CN105745182A - 由穿孔膜形成的陶瓷颗粒 - Google Patents
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Abstract
用于形成支撑剂颗粒的方法和设备包括：提供包含陶瓷形成原材料的含水浆液，使所述浆液流过可被施加能量的穿孔膜以形成浆液体，在集料斗中接收所述浆液体，并且干燥所述浆液体以形成颗粒。在某些方面，所述浆液在流过所述穿孔膜时被施加能量。
Description
相关申请信息
本申请要求享有2013年11月19日提交的美国临时申请No.61/905943的优先权，其整体被结合于此。
技术领域
本公开所涉及的领域总体上为通过从穿孔膜喷射浆液产生来自于浆液体的分离颗粒而形成的支撑剂颗粒，以及所述颗粒的使用方法和形成所述颗粒的浆液的组分。
背景技术
本部分的描述仅仅提供与本公开相关的背景信息并且不构成现有技术。
水力压裂是一种向井下泵送高速和高压液体并且使其进入地下地层，使得在所述井周围的岩石中形成裂缝的一种工艺过程。在泵送完足够量的液体使得所述裂缝足够宽之后，被称作“支撑剂”的固体颗粒被加入到所述液体中。在完成泵送之后，所述井被打开用于生产烃。在所述压裂处理后，来自所述井的流体的开采速率和生产服务都显著提高。自从该工艺过程最开始在1949年取得专利权以来在水力压裂工艺过程中已经取得了巨大的发展。参见US2013/0025862，其公开的内容通过引用被整体结合于此。
首次被用于井的水力压裂的支撑剂材料为硅砂。随着井变得越来越深，硅砂有时被发现强度不足或者具有其它特性。在深井中，地层的应力可能导致所述硅砂被压碎并且在提高井的开采速率上不太有效。
合成支撑剂材料被研发出来，用于提供较高强度的支撑剂。合成烧结支撑剂的其中一个类型为烧结矾土。近些年，多种陶瓷原材料被用于制作烧结陶瓷支撑剂，包括包含氧化铝和黏土矿物的矾土，例如高岭土。然而，仍然存在研发和提供具有选取的用于布置在地下地层裂缝中的具有提高的耐受应力性和分布特性的合成支撑剂的持续需求，后面公开的内容至少部分地满足了这些需求。
发明内容
本部分内容提供对本公开的总体概述，并且不是对其完整范围或者其所有特征必要的全面公开。
在本公开的第一方面，提供一种方法，其包括提供包含陶瓷形成原材料的含水浆液，使所述浆液流过穿孔膜以形成浆液体，在集料斗中接收所述浆液体，并且使所述浆液体干燥以形成颗粒。在某些情况下，当所述浆液流过所述穿孔膜时被施加能量。
本公开的另一方面，方法包括提供包含陶瓷形成原材料的含水浆液，所述浆液进一步包括反应剂和分散剂，使所述浆液流过穿孔膜同时向所述浆液施加能量以形成浆液体，使所述浆液体通过腔室体中的雾，其中，所述雾包括与所述浆液体中的反应剂发生反应的凝固剂，接着在集料斗中收集所述浆液体，并且干燥或者采用其它方法使所述浆液体固化以形成颗粒。
本公开的另一方面包括通过将压裂流体在高于地层的压裂应力的压力下泵送到井眼中并且向所述压裂流体添加支撑剂颗粒、接着运送所述支撑剂颗粒和所述流体进入所述井眼而对被井眼穿过的地下地层进行水力压裂的方法。所述支撑剂颗粒可通过提供包含陶瓷形成原材料的含水浆液，使所述浆液流过穿孔膜以形成浆液体，在集料斗中接收所述浆液体，并且干燥所述浆液体以形成所述支撑剂颗粒而制备。
本公开的再一个方面提供一种系统，其具有用于供送包含颗粒形成原材料浆液的罐，用于从含水浆液形成浆液体的穿孔膜，与所述穿孔膜相邻设置的雾化腔室，以及与所述雾化腔室相邻设置的集料斗，其中，所述罐与穿孔膜流体连接。
某些可以适用于本公开的含水浆液包括包含小于百分之八十的氧化铝的矾土材料，可选配的流变改性剂，以及可选配的反应剂和分散剂，其中，所述分散剂可以是至少部分地影响浆液体形状和/或尺寸的表面活性剂。在某些情况下，所述含水浆液可具有至少一种影响所述浆液的流变特性的组分，例如作为举例的凹凸棒石。在某些方面，所述含水浆液包括大约大于或等于46％重量百分比的氧化铝、大约小于或等于18％重量百分比的二氧化硅和大约小于或等于10％重量百分比的锆土或衍生出的氧化锆。所述陶瓷浆液还可以包含玻璃，粉煤灰和苏打粉中的至少一种。所述浆液还可以包括石墨涂覆铁微粒，石墨涂覆磁粉，多聚糖，或者任何其它适用的材料。
在本公开的某些方面，所述穿孔膜可以是基本上平坦的表面，其不包括用于排放浆液体的喷嘴。在某些其它方面，所述集料斗是无浴洗的容器，或所述料斗不包括用于处理所述浆液体的浴缸。同样，除了干燥之外，还可以使用烧结过程来形成所述颗粒。
附图说明
下文中将参照附图对本公开的特定实施例进行描述，其中相同的参考标记数字代表相同的部件。然而，应该理解的是所述附图描绘了这里描述的多个实施方式并且并不是要限制这里描述的多种技术的范围，并且：
图1描绘出根据本公开的一个方面的浆液体形成设备的横截面视图；
图2描绘出根据本公开的穿孔膜形状的一些实例的透视图；
图3描绘出根据本公开的某些方面的穿过穿孔膜的某些通道形状的横截面视图；
图4描绘出根据本公开的膜中的穿孔在变化的压力条件下的挤压或收缩的横截面视图。
图5描绘出根据本公开的包括转盘，刀，线缆或其它设备中的一个或多个的穿孔膜的横截面视图；
图6示出根据本公开的某些方面的旋转穿孔膜的横截面视图；
图7描绘出根据本公开的落塔结构的一个实施例的透视图；
图8描绘出根据本公开的腔室形状的透视图；
图9描绘出根据本公开的圆锥腔室形状的横截面视图；
图10描绘出根据本公开的在所述腔室的轴向中心线的平面上显示的腔室的透视图。
图11描绘出根据本公开的具有多个浆液喷射点的浆液体形成结构的透视图；
图12描绘出根据本公开的采用陶瓷浆液制备支撑剂的一种系统的平面视图；
图13到16示出根据本公开的具有用于生成浆液体的多个穿孔膜的落塔设备的透视图；以及
图17描绘出根据本公开的一个方面的具有多个浆液喷射点的穿孔膜和壳体结构的透视和横截面视图。
具体实施方式
后面对多种变型的描述事实上仅仅是示意性的并且绝不是限制本发明的范围，其应用或用途。这里给出的说明和实例仅仅用于描述本发明的各个实施例并且不应该被看作是对本发明的范围和适用性的限制。尽管本发明的组分在这里被描述为包括特定的材料，但应该理解的是所述组分可选地可以包括两种或多种化学上不同的材料。此外，所述组分还可以包括与所引述的组分不同的某些组分。在本发明的概述和详细描述中，每个数值首先应该被理解为由术语“大约”修饰(除非已经明确表示不是如此修饰)，并且接着再被理解为不如此修饰，除非在文中另有所指。此外，在本发明的概述和详细描述中，应该理解的是列出或者描述出的有用的，合适的或者类似的浓度或数量范围表示位于所述范围内的任何和每一个浓度或数量，包括端点值，都被看作已经进行声明。例如，“从1到10的范围”被理解为表示沿着从大约1到大约10的闭联集的每一个和所有可能的数值。因此，即使所述范围内的特定数值点，或者即使在所述范围内没有数值点被明确地识别出或者仅仅指代少数的特定值，但可以理解的是发明人意识到并且理解所述范围内的任何以及全部数值点都可以被认为是已经作出指定，并且发明人拥有所述整个范围以及位于所述范围内的所有点。
除非明确地另有所指，“或”所指的是包含性质的或而不是排他性质的或。例如，条件A或B被后面任意一个所满足：A是真的(或者存在)并且B是假的(或者不存在)，A是假的(或者不存在)并且B是真的(或者存在)，以及A和B都是真的(或者存在)。
此外，“一个”的使用被用于描述这里的实施例的元件和部件。这样做仅仅是为方便起见并且给出本公开的构思的一般含义。这种描述应该被理解为包括一个或者至少一个并且单数同样包括多个，除非另有所指。
这里使用的术语和措辞用于描述性目的并且不应该被解释为限制本发明的范围。诸如“包括”，“由…组成”，“具有”，“包含”或者“涉及”及其变型之类的用语被认为是宽泛性的并且涵盖了后面列出的主题，等同物，以及没有引述的其它主题。
同时，这里使用的对“一个实施例”或者“实施例”的任何参考意味着所描述的与所述实施例相关的特定元件，特征，结构或者特性被包括在至少一个实施例中。在本说明书的不同位置出现的用语“一个实施例”并不是必须指向同一实施例。
发明人发现了可以提供更强的陶瓷支撑剂的工艺过程和组分，所述陶瓷支撑剂独特形成并且具有所选择的具有至少部分一致的表面的窄尺寸分布。某些示例性实施例涉及陶瓷微粒，其可被用作支撑剂颗粒。陶瓷支撑剂是一种合成材料，例如是氧化铝硅石或者氧化镁硅石基的合成材料，其可以被用在水力压裂技术中来增强形成在地下地层中的井眼的产量，所述井眼例如是那些被钻探，压裂并且用在烃流体生产中的井眼。陶瓷支撑剂可以由天然或提炼原材料形成。可以基于它们对极端物理/化学因素(例如，温度和压力)的影响抵抗性而对其进行选择以在裂缝中更加容易和/或均匀地分布，并且能够从地下地层中更快和/或更持久地提取气体和油。陶瓷支撑剂可以是基于有机，无机或其它金属硅石合金的涂覆或非涂覆支撑剂，例如钒土，高岭土，黏土，氧化铝，壤土，冶金级炉渣，石碳酸-甲醛树脂，铝，铜，或者它们的任何组合物。
所述陶瓷支撑剂可以由原材料浆液形成。所述浆液中的陶瓷原始材料，水或者其它溶剂，可选的粘合剂，以及可选的分散剂，还有其它组分的相对量取决于最终形成的固体陶瓷支撑剂所期望具有的特性。所述相对量的原始材料可以是使所述浆液适于泵送通过所述颗粒成型工艺设备的量。作为非限制性的举例，所述浆液的固体含量可以从大约50％的重量百分比到大约90％的重量百分比，从大约60％的重量百分比到大约88％的重量百分比，从大约70％的重量百分比到大约80％的重量百分比，从大约50％到60％的重量百分比，或者甚至从大约60％到大约70％的重量百分比。所述浆液可以进一步包含使所述浆液维持在不变和稳定的pH值的添加剂，所述pH值的范围例如是大约7到大约10，偏差约为+/-2，约为+/-1，约为+/-0.5或者甚至约为+/-0.2。
通过本公开的实施例制备的某些陶瓷支撑剂颗粒可以具有任何合适的粒径分布，具有单个或多个模态粒径分布。例如，所述支撑剂的粒径分布dfs可从大约0.5到大约5.0，其中dfs＝{(df90-df10)/df50}，在上述公式中，df10为其中10％的颗粒具有较小粒径的粒径，df50为其中50％的颗粒具有较小粒径的中值粒径，df90为其中90％的颗粒具有较小粒径的粒径。上述支撑剂的粒径分布dfs可以从约0.5到约1.5，从0.5到5，从0.5到4.5，从0.5到4，从0.5到3.5，从0.5到3，从0.5到2.5，从0.5到2，从0.5到1.5，从0.5到1，从0.75到5，从0.75到2.5，从0.75到2，以及这里给出的范围的任意不同组合。
所述支撑剂的中值粒径df50可以从约0.01μm到50μm，从约0.2μm到约5μm，从0.01μm到50μm，从0.01μm到40μm，从0.01μm到30μm，从0.01μm到20μm，从0.01μm到10μm，从0.01μm到5μm，从0.05μm到50μm，从0.1μm到50μm，从1μm到50μm，从0.1μm到25μm，从0.1μm到10μm，(或者这些范围之间的任意点)，或者这里的范围的不同组合，其中df50为其中50％的粒子分布具有较小粒径的中值粒径。在某些方面，所述支撑剂的粒径范围为从0.7μm到7.0μm的df50以及从3.5到35μm的df98，并且包含约8到80％的粒径小于1μm的亚微米粒子。
在某些示例性实施例中，浆液被制备为包含水和具有大于约10％重量百分比的氧化铝含量的陶瓷原始材料。所述浆液通过搅拌，混合，搅动或者本领域普通技术人员已知的类似方法进行制备。所述陶瓷原始材料可以是未焙烧的陶瓷材料，部分焙烧的陶瓷材料，焙烧陶瓷材料，或者其组合。在某些实施例中，所述陶瓷原始材料为其中固体陶瓷颗粒可以被制作成基本上为圆滑或球形并且包含天然挥发物(其中挥发物可以包括水分，有机物以及天然水[也被称作“化合水”])的材料。在某些方面，天然挥发物的含量占所述陶瓷原始材料的约10到约40重量百分比。所述陶瓷原始材料可以是未焙烧粘土，部分焙烧粘土，焙烧粘土，或其混合物。在进一步的其它实施例中，所述陶瓷原始材料为高岭土，铝矾土，钒土，氧化镁，其中任意一种都可以是焙烧，部分焙烧，或者未焙烧，以及其混合物。在某些情况下，所述陶瓷原始材料包含氧化铝含量少于85％并且尺寸和强度适于用作支撑剂的钒土，其中所述支撑剂颗粒的合适强度可以被定义为长期透水性的减少小于70％(根据ISO13503-5，在250华氏度下，对一包粒径范围为20到40网目的测试颗粒进行测量，其中施加给所述测试颗粒包的应力从2,000psi升高到14,000psi)。
所述浆液进一步包括反应剂化学物质，例如聚乙烯醇，聚醋酸乙烯酯，甲基纤维素，湖精，钠藻酸盐和糖浆。反应剂化学物质通常为用于提高颗粒强度和形状完整性的有机材料。在某些实施例中，水可以用作反应剂。一种有用的反应剂化学物质为钠藻酸盐。这是一种天然多聚糖，其可以溶于水成为钠盐并且可以进行交联以形成所述钙盐的凝胶。藻酸盐通常被添加到所述浆液中，其含量为约0.1％到约2％(藻酸盐相对于浆液总重量的重量百分比)。在浆液体形成后，可以向所述浆液体添加使所述反应剂化学物质形成胶体的凝结液体。可以用于钠藻酸盐的凝结液体的某些实例包括但不限于具有合适的氯化钙浓度的氯化钙溶液，或者氯化铝六水合物溶液。在所述浆液体的形成过程中可以使用多种其它反应剂。这些反应剂包括其它的多糖以及其它交联化合物，例如聚乙烯醇或硼酸盐流体。
在本公开的某些方面，所述浆液可以进一步包括合适的分散剂，例如但不限于，胶体，聚电解质，焦磷酸钠，焦磷酸钾，多磷酸盐，柠檬酸铵，柠檬酸铁铵，六偏磷酸，硅酸钠，聚丙烯酸铵，聚甲基丙烯酸纳，柠檬酸钠，多磺酸钠或者六偏磷酸盐。包含分散剂可以通过降低或者优化浆液粘性以及其它流变学特性从而提高所述浆液的整体固体含量。在浆液中使用的分散剂的量可以在能够使所述浆液分化成合适尺寸的浆液体和能够制备固体，球形颗粒之间进行平衡。所述分散剂类型和浓度的优化能够降低粘性。分散剂可以基于在优化所选取浆液的粘性时的成本，可获得性和有效性进行选择。在那些示例性实施例中，所述浆液包括分散剂，分散剂的量可以是任意适合的量，例如，小于约0.3重量百分比的干燥陶瓷原始材料，小于约0.3重量百分比的干燥陶瓷原始材料，或者甚至小于约2重量百分比的干燥陶瓷原始材料。
在某些实施例中，采用合适的添加剂来定制用于形成所述陶瓷支撑剂的所述浆液的流变学特性以获取优化的流变学特性，例如触变性，假塑性，以及应力/应变粘性关系。这些添加剂的一些可用实例包括影响所述基体颗粒的电动电势的那些添加剂。在某些其它实施例中，所述浆液包括至少一种影响所述流体的触变性行为的凹凸棒石添加剂。
在合适的陶瓷浆液的一个非限制性实例中，所述浆液包含至少46％重量百分比的氧化铝(Al2O3)，至少18％重量百分比的氧化硅(SiO2)以及最多10％重量百分比的氧化锆(ZrO2)或者其衍生氧化物，但是并不是必须将任何其它矿物质排除在外。也可以采用来自再生产业的基体，包括但不限于玻璃，粉煤灰，苏打粉，等等。在某些情况下，所述浆液制剂可以包括一部分的石墨涂覆铁颗粒。石墨可以防止所述铁颗粒在所述制剂中熔化并且溶解，由此提高在所述支撑剂中维持可检测到的铁颗粒的可能性。这样可以通过磁场检测到所述支撑剂。所述浆液制剂可以包括一部分的石墨涂覆磁粉。所述石墨与上面描述的石墨具有相同的作用。所述磁粉可以包括具有不同磁场强度的一种或多种材料，使得所述支撑剂制造商可以为每种支撑剂指定特定代码。
本公开的某些示例性实施例涉及制备支撑剂颗粒的方法。在这些实施例中，浆液悬浮或溶剂化陶瓷形成原材料被提供给包括穿孔膜的落塔设备以形成液滴，针状，面条状，或者其它形状的浆液体，其由此最终形成可以用作支撑剂颗粒的陶瓷颗粒。所述穿孔膜可以是浆液体形成膜，在其中具有一个或多个接收来自于包含悬浮或溶于水中的陶瓷形成原材料的供给箱或者其它合适源的浆液的穿孔。可以通过压力供给系统，或者与所述供给系统集成在一起的泵向所述供给箱施加压力，促使所述浆液以选定的速率并且可选地以层流流动通过至少一个穿孔。在所述穿孔膜的底表面下方为集料斗，并且在它们中间可以设置一个选配腔室。所述腔室可以被用于至少部分地处理所述浆液体，并且所述容器可以接收所述浆液体。
如图1所示，其示出本公开的浆液体形成实施例的横截面视图，壳体100被用于支撑穿孔膜102并且接收在点104处被送入壳体100并且被供给通过穿孔膜102的浆液。浆液可以通过开口106或者位于壳体100上的多个开口(未示出)被送到壳体100。浆液接着可以从穿孔108(图中示出了八个)被发射或者排出形成浆液体110(图中示出十三个)。根据浆液的流变学，或者其它合适的特性和条件，可以形成基本上为球形的液滴110a，圆柱形面条体110b或者其它最终形成的输出成型浆液体，并且所述浆液体可以借助重力，水雾和/或风力运输垂直或水平地落入集料斗112中。形成浆液体形状的这些条件和特性位于本公开的范围内。所述浆液体112还可以从膜102中被挤出。在本公开的某些方面，使用穿孔膜102具有以下益处：从一个或多个穿孔108中喷射浆液时，在所述一个或多个穿孔108的周边上至少基本上不会堆积浆液，或者以其他方式妨碍浆液从一个或多个穿孔108中自由喷射出来。这种益处与当使用安装有浆液从中排出的突出的喷管(或者喷嘴)的板时出现的浆液堆积问题形成对比。在本公开的某些实施例中，一个或多个穿孔108在所述膜的外表面处终止，并且由此基本上与其齐平。
现在参照图2，其描绘出用在实施例中的穿孔膜形状的一些实例，当然并不局限于此。穿孔膜外周边形状包括圆形204(其中围绕圆周的直径基本上相等)，方形202(其中a和a’基本上相等)，矩形206(其中b和c不相等)，或者形成浆液体的任何其它合适的形状。在某些实施例中，所述浆液体可以进一步被处理以形成颗粒，例如陶瓷支撑剂颗粒，其具有从小于约0.025mm到约2.5mm或者更大的平均粒径，或者在某些情况下，其具有介于约50到约1500微米之间的粒径，但是并不局限于此。穿过所述膜的多个穿孔可具有任何合适的尺寸，直径或长度，以产生特定粒径的颗粒。例如，在某些情况下，直径为约0.3mm的穿过所述膜的圆柱形通道可以产生粒径为约0.7mm到约0.9mm以及约0.3mm的颗粒，那些直径为约0.5mm的通道可以产生粒径为约1.1mm到约1.5mm的颗粒。
参照图3，示出穿过穿孔膜的通道的一些形状，在某些情况下，所述膜中的穿孔的形状适合于获取最佳的流动特性，并且可以包括圆柱形，圆锥形，双圆锥或者具有圆球形壁，但是并不一定局限于此。例如，如图3所示，其描绘出穿孔形状的横截面视图，穿过膜300的穿孔可以是圆柱形302，圆锥形304，沙漏306，凹形308，凸形310，或者任何其它适合的形状，或者其组合，所有的形状都位于本公开的精神和范围内。
在某些实施例中，振动，摆动或其它适合的供能单元可以被连接到所述穿孔膜(例如图1所示的102)并且可被用于向所述膜提供压力脉冲和/或使压力脉冲进入流动通过所述膜中的穿孔的浆液中。由此产生的流动通过所述膜的浆液的振动进一步使所述浆液流离开所述穿孔破裂成为具有期望形状和尺寸的浆液体110。在某些实施例中，随着浆液体落到集料斗112，表面张力效应趋向于使所述浆液体形成球形或其它选择的形状。
根据本公开的某些方面，由于所述膜材料为柔性材料，例如但不限于聚氨酯，聚酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚乙烯，聚氯乙烯，聚偏二氯乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酰胺，丙烯腈·丁二烯·苯乙烯，聚苯乙烯等等，因此所述穿孔可以形成不同的形状。穿孔的这种柔性壁在某些情况下可以被加压和脉冲液体包围，无论是正压还是负压。当向所述膜和/或通过所述膜的浆液供能时，所述压力可以是不变的，变化的，或者设置是从正压振荡到负压，或者其组合。形成浆液体的压力效应的非限制性实例包括挤压或收缩所述穿孔或者在两阶之间产生脉冲。为了图示目的，在图4中，加压介质，例如气体或液体，在端口402被引导进入穿孔膜400，并且填充包围穿孔406,408,410的空腔或腔室404。如果所述压力从正压振荡到负压，所述穿孔具有穿孔406所示的形状，当压力为负压时，具有穿孔408所示的形状，当压力为正压时，具有穿孔410所示的形状。可以向围绕所述膜分布的多个穿孔(例如位于轴线412和414上)应用相同的设计。形成所述浆液体的浆液可以被引导通过端口418进入壳体416。此外，在本公开的某些方面，向膜400施加能量的影响还可以为膜和穿孔提供清洁，由此维持操作性并且防止或消除在穿孔的出口处存在的障碍。
在本公开的某些其它方面，如图5中所示，所述穿孔膜可以包括旋转盘，刀，线缆或其它装置中的一个或多个以产生脉冲压力，从而使从所述穿孔喷射出的液滴，面条状体或其它类型浆液体以不变和/或目标尺寸形成。这样还可以帮助成型的陶瓷浆液从所述膜穿孔和浆液中脱离出来。穿孔膜500支撑在壳体(未示出)中并且包括穿孔502(示出了九个)以及可旋转装置504，所述可旋转装置504布置成沿方向506围绕轴线508旋转。浆液可以被引导进入所述穿孔502，从其中通过，并且以珠510的样式从所述穿孔中喷射出来。浆液珠510可以与可旋转装置504接触并且作为浆液体512(图中示出四个)被释放出来。现在参照图6，在其它一些方面，穿孔膜600自身可以旋转，或者抵靠固定的其它穿孔膜602，或者穿孔膜600、602二者沿着相反的方向604、606围绕轴线608旋转。在某些方面，旋转穿孔膜600，或者同时旋转膜600、602，可以对浆液体形成液滴，面条状体，等，610(图中示出四个)进行脉冲剂量化测试，并且浆液被引导进入穿孔612(图中示出五个)，从中通过并且通过穿孔614(图中示出五个)，接着以浆液体610的形式被喷射出去。
图7描绘出根据本公开的用于产生浆液体的落塔结构的一个实施例的透视图。所述结构700包括壳体702，其用于紧固穿孔膜704并且形成密封通道，以接纳浆液进入壳体702并且从膜704喷射浆液体。所述结构700进一步包括容纳从穿孔膜704喷射出的浆液体708的腔室706，并且在某些方面，可以进一步包括用于运送包含用于至少部分地固化所述浆液体708的凝结剂的水雾或气体的可选系统。浆液体可以移动通过腔室706并且可以被设置在腔室706的远端710上的集料斗收集。浆液可以在位置712被引导进入所述结构，或者在其它实施例中，在壳体的几个点上(如图11所示以及如后面进一步详细描述)被引导进入所述结构。结构700可以进一步包括一个或多个压力换能器系统714，用于监测和控制浆液在通过壳体702和穿孔膜704时的压力。尽管在图7中，腔室706被描绘成基本上具有圆锥形状，但也可形成在基本上为圆柱形的外壳内。然而，任何合适的可以用于有效地容纳浆液体708的形状和尺寸都是可以的。
在本公开的某些方面，集料斗710包含，通向，或者以其他方式与用于容纳所述浆液体或者由所述浆液体形成的颗粒的浴缸相连通。进入所述浴缸的颗粒和/或浆液体可浸没在其中并且向更深处沉淀或者甚至到达所述浴缸的底部，并且接着被进行处理以形成最终产品。在其它方面，所述浴缸的表面可具有一层形成和/或设置在其上的泡沫，用于在收集过程中进一步帮助维持所述浆液体和/或颗粒的形状的完整性。所述泡沫可以通过任何合适的技术生成。在某些情况下，压缩空气被施加到所述浴缸的表面上以形成缓冲泡沫层，从而在浴缸接收所述颗粒和/或浆液体时，使其避免变形或者使变形最小化。
参照图8，其示出可用在本公开的某些实施例中的另一种腔室的形状，结构800包括壳体，穿孔膜，选配的压力换能器(例如，702,704和714)，以及选配的用于供送包含用于在所述浆液体802从所述穿孔膜704排出时至少部分地固化所述浆液体802的凝结剂的雾或气体的系统。浆液体802在从穿孔膜704被排出后移动通过腔室804，腔室804基本上为圆锥形并且被限定在锥形外罩内。圆锥形腔室804在某些情况下可以有效地实现浆液体802在沿着方向806通过所述腔室时的目标速度，或者速度变化。图9所示的为横截面视图，腔室804形成在外罩808中。如图9所示，浆液体810沿着方向806从腔室804的直径为812的入口部分移动通过腔室804，到达直径为814的排放部分。使用直径不同的入口和排放部分在某些情况下可以改变浆液体在移动通过所述腔室时的速度。例如，排放部分的直径比入口部分小可以降低所述速度，或者使其减速，由此提高在所述腔室内的停留时间。
现在参照图10，其通过透视图示出了以垂直于设置在腔室1002的中心上并且延伸通过所述腔室1002的轴向中心线1000的平面示出的腔室(例如如图7到9所示的那些腔室)。腔室1002被限定在外罩1004内，并且进一步包括用于供送包含在浆液体移动通过腔室1002时至少部分地固化所述浆液体的凝结剂的雾或气体的系统。所述用于供送所述雾或气体的系统包含与流体输送系统1008连通的喷嘴1006。当浆液体沿着大致与轴向中心线1000平行的总体方向移动通过腔室1002时，喷嘴1006向浆液体输送试剂。
图11描绘出根据本公开的浆液体形成结构的一个实施例，其中，所述浆液在几个点被引入。所述结构1100包括与壳体1104连接以紧固穿孔膜1106并且形成密封通道的支撑件1102，以接收进入壳体1104的浆液并且通过穿孔1108从膜1106喷射浆液体。所述结构可进一步与用于容纳且在所述浆液体从所述穿孔膜1106被喷射出时至少部分地固化所述浆液体的腔室连通。在围绕所述壳体的周边设置的几个点上，浆液通过喷射器1110(图中示出十二个)被引导进入壳体1104。根据目标条件，喷射器1110与浆液供应管线1112流体连接，所述浆液供应管线1112与浆液源(未示出)以及用于将所述浆液从所述浆液源运送到喷射器1110的合适装置连接。在某些方面，所述浆液可以在可变化的压力下被供送并且由此被施加能量，而在某些其它方面，壳体1104和穿孔膜被施加能量。对壳体和穿孔膜施加能量和可变化的浆液压力或速度的组合也位于本公开的精神和范围内。
现在参照图12，其示出了根据本公开的用于采用陶瓷浆液制备支撑剂的系统的一个实施例。系统1200在系统的一端包括容纳浆液1204的浆液罐1202、以及位于系统1200的另一端的用于操纵支撑剂1208的支撑剂储存、处理和/或排放系统1206。浆液1204可包括能在处理后产生坚固的陶瓷材料的细磨的矿物质或加工粉末(尺寸为约0.01到约50微米)，帮助将所述浆液中的固体颗粒保持为良好分离的合适量的选配分散剂，水，以及在浆液体形成后可以可选地与雾中的组分反应以形成至少部分固化的浆液体的反应剂，所述至少部分固化的浆液体为半固态，晶体，半无定形，无定形，液体，和/或基本不溶于水。在一个示例性实施例中，浆液1204的固体重量含量，在通过膜穿孔之前，范围为约10％到约90％，约25％到约75％，或者甚至为约40％到约60％，并且浆液1204的粘度在操作压力和温度下可以是约1到约1,000厘泊范围内的任意点值。在某些方面，所采用的过程使浆液1204维持在合适的稳定温度，例如约20℃到约50℃的范围内，偏差约为+/-2℃。
浆液1204借助泵1214移动通过管道1210和1212。尽管所示的为泵1214，但浆液也可借助空气压力，或者二者组合被移动通过系统1200。所示系统可以包括调节或甚至控制流率，压力，压力变化等的装置1216，用于操控通过管道1220送往壳体1218的浆液的供送。尽管管道1220被描绘成通过一个管道1220运送浆液进入壳体1218，然而在某些其它方面，所示浆液也可通过多个入口或管道被运送进入壳体1218，例如如图11所示的那样。没有通过装置1216进入壳体1218的多余浆液1204可以通过管道1223返回浆液罐1202。从管道1220被送往壳体1218的浆液1204接着可通过穿孔膜1222中的穿孔并且被喷射出，成为容纳在腔室1226内的浆液体1224，并且沿方向1228移动通过腔室1226。随着浆液体1224移动通过并且到达腔室1226的远端，它们被收集在料斗部分1230。在被收集在料斗1230之前，浆液体1224驻留在腔室1226中时可以采用任何合适的技术，例如但不限于自固化，脱水，去溶，与固化剂接触等类似的方法，或者上述方法的结合，至少部分地固化。腔室1226可以具有任意合适的尺寸和形状，包括圆锥形，圆柱形等等，并且可进一步包括用于运送包含凝结剂的雾或气体的系统，例如如图10所示的那样。
收集在料斗1230中后，浆液体1224可以进一步被处理和/或调节以在料斗1226，浴缸，储存、处理和/或排放系统1206，或者二者组合中形成支撑剂颗粒。这种处理或调节技术可以包括干燥，烧结等等，在美国专利公开号No.2012/0231981A1和美国专利号No.8,728,991B2中公开的技术(二者整体被包含于此)，或者上述任意组合。系统1200可以进一步包括联接在装置1216和壳体1218和/或穿孔膜1222之间的用于连续地或半连续地调节或者控制诸如流率，压力，压力变化等特性的通信和控制装置1232。在本公开的某些方面，排放系统1206包括至少部分地浸没在浴缸中的传送带，其从所述浴缸开始运送从料斗1230接收的颗粒并且进入吹气干燥环境中。进入所述浴缸的颗粒和/或浆液体可浸没在其中并且向下沉淀得更深，或者甚至到达所述浴缸的底部。在另外的其它方面，所述浴缸的表面可具有一层形成在其上用于在所述收集过程中进一步帮助维持所述浆液体和/或颗粒形状的一层泡沫。如系统1200中所描述的，或者本公开的任意方面，对浆液体转变成颗粒的位置点不必做任何限制，并且其可以在雾腔室，集料斗，浴缸，烧结过程，空气干燥过程，或者其它合适装置中发生。同样，如本公开所使用的，术语“颗粒”和“浆液体”在某些情况下可以互换，而在其它方面，其指代不同的概念，其中“浆液体”是指从穿孔膜排出后形成的，而“颗粒”是由所述系统生成的最终产品。
尽管上面描述的本公开的某些方面描述使用一个穿孔膜来产生浆液体从而形成颗粒，然而在所述系统中使用多于一个或者多个穿孔膜来生成浆液体同样位于本公开的范围和精神内。参照图13，其示出用于生成浆液体的落塔设备的透视图，设备1300包括上板1302，圆柱形雾壳体1304，选配的中间壳体1306，以及集料斗1308。设备1300可以采用固定件1310(示出的为三个)或者任何其它合适的安装结构安装或固定在设施，或者任何合适的支撑结构中。包含颗粒形成材料的浆液可以在入口1312被引导进入所述设备，接着移动通过多个管道1314(图中所示为六个)，并且进入位于壳体1316(图中所示为六个)中的穿孔膜中。随着所述浆液移动通过所述穿孔膜，其作为浆液体被喷射，所述浆液体进入限定在雾壳体1304内的雾腔室1318。切掉部分1320示出雾壳体1304的内部和形成在其中的腔室1318。用于运送包含至少部分地固化所述浆液体的凝结剂的雾或气体的系统(未示出)与设置在雾壳体1304外部上并且穿过雾壳体1304的喷射器1322连通(图中所示为十五个)。所述雾或气体可以通过设置在喷射器1322的远端上的喷嘴1324(图中示出了三个)被引导进入腔室1318。设备1326进一步包括位于集料斗1308的远端的排放端口，或者开口1326，其用于随后将形成在所述设备中的颗粒运送到与排放端口1326相邻设置的颗粒储存、处理和/或排放系统。在运行中，所述浆液通常在入口1312被引导进入设备1300，接着通过多个管道1314被运送到位于壳体1316内的穿孔膜。所述穿孔膜可以采用任何合适的技术被施加能量以获取期望的颗粒尺寸或形状。当通过所述穿孔膜时，一旦其从所述穿孔膜被喷射，由浆液形成的浆液体进入雾腔室1318并且沿着方向1328移动，通过雾腔室1318，中间壳体1306，并且接着到达集料斗1308。在通过所述系统后形成的颗粒接着可被排放，进一步处理，和/或存储。
参照图14，其进一步示出设备1300的透视和沿着轴向中心线1402截取的横截面视图，示出了设备1300的内部。在所述视图中描绘出支撑在壳体1316中的穿孔膜1404(图示出两个)，其与腔室1318流体连通。喷嘴1324(图示出八个)被描绘成安装在雾壳体1304的内侧，并且从喷射器1322(图示出十个)突出的喷嘴1324a(图示出十个)在图中被描绘成演示喷嘴1324a如何从雾壳体1304的内部突出并且进入腔室1318，用于提供包含当所述浆液体移动通过腔室1318并且通过形成在所述中间壳体1306内的内部空间以及集料斗1308时至少部分地固化所述浆液体的凝结剂的雾或气体。图15以透视图的形式非常详细地描绘出设备1300的顶外部。如图所示，壳体1316绕着上板1302设置(图中所示为六个)，每个均在其中包含有穿孔膜。壳体1316通过管道1314(图中所示为六个)与入口1312流体连通。图16以透视图的形式详细描绘出设备1300的上部的内部。如图所示，通过切口1320可以看出，穿孔膜1404围绕和/或与上板1302的内部相邻设置，并且通过管道1314(图示为五个)与入口1312(未示出)流体连通。在雾壳体1304内部可以设置另一个内部壳体1602，并且在二者之间可以形成选配的中间腔室1604。
现在参照图17，其进一步以透视图和横截面视图形式示出壳体1316，并且示出了设备1300的内部。壳体1316设置在上板1302上和内部，并且包括支撑穿孔膜1404的下部1702。穿孔膜1404的侧部暴露于雾腔室1318，并且其相反的侧部暴露于壳体腔室1704。浆液可以移动通过管道1314，进入壳体腔室1704，通过穿孔膜1404，并且以浆液体的形式喷射进入雾腔室1318。用于为浆液施加能量的系统可以设置在壳体腔室1704内部。在本公开的某些方面，所述系统可包括在一侧与浆液接触，并且在相反一侧与活塞1708连接的可移动隔膜1706。活塞1708可以沿如箭头1710所示的相反方向振荡，并且以类似方式移动隔膜1706，由此对存在于壳体腔室1704中的浆液供能或者移动和/或改变压力。活塞1708可以采用任何合适的技术驱动，包括机械，气动，液压，电动，压电等等，上述所有技术都位于本公开的范围和精神内，并且活塞1708适合于对本公开的穿孔膜供能。在图17所示的图中，活塞1708被容置在壳体腔室1704和形成在壳体1316的上部1714中的缸1712内。随着活塞1708沿着相反方向在壳体腔室1704和缸1712内部振荡，隔膜1706被移动并且能量被施加到所述浆液中。如上所示，活塞1708可以采用任何合适技术移动，并且图中所示的为用于引发活塞1708的振荡运动的电动或压电装置1714。尽管图17所示的实施例示出活塞和隔膜沿着一个轴振荡，然而活塞和隔膜或者其它供能结构沿着多个轴线(例如，x，y和z)移动以将能量施加到所述浆液内同样位于本公开的范围内。在本公开的进一步的其它方面，壳体和穿孔膜结构可以进一步包括可以被用于或激活以清洁所述壳体的内部，所述膜，穿过所述膜的穿孔，以及上述任意组合的部件。这种部件的一个实例包括超声装置(即，超声波笔，超声波换能器，等等)，其可以被激活并且将超声波能量施加到所述浆液，壳体和/或膜中。
本公开还涉及用于撑开地下地层裂缝的方法，包括引导支撑剂进入被井眼穿透的地下地层中，并且将支撑剂布置到所述裂缝中。在压裂操作使用中，所述支撑剂颗粒可以与载送流体结合，接着其被引导进入地下地层的井眼中。所述载送流体(在本领域中被称作压裂流体)通过井眼在一定速率和压力下被泵送到将要进行增产的地下区域中以形成裂缝并且使其延伸进入所述地下区域中。至少一部分压裂流体运载着支撑剂颗粒进入所形成的裂缝中。所述颗粒被储存在所述裂缝中并且所述压裂流体渗漏进入所述地下区域和/或被返回到地面。所述支撑剂作用于防止所形成的裂缝闭合，由此形成使开采的流体可从中通过从而流到所述井眼的传导通道。所述载送流体可以是任何增粘或非增粘载送流体，例如本领域技术人员公知的那些载送流体，包括但不限于气体和/或液体，赋能流体，泡沫，类似于含水溶液，例如水，盐水溶液，和/或合成溶液。
在某些其它方面，所述支撑剂被用在砾石充填中，其中支撑剂被运载到地下开采区域中，在其中通过烃或水运载流体(或者其它运载源，例如流体，赋能流体，泡沫，气体，等等)布放砾石充填。也就是说，悬浮在所述载送流体中的颗粒可以是增粘的，并且所述载送流体被泵送到地下开采区域中，在开采区域布放砾石充填。一旦所述颗粒被布放到所述区域中，所述处理流体渗透进入所述地下区域和/或返回到地面。所产生的砾石充填作用为过滤器，在允许所开采的流体流进并且通过所述井筒的同时从所开采的流体中分离出地层固体。
本公开并不仅仅局限于制造包含陶瓷颗粒的支撑剂，而且还可以被应用于用在水泥，水泥纤维板系统，干式墙填充物，填缝，聚合物系统以及其它类似的需要高强度纤维材料的场合中的基体材料和填充材料。
前面对多个实施例的描述用于图示和描述目的。给出了示例性实施例以充分理解本公开，并且向本领域技术人员表达本公开的保护范围。提供的多个具体细节，例如具体部件，装置，以及方法的实例用于提供对本公开实施例的完整理解，但是并不是详尽的或者将本公开限制于此。可以意识到的是，在本公开的范围内，具体实施例的单独元件或特征通常并不局限于特定实施例，而是在适用的情况下可以相互交换并且可以用在所选取的实施例中，即使没有具体图示或描述。同样也可以按照多种方式进行修改。这些变化并不被看作是脱离本公开的范围，并且所有的这些修改都被看作是包含在本公开的范围内。
同样，在某些示例性实施例中，并没有详细描述公知的工艺过程，公知的装置结构，以及公知的技术。此外，对本领域技术人员来说显而易见的是设备的设计，制造，以及操作中，为了实现本公开所描述的内容，例如可能存在设备设计，构造，调节的变化，部件腐蚀，部件间的间隙。
尽管这里使用了词语第一，第二，第三等等来描述不同元件，部件，区域，层和/或部分，但这些元件，部件，区域，层和/或部分不应该受这些词语的限制。这些词语仅仅被用于将一个元件，部件，区域，层或部分与另一个区域，层或部分进行区分。当这里使用诸如“第一”，“第二”以及其它数学用语时，并不意味着它们属于序列或对其进行排序，除非在文中明确有所说明。因此，下面讨论的第一元件，部件，区域，层或者部分可以被命名为第二元件，部件，区域，层或部分，而不惑脱离所述示例性实施例的教导。
空间相对关系的用语，例如“内部”，“外部”，“下方”，“下面”，“下部”，“上方”，“上部”等等，在这里用于方便描述在图中所示的一个部件或特征与另一个部件或特征之间的相对关系。空间相对关系用语可用于包含所述装置在使用或运行中除了在图中所示的方位以外的不同方位。例如，如果图中所述装置被反转，某个部件被描述为位于其它部件或特征“下面”或者“下方”，那么其它部件或特征就被定向成“上方”。因此，示例性的用语“下面”可以包括上方和下方两个方向。所述装置在其它情况下可以被定向(旋转90度或者处于其它方向上)并且相应地可以采用这里使用的空间相对描述符进行解释。
尽管在上面详细描述了本公开的一些实施例，但本领域普通技术人员可以容易地意识到可以具有多种修改而不会实质上脱离本公开的教导。因此，这些修改被看作是包含在权利要求所限定的本公开的范围内。
Claims (27)
1.一种方法，包括：
提供包含陶瓷形成原材料的含水浆液；
使所述浆液流过至少一个穿孔膜以形成浆液体；
在集料斗中接收所述浆液体；以及
干燥所述浆液体以形成颗粒。
2.权利要求1所述的方法，其中，所述含水浆液包括包含低于百分之八十的氧化铝的矾土。
3.权利要求1所述的方法，其中，所述含水浆液包括流变学改性剂。
4.权利要求1所述的方法，其中，所述浆液体借助挤压流过所述穿孔膜。
5.权利要求1所述的方法，其中，所述浆液进一步包括反应剂和分散剂。
6.权利要求5所述的方法，其中，所述分散剂为表面活性剂。
7.权利要求6所述的方法，其中，所述表面活性剂至少部分地影响浆液体形状、尺寸或它们的组合。
8.权利要求1所述的方法，其中，所述穿孔膜包括基本上平的表面。
9.权利要求1所述的方法，其中，集料斗为无浴洗的容器。
10.权利要求1所述的方法，其中，所述形成的颗粒为支撑剂颗粒。
11.权利要求1所述的方法，进一步包括烧结步骤。
12.权利要求11所述的方法，其中，所述颗粒在约1400℃到约1650℃的温度范围内进行烧结。
13.权利要求1所述的方法，其中，所述含水浆液中的固体含量为约60％重量百分比到约88％重量百分比。
14.权利要求1所述的方法，其中，所述含水浆液进一步包括至少一种影响所述浆液的流变学特性的组分。
15.权利要求14所述的方法，其中，所述组分为凹凸棒石。
16.权利要求1所述的方法，其中，所述含水浆液包括约大于或等于46％重量百分比的氧化铝、约小于或等于18％重量百分比的二氧化硅以及约小于或等于10％重量百分比的锆土或者衍生出的氧化锆。
17.权利要求1所述的方法，其中，所述含水浆液进一步包括玻璃、粉煤灰和苏打粉中的至少一种。
18.权利要求1所述的方法，其中，所述含水浆液进一步包括石墨涂覆铁微粒、石墨涂覆磁粉或者它们的组合。
19.权利要求1所述的方法，其中，所述反应剂为多聚糖。
20.权利要求19所述的方法，其中，所述多聚糖为藻酸盐。
21.权利要求1所述的方法，其中，所述凝结剂为氯化钙。
22.权利要求1所述的方法，其中，所述浆液在其流过所述穿孔膜时被施加能量。
23.权利要求1所述的方法，进一步包括在浴缸中接收所述浆液体，其中，所述浴缸包括设置在其上的泡沫。
24.权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个穿孔膜为多个穿孔膜。
25.一种方法，包括：
提供包含陶瓷形成原材料的含水浆液，所述浆液进一步包括反应剂和分散剂；
使所述浆液流过穿孔膜，同时向所述浆液施加能量以形成浆液体；
使所述浆液体通过腔室中的雾，所述雾包括与所述浆液体中的反应剂反应的凝结剂；
在集料斗中接收所述浆液体；以及
干燥所述浆液体以形成颗粒。
26.一种水力压裂被井眼穿透的地下地层的方法，所述地层具有压裂应力，该方法包括：
在高于所述地层的压裂应力的压力下泵送压裂流体进入到所述井眼中；以及
向所述压裂流体添加支撑剂颗粒并且将所述支撑剂颗粒和所述压裂流体输送所述井眼中，
其中，所述支撑剂颗粒通过如下步骤进行制备：提供包含陶瓷形成原材料的含水浆液，使所述浆液流过穿孔膜以形成浆液体，在集料斗中接收所述浆液体，以及干燥所述浆液体以形成所述支撑剂颗粒。
27.一种系统，包括：
用于提供包含颗粒形成原材料的含水浆液的储罐；
用于由所述含水浆液形成浆液体的穿孔膜；
与所述穿孔膜相邻设置的雾腔室；以及
与所述雾腔室相邻设置的集料斗；
其中，所述储罐与穿孔膜流体连接。
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