FR2582346A1

FR2582346A1 - Procede pour la production d'un nouveau type d'agent de soutenement derive de la bauxite pour l'utilisation dans la fracturation hydraulique, et matiere propre a etre utilisee comme agent de soutenement

Info

Publication number: FR2582346A1
Application number: FR8607407A
Authority: FR
Inventors: William Henry Andrews
Original assignee: Comalco Aluminum Ltd
Current assignee: Rio Tinto Aluminium Ltd
Priority date: 1985-05-23
Filing date: 1986-05-23
Publication date: 1986-11-28
Anticipated expiration: 2006-05-23
Also published as: DE3617340A1; US4713203A; NL192115C; NL8601251A; FR2582346B1; NL192115B

Abstract

AGENT DE SOUTENEMENT DE QUALITE SUPERIEURE AYANT UNE PERMEABILITE TRES ELEVEE A DES PRESSIONS DE FORMATIONS JUSQU'A 1400KGCM (20000 PSI), UNE RESISTANCE A LA COMPRESSION TRES ELEVEE, UNE MASSE VOLUMIQUE FAIBLE, ET UNE BONNE RESISTANCE AUX ACIDES, PRODUIT PAR UN PROCEDE COMPRENANT LES ETAPES SUIVANTES : A. SEPARATION D'UNE FRACTION FINE A PARTIR D'UNE BAUXITE RENCONTREE A L'ETAT NATUREL ET CONTENANT CETTE DERNIERE, B. AGGLOMERATION EN BOULETTES DE LA FRACTION FINE SEPAREE EN PRESENCE D'EAU; C. TRAITEMENT DES BOULETTES PRODUITES A L'ETAPE B POUR ENLEVER L'EAU DE CELLES-CI, ET D. FRITTAGE DU PRODUIT DE L'ETAPE C POUR PRODUIRE UNE MATIERE, A FAIBLE DENSITE, APPROPRIEE A L'UTILISATION EN TANT QU'AGENT DE SOUTENEMENT.

Description

Procédé Dour la Production d'un nouveau type d'aaent de soutènement dérivé

de la bauxite Pour l'utilisation dans la fracturation hydraulique. et matière proDre a être utilisée comme aaent de soutènement La présente invention se rapporte à un nouvel

agent de soutènement amélioré, dérivé de la bauxite.

Les agents de soutènement à base de bauxite sont connus mais présentent des inconvénients considérables, qui vont être décrits dans l'analyse de l'art antérieur

donnée ci-dessous.

Dans l'un de ses aspects, la présente invention se distingue de l'art antérieur par l'utilisation en tant que matière première d'une fraction fine, séparée de la bauxite rencontrée à l'état naturel et contenant celle-ci. Lorsqu'elle est traitée de la manière décrite plus en détail cidessous, cette fraction fine fournit d'une façon inattendue un agent de soutènement ayant des

propriétés supérieures ainsi que des avantages économi-

ques significatifs par rapport aux agents de soutènement

de l'art antérieur.

Le dessin ci-annexé se rapporte à l'exemple 1 ci-dessous et va être décrit plus en détail dans cet

exemple.

L'utilisation d'agents de soutènement dans la fracturation hydraulique de formations souterraines pour

améliorer l'extraction du pétrole et du gaz est un pro-

cédé utilisé depuis pratiquement quarante ans. La litté-

rature décrit bien cette technique et l'application de

cette dernière est d'un usage établi.

La matière particulaire initiale utilisée dans ce but était constituée par du sable silicieux choisi

pour la forme de ses particules et son absence de fai-

blesses internes ou porosités entre cristaux. Cette ma-

tière continue à être le produit préféré pour les puits peu profonds en raison de son caractère bon marché et de

sa grande disponibilité. Ces dernières années, toute-

fois, il s'est avéré nécessaire de rechercher des agents

de soutènement de substitution par suite de l'augmenta-

tion des profondeurs auxquelles l'on extrait le pétrole

et le gaz et de l'agressivité des environnements rencon-

trés. Cet état de choses a conduit à l'utilisation de

matières telles que des billes de verre et de sables re-

vêtus de résine. L'un des agents de soutènement les plus efficaces mis au point s'est révélé être la bauxite frittée, dont l'utilisation est décrite dans le brevet

US-4 068 718. Ce brevet décrit des procédés de produc-

tion d'agents de soutènement et cite des cas spécifiques

o la matière première est un minerai de bauxite calci-

née. Après broyage en une poudre très fine, d'une façon typique, à une granulométrie inférieure à 12 microns, ce

minerai est moulé en particules sphériques ou en boulet-

tes crues par compactage.ou bouletage avant d'être frit-

té. Le but du frittage consiste à faire en sorte que les particules individuelles comprenant les boulettes crues

se lient entre elles à des températures situées au-

dessous du point de fusion des minéraux présents. Le brevet précité mentionne le fait que le produit final doit avoir une masse volumique supérieure à environ

3 3

3,4 g/cm, dans un domaine préféré de 3,5 à 3,8 g/cm On y note la remarque suivante: "la bauxite frittée ayant une masse volumique inférieure à 3,4 g/cm3 est difficile à produire et en raison de la concentration élevée de vides, elle risquerait de donner naissance à

un produit ayant une faible résistance à la compres-

sion'. Il y est par ailleurs signalé que des particules

& haute densité, à grains fins, présentent une résistan-

ce à la compression supérieure à celle des particules frittées à gros grains. Il y est également démontré la

très grande corrélation entre la masse volumique du pro-

duit final et la perméabilité sous l'application d'une contrainte de 700 kg/cm (10000 psi). Une perméabilité et une résistance à la compression élevées sont des

critères essentiels pour les agents de soutènement de-

vant être utilisés à des profondeurs supérieures à cel-

les auxquelles le sable s'avère satisfaisant.

Le brevet Australien n' 521 930 octroyé à la So-

ciété Norton Company souligne à nouveau la nécessité de

produire un agent de soutènement à base de bauxite frit-

tée à partir d'une matière précalcinée finement broyée.

Dans ce cas, l'utilisation de particules plus grossières jusqu'à un diamètre de 50 microns en tant que composé

mineur du mélange a été déclarée satisfaisante. Ce bre-

vet se réfère également au bénéfice résultant de l'uti-

lisation d'un liant provisoire pour conserver la stabi-

lité des boulettes crues avant la cuisson. D'une façon spécifique, il fait état d'une densité d'au moins 3,6 g/cm3 comme étant le niveau souhaitable pour obtenir une résistance à l'écrasement satisfaisante de l'agent de soutènement. Il a été reconnu que la densité élevée des

agents de soutènement réalisés à partir de bauxite frit-

tée pose un problème dans la mise en place de la matiè-

re. Ceci découle du fait que le fluide utilisé pour

transporter l'agent de soutènement nécessite une trans-

formation par rapport à celui utilisé pour acheminer par exemple du sable silicieux, en raison de la tendance

sensiblement plus forte des particules de bauxite frit-

tées à précipiter plus rapidement dans la suspension.

Ceci accroit les coûts de mise en place de l'agent de soutènement. Néanmoins, des coûts encore supérieurs sont encourus par suite de la densité plus élevée par rapport au sable silicieux. On comprend immédiatement qu'un agent de soutènement ayant une densité de 3,7, g/cm3 comme c'est le cas avec la bauxite frittée utilisée actuellement, nécessite une masse de matière plus grande pour remplir une fracture d'un volume donné qu'un agent

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de soutènement ayant une densité de 2,65 g/cm. En fait, le changement de densité dont il est fait état exige un supplément de 40 % en poids d'agent de soutènement à densité supérieure pour remplir le même volume que ne le nécessiterait un agent de soutènement à densité plus faible. Les agents de soutènement sont achetés au poids et un agent de soutènement à base de bauxite frittée peut atteindre un prix 20 fois supérieur, voire plus, à

celui du sable silicieux. Lorsque l'on prend en considé-

ration le facteur de la densité, le coût résultant du

passage d'un agent de soutènement à base de sable sili-

cieux à un agent de soutènement à base de bauxite frit-

tée peut entraîner une augmentation des coûts supérieure à 30 fois pour ce composant. De nombreuses tentatives ont par conséquent été faites pour produire des agents de soutènement ayant une résistance élevée par rapport au sable mais avec une densité plus faible que celle de

la bauxite frittée. Dans cet esprit, la demande de bre-

vet européen 0 087 852 de la Société Dresser Industries, Inc. s'avère judicieuse. Elle se base sur l'utilisation de minerai alumineux d'Eufala, lequel après calcination contient 40 à 60 % d'A1203 et 36,5-51 % de SiO2. Une densité inférieure à 3 g/cm3 est revendiquée pour ce

produit avec une perméabilité minimum de 100000 milli-

darcies à 700 kg/cm2 (10000 psi) et à une température ambiante.

Les données numériques présentées dans cette de-

mande de brevet indiquent que la perméabilité commence à diminuer fortement au-delà d'une contrainte de fermeture

de 700kg/cm2 (10000 psi).

Le brevet US-4 427 068 délivré à la Société Ken-

necott Corporation enseigne un procédé de fabrication de boulettes ou particules composites sphériques frittées,

comprenant une ou plusieurs argiles en tant que compo-

sant principal conjointement avec de la bauxite, de

l'alumine ou des mélanges de ceux-ci. Le produit est re-

vendiqué comme ayant une masse volumique non tassée in-

férieure à 3,40 g/cm3 et le mélange doit contenir au moins 40 % en poids à sec d'argile. Les cinq argiles pouvant être utilisées pour la fabrication de la matière sont décrites de façon spécifique. La calcination des

argiles avant la formation des boulettes est une condi-

tion préalable nécessaire.

La demande de brevet australien n' 16568/83 de la Société Norton Company est intitulée "Low Density Proppant For Oil and Gas Wells" (Agents de soutènement à faible densité pour les puits de pétrole et de gaz). Ce document passe en revue un procédé pour la production d'un agent de soutènement en céramique frittée à basse densité contenant de l'aluminium et du silicium combinés chimiquement. La teneur en oxyde d'aluminium revendiquée se situe dans le domaine de 60-85 % avec des densités

inférieures à 3,4 g/cm. Toutefois, la preuve d'une tel-

le revendication ne peut être établie à partir des exem-

ples cités. Les matières premières utilisées pour ce

faire sont de la bauxite calcinée et de l'argile con-

jointement avec un liant destiné à conférer une résis-

tance acceptable de la boulette à l'état cru.

A l'exception de la demande de brevet de Dres-

ser, tous les documents font état d'une granulométrie préférée de la matière de charge et spécifient de façon

type des granulométries inférieures à 10-15 pm à l'ex-

ception du brevet australien 521930 qui permet l'utili-

sation limitée de matières jusqu'à 50 pm. Le brevet US-4 068 718 fait état d'une granulométrie moyenne préférée

de 4-5 pm ou inférieure à 7 pm.

Dans le brevet US-4 427 068, Fitzgibbon précise qu'une petite granulométrie est nécessaire pour obtenir la densité souhaitée et indique que la granulométrie

moyenne doit être inférieure à environ 15 pm, de préf-

érence inférieure à environ 10 pm et, d'une manière plus particulièrement préférée, inférieure à environ 5 pm. A

un autre endroit, il indique qu'une granulométrie moyen-

ne inférieure à 5 pm est souhaitable et que la granulo-

métrie moyenne est, d'une manière plus particulièrement préférée, inférieure à 3 pm et habituellement supérieure

à 0,5 pm. Il mentionne par ailleurs que le mélange par-

ticulaire sec, homogène, présente une granulométrie

moyenne inférieure à environ 15 pm avant le bouletage.

Il apparaît aussitôt clairement à l'homme du métier que

le broyage de bauxites ou d'argiles calcinées pour l'ob-

tention d'une granulométrie aussi fine s'avère onéreux

en terme d'équipements, de moyens de broyage et de con-

sommation de puissance, notamment lorsque des granulomé-

tries moyennes inférieures à 3 pm sont spécifiées. Le broyage de ce type à grande échelle risque d'enlever toute rentabilité à l'ensemble du procédé et, de ce

fait, explique l'utilisation de matières ayant une gra-

nulométrie de seulement 4 à 8 pm, dans l'exemple cité

par Fitzgibbon.

Des études sur les agents de soutènement essen-

tiellement à base d'alumine et de silice en proportions variées démontrent que les principaux minéraux présents

sont le corindon (Al203 en phase " et la mullite 3A1203.

2SiO2). Les schémas de phase représentant la formation de ces minéraux sont bien connus et leur présence a été

confirmée dans une large mesure par des études minéro-

graphiques et de diffraction aux rayons X pour les pro-

duits types argile/bauxite frittées.

On observe une minéralogie similaire dans des

produits tels que la bauxite calcinée à haute températu-

re utilisée à des fins réfractaires et des bauxites cal-

cinées du type utilisé en tant que matières de charge initiales pour la production de bauxite frittée. Selon la nature des impuretés présentes, d'autres minéraux

tels que des spinelles ou des hématites peuvent égale-

ment se présenter. Des études de sections polies d'une bauxite frittée type, telle que celle mentionnée dans le document US- 4 068 718, montrent au microscope optique à haute puissance la présence de cristaux irréguliers de

corindon avec de la mullite interstitielle. La propor-

tion de corindon par rapport à la mullite est fonction des proportions de l'A1203 et de la SiO2 dans la matière

de charge initiale. Il est probable que la bauxite frit-

tée doive sa résistance & la masse d'imbrication des

cristaux de corindon, tandis que la mullite intersti-

tielle permet la survenance d'une déformation élastique

sous charge.

Pour résumer ce qui précède, on peut dire que l'art antérieur nous enseigne que les propriétés les plus souhaitables pour les agents de soutènement dans la fracturation hydraulique de formations souterraines à des profondeurs considérables sont constituées par: - une perméabilité élevée aux hautes pressions de formations; - une résistance élevée à la compression; - une résistance élevée à l'acide;

- une masse volumique ou densité faible.

Jusqu'à présent, les agents de soutènement pro-

duits à partir de la matière de charge contenant de la bauxite possédaient toutes ces propriétés, à l'exception de la faible masse volumique. Afin d'obtenir la masse volumique faible requise, des additifs à faible densité

tels que des argiles peuvent être ajoutés à la bauxite.

Ceci n'est pas avantageux car les argiles sont normale-

ment d'abord calcinées, une étape fortement consommatri-

ce d'énergie. De la même manière, la matière de charge de bauxite doit également être précalcinée, ce qui s'ajoute aux coûts de production. De surcroît, il faut ajouter des liants à l'étape de bouletage pour conférer aux boulettes une résistance acceptable à l'état cru. On

peut également noter ici que l'addition excessive de ma-

tières silicieuses telles que de l'argile, peut donner lieu à une diminution de la résistance de l'agent de

soutènement aux acides.

L'art antérieur nous enseigne également que la résistance des boulettes d'agents de soutènement est fortement tributaire de la dimension des grains des par- ties constituantes. Une granulométrie de la matière de charge inférieure à environ 5 pm, voire jusqu'à 3 pm est considérée comme étant préférable. Le broyage à grande

échelle pour obtenir ces granulométries est onéreux.

Ace jour, les hommes du métier n'ont pas été en

mesure de réconcilier les deux propriétés les plus sou-

haitables des agents de soutènement, à savoir une résis-

tance très élevée et une masse volumique faible.

La présente invention se rapporte à un agent de soutènement sensiblement amélioré, produit à partir de

bauxite. Il est supérieur à d'autres agents de soutène-

ment connus produits à partir de la bauxite, notamment eu égard aux propriétés suivantes: - perméabilité très élevée à des pressions de formation jusqu'à 1400 kg/cm2 (20000 psi); - résistance très élevée à la compression; - masse volumique faible;

- bonne résistance aux acides.

Ces caractéristiques souhaitables découlent

principalement du choix de la matière de charge, notam-

ment d'une fraction fine d'une bauxite rencontrée à

l'état naturel. La fraction fine telle qu'elle est sépa-

rée de la bauxite naturelle présente une granulométrie de façon typique d'environ 0,02 à 0,3 pm avec une aire

de surface effective associée d'environ 30 m2 par gram-

me. Il s'agit d'une granulométrie considérablement plus fine que celle de la bauxite préalablement utilisée dans la production d'agents de soutènement et elle confère les avantages suivants au procédé de fabrication:

- il n'est plus nécessaire de procéder à un pré-

broyage onéreux; - il n'est plus nécessaire de procéder à une précalcination onéreuse; - la résistance élevée des boulettes crues est obtenue sans l'addition de liant; - la très grande aire de surface de la matière

de charge rend celle-ci extrêmement réactive. Ceci en-

traine une réduction de la durée du frittage et par con-

séquent une diminution de la consommation d'énergie; - degré exceptionnellement élevé d'uniformité

dans la composition des boulettes.

Les avantages pour la fabrication et les pro-

priétés supérieures de l'agent de soutènement fini vont

être examinés en détail ci-dessous.

1. La granulométrie très fine permet un degré excep-

tionnellement élevé d'uniformité du mélange dans la

fabrication de la boulette.

2. Ladite boulette comprenant une multitude de particu-

les très fines présente de nombreux points de con-

tact entre les particules ultrafines; c'est juste-

ment à ces points de contact que le frittage sera amorcé, assurant ainsi la production rapide d'un agent de soutènement très résistant. Kingery (1976)

estime que la vitesse de frittage est approximative-

ment inversement proportionnelle à la granulométrie,

ce qui suggère que les particules ayant une granulo-

métrie moyenne de 0,2 pm ou moins, telles que celles

utilisées dans les travaux décrits ici, seront frit-

tées à une vitesse au moins 20 fois supérieure à celle des particules de 4 pm, ce dans la mesure o

la température minimum requise pour amorcer le frit-

tage est atteinte.

3. On a trouvé que la dispersion extrêmement intime des minéraux et ainsi des éléments constitutifs conduit à un degré élevé de réactivité pour chaque boulette à mesure qu'elle est chauffée, d'o la production d'un large éventail de granulométries de structures cristallines liées à la température. Les particules d'agents de soutènement conservent une résistance

très élevée pendant toutes ces modifications inter-

nes et ce d'une façon considérablement supérieure à celle normalement rencontrée avec d'autres agents de soutènement de composition chimique similaire. Ce

comportement va être décrit plus en détail ci-des-

sous. 4. La densité de la particule cuite est fonction de la

minéralogie et du volume de vides inclus à l'inté-

rieur de la particule. La présence de vides a géné-

ralement été considérée comme indésirable car elle

entraine une réduction de la résistance.

Ce facteur a conduit les chercheurs précédents à

mettre l'accent sur la nécessité d'obtenir des den-

sités de particules de bauxite frittée supérieures à

3,4 g/cm3 et de préférence entre 3,5 et 3,8 g/cm3.

On a maintenant trouvé de façon inattendue que la nature ultrafine de la matière de charge utilisée pour produire l'agent de soutènement à résistance

élevée qui est l'objet de la découverte de ce bre-

vet, provoque après la cuisson une répartion telle des pores inclus qu'une densité inférieure à 3,4

g/cm3 peut être obtenue tout en conservant des ré-

sistances appropriées pour permettre l'obtention de

niveaux élevés de perméabilité aux pressions de for-

mations jusqu'à 1400 kg/cm (20000 psi).

5. Un autre avantage supplémentaire associé à l'utili-

sation de telles matières finement divisées obtenues

à partir de la bauxite naturelle réside dans la sup-

pression de liant qu'il aurait fallu ajouter pour

maintenir un degré élevé de résistance dans la bou-

lette crue. Les forces interparticulaires à l'inté-

rieur d'une boulette compactée, réalisée à partir d'une telle matière ultrafine, sont très élevées et les boulettes sont capables de résister à la rupture par les forces qui se produisent lors du séchage et de la calcination, de sorte qu'elles peuvent être

manipulées sans précautions particulières.

6. Un avantage final et très évident découlant de la faculté d'utiliser de la bauxite naturelle non cal- cinée à la granulométrie considérée réside dans les coûts. La précalcination de la bauxite et d'autres

matières alumineuses est onéreuse et grande consom-

matrice d'énergie. La même chose s'applique égale-

ment à tout procédé de broyage intensif.

Des matières finement divisées pouvant convenir

à la production d'agents de soutènement selon l'inven-

tion sont facilement obtenues à partir des gisements de bauxite tels par exemple ceux du type se trouvant à Weipa dans le Nord du Queensland. Dans ces bauxites et

types similaires, une fraction fine est présente, la-

quelle peut facilement être séparée, par exemple en ma-

laxant les boues de bauxite dans de l'eau en présence d'un agent de dispersion. On peut utiliser une variété d'agents de dispersion tels ceux à base de composés de phosphate, mais dans le cas de la bauxite de Weipa, l'ajustement du pH à une valeur d'environ 11 au moyen de

la soude caustique est approprié pour fournir la disper-

sion requise.

L'étape de classification consiste simplement à

récupérer la fraction fine en tant que boue diluée.

Les substances solides qui y sont contenues sont séparées par décantation ou filtration et il apparaîtra

clairement à l'homme du métier que des agents de flocu-

lation peuvent être utilisés, au besoin, pour effectuer

l'élimination de l'eau plus rapidement.

Pour faciliter la préparation de la charge pour

la pelletisation ou transformation en boulettes, un sé-

chage peut s'avérer nécessaire et dans ce but, on peut

utiliser une variété d'équipements. Les équipements pré-

férés sont constitués par des sécheurs par pulvérisation ou des sécheurs à tuyères, étant donné que la matière séchée sera alors sous une forme divisée, appropriée au

bouletage dans un mélangeur intensif tel que ceux fabri-

qués par la Société Eirich en Allemagne Fédérale; toutefois, l'utilisation d'autres sécheurs ou filtres est acceptable, notamment s'ils exigent moins d'énergie

pour faire évaporer l'eau.

L'utilisation du mélangeur Eirich permet d'ag-

* glomérer en boulettes la poudre fine en présence de quantités appropriées d'eau, en principe dans le domaine de 14-18 % en poids. Le contrôle opérationnel approprié

des équipements du mélangeur permet de produire des par-

ticules sphériques uniformes dans une plage granulomé-

trique type de O,15 mm & 4,0 mm. Il est possible d'exer-

cer un contrôle sur la répartition granulométrique en

contrôlant les conditions de fonctionnement du mélan-

geur. De plus, au cas o une granulométrie particulière dépasserait celle requise pour le traitement ultérieur, la matière concernée peut être facilement recyclée dans

le procédé après réduction granulométrique ou disper-

sion, si besoin est.

On a trouvé que la fraction particulière propo-

sée dans ce document en tant que source d'agent de sou-

tènement présentait dans les gisements de Weipa une te-

neur en alumine d'environ 60 % dans une plage type de 57-63 %. De façon analogue, la teneur en silice est en moyenne d'environ 9 % pour une plage type de 7-11 %. La totalité de cette silice se présente sensiblement en

tant que kaolinite minérale, bien que de petites quanti-

tés de quartz puissent être rencontrées. En principe, la minéralogie comprend 30-50 % de gibbsite avec 22-45 % de

boehmite, 16-24 % de kaolinite et moins de 1% de quartz.

Les oxydes de fer et de titane s'élèvent & environ 9-

12 %.

Les études au microscope électronique ont con-

firmé que les particules minérales ont en principe un diamètre d'environ 0,02 & 0,3 pm et que des minéraux non combinés tels que de la boehmite, de la kaolinite et de

l'hématite sont habituellement tous présents. En d'au-

tres termes, les particules sont fréquemment de nature monominérale et en raison de l'aire de surface totale très grande, une réaction rapide entre les particules

est facilitée aux températures élevéesi produisant prin-

cipalement du corindon et de la mullite.

Lorsque l'on chauffe un tel produit jusqu'au do-

maine de températures type de 1350-1500'C nécessaire

pour produire la résistance au-delà de celle générale-

ment associée aux agents de soutènement de qualité in-

termédiaire, une série de modifications se produit dans

ces boulettes. Avant de commencer effectivement la cuis-

son, il est souhaitable d'effectuer un séchage pour en-

lever l'eau non combinée afin d'assurer la stabilité des

boulettes au moment de leur introduction dans le four.

Les minéraux d'alumine présents, à savoir la gibbsite, la boehmite et la kaolinite perdent progressivement leur eau combinée à mesure que la température est augmentée

jusqu'à environ 600'C.

Les réseaux cristallins deviennent désordonnés et à mesure que l'on accroit la température, les oxydes

d'aluminium subissent une série de changements de phase.

Il y a lieu de s'attendre à ce que la séquence des chan-

gements de phase comporte comme états de transition des formes gamma, delta, theta, khi et kappa d'alumine. La

formation de mullite commence à une température d'envi-

ron 950'C, et à environ 1050'C l'alumine entame sa con-

version en minéral de phase alpha, connu sous le nom de

corindon. Le corindon et la mullite sont les principa-

les phases terminales dans le produit final et à mesure que l'on augmente la température, les particules gagnent

en résistance à la compression en raison du développe-

ment d'une imbrication ou réseau extrêmement fin de ces minéraux. Pendant la calcination, les boulettes peuvent

voir leur diamètre rétrécir de plus de 20 %.

La réactivité élevée de la bauxite non calcinée et sa granulométrie très fine facilitent la formation des phases requises. La granulométrie de la cristallite initiale de

l'agent de soutènement soumis à des températures infé-

rieures à 1400'C est si fine que sa résolution au mi-

croscope optique s'avère difficile. L'exception à ceci est constituée par la présence de grains occasionnels de spinelle. A mesure que l'on augmente la température, une

croissance de grains significative se produit et il de-

vient alors possible de résoudre optiquement les diffé-

rents minéraux. La confirmation de la minéralogie à l'égard du corindon et de la mullite avec du titanate de fer subsidiaire a été obtenue par diffraction aux rayons X. A partir des données obtenues par diffraction aux rayons X d'un échantillon cuit à 1400'C dans un four & moufle de laboratoire, on a estimé que la dimension de

cristallite moyenne du corindon est d'environ 880 Angs-

troms et celle de la mullite de 740 Angstr'Oms (respecti-

vement, 0,088 et 0,074 pm).

A mesure que l'on augmente la température de calcination, on observe une croissance très rapide de la dimension de la cristallite, et l'on pense que ceci est

imputable au contact intime extrême des minéraux consti-

tutifs. Aux températures élevées soumises à l'étude (1450-1500'C), on observe des cristaux relativement grossiers, notamment de minéraux de type spinelle de 20 pm de longueur, voire jusqu'à 100 pm. La littérature relative aux brevets concernant les agents de soutène-

ment enseigne que les particules de ces agents de soutè-

nement contenant de tels cristaux ou grains grossiers doivent être de faible résistance. La résistance élevée

que l'on continue d'observer est imputable au développe-

ment d'une structure dite en Marmure Panama" ou "panier

tissé" de cristaux nattés d'une façon désordonnée.

Ceci est analogue à un sytème de fibres de ren-

forcement qui confère à la fracturation les propriétés souhaitables de dureté et de résistance. Là encore, ces ' propriétés semblent dépendre de la nature extrêmement fine de la charge, laquelle à son tour produit des

grains de mullite et de corindon très intimement disper-

sés, initialement très fins, et ces minéraux fins peu-

vent facilement se développer en grains plus gros tout

en conservant la résistance requise.

Par conséquent, la matière de charge utilisée est capable de fournir d'une façon inattendue un agent de soutènement à résistance élevée constante, ce malgré

la variation dans la texture et structure granulométri-

que cristalline qui se produit lors de l'exposition à

des températures différentes.

De plus, les structures internes sont telles que

la résistance est accrue au-delà de ce à quoi l'on pour-

rait s'attendre avec un agent de soutènement de composi-

tion chimique similaire produit au moyen des procédés

décrits précédemment. En même temps, la densité des bou-

lettes, laquelle dans tous les échantillons soumis aux

essais est inférieure à 3,40 g/cm3 et atteint une moyen-

ne de 3,35 g/cm3, est sensiblement inférieure à celle

des agents de soutènement de bauxite frittée.

Les valeurs excellentes de résistance et de du-

reté s'accompagnent d'une bonne stabilité à la corrosion

dans des milieux acides ou alcalins.

Il apparaît à la lecture de la description pré-

cédente que dans un de ses aspects principaux, l'inven-

tion fournit un procédé pour la fabrication d'une matiè-

re pouvant convenir à l'utilisation en tant qu'agent de

soutènement, caractérisé par les étapes opératoires sui-

vantes: (a) séparation d'une fraction fine à partir d'une bauxite rencontrée à l'état naturel et contenant celle-ci; (b) agglomération en boulettes de la fraction fine séparée en présence d'eau; (c) traitement des boulettes produites à l'étape (b) pour enlever l'eau de celles-ci;

(d) frittage du produit de l'étape (c) pour pro-

duire une matière à faible-densité convenant

à l'utilisation en tant qu'agent de soutène-

ment. Le produit final se présente, de préférence, sous la forme de particules sphériques dans la plage

granulométrique de 2 mm à 0,3 mm convenant & l'utilisa-

tion en tant qu'agents de soutènement dans la fractura-

tion hydraulique de formations avec des pressions jus-

qu'à 1400 kg/cm2 (20000 psi), dans lequel les particules

sont, de façon prédominante, composées de microcristal-

lites, de corindon et de mullite.

La matière première est de préférence constituée

par une fraction de bauxite naturelle non calcinée com-

posée en grande partie de particules monominérales de gibbsite, de boehmite et de kaolinite, la kaolinite ne

représentant pas plus de 25 % du total, lesdites parti-

cules ayant une plage granulométrique de 0,02 à 0,3 pm

et de façon typique une aire de surface effective asso-

ciée de 30 m2/g.

L'invention comprend un procédé pour la fabrica-

tion de boulettes crues à partir de la matière décrite dans le paragraphe précédent sans addition de liants ou autres additifs, lesdites boulettes ayant une résistance

suffisante à la fois à l'état humide et sec pour conser-

ver leur intégrité pendant les opérations de manipula-

tion et de traitement thermique. La densité des particu-

les calcinées de l'agent de soutènement est inférieure à

3,4 g/cm3 après calcination dans un domaine de tempéra-

tures de 1380 à 1500'C.

Dans le produit final préféré, la perméabilité d'une fraction de 850/425 pm (20/40 mailles) à 700kg/cm2 (10000 psi) dépasse 50 % de la valeur atteinte à 140

kg/cm2 (2000 psi) et conserve par ailleurs une perméabi-

lité à 1050 kg/cm2 (15000 psi) d'environ 30 % de la va-

leur à 140 kg/cm2 (2000 psi). L'invention va maintenant être illustrée plus en

détail à l'aide de l'exemple non limitatif suivant.

Exemple 1

Un échantillon de boue de bauxite produit à par-

tir du gisement de bauxite de Weipa a été mis en disper-

sion en utilisant de la soude caustique pour obtenir une

valeur de pH d'environ 11. On a fait précipiter la frac-

tion grossière et le surnageant a été recueilli par dé-

cantation. La teneur en silice de 10,5 % équivalait à

une teneur en kaolinite de 23 %. On a examiné la frac-

tion décantée au microscope électronique sous lumière transmise et on a constaté la présence de particules d'une granulométrie générale de 0,02 à 0,3 pm. Après floculation et décantation de l'eau claire, on a séché dans un sécheur sous pulvérisation un lot de la boue épaissie de particules fines contenant plus de 3 tonnes

de substances solides.

On a mélangé les éléments solides séchés avec une autre portion de boue épaissie et on l'a agglomérée

en boulettes dans un mélangeur de bouletage de la Socié-

té Eirich à un niveau d'humidité libre d'environ 17 %.

Aucun liant n'a été utilisé. Le produit fortement sphé-

rique résultant présentait une plage granulométrique ty-

pe d'environ 0,5 à 4 mm; toutefois, il a été démontré

que cette distribution granulométrique pouvait être mo-

difiée. Le produit sphérique a alors été séché jusqu'à l'obtention d'une humidité libre d'environ 2 % dans un sécheur rotatif avant d'être chargé dans un four rotatif continu. On a calciné les boulettes à une température maximum de 1500C. Les boulettes cuites résultantes avaient conservé leur forme fortement sphérique et

n'adhéraient pas les unes aux autres pendant la cuisson.

On est parvenu à un rendement de four élevé et la grande qualité de tous les échantillons prélevés, même à des températures inférieures à 1400C, a confirmé la vitesse

élevée de frittage de la matière.

Plusieurs échantillons du produit ont été préle-

vés pendant la calcination. La fraction de 0,85/0,425 mm (20/40 mailles) de chaque échantillon a été récupérée et soumise aux essais. Le tableau ci-après fournit la

moyenne arithmétique et les écarts standard des princi-

pales propriétés.

Moyenne Ecarts Arithmétique Standard

3

Densité des particules 3,35 g/cm 0,035 Masse volumique en vrac 1,91 g/cm3 0,05 Test de solubilité à l'acide selon l'American Petroleum 2,3 % 0, 14 Institute Test à l'écrasement selon l'American Petroleum Institute 5,5 % 0,9 (10000 psi) Perméabilité (Darcies) Moyenne Ecarts Arithmétique Standard kg/cm2 (1000 psi) 483 18 210k/m 210 kg/cm2 (3000 psi) 432 13 420 kg/cm2 (6000 psi) 360 19 560 kg/cm2 (8000 psi) 303 17 700 kg/cm (10000 psi) 247 22 840 kg/cm2 (12000 psi) 200 24 05kgc2 1050 kg/cm2 (15000 psi) 133 19 1400 kg/cm2 (20000 psi) 70 12

Les propriétés montrées dans le tableau ci-

dessus sont en conformité avec les spécifications de

l'Institut Américain du Pétrole (American Petroleum Ins-

titute) dans tous les cas o ces dernières seraient dis-

ponibles. Les mesures de perméabilité ont été effectuées

en utilisant de l'eau distillée à température ambiante.

Une représentation graphique du comportement de la per-

méabilité avec des contraintes de fermeture croissantes

est annexée au présent brevet. On a incorporé les résul-

tats de deux agents de soutènement intermédiaires, l'une à base d'un mélange de bauxite et d'argile calcinées et

l'autre à base d'argile alumineuse pour comparer le com-

portement. Des niveaux relativement élevés de perméabilité ont été conservés pendant toute la durée des essais de conductivité. Par exemple, il est usuel de comparer les perméabilités aux pressions élevées à celles obtenues à kg/cm2 (2000 psi). Dans le brevet US 4 427 068,

Fitzgibbon revendique que la diminution de la perméabi-

lité lorsque l'on passe de 140 kg/cm2 (2000 psi) à 700 kg/cm (10000 psi) ne dépasse pas les trois quarts (75 %). Dans la demande de brevet européenne 0 087 852,

la diminution est d'environ 65 %.

En comparaison, la matière de la présente inven-

tion, après avoir été soumise à une pression de 700 kg/cm2 (10000 psi), ne perd que 46 % de la conductivité réalisée à 140 kg/cm2 (2000 psi) et même à 1050 kg/cm2

(15000 psi) elle conserve encore environ 30 % de sa con-

ductivité.

Il demeure évidemment bien entendu que l'inven-

tion dans ses aspects généraux n'est pas limitée aux

détails spécifiques dont il a été fait référence ci-des-

sus.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour la fabrication d'une matière

convenant à l'utilisation en tant qu'agent de soutène-

ment, caractérisé par les étapes opératoires suivantes: (a) séparation d'une fraction fine à partir d'une bauxite rencontrée à l'état naturel et contenant celle-ci; (b) agglomération en boulettes de la fraction fine séparée en présence d'eau; (c) traitement des boulettes produites à l'étape (b) pour enlever l'eau de celles-ci;

(d) frittage du produit de l'étape (c) pour pro-

duire une matière à faible densité convenant

à l'utilisation en tant qu'agent de soutène-

ment.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fraction fine séparée à l'étape (a) est une fraction de bauxite naturelle non calcinée, composée en grande partie de particules monominérales de gibbsite,

de boehmite et de kaolinite, la kaolinite ne représen-

tant pas plus de 25 % du total, lesdites particules ayant une plage granulométrique de 0,02 à 0,3 pm et de façon typique une aire de surface effective associée de

m2/g.

3. Matière convenant à l'utilisation en tant qu'agent de soutènement, préparée par le procédé selon la revendication 1 et caractérisée en outre en ce

qu'elle se présente sous la forme de particules sphéri-

ques dans la plage granulométrique de 2 mm à 0,3 mm ap-

propriée à l'utilisation en tant qu'agent de soutènement dans la fracturation hydraulique de formation présentant des pressions allant jusqu'à 1400 kg/cm2 (20000 psi), dans laquelle les particules sont de façon prédominante

composées de microcristallites de corindon et de mulli-

te.

4. Procédé pour la fabrication de boulettes crues comprenant les étapes opératoires suivantes: (a) séparation d'une fraction fine d'une bauxite rencontrée à l'état naturel et contenant

celle-ci, ladite fraction fine étant compo-

sée en grande partie de particules monominé-

rales de gibbsite, de boehmite et de kaoli-

nite, la kaolinite ne représentant pas plus de 25 % du total, lesdites particules ayant une plage granulométrique type de 0,02 à

0,3 pm et de façon typique une aire de sur-

face effective associée de 30 m2/g; et

(b) agglomération en boulettes de ladite frac-

tion fine sans liant ou autres additifs, en présence d'eau; caractérisé par ailleurs en ce que lesdites boulettes crues après séchage et calcination subséquents peuvent produire une matière appropriée à l'utilisation en tant qu'agent de soutènement ayant une densité inférieure à 3,4.

5. Procédé pour la fabrication d'une matière ap-

propriée à l'utilisation en tant qu'agent de soutène-

ment, caractérisé par les étapes opératoires suivantes: (a) séparation d'une fraction fine d'une bauxite rencontrée à l'état naturel et contenant

celle-ci; ladite fraction fine étant compo-

sée en grande partie de particules monominé-

rales de gibbsite, de boehmite et kaolinite, la kaolinite ne représentant pas plus de % du total, lesdites particules ayant une plage granulométrique type de 0,02 à 0,3 pm

et de façon typique une aire de surface ef-

fective associée de 30 m2/g; (b) agglomération en boulettes de la fraction fine séparée dans l'eau sans liant ou autres additifs pour produire des boulettes crues,

lesdites boulettes ayant une résistance suf-

fisante à la fois à l'état humide et sec pour conserver leur intégrité pendant les manipulations et opérations de traitement thermique; (c) traitement des boulettes produites à l'étape

(b) pour enlever l'eau contenue dans celles-

ci; (d) frittage du produit de l'étape (c) à une température dans la plage de 1350 à 1500'C pour produire une matière appropriée à

l'utilisation en tant qu'agent de soutène-

ment, ladite matière ayant une densité in-

férieure à 3,4 g/cm3.

6. Matière appropriée à l'utilisation en tant qu'agent de soutènement, produite par le procédé selon

les revendications 1, 2 ou 5, et caractérisée, en outre,

en ce que la perméabilité d'une fraction de 850/425 pu (20/40 mailles) & 700 kg/cm2 (10000 psi) dépasse 50 % de la valeur obtenue à 140 kg/cm2 (2000 psi) et conserve par ailleurs une perméabilité à 1050 kg/cm2 (15000 psi)

d'environ 30 % de la valeur à 140 kg/cm2 (2000 psi).

7. Matière selon la revendication 6, caractéri-

sée en outre en ce qu'elle se présente sous la forme de particules sphériques dans la plage granulométrique de 2 mm à 0,3 mm appropriée à l'utilisation en tant qu'agent de soutènement dans la fracturation hydraulique de formation présentant des pressions allant jusqu'à 1400 kg/cm2 (20000 psi), dans laquelle les particules

sont de façon prédominante constituées par des micro-

cristallites de corindon et de mullite.