BRPI0806573B1 - Material cerâmico de baixa densidade para escoramento de fraturas, e método de produção do mesmo - Google Patents
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Abstract
MATERIAL CERÂMICO DE BAIXA DENSIDADE PARA ESCORAMENTO DE FRATURAS, E MÉTODO DE PRODUÇÃO DE MATERIAL DE ESCORAMENTO DE FRATURAS. A invenção está relacionada ao âmbito da indústria de petróleo e gás e pode ser usada para a melhoria da produção de petróleo e gás, em particular, quando utilizando a técnica de fraturamento hidráulico. Material cerâmico de baixa densidade para escoramento de fraturas consistindo de um agregado leve e um material aglomerante cerâmico, em que um mineral natural que é capaz, quando queimado, de expandir seu volume no grânulo de material de escoramento de fraturas e de alterar suas densidades real e aparente, é usado como o agregado leve.
Description
A invenção está relacionada ao âmbito da indústria de petróleo e gás e pode ser usada para a melhoria da produção de petróleo e gás, em particular, quanto utilizando a técnica de fraturamento hidráulico.
A invenção descreve grânulos cerâmicos que constituem partículas de materiais de escoramento de fraturas, possuindo uma baixa densidade abaixo de 2,65 g/cm3, suas composições e método de preparação.
Na tecnologia de produção de petróleo com base no uso do método de fraturamento hidráulico, a produção do poço é melhorada mediante injetar grânulos de materiais de escoramento de fraturas para o interior das fraturas produzidas na formação portadora de óleo, a fim de fixar a posição das paredes das fraturas, impedindo desse modo que elas se fechem. O material de escoramento de fraturas é injetado para dentro das fraturas mediante bombear um fluido de fraturamento contendo material de escoramento de fraturas sob Alda pressão. Foi experimentalmente estabelecido que uma densidade aparente mais baixa permite uma distribuição mais uniforme do material de escoramento de fraturas e aumenta os níveis de produção de petróleo e gás.
Existe uma solução técnica na arte (WO, pedido de patente internacional 2006/034298) que descreve os grânulos de materiais de escoramento de fraturas como partículas revestidas produzidas de um material inorgânico que é uma mistura de quartzo e alumina tomada numa relação de aproximadamente 2,2:5 e que possui uma densidade em massa menor que ou aproximadamente igual a 1 g/cm3. Além disso, essa solução técnica descreve um método de tratamento da formação subterrânea, de acordo com o qual um fluido de fraturamento é injetado ao interior de uma formação subterrânea, e o referido líquido de fraturamento contém partículas inorgânicas consistindo de quartzo e alumina numa relação de aproximadamente 2,2:5, e o referido material inorgânico tem uma densidade aparente menor que ou aproximadamente igual a 1 g/cm3.
Também, existem na arte partículas de compósito de baixa densidade (Patente norte americana U.S. No. 6.582.819) as quais estão baseadas em um aglomerante e uma carga e são adequadas para uso na técnica de fraturamento hidráulico. A carga pode conter dois ou mais materiais diferentes. O aglomerante consiste usualmente de um material polimérico, possivelmente, com cimento adicionado. As partículas de compósito resultantes têm uma densidade em massa variando de 0,5 a 1,30 g/cm3 e podem ser usadas como um material de escoramento de fraturas na indústria de produção de petróleo e gás, bem como para filtração de água e para a produção de grama sintética para pisos esportivos. A solução técnica já existente na arte também descreve métodos de produção das referidas partículas de compósito.
Existem também partículas compósito na arte vigente (Patente norte americana U.S. No. 6.632.527) as quais são baseadas em um aglomerante e uma carga e são adequadas para uso na técnica de fraturamento hidráulico. A carga é usualmente uma substância mineral fina à qual materiais fibrosos podem ser agregados. Aparte da técnica de fraturamento hidráulico, as referidas partículas podem ser usadas para filtração de água e para a produção de grama sintética para pisos esportivos. Métodos de produção das referidas partículas compósito são também descritos.
De acordo com verificações experimentais, os materiais de escoramento de fraturas já existentes na arte apresentam falta de eficiência na técnica de fraturamento hidráulico.
O problema técnico a ser solucionado pela solução técnica desenvolvida consiste no desenvolvimento de um material cerâmico de escoramento de fraturas possuindo uma densidade abaixo de 2,6 g/cm3.
O resultado técnico obtido através da implementação da solução técnica desenvolvida consiste na melhoria da produção de um poço que é trabalhado mediante utilizar a técnica de fraturamento hidráulico.
A fim de conseguir o referido resultado técnico, é proposto usar um material de escoramento de fraturas na forma de partículas esféricas e/ou angulares possuindo uma baixa densidade aparente abaixo de 2,6 g/cm3 e consistindo de um agregado leve que é também referido como uma carga, e de um material aglomerante que é também referido como um aglomerante.
O referido agregado leve é um mineral natural que é capaz, quando queimado, de formar uma nova fase em um grânulo de material de escoramento de fraturas e alterar o volume específico do agregado leve (vermiculita, perlita, hidromicas e zeólitas naturais) ou que já possua uma estrutura porosa (pedra-pomes).
É possível pré-revestir o referido agregado leve com um revestimento orgânico ou inorgânico (incluindo metal) (por exemplo, silício, dextrina, vidro de silicato, resinas epóxi ou composições desses), a fim de melhorar as propriedades de moldagem e as propriedades de uso final do material.
É possível utilizar combinações de diferentes tipos de agregados leves (em particular, pelo menos uma das seguintes séries: vermiculita, agloporita, argila expandida, perlita, zeólitas sintéticas e naturais) em diferentes relações em peso e cada uma das cargas leves pode ser pré-revestida. O teor de carga leve no produto acabado é abaixo de 80 %p (usualmente de 10 a 40 %p) e depende das propriedades físicas das cargas propriamente, bem como dos requisitos impostos nos resultantes grânulos de materiais de escoramento de fraturas.
Os materiais ligantes são pós orgânicos, inorgânicos ou metálicos, tais como bauxitas, caulins, argilas, alumina, escórias de grau metalúrgico, resinas fenol-formaldeído, alumínio, bronze ou combinações desses.
O desenvolvido método de produção do grânulo de material de escoramento de fraturas inclui a pré-trituração e pré-mistura dos componentes de matéria-prima, seguido pela granulação deles, secagem e classificação ao tamanho. Nesse método, pelo menos um aglomerante cerâmico e uma carga são usados como os componentes de matéria-prima, e pelo menos um mineral natural que seja capaz, quando queimado, de formar uma nova fase em um grânulo de material de escoramento de fraturas e alterar sua densidade aparente devido às alterações de volume induzidas a uma carga através do tratamento térmico, é usado como o agregado leve.
De acordo com uma modalidade desse método, uma carga previamente termo-tratada ou uma mistura de diferentes cargas é acrescentada, juntamente com outros componentes, ao material base, e a mistura é então granulada e queimada. Por exemplo, 25% da mistura consistindo de caulim e bauxita são acrescentada à argila pré-expandida possuindo uma porosidade de 75% e um tamanho médio de partícula de cerca de 40 micra. A relação de caulim para bauxita na mistura é de 80 para 20 %p, respectivamente. A mistura resultante é granulada em um misturador tipo Eirich, com uma solução 5% de álcool polivinílico acrescentado a ela na quantidade de 10 %v do volume do material a ser granulado. O tempo total de granulação é igual a 4 minutos, do qual 1 minuto constitui o tempo de nucleação e 3 minutos constituem o tempo de crescimento do grânulo. O material granulado resultante é secado em um dessecador numa temperatura de 100 °C e em seguida queimado numa temperatura de 1350 °C numa taxa de 3 °C por minuto e mantido na temperatura final por 2 horas. O resultante material de escoramento de fraturas 20/40 em tamanho apresenta uma densidade de 1,75 g/cm3 e uma resistência de esmagamento de 5 %p a 34,5 MPa (5000 psi).
De acordo com uma outra modalidade esse método, uma carga que não tenha sido previamente termo-tratada é acrescentada, juntamente com outros componentes, ao material base, e a mistura é então granulada e queimada. É possível pré-tratar essa carga com diferentes substâncias (em particular, com peróxido de hidrogênio ou com um número de aglutinantes fosfato, tais como H3PO4, um aglomerante fosfato de cromo-alumínio, um aglomerante fosfato alumínio- boro, um concentrado fosfato de alumínio-boro, sais contendo íon potássio, bem como um número de sais de amônio e sais nitrato) a fim de intensificar o processo de formação de fase e reduzir sua temperatura.
Por exemplo, pó de matéria-prima de vermiculita é pré-revestido com um aglomerante fosfato de alumínio-cromo numa relação de 9 para 1. A mistura resultante é misturada em um misturador por 2 minutos. 90% de argila caulim é acrescentada em seguida à polpa resultante em adição até 100% e os grânulos são produzidos. O material granulado resultante é secado, queimado numa temperatura de 1350 °C e em seguida classificado ao tamanho. O resultante material de escoramento de fraturas 20/40 em tamanho apresenta uma densidade de 2,3 g/cm3, e uma resistência a esmagamento de 5 %p a 51,7 MPa (7500 psi).
De acordo com a terceira modalidade desse método, quando utilizando dois ou mais aditivos, uma ou mais cargas previamente termo-tratadas são misturadas com o material aglomerante cerâmico e com outros componentes, embora as cargas restantes sejam acrescentadas ao material aglomerante sem serem termo-tratadas, e a mistura é em seguida granulada e queimada.
Por exemplo, pó de matéria-prima de vermiculita é pré-revestido com um aglomerante fosfato de alumínio-cromo numa relação de 9 para 1. A mistura resultante é misturada em um misturador por 2 minutos. 70% de argila caulim é acrescentada em seguida à polpa resultante em adição até 100% e os grânulos são produzidos e 30% de argila expandida é acrescentada. O material granulado resultante é secado, queimado numa temperatura de 130 °C e em seguida classificado ao tamanho. O resultante material de escoramento de fraturas 20/40 em tamanho apresenta uma densidade de 2,0 g/cm3 e uma resistência a esmagamento de 6 %p a 34,5 MPa (5000 psi).
Claims (6)
1. Material cerâmico de baixa densidade para escoramento de fraturas, caracterizado pelo fato de que consiste em um agregado leve e um material aglomerante cerâmico na forma de um grânulo de material de escoramento de fraturas tendo uma densidade de 2,3 g/cm3 ou menos, em que o agregado leve é um mineral natural selecionado a partir de um dentre vermiculita, perlita, hidromicas, zeólitas naturais, agloporita, argila expandida, e em que o agregado leve expande o seu volume quando queimado a uma temperatura de 1.350°C, de modo que a densidade do agregado é diminuída, em que o teor de agregado leve no grânulo de material de escoramento de fraturas é de 10 a 40% em peso.
2. Material cerâmico de baixa densidade para escoramento de fraturas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do agregado leve ser pré-revestido com um revestimento orgânico ou inorgânico antes de ser combinado com o material aglomerante cerâmico.
3. Material cerâmico de baixa densidade para escoramento de fraturas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que argilas, caulim, bauxitas ou composições desses são usados como o material aglomerante cerâmico.
4. Material cerâmico de baixa densidade para escoramento de fraturas, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o material aglomerante cerâmico ainda compreende alumina, escórias de grau metalúrgico, resinas fenol-formaldeído, alumínio, bronze ou combinações desses.
5. Método de produção de um material cerâmico de baixa densidade para escoramento de fraturas, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que inclui: pré-trituração e pré-mistura dos componentes de matéria-prima incluindo um material aglomerante cerâmico e um agregado leve de um mineral natural, granulação das matérias-primas em grânulos de material de escoramento de fraturas, secagem e classificação a um tamanho selecionado, e expansão do material de escoramento de fraturas em volume de modo que o volume específico do agregado é diminuído quando queimado a uma temperatura de 1.350 °C durante o método de produção.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o agregado leve ser queimado antes do estágio de mistura, o que resulta em uma alteração de volume.
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