação de péletes, tipica-mente de tamanho de malha 1 a 2 U.S. Aquele de habilidade comum na téc-nica pode determinar as triagens de péletes verdes necessários para alcan-çar um tamanho desejado de péletes sinterizados através de experiênciarotineiras. O tamanho de pélete desejado neste exemplo estava entre cercade 16 malha e cerca de malha 70 U.S. depois da sinterização, ou expressocomo micra, entre cerca de 1180 e 212 micra depois da sinterização.
De acordo com outros exemplos, o tamanho desejado está emuma faixa entre cerca de malha U.S. 6 e 270 depois da sinterização. De a-cordo com ainda outros exemplos, o tamanho desejado está em uma faixade desde cerca de 3,35 a cerca de 0,05 milímetros.
No presente exemplo como mostrado na tabela I, os péletes sin-terizados que incluíam ou uma farinha de trigo ou fase sacrificial de carvãoforam determinadas a terem uma densidade aparente na faixa de desde cer-ca de 1,06 g/cc a cerca de 1,33 g/cc, expressa como um peso por volumeuntiário, incluindo no volume considerado, o vazio entre as partículas. Adensidade aparente foi determinada pelo presente exemplo por Método deteste ANSI B74.4-1992 (R 2002), que é um teste conhecido e disponível poraqueles de habilidade normal na técnica. Como mostrado na tabela I, quan-do a quantidade de carvão é aumentada, a densidade aparente diminui. Oagente de sustentação de fase sacrificial de carvão de 25% tem uma densi-dade aparente que é cerca de 32% mais baixa do que areia de fratura deque é mostrada na tabela I como um controle. Em geral, o presente métodopode ser usado para produzir péletes tendo uma densidade aparente dedesde cerca de 1,05 g/cc a cerca de 1,35 g/cc.
Também, no presente exemplo como mostrado na tabela I, ospéletes sinterizados foram determinados a terem uma gravidade específicaaparente na faixa de desde cerca de 2,11 a 2,40. Os 10% de agente de sus-tentação de fase sacrificai de farinha de trigo tem um ASG de que é cerca de10% mais baixa do que a areia de fratura de que é mostrado na tabela I co-mo um controle. Os 25% de agente de sustentação de fase sacrificial decarvão tem um ASG que é cerca de 20% mais baixa do que a areia de fratu-ra do que é mostrado na tabela I como um controle. Em geral, o presentemétodo pode ser usado para produzir péletes tendo uma gravidade específi-ca aparente de desde cerca de 1,80 a cerca de 2,50.
Além do mais, no presente exemplo, os péletes sinterizados defarinha de trigo de 10% de -20 malhas/+40 malhas foram determinadas te-rem resistência a trituração de cerca de 8,2 por cento em peso de finos (istoé, material menor do que malha 40) a 0,07 kg/cm2 (4000 psi) e os péletessinterizados de fase sacrificial de carvão de -20 malhas/+40 malhas foramdeterminadas a terem resistência a trituração de desde cerca de 1,6 por cen-to em peso de a cerca de 3,3 por cento em peso de finos (isto é, materialmenor do que 40 malhas) a 27,6 MPa (4000 psi). Os valores de trituraçãorelatados aqui foram determinados de acordo com API Recommended Prac-tices RP60 para agentes de sustentação de testagem, que é um texto co-nhecido por aqueles versados na técnica. Em geral, no entanto, de acordocom este procedimento, um leito de cerca de 6 mm de profundidade da a-mostra que foi triada para conter péletes de entre 20 e 40 malhas é colocadoem uma célula cilíndrica oca. Um pistão é inserido na célula. Depois disso,uma carga é aplicada à amostra via o pistão. Um minuto é tirado para alcan-çar carga máxima que é então mantida por dois minuto. A carga é depoisdisso removida, a amostra removida a partir da célula, e é triada para 40 ma-lhas para separar material triturado. Os resultados (isto é, a quantidade de"finos", ou material triturado) são relatados como uma percentagem em pesoda amostra original.
No presente exemplo, os péletes sinterizados de fase sacrificaide carvão foram determinadas terem uma percentagem de porosidade desuperfície em uma faixa de desde cerca de 6,6% a cerca de 14,8% em vo-lume. Os valores de porosidade de superfície foram determinados por poro-simetria de mercúrio a uma pressão de 308,1 KPa a 413,7 MPa (30 a 60.000psia). Uma porosimetria de mercúrio é um dispositivo cujo uso é conhecidopor aqueles versados na técnica. Em geral, o presente método pode ser u-sado para produzir péletes tendo uma percentagem de superfície porosidadede desde cerca de 5% a cerca de 15% em volume.
No presente exemplo, os péletes sinterizados de fase sacrificaide carvão foram também determinados para demonstrar um perfil de condu-tividade de prazo curto, em que a condutividade diminuída com um aumentona pressão de fechamento.<table>table see original document page 21</column></row><table><table>table see original document page 22</column></row><table>O compósito, péletes sinterizados, esféricos da presente inven-ção são úteis como um agente de agente de sustentação em métodos defratura de formações subterrâneas para aumentar a sua permeabilidade,particularmente aquelas formações tendo uma pressão de compactação deaté cerca de 34,5 MPa (5.000 psi), que são tipicamente localizadas nas pro-fundidades de até cerca de 2,3 Km (7.500 pés).
Quando usado como um agente de sustentação, os péletes dapresente invenção podem ser manipulados do mesmo modo que outros a-gentes de sustentação. Os péletes podem ser fornecidos ao sítio de poçoem forma de saco ou a granel juntamente com outros materiais usados notratamento de fratura. Técnicas e equipamento convencionais podem serusados para colocar os péletes esféricos como um agente de agente de sus-tentação.
A descrição e as concretizações expostas acima têm a finalidadede ilustrar a invenção sem limitá-la assim. Estará óbvio por aqueles de habi-lidade na técnica que a invenção descrita aqui pode ser essencialmente du-plicada por produzir mudanças menores no teor de material ou no método defabricação. Na medida de que tais material ou métodos são substancialmen-te equivalentes, e pretende-se que eles estejam incluídos pelas seguintesreivindicações.
Claims (30)
1. Agente de sustentação de cavidade de óleo e de gás compre-endendo uma pluralidade de péletes esféricos, sinterizados, de compósito,os ditos péletes sendo preparados a partir de uma mistura de pelo menosuma de argila e bauxita, e um material de fase sacrificial.
2. Agente de sustentação de acordo com a reivindicação 1, emque os péletes são produzidos a partir de uma mistura que compreende ummaterial de fase sacrificial selecionado do grupo que consiste em carvão,farinha de trigo, cascas de arroz, fibra de madeira e açúcar.
3. Agente de sustentação de acordo com a reivindicação 1, emque os péletes são produzidos a partir de uma mistura que compreende decerca de 5 a cerca de 35 percento em peso do material de fase sacrificial.
4. Agente de sustentação de acordo com a reivindicação 1, emque os péletes são produzidos a partir de uma mistura que compreende decerca de 20 a cerca de 25 por cento em peso do material de fase sacrificial.
5. Agente de sustentação de acordo com a reivindicação 1, emque os péletes compreendem uma mistura de argila-bauxita contendo de O a-100 por cento em peso de argila e de O a 100 por cento em peso de bauxita.
6. Agente de sustentação de acordo com a reivindicação 1, emque os péletes têm uma gravidade específica aparente de desde cerca de-1,80 a cerca de 2,50.
7. Agente de sustentação de acordo com a reivindicação 1, emque os péletes têm uma densidade aparente de desde cerca de 1,05 a cercade 1,35 g/cm3.
8. Agente de sustentação de acordo com a reivindicação 1, emque o material de fase sacrificial compreende carvão e os péletes têm umatrituração de menos do que 4,0 por cento em peso a uma pressão de 27,6MPa (4.000 psi).
9. Agente de sustentação de acordo com a reivindicação 1, emque os péletes são revestidos com uma resina.
10. Agente de sustentação de acordo com a reivindicação 9, emque a resina é selecionada do grupo que consiste em resinas de fenol-aldeído, resinas de uréia-aldeído, resinas de melamina-aldeído, resinas deepóxi, resinas de álcool furfurílico, resinas de poliéster, resinas alquídicas ecopolímeros de tais resinas.
11. Método para agente de sustentação de fraturas em forma-ções substerrâneas compreendendo:misturação com um fluido de agente de sustentação compreen-dendo uma pluralidade de péletes esféricos, sinterizados, de compósito, ospéletes sendo preparados a partir de uma mistura de pelo menos uma deargila e bauxita, e um material de fase sacrificial, eintrodução da mistura para dentro de uma fratura em uma for-mação subterrânea.
12. Método de acordo com a reivindicação 11, em que a misturada qual os péletes são preparados compreende um material de fase sacrifi-cial selecionado do grupo que consiste em carvão, farinha de trigo, cascasde arroz, fibra de madeira e açúcar.
13. Método de acordo com a reivindicação 11, em que a misturada qual os péletes são preparados compreende de cerca de 5 a cerca de 35por cento em peso do material de fase sacrificial.
14. Método de acordo com a reivindicação 11, em que a misturada qual os péletes são preparados compreende de cerca de 20 a cerca de 25 por cento em peso do material de fase sacrificial.
15. Método de acordo com a reivindicação 11, em que a misturada qual os péletes são preparados compreende a mistura de argila-bauxitacontendo de O a 100 por cento em peso de argila e de O a 100 por cento empeso de bauxita.
16. Método de acordo com a reivindicação 11, em que os péle-tes têm uma gravidade específica aparente de desde cerca de 1,80 a cercade 2,50.
17. Método de acordo com a reivindicação 11, em que os péle-tes têm a densidade aparente de desde cerca de 1,05 a cerca de 1,35 g/cm .
18. Método de acordo com a reivindicação 11, em que o materialde fase sacrificial compreende carvão e as péletes têm uma trituração demenos do que 4,0 por cento em peso a uma pressão aparente de 27,6 MPa(4.000 psi).
19. Método de acordo com a reivindicação 11, em que os péle-tes são revestidos com uma resina.
20. Método de acordo com a reivindicação 19, em que a resina éselecionada do grupo que consiste em resinas de fenol-aldeído, resinas deuréia-aldeído, resinas de melamina-aldeído, resinas de epóxi, resinas deálcool furfurílico, resinas de poliéster, resinas alquídicas e copolímeros detais resinas.
21. Método para a produção de um agente de sustentação decavidade de óleo e de gás compreendendo uma pluralidade de péletes esfé-ricas, sinterizadas, de compósito compreendendo:(a) formar uma mistura de pelo menos uma de argila e bauxita, eum material de fase sacrificial em uma mistura de alta intensidade;(b) enquanto agitar a mistura adicionar água suficiente para cau-sar a formação de péletes esféricas de compósito a partir da mistura;(c) secar os péletes a uma temperatura que varia de cerca de-100°C a cerca de 300°C; e(d) sinterizar os péletes secos a uma temperatura que varia decerca de (2.400°F a cerca de 2.800°F) 1315 a cerca de 1537°C por um perí-odo suficiente para permitir recuperação de péletes esféricos sintetizados.
22. Método de acordo com a reivindicação 21, em que a misturade pelo menos uma de argila e bauxita, e um material de fase sacrificialcompreende um material de fase sacrificial selecionado do grupo que consis-te em carvão, farinha de trigo, cascas de arroz, fibra de madeira e açúcar.
23. Método de acordo com a reivindicação 21, em que a misturade pelo menos uma de argila e bauxita, e um material de fase sacrificialcompreende de cerca de 5 a cerca de 35 por cento em peso do material defase sacrificial.
24. Método de acordo com a reivindicação 21, em que a misturade pelo menos uma de argila e bauxita, e um material de fase sacrificialcompreende de cerca de 20 a cerca de 25 por cento em peso do material defase sacrificial.
25. Método de acordo com a reivindicação 21, em que a misturade pelo menos uma de argila e bauxita, e um material de fase sacrificialcompreende a mistura de argila-bauxita contendo de 0 a 100 por cento empeso de argila e de 0 a 100 por cento em peso de bauxita.
26. Método de acordo com a reivindicação 21, em que os péle-tes têm uma gravidade específica aparente de desde cerca de 1,80 a cercade 2,50.
27. Método de acordo com a reivindicação 21, em que os péle-tes têm uma densidade aparente de desde cerca de 1,05 a cerca de 1,35g/cm3.
28. Método de acordo com a reivindicação 21, em que o materialde fase sacrificial compreende carvão e os péletes têm uma trituração demenos do que 4,0 por cento em peso a uma pressão de 27,6 MPa (4.000 psi).
29. Método de acordo com a reivindicação 21, em que os péle-tes são revestidos com uma resina.
30. Método de acordo com a reivindicação 29, em que a resina éselecionada do grupo que consiste em resinas de fenol-aldeído, resinas deuréia-aldeído, resinas de melamina-aldeído, resinas de epóxi, resinas deálcool furfurílico, resinas de poliéster, resinas alquídicas e copolímeros detais resinas.
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