MX2012009102A

MX2012009102A - Particulas ceramicas y metodos para producirlas.

Info

Publication number: MX2012009102A
Application number: MX2012009102A
Authority: MX
Inventors: Thomas Szymanski; Walter T Stephens; Kevin R Dickson; Tihana Fuss; Ian Jaeger; Danny Louis Michelson; Sen Suchira
Original assignee: Saint Gobain Ceramics
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2011-02-08
Publication date: 2012-09-07
Also published as: RU2516421C2; RU2012136201A; PL2534113T3; WO2011100203A3; CA2788991A1; BR112012019714A2; EP2534113B1; EP2534113A4; CN102753501A; EP2534113A2; AU2011216058A1; WO2011100203A2; MX337752B; US9074124B2; CA2788991C; US20130123152A1; CN102753501B; NO2534113T3

Abstract

Se divulga una población de partículas cerámicas que incluye diversas partículas individuales que fluyen libremente. La diversidad tiene una distribución del peso total y del tamaño de las partículas. El ancho efectivo de la distribución es la diferencia entre los tamaños de partículas d95 y d5 de la distribución. El ancho efectivo de la distribución excede los 100 micrones e incluye tres regiones contiguas y no superpues.tas que incluyen una primera región, una segunda región y una tercera región. La primera región colinda con la segunda región y la segunda región colinda con la tercera región. El ancho de la segunda región es al menos un 25% del ancho efectivo. El peso de las partículas en la segunda región no excede el 15% del peso total de las diversas partículas. El peso de las partículas en la primera región y en la tercera región excede cada una el peso de las partículas en la segunda región. También se divulgan métodos para fabricar las poblaciones de partículas cerámicas.

Description

PARTICULAS CERAMICAS Y METODOS PARA PRODUCIRLAS Antecedentes de la Invención Las poblaciones de partículas cerámicas se pueden utilizar en una amplia variedad de procesos industriales y productos incluidos, por ejemplo: medios abrasivos; como revestimiento granular para tejas de asfalto para techo; como medio de filtrado para líquidos; como sustituto de la arena en procesos de moldeo por inversión; y como agentes de sostén en operaciones de perforación de fondo en las que las partículas cerámicas se pueden llamar agentes de sostén. Los agentes de sostén hechos de partículas cerámicas se pueden utilizar en pozos profundos donde la presión ejercida sobre los agentes de sostén excede la resistencia a la rotura de los agentes de sostén convencionales como arena y arena revestida con resina.

Los ejemplos de patentes y las solicitudes de patentes publicadas que se refieren a agentes de sostén incluyen los documentos de los Estados Unidos: 3,376,930; 4,632,876; 7,067,445; 7,528,096; 2006/0177661 y 2008/0000638.

Sumario de la Invención Las modalidades de la presente invención incluyen poblaciones de partículas que tienen ciertas características para mejorar la fuerza de rotura, la conductividad y la resistencia al asentamiento, al tiempo que también bajan los Ref . : 233934 costos de fabricación para el productor de las partículas cerámicas. Las poblaciones de partículas cerámicas descritas en la presente se pueden crear utilizando kits y materias primas convencionales.

Una modalidad de la presente invención comprende poblaciones de partículas cerámicas que comprenden diversas partículas individuales que fluyen libremente. Las diversas partículas tienen una distribución del peso total y del tamaño de las partículas que incluye tamaños de partículas d95 y d5. La distribución tiene un ancho efectivo que es la diferencia entre los tamaños de partículas d95 y d5 de la distribución. El ancho efectivo de la distribución excede los 100 micrones y comprende tres regiones contiguas y no superpuestas que incluyen una primera región, una segunda región y una tercera región. La primera región colinda con la segunda región y la segunda región colinda con la tercera región. El ancho de la segunda región es al menos un 25% del ancho efectivo. El peso de partículas en la segunda región no excede el 15% del peso total de la población y el peso de las partículas en la primera región y la tercera región excede en cada una el peso dé las partículas en la segunda región.

Otra modalidad de la presente invención se refiere a un proceso para la fabricación de una población de partículas cerámicas. El proceso puede incluir las siguientes etapas.

Proporcionar una población inicial de partículas que tiene una distribución del peso total y del tamaño de las partículas. Separar la población inicial de partículas en al menos tres porciones, identificadas aquí como la porción A, la porción B y la porción C, donde el d50 de la porción A es menor que el d50 de la porción B, el cual es menor que el d50 de la porción C. Combinar la porción A y la porción C creando así una población final de partículas que tiene una distribución del peso total y del tamaño de partículas que incluye los tamaños de partículas d95 y- d5. El ancho efectivo de la distribución es la diferencia entre los tamaños de partículas d95 y d5 de la distribución. El ancho efectivo de la distribución excede los 100 micrones y comprende tres regiones contiguas y no superpuestas que incluyen una primera región, una segunda región y una tercera región. La primera región colinda con la segunda región y la segunda región colinda con la tercera región. El ancho de la segunda región es al menos un 25% del 'ancho efectivo'. El peso de partículas en la segunda región no excede el 15% del peso total de la población final y el peso de las partículas en la primera región y la tercera región excede en cada una el peso de las partículas en la segunda región.

Otra modalidad se refiere a otro proceso para la fabricación de una población de partículas cerámicas. El proceso puede comprender las siguientes etapas. Proporcionar una primera población de partículas y una segunda población de partículas donde el d90 de la primera población es menor que el d10 de la segunda población. Combinar la primera población y la segunda población creando así una población final que tiene una distribución del peso total y del tamaño de partículas que incluye los tamaños de partícula d95 y d5. La distribución tiene un ancho efectivo que es la diferencia entre los tamaños de partículas d95 y d5 de la distribución. El ancho efectivo de la distribución excede los 100 micrones y comprende tres regiones contiguas y no superpuestas que incluyen una primera región, una segunda región y una tercera región. La primera región colinda con la segunda región y la segunda región colinda con la tercera región. El ancho de la segunda región es al menos un 25% del ancho efectivo. El peso de las partículas en la segunda región no excede el 15% del peso total de la población final y el peso de las partículas en la primera región y la tercera región excede en cada una el peso de las partículas en la segunda región.

Breve Descripción de las Figuras La Fig. 1 es una primera gráfica del porcentaje en peso con respecto al diámetro de partícula; La Fig. 2 es un diagrama de flujo de un primer proceso; La Fig. 3 es una segunda gráfica del porcentaje en peso con respecto al diámetro de partícula; y La Fig. 4 es un diagrama de flujo de un segundo proceso.

Descripción Detallada de la Invención Según se utiliza en la presente, la frase "población de partículas cerámicas" se utiliza como descripción general de diversas partículas cerámicas, individuales, que fluyen libremente. Los términos como agente de sostén, granos abrasivos y gránulos para techo divulgan las poblaciones de partículas cerámicas que se utilizan en aplicaciones específicas.

Según se utilizan en la presente, los términos "agente de sostén" o "agentes de sostén" se utilizan de forma intercambiable para identificar una gran cantidad de partículas cerámicas que generalmente se mezclan con un fluido fracturante y luego se insertan a presión en un agujero de perforación. Las partículas, que pueden tener un diámetro promedio entre 200 micronés y 2,4 mm, quedan incrustadas en fisuras creadas en la formación geológica mediante el fluido fracturante. Después de retirar el fluido fracturante, las partículas permanecen en las fisuras. Puesto que los fluidos ubicados cerca del agujero de perforación se drenan a través de las fisuras, dentro del agujero y luego se bombea hacia la superficie del agujero, las partículas individuales mantienen los pasajes abiertos a través de las fisuras, permitiendo así que fluidos adicionales llenen el agujero. El uso de agentes de sostén puede mejorar el desempeño económico del agujero permitiendo la captura de más líquido que el que sería posible si no se utilizaran agentes de sostén en el mismo agujero.

A los efectos de fabricar grandes cantidades de partículas cerámicas como agentes de sostén, los fabricantes comerciales de agentes de sostén artificiales pueden utilizar mezcladoras del estilo de cubeta giratoria para mezclar ingredientes secos con ingredientes húmedos y luego formar una gran cantidad de partículas esféricas deformables manualmente a las que se les puede llamar cerámica cruda. La cerámica cruda, antes de aplicar cualquier otro proceso como separación o calentado se puede denominar en la presente como la población original de partículas.

Con respecto a los ingredientes secos utilizados para hacer cerámica cruda, los materiales de partida, apropiados incluyen óxidos como óxidos de aluminio, óxidos de silicio, óxidos de magnesio y mezclas de estos. Otros ejemplos de materiales de partida incluyen arcillas (que predominantemente son alúmina hidratada) , como caolina, arcilla diáspora, arcilla nudosa y arcilla dura, arcillas bauxíticas, bauxitas naturales o sintéticas, aluminosilicatos , silicatos de magnesio, mezclas de estos y similares. Se pueden agregar diversos ayudantes de sinterización, como arcilla bentonita, óxido de hierro, boro, carburo de boro, diboruro de aluminio, nitruro de boro, fosfuro de boro, otros compuestos de boro, o flujos, como carbonato de sodio, carbonato de litio, feldespato, óxido de manganeso, titania y silicatos de sodio en cantidades de hasta aproximadamente un diez por ciento en peso para ayudar a la sinterización. Si se desea, se puede agregar un aglutinante a la mezcla para mejorar la formación de partículas y aumentar la resistencia de la cerámica cruda. Generalmente el aglutinante se agrega en aproximadamente un 0-6 por ciento en peso sobre el peso de los óxidos. Los materiales aglutinantes apropiados incluyen almidón, resina o cera, carbonato de calcio o una combinación de estos. Los ingredientes secos se pueden moler mediante un molino de bolas u otros procesos de atrición. Antes de la molienda, se puede secar los ingredientes secos para mejorar la facilidad de molienda.

En una modalidad, los ingredientes secos se pueden combinar con un ingrediente húmedo, como agua, y mezclar en una mezcladora intensiva que ; tenga un recipiente de contención giratorio provisto con una mesa de rotación y un propulsor de impacto giratorio como una mezcladora Eirich. La mesa de rotación, o cubeta, gira en dirección opuesta al propulsor de impacto. El propulsor de impacto puede ser en forma de un disco con varillas o barras unidas al disco y alineadas generalmente en forma paralela al eje de rotación del propulsor. Se necesita suficiente agua para provocar que se formen partículas esencialmente esféricas. Después de que se formaron las partículas, se puede agregar polvo cerámico adicional y se puede volver a operar la mezcladora para provocar acumulación del material agregado a las partículas en formación. Después se seca la cerámica cruda resultante, generalmente en una secadora entre aproximadamente 100 °C y aproximadamente 300 °C, para obtener un contenido de humedad menor a aproximadamente un 10 por ciento del peso.

En procesos convencionales, la distribución de diámetros de partículas producidos por el aglomerador es tan amplia que la distribución incluye partículas de gran tamaño y partículas que tienen un tamaño muy pequeño, al igual que partículas que tienen el tamaño apropiado para utilizar en un agujero de perforación. Las partículas de gran tamaño pueden ser muy grandes para funcionar como agentes de sostén porque son difíciles de colocar en la formación geológica. Los agentes de sostén de tamaño muy pequeño pueden ser muy pequeños para funcionar como agentes de sostén porque tienden a llenar los huecos entre otras partículas agentes de sostén con el tamaño apropiado y reducen así la conductividad de un fluido a través del relleno de agente de sostén. Por consiguiente, los fabricantes de agentes de sostén generalmente extraen las partículas de gran tamaño y las de tamaño muy pequeño a los efectos de producir agentes de sostén comercialmente viables que tengan una conductividad y una resistencia a la rotura aceptables. Sin embargo, a medida que el ancho de la distribución del tamaño de partículas disminuye mediante la eliminación de partículas de gran tamaño y de tamaño muy pequeño, las partículas restantes en la distribución tienden a formar una distribución monomodal con mejor conductividad que la población original pero la rotura puede aumentar más allá de un nivel aceptable. Las partículas de gran tamaño y las de tamaño muy pequeño se retiran de la población original haciendo fluir las partículas a través de una serie de filtros. Cada filtro contiene varios agujeros de forma y tamaño uniformes que permiten que las partículas más pequeñas que la abertura» del agujero del filtro fluyan a través del filtro e impiden que las partículas más grandes que la abertura del agujero del filtro lo atraviesen. Como se explicó anteriormente,' si el proceso de fabricación del agente de sostén no puede controlar el diámetro de las partículas individuales de agente de sostén tan precisamente como se desearía, el proceso de filtrado puede necesitar desviar y después reciclar grandes cantidades de la población de agente de sostén original que son ya sea demasiado grandes o demasiado pequeñas. En algunas operaciones comerciales, se retira hasta un 30 por ciento en peso de los agentes de sostén durante el proceso de filtrado y luego se los devuelve al inicio del proceso de fabricación del agente de sostén donde se los puede recuperar. Se conocen procesos de fabricación de agentes de sostén que rinden menos de un 70 por ciento en peso de producto utilizable en una sola pasada. Si bien el material reciclado puede ser recuperable, evitando así una pérdida económica significativa en los costos de material, el trabajo que implica la fabricación y recuperación de un 30 por ciento en peso de la cerámica cruda es una carga económica que en última instancia aumenta el costo de producción del agente de sostén.

La cerámica cruda y filtrada se puede entonces calentar en un horno a una temperatura elevada, como 1.000 °C o más, sinterizando así y/o uniendo unos con otros los granos aglomerados de los ingredientes secos y formando partículas de agentes de sostén, porosas, resistentes a la rotura. Las temperaturas apropiadas de sinterización generalmente están entre aproximadamente 1.200 °C y podrían ser tan altas como 1.500 °C.

Como se explicará más adelante, una modalidad de un proceso de esta invención reduce el costo de producir el agente de sostén separando una cantidad inicial de partículas en al menos tres porciones, las cuales se identifican en la presente como la porción' A, la porción B y la porción C, y combinando luego la porción A con la porción C creando así una población final de agente de sostén. La porción B se puede vender como un producto separado sin más procesamiento. Los ahorros en los costos de trabajo asociados con mejorar sustancialmente el rendimiento del proceso de fabricación pueden mejorar significativamente el desempeño económico del proceso de fabricación de agentes de sostén.

Los agentes de sostén se pueden caracterizar utilizando una o más características físicas incluida la distribución del tamaño de partículas. Como se utiliza en la presente, la distribución del tamaño de partículas se determina utilizando un analizador de tamaño de , partículas óptico CAMSIZER® fabricado por Retsch Technology en Alemania. El analizador de tamaño de partículas proporciona una gráfica de la distribución del tamaño de partículas que puede indicar varios parámetros de medición del tamaño de partículas, como d50, que se utiliza para identificar el diámetro de partícula que es menor al 50 por ciento de los diámetros de partículas y mayor al 50 por ciento de los diámetros de partículas. De modo similar, d5 identifica el diámetro de partícula que es menor al 95 por ciento de los diámetros de partículas y mayor al 5 por ciento de los diámetros de partículas. Para cualquier distribución, se pueden calcular valores similares para otros parámetros de medición de tamaño de partículas, como dio, d25, d75 y d90.

Otra característica física importante utilizada para describir los agentes de sostén es la conductividad, que en forma general se puede describir como una medida de la resistencia que el agente de sostén ejerce sobre un fluido a medida que el fluido se mueve a través del agente de sostén.

La conductividad se determina utilizando el procedimiento descrito en ISO 13503-5.

Otra característica importante es la capacidad de un agente de sostén de soportar la rotura. La resistencia a la rotura es un término que se utiliza comúnmente para denominar a la fuerza de un agente de sostén y se puede determinar utilizando ISO 13503-2. Un agente de sostén fuerte genera un porcentaje en peso de agente de sostén roto más bajo que un agente de sostén débil, bajo la misma tensión de cierre. Por ejemplo, en las mismas condiciones de prueba, un agente de sostén que tiene un 2 por ciento en peso de agente de sostén roto se considera un agente de sostén fuerte y se lo prefiere a un agente de sostén que. tiene un 10 por ciento en peso de agente de sostén roto.

Cuando se utilizan agentes de sostén en operaciones de perforación, las partículas se mezclan con un fluido que luego se bombea fuertemente por el agujero. A medida que el fluido y las partículas atrapadas en el mismo se bombean dentro del pozo, algunas de las partículas tienden a asentarse a una mayor velocidad que otras en la misma población de partículas. La profundidad del pozo puede impactar en el grado de separación en pozos poco profundos (es decir, menos de 2.000 metros) experimentando menos separación que los pozos profundos (es decir, más de 4.000 metros) si se utiliza la misma mezcla de fluido fracturante y agente de sostén en cada pozo. En la presente se puede hacer referencia a este fenómeno como el "problema de asentamiento del agente de sostén", que es un problema persistente y ampliamente reconocido por las empresas que utilizan agentes de sostén como parte de su proceso para fracturar formaciones geológicas. El problema de asentamiento del agente de sostén puede conducir a que las partículas pequeñas se acumulen en un lugar de la zona de fractura mientras que las partículas grandes se acumulan en un segundo lugar de la zona de fractura. El asentamiento incontrolado de partículas en la zona de fractura puede disminuir la efectividad del agente de sostén disminuyendo así el desempeño económico del pozo. Los inventores de esta invención reconocen que este problema podría reducirse sustancialmente o eliminarse coordinando la selección de las características físicas de los agentes de sostén, por ejemplo la distribución del tamaño de partícula y la gravedad específica, y de las composiciones químicas de modo que la mayor parte de las partículas se asienten aproximadamente a la misma velocidad. Si se mezcla una primera población de agente de sostén que tenga un primer tamaño de partícula media y una gravedad específica media con una segunda población de agente de sostén que tenga un tamaño de partícula medio y una gravedad específica media diferentes de modo que todas las partículas en la población final de partículas se asienten aproximadamente a la misma velocidad, se podría resolver sustancialmente el problema de asentamiento del agente de sostén.

Los inventores de la presente invención reconocen también que coordinar la selección de una primera población de agente de sostén que tenga un tamaño de partícula y una gravedad específica conocidos y una segunda población que tenga un tamaño de partícula y/o una gravedad específica conocidos que sea de agente de sostén diferente al tamaño de partícula y la gravedad específica de la primera población de agente de sostén se puede utilizar intencionalmente para crear un espectro de velocidades de asentamiento que se pueden utilizar para provocar una diferencia beneficiosa y controlable en las velocidades a las que se asientan las partículas. Por ejemplo, se puede hacer que las pequeñas partículas que tengan una gravedad específica alta se asienten más rápido que las partículas grandes que tienen una gravedad específica baja. Si se desea, la diferencia en el asentamiento se puede acentuar de modo que la mayor parte de las partículas pequeñas entren en las fracturas en la formación geológica y viajen lo más lejos posible dentro de las fisuras antes de que las partículas más grandes alcancen la abertura de la fisura. Puede ser deseable insertar selectivamente las partículas más pequeñas y después las partículas más grandes porque esto puede prevenir el flujo de retorno de partículas que consiste en el retiro no deseado de partículas de las fisuras a medida que se retira el fluido fracturante .

En la Fig.l se muestra una gráfica del porcentaje en peso contra el diámetro para una población de partículas. cerámicas de una modalidad de esta invención. El ancho efectivo de distribución, ver flecha 28, se define en la presente como la distancia entre el tamaño de partícula d5, ver flecha 30, y el tamaño de partícula d95, ver flecha 32. Como se describió anteriormente, el d5 y el d95 de la distribución del tamaño de partícula se pueden determinar utilizando un analizador de tamaño de partícula óptico. Dentro del ancho efectivo hay al menos tres regiones contiguas y no superpuestas incluidas la primera región 34, la segunda región 36 y la tercera región 38. La primera región colinda con la segunda región y la segunda región colinda con la tercera región. El peso de las partículas en la primera región y el peso de las partículas en la tercera región exceden cada uno el peso de las partículas en la segunda región. En la Fig. 1, el peso de las partículas en la primera y tercera región es un 40 por ciento del peso total de la población y el peso de las partículas en la segunda región es un 10 por ciento. Con respecto al tamaño de partícula medio, también denominado en la presente como el d50, el dso de la primera región es inherentemente menor al d50 de la segunda región, el cual es inherentemente menor al d50 de la tercera región. Además, el ancho de la segunda región, que se define como la diferencia entre l tamaño de partícula dmin, ver flecha 40, y dmax, ver flecha 42, es aproximadamente un 25% del ancho del ancho efectivo 28.

Con respecto a los porcentajes en peso de la primera, segunda y tercera región, una población de partículas cerámicas de esta invención puede tener una primera región y una tercera región que tengan individualmente entre un .5 y un 85 por ciento en peso del peso total de la población siempre que el total de la primera y la tercera región no exceda el 90%. La segunda región no excede un 15 por ciento en peso del peso total de la población. En algunas modalidades, la segunda región puede consistir en no más de un 10 por ciento en peso, un 5 por ciento en peso o hasta un 0 por ciento en peso del peso total de la población. También es posible que los porcentajes en peso de la primera o tercera región estén entre 5 y 85, por ejemplo, 15, 35, 40,0, 63,5 y 75,7. De forma similar, es posible que los porcentajes en peso de la segunda región estén entre 0 y 15, por ejemplo 3,0, 6,2, 9,5 y 12 , 1.

Las fronteras de la primera, segunda y tercera región que se muestran en la Fig. 1 se definen para utilizar en la presente como se indica a continuación. La primera región se extiende desde el d5 de la población hasta el dmin de la segunda región. La tercera región se extiende desde el dmax de la segunda región hasta el d95 de la población. La segunda región existe entre la primera región y la tercera región, ocupando así la región entre el dmin y el dmax. Para una población de partículas cerámicas particular, el dmin y el dmax son los tamaños de partícula que definen cooperativamente una región que simultáneamente: (1) ocupa al menos un 25 % del ancho de distribución entre sus tamaños de partícula d5 y d95; (2) el porcentaje en peso de las partículas en la primera región y la tercera región excede en cada una el porcentaje en peso de las partículas en la segunda región; y (3) el porcentaje en peso de las partículas en la segunda región no excede un 15 por ciento en peso del peso total de la población. Las fronteras de la segunda región (es decir, los tamaños de partícula correspondientes al drain y el d„,ax) se pueden determinar utilizando un analizador de tamaño de partículas para determinar los diámetros de partículas en la población de partículas y utilizar luego tamices para determinar el porcentaje en peso de partículas entre diámetros de partículas seleccionados .

En la Fig. 2 se muestra un diagrama de flujo de un proceso que se puede utilizar para producir una modalidad de una población de partículas cerámicas de esta invención. La etapa 50 representa proporcionar una cantidad inicial de partículas que tiene una distribución de peso total y del tamaño de partículas. La cantidad inicial puede tener una distribución del tamaño de partículas raonomodal o multimodal y se puede producir utilizando materias primas y kits convencionales, como secadores por atomización, mezcladoras de cizallamiento de alta intensidad y aglomeradores , conocidos por los expertos en la técnica de la fabricación de agentes de sostén. En la etapa 52, la cantidad inicial de partículas se separa en una porción A, una porción B y una porción C que se identifican en la Fig. 2 por lo.s números de partes 54, 56 y 58 respectivamente. El d50 de la porción A es menor que el d50 de la porción B el cual es menor que el d50 de la porción C. La separación de la cantidad inicial en tres porciones se puede realizar utilizando un sistema de clasificación de aire, un separador ciclónico o un mecanismo de filtrado. La etapa 60 representa combinar la porción A con la porción C para crear una población final de partículas cerámicas 62 que no incluye la porción B. Las partículas de la porción B se pueden vender sin más filtrados u otras modificaciones evitando así los costos asociados a recuperar un 25% o más de las partículas de la cantidad inicial de partículas cerámicas.

La Fig. 3 divulga una distribución hipotética del tamaño de partículas de diversas partículas cerámicas que se podrían fabricar mediante el proceso divulgado en la Fig. 2 donde, después de que se dividió la cantidad inicial de partículas en una porción A, una porción B y una porción C, se combinaron las porciones A y C, creando así la población final de partículas cerámicas que tiene la distribución de tamaño de partículas que se divulga en la Fig. 3. La población final de las partículas cerámicas tiene un peso total y una distribución de tamaño de partícula que incluye los tamaños de partícula d95 y d5. El ancho efectivo de la distribución, que es la diferencia entre los tamaños de partícula d95 y d5 de la distribución, excede los 100 micrones y comprende tres regiones contiguas y no superpuestas que incluyen una primera región 34, que colinda con la segunda región 36, que colinda con la tercera región 38. El ancho de la segunda región es al menos un 25% del ancho efectivo y el peso de las partículas en la segunda región no excede el 15% del peso total de la población final. Además, el peso de las partículas en la primera región y en la tercera región excede cada uno el peso de las partículas en la segunda región.

En referencia a la Fig. 4 se describirá otro proceso para fabricar una modalidad de la invención del solicitante, donde la etapa 80 representa proporcionar una primera cantidad de partículas que tiene un tamaño de partícula d90. La etapa 82 representa proporcionar una segunda cantidad de partículas que tiene una distribución de tamaño de partículas que tiene un tamaño de partícula d10. La primera y la segunda cantidad de partículas se seleccionan de modo que el d90 de la primera cantidad sea menor que el d10 de la segunda cantidad.

En la etapa 84 , la primera y segunda cantidad se mezclan luego para crear una población final de partículas cerámicas. La población final tiene una distribución de tamaño de partículas que incluye un tamaño de partícula d5 y d95. La distribución tiene un ancho efectivo que es la diferencia entre los tamaños de partículas d95 y d5. El ancho efectivo excede los 100 micrones y comprende tres regiones contiguas y no superpuestas que incluyen una primera región que colinda con una segunda región, la cual, a su vez, colinda con una tercera región. El peso de las partículas en la primera región y en la tercera región excede cada uno el peso de las partículas en la segunda región. El ancho de la distribución del tamaño de partículas de la segunda región es al menos un 25% del ancho del ancho efectivo de la población final.

Con respecto al proceso divulgado en la Fig. 4, la primera cantidad de partículas tiene una gravedad específica media y una distribución de tamaño de partícula medio. La segunda cantidad de partículas tiene una gravedad específica media y una distribución de tamaño de partícula medio. En algunas modalidades, la gravedad específica media de las partículas en la segunda cantidad puede ser al menos un 10% menos que la gravedad específica media de las partículas de la primera cantidad. Si se desea, la gravedad específica media de las partículas en la segunda cantidad puede ser un 15%, un 20% o hasta un 25% menos que la gravedad específica media de las partículas de la primera cantidad. Al coordinar la selección de las distribuciones del tamaño de partícula y las gravedades específicas medias, se puede hacer que la primera cantidad de partículas se asiente a aproximadamente la misma velocidad que la segunda cantidad de partículas. En algunas modalidades, controlar la gravedad específica media de la segunda cantidad de partículas a al menos un 10 por ciento en peso menos que la gravedad específica media de la primera cantidad de partículas mitigará sustancialmente o impedirá el asentamiento no deseado de partículas.

Si como en el proceso que se divulga en la Fig. 4 se combinan dos poblaciones de partículas diferentes para fabricar una modalidad de una población de partículas cerámicas de esta invención, entonces tanto las características físicas (es decir, la gravedad específica y la distribución del tamaño de las partículas) como las químicas (es decir, composiciones) de la primera y segunda cantidad se podrán seleccionar independientemente para crear una población final. Por ejemplo, en una modalidad una población de partículas cerámicas de esta invención puede tener una distribución de tamaño de partícula que tiene una primera región 34, una segunda región 36 y una tercera región 38, según se muestra en la Fig. 3. En esta modalidad no hay partículas en la segunda región. Las partículas en la primera región 34 pueden ser químicamente idénticas a las partículas en la tercera región 38. Alternativamente, las partículas en la primera región pueden tener una primera composición química y las partículas en la tercera región pueden tener una segunda composición química que es químicamente distinta a la primera composición química. Según se utiliza en la presente, se considera que dos composiciones químicas son "químicamente distintas" si: (1) las composiciones no contienen al menos un compuesto químico en común; o (2) si las composiciones contienen al menos un compuesto químico en común, entonces hay al menos un 10 por ciento en peso de diferencia, basado en el peso total de la composición, entre la cantidad del compuesto en la primera composición y la cantidad del compuesto en la segunda composición. Se puede utilizar un aparato analítico fluorescente (XRF, por sus siglas en inglés) para determinar las cantidades de compuestos como Al203 y Si02. Por ejemplo, en una primera modalidad, si toda la población de partículas en la población de partículas cerámicas está hecha de bauxita que tiene una primera composición química que incluye hasta un 30 por ciento en peso de Al203, entonces las composiciones químicas de las regiones no son químicamente distintas. En una segunda modalidad, si las partículas en la primera región están hechas de bauxita y las partículas en la tercera región tienen una composición química que incluye menos de un 1 por ciento en peso de Al203 y al menos un 50 por ciento en peso de Si02, entonces las composiciones de la primera y la tercera región son químicamente distintas. En la segunda modalidad, las partículas en la tercera región pueden incluir arena. En una tercera modalidad, si las partículas en la primera región están hechas de bauxita y por lo tanto tienen un 60 por ciento en peso o más de Al203 mientras que las partículas en la tercera región están hechas de una arcilla que incluye menos de un 50 por ciento en peso de Al203, entonces las composiciones de la primera y la tercera región son químicamente distintas.

Con respecto al relleno de partículas de agentes de sostén cuando se las inserta en una fisura en una formación geológica, la distribución de diámetros de partículas del agente de sostén puede impactar en la disposición física de las partículas rellenas, lo cual podría impactar en la fuerza de rotura y la conductividad del agente de sostén. Consideremos, por ejemplo, un relleno de agente de sostén que incluye una mezcla de tres tamaños de partículas de agentes de sostén diferentes que tienen diámetros medios de D1( D2 y D3 , respectivamente, donde las partículas de menor diámetro tienen un diámetro medio igual a Di( las partículas de diámetro mediano tienen un diámetro medio igual a D2, y las partículas más grandes tienen un diámetro medio igual a D3. Dentro del relleno, las partículas de diámetro más grande frecuentemente pueden colindar unas con otras formando así una matriz esencialmente continua que define numerosos pasajes entre las mismas. Las partículas de tamaño mediano y las partículas de tamaño pequeño se pueden seleccionar para que llenen fácilmente los pasajes entre las partículas más grandes . Debido a que las partículas de diámetro más grande forman una matriz a lo largo del relleno, la resistencia a la rotura de las partículas más grandes determina esencialmente la resistencia a la rotura del relleno de agente de sostén. Dentro del mismo relleno, las partículas de diámetro pequeño y mediano pueden tener poco impacto en la resistencia a la rotura del relleno de agente de sostén debido a que' encajan en los huecos creados por la matriz pero, al mismo tiempo, las partículas de tamaño pequeño y mediano pueden reducir la conductividad del relleno de agente de sostén llenando los huecos entre las partículas grandes, bloqueando así los pasajes a través de los cuales podría fluir un fluido. En cambio, se puede seleccionar una distribución de partículas de agente de sostén de modo que las partículas de diámetro más pequeño y/o mediano sean demasiado grandes para encajar dentro de los huecos creados por las partículas más grandes haciendo que muchas de las partículas grandes se alejen unas de otras y reduzcan el número de puntos de contacto entre las partículas grandes. Esta distorsión del patrón de relleno de las partículas grandes se puede facilitar seleccionando una población de partículas en las que la proporción de d5:d95 de las partículas exceda los 0,22. Son posibles las poblaciones de partículas que tienen una proporción de d5 : d95 más grande que 0,30 o hasta 0,35. Las poblaciones de partículas que tienen una proporción de d5:d95 más grande que 0,22 pueden ser ventajosas por dos razones. Primero, el patrón de relleno distorsionado puede crear muchos más puntos de contacto entre las partículas más grandes y las partículas más pequeñas distribuyendo así la fuerza aplicada sobre el relleno en un área más amplia lo cual resulta en una mejor resistencia a la rotura. Segundo, los pasajes definidos por las partículas más · grandes se. abren más debido a las partículas de diámetro mediano y más pequeño facilitando así que un fluido fluya a través del relleno de agente de sostén. En ciertas modalidades, un agente de sostén de esta invención puede contener una distribución única de tamaños de partícula que proporcionen colectivamente resistencia a la rotura, resistencia al asentamiento durante el proceso de fracturación y conductividad del fluido a través del agente de sostén. Se cree que estas características de desempeño deseables se cumplen al menos en parte debido a la capacidad de las partículas de rellenar en un patrón de relleno distorsionado.

EJEMPLOS A los efectos de ilustrar una modalidad de una población de partículas cerámicas de esta invención, los inventores fabricaron una población de agentes de sostén como se indica a continuación. Las materias primas de partida incluyen: 400 kg de bauxita de Arkansas, previamente molida a un tamaño de partícula medio de aproximadamente 10 micrones; 7 kg de un aglutinante de almidón de maíz comercialmente disponible; y 113 kg (250 lbs . ) de agua agregada a una mezcladora Eirich giratoria, que es un aglomerador muy conocido. Las materias primas llenaron la cámara de la mezcladora hasta aproximadamente dos tercios. Se continúo la rotación de la mesa y el propulsor durante aproximadamente 1,5 minutos hasta que se formaron partículas de un tamaño apropiado. Se agregaron lentamente 100 kg aproximadamente de bauxita adicionales revistiendo así las partículas formadas previamente con una capa de material. Se continuó la rotación de la mesa y el propulsor durante aproximadamente 4 minutos resultando así en la formación de partículas esféricas a las se puede hacer referencia en la presente como cerámica cruda. Luego se secaron las partículas en una secadora a 200 °C hasta que el contenido de humedad de las partículas fuera menor a un 10%. Para lograr la densidad y la resistencia deseadas, se calentaron luego las partículas secas a 1.400 °C durante una hora aproximadamente. Las partículas resultantes tenían una esfericidad de aproximadamente 0,9, según se determinó utilizando la tabla de Krumbein y Sloss.

Toda la población de partículas que sale del horno de secado pero antes de fluir a través del horno se define en la presente como la población de partículas madre. Después de tratarla con calor en un horno a 1.400 °C, se filtró la población de partículas madre haciendo fluir las partículas a ' través de un dispositivo de filtrado que contenía, en una disposición lineal, una malla de filtro 14 y después una malla de filtro 50. El primer dispositivo de filtrado retira las partículas que (a) no fluyeron a través de la malla de filtro 14 o (b) fluyeron a través de la malla de filtro 50, dejando así una población de agentes de sostén que fueron lo suficientemente pequeños como para fluir a través de la malla de filtro 14 y demasiado grandes como para fluir a través de la malla de filtro 50. Esta población de partículas se define en la presente como la población de partículas inicial y se la denomina Lote 1 en la Tabla 1. Se hizo fluir el Lote 1 a través de un segundo proceso de filtrado que incluía un dispositivo comercial de filtrado que contenía una malla de filtro 20 y una malla de filtro 35. El segundo dispositivo de filtrado desvió y capturó las partículas en tres porciones separadas . La porción A contenía- partículas que habían fluido a través de la malla de filtro 14 en el primer dispositivo de filtrado pero que eran demasiado grandes como para fluir a través de la malla de filtro 20. Las partículas en la porción B eran lo suficientemente pequeñas como para fluir a través de la malla de filtro 20 pero demasiado grandes como para fluir a través de la malla de filtro 35 y se. las denomina Lote 2 en la Tabla 1. Las partículas en la porción C eran suficientemente pequeñas como para fluir a través de la malla de filtro 35 pero demasiado grandes como para fluir a través de la malla de filtro 50 en el primer dispositivo de filtrado. Las partículas en la porción A y la porción C se recombinaron creando así la población de agente de sostén final que se denomina Lote 3 en la Tabla 1. Las partículas en la porción B se separaron permanentemente de la población de agente de sostén final.

En la Tabla 1 a continuación se muestran las características pertinentes de cada agente de sostén. Todos los valores numéricos, excepto para los porcentajes, son en micrones .

Tabla 1 El ancho efectivo es la diferencia entre el d95 y d5 de la distribución. 2 El tamaño de la brecha es el ancho de la segunda región que es la diferencia entre el dmax y dmj.n de la distribución . 3 El % de Brecha es el tamaño de brecha dividido por el ancho efectivo. 4 La cantidad es el peso de partículas en cada región dividido por el peso de partículas en la población final.

La información demuestra claramente que la población de partículas de esta invención, como lo representa el Lote 3, cumplía con los siguientes criterios. Primero, el ancho efectivo de la población excedía los 100 micrones . Segundo, el ancho de la segunda región (es decir el % de brecha) era al menos un 25% del ancho efectivo. Tercero, el porcentaje en peso de partículas en la segunda región era menos del 15% del peso de la población final. Cuarto, el porcentaje en peso de las partículas en la primera región y en la tercera región excedía cada uno el porcentaje en peso de las partículas en la segunda región.

A los efectos de ilustrar la ventaja obtenida en una modalidad de un agente de sostén de esta invención, la resistencia a la rotura de la población inicial, población final y el agente de sostén en la región II, se midieron a una presión de 68,9 MPa (10.000 psi) , 103,4 MPa (15.000 psi) y 137,9 MPa (20.000 psi) utilizando el procedimiento descrito en ISO 13503-2. Cada uno de los valores de resistencia a la rotura en la Tabla 2 representa un promedio de tres muestras.

Los valores de resistencia a la rotura se expresaron como un porcentaje en peso del peso inicial de la muestra. Cuanto más bajo sea el número, mejor será la resistencia a la rotura Tabla 2 La información en la Tabla 2 demuestra que para una modalidad de un agente de sostén de esta invención la población de agente de sostén, final (es- decir, Lote 3) tenía una resistencia a la rotura que es tanto (a) aproximadamente equivalente a la resistencia a la rotura de la población de agente de sostén inicial (es decir, Lote l) , como (b) inferior y por lo tanto mejor a la resistencia a la rotura del agente de sostén en la región II (es decir, Lote 2) , que fue retirada y está disponible como un producto separado. En marcado contraste con los procesos de fabricación de agentes de sostén convencionales donde solo los agentes de sostén en la región II son comercialmente valiosos y los agentes de sostén de las regiones I y III se reciclan, los agentes de sostén de las regiones I y III de esta invención se combinan para crear un agente de sostén final con una resistencia a la rotura mejor que los agentes de sostén en la región II . La capacidad de evitar los costos inherentes a grandes porcentajes de reciclaje de la población de agente de sostén inicial puede proporcionar una ventaja económica evidente para el fabricante de agentes de sostén.

Se considera que la descripción anterior se refiere únicamente a modalidades particulares . A los entendidos en la técnica y aquellos que apliquen la invención se les ocurrirán modificaciones de la invención. Por lo tanto, se debe entender que las modalidades que se muestran en las figuras y que se describieron anteriormente son meramente a efectos ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la invención, que se define en las reivindicaciones siguientes interpretadas según los principios de las leyes de patentes, incluida la doctrina de equivalentes . , Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Una población de partículas cerámicas, caracterizada porque comprende: a. diversas partículas cerámicas individuales que fluyen libremente, y donde las partículas diversas tienen una distribución del peso total y del tamaño de las partículas que incluye los tamaños de partículas d95 y d5. b. la distribución tiene un ancho efectivo que es la diferencia entre los tamaños de partícula d95 y d5 de la distribución, el ancho efectivo de la distribución excede los 100 micrones y comprende tres regiones contiguas y no superpuestas que incluyen una primera región, una segunda región y una tercera región donde la primera región colinda con la segunda región y la segunda región colinda con la tercera región; y donde el ancho de la segunda región es al menos un 25% del ancho efectivo; y donde el peso de las partículas en la segunda región no excede el 15% del peso total de las diversas partículas y el peso de las partículas en la primera región y la tercera región excede cada uno el peso de las partículas en la segunda región.

2. La población de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la proporción de d5 : d95 excede 0,22.

3. La población de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la proporción de d5: d95 excede 0,30.

4. La población de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la población de partículas tiene un diámetro medio comprendido entre 200 micrones y 2,4 mm.

5. La población de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el ancho de la segunda región es al menos un 30% del ancho efectivo.

6. La población de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el peso de las partículas en la primera región excede al menos un 5 por ciento del peso total de las diversas partículas .

7. La población de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el peso de las partículas en la primera región excede al menos un 15 por ciento del peso total de las diversas partículas .

8. La población de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el peso de las partículas en la tercera región excede al menos un 5 por ciento del peso total de las diversas partículas.

9. La población de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque el peso de las partículas en la tercera región excede al menos un 15 por ciento del peso total de las diversas partículas.

10. La población de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque el peso de las partículas en la tercera región excede al menos un 40 por ciento del peso total de las diversas partículas .

11. La población de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada porque el peso de las partículas en la segunda región no excede el 10 por ciento del peso total de las diversas partículas.

12. La población de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el peso de las partículas en la segunda región no excede el 10 por ciento del peso total de las diversas partículas.

13. La población de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el peso de las partículas en la segunda región no excede el 5 por ciento del peso total de las diversas partículas.

14. Un proceso para fabricar diversas partículas, caracterizado porque . comprende las etapas de: a. proporcionar una cantidad inicial de partículas que tiene una distribución del peso total y del tamaño de partículas ; b. separar la cantidad de partículas en la porción A, la porción B y .la porción C donde el d50 de la porción A es menor que el dso de la porción B, el cual es menor que el d50 de la porción C; y c. combinar la primera porción y la tercera porción creando así una población final de partículas que tiene una distribución del peso total y del tamaño de partículas que incluye los tamaños de partícula d95 y d5, y el ancho efectivo de la distribución es la diferencia entre los tamaños de partícula la d95 y d5 de la distribución, el ancho efectivo de la distribución excede los 100 micrones y comprende tres regiones contiguas y no superpuestas que incluyen una primera región, una segunda región y una tercera región, donde la primera región colinda con la segunda región y la segunda región colinda con la tercera región; y donde el ancho de la segunda región es al menos un 25% del ancho efectivo; donde el peso de las partículas en la segunda región no excede el 15% del peso total de la población final, y donde el peso de las partículas en la primera región y la tercera región excede cada uno el peso de las partículas en la segunda región .

15. El proceso de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el ancho de la segunda región es al menos un 30% del ancho efectivo.

16. El proceso de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el peso de las partículas en la segunda región no excede el 10% del peso total de la población final.

17. un proceso para fabricar una población de partículas cerámicas, caracterizado porque comprende las etapas de : a. proporcionar una primera cantidad de partículas y una segunda cantidad de partículas, donde el d90 de la primera cantidad es menor que el di0 de la segunda cantidad, y b. combinar la primera cantidad y la segunda cantidad creando así una población final de partículas cerámicas que tiene una distribución del peso total y del tamaño de partículas que incluye los tamaños de partícula d95 y d5, y donde la distribución tiene un ancho efectivo que es la diferencia entre los tamaños de partícula d95 y d5 de la distribución, el ancho efectivo de la distribución excede los 100 micrones y comprende tres regiones contiguas y no superpuestas que incluyen una primera región, una segunda región, y una tercera región donde la primera región colinda con la segunda región y la segunda región colinda con la tercera región; donde el ancho de la segunda región es al menos un 25% del ancho efectivo; y donde el peso de las partículas en la segunda región no excede el 15% del peso total de la población final de partículas cerámicas y el peso de las partículas en la primera región y la tercera región excede cada una el peso de las partículas en la segunda región .

18. El proceso de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque las partículas en la primera cantidad tienen una gravedad específica media, las partículas en la segunda cantidad tienen una gravedad específica media y la diferencia entre la gravedad específica media de la primera cantidad y la gravedad específica media de la segunda cantidad es al menos un 10% de la gravedad específica media de la primera cantidad.

19. El proceso de conformidad con- la reivindicación 17, caracterizado porque la diferencia entre la gravedad específica media de las partículas en la primera cantidad y la gravedad específica media de las partículas en la segunda cantidad es al menos un 15% de la gravedad específica media de la primera cantidad.

20. El proceso de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque las partículas en la primera cantidad tienen una primera composición química, las partículas en la segunda cantidad tienen una segunda composición química y las composiciones químicas son químicamente distintas entre sí.

21. El proceso de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque al menos una de las composiciones químicas comprende al menos un 50 por ciento en peso de Si02.

22. El proceso de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque solamente una de las composiciones químicas comprende al menos un 50 por ciento en peso de Si02.

23. El proceso de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque al menos una de las composiciones químicas que comprende al menos un 50 por ciento en peso de Si02 comprende arena.

24. El proceso de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque solamente una de las composiciones químicas comprende al menos un 30 por ciento en peso de A1203.