具有改良的粉尘控制的支撑剂的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请主张 2013年11月15日申请的美国临时申请第61/904,619号和2014年7月7 日申请的美国临时申请第62/021,350号的优先权，其中每一者都W全文引用的方式并入本 文中。
技术领域
[0003] 本发明大体上设及用于水力压裂操作的支撑剂。更具体来说，本发明设及用如本 文所描述的聚合物涂布的支撑剂W及其制备和使用的方法。经涂布的支撑剂提供改良的粉 尘控制。
【背景技术】
[0004] 水力压裂是已被应用于用W刺激从地层产生流体(例如，油、天然气、盐水等）的多 种方法的术语。在水力压裂中，压裂液是在至少足W克服覆盖层压力并且引发和/或延伸地 层裂缝的压力和流动速率下沿井眼向下并且相对于地层面注入。压裂液通常将支撑剂(例 如，20-40目砂、侣抓±、玻璃珠等)带入裂缝中，在释放压力时阻止地层相对于本身回落关 闭。填充有支撑剂的裂缝提供可渗透通道，地层流体可W通过所述通道流到井眼并且其后 被抽出。
[0005] 在制备、运输和/或处理用于水力压裂的支撑剂时，可能通过支撑剂移动产生大量 粉尘，如娃尘和其它支撑剂粉尘。此粉尘可W产生潜在的不利影响，如损坏水力压裂部位上 的设备。
[0006] 在处理(如用湿气、油或涂料喷涂支撑剂)期间使粉尘减到最少的替代解决方案通 常需要此类材料的高用量，可能不利地使支撑剂粒子彼此粘附或W粘合方式表现，导致流 动性问题。
[0007] 通过本发明解决的问题是提供限制从支撑剂产生粉尘的新技术。
【发明内容】
[000引我们现在已经发现用如本文所描述的聚合物粘合剂涂布支撑剂粒子有效地显著 减少从支撑剂产生粉尘，例如在井场和中间运送转运点输送、转运W及卸载支撑剂期间形 成的粉尘。举例来说，本发明的支撑剂与未涂布的粒子相比可W产生70体积％或更少、优选 地50体积％或更少、更优选地30体积％或更少、甚至更优选地10体积％或更少的气载粉尘。
[0009] 因此，在一个方面，提供一种用于水力压裂的支撑剂，其包含:粒子；W及安置在所 述粒子上的由水性涂料组合物形成的涂层，涂料组合物包含W水性涂料组合物的总重量计 2到65重量％表面活性剂和1到35重量％聚合物粘合剂W及余量的水。
【附图说明】
[0010] 图1是比较各种未处理和用支撑剂处理的粒子的粒度与体积的图。
【具体实施方式】
[0011]除非另外指示，否则数值范围（例如，「2到10」）包括界定所述范围的数字(例如，2 和 10)。
[0012]除非另外指示，否则比率、百分比、份数等都是按重量计。
[001引乙締氧基（C2H4O)是指-C此-C此-0-，丙締氧基（CsHsO)是指-C此-CH( C曲）-0-或-CH (CH3) -C 出-0-，并且下締氧基（CaHsO )是指-C 出-CH (OfcC 出）-0-或-CH (OfcC 出）-CH2-0-。
[0014] 如本文所使用，"（甲基)丙締酸醋"意指丙締酸醋、甲基丙締酸醋或其混合物，"（甲 基)丙締酸"意指丙締酸、甲基丙締酸或其混合物，并且术语"（甲基)丙締酷胺"意指丙締酷 胺、甲基丙締酷胺或其混合物。
[0015] 粉尘意指如本文所描述的小于125微米或通过120目筛的粒子。
[0016] 本发明提供一种用于水力压裂操作(包括用于与水力压裂相关的制造、存储、运输 W及使用活动）的支撑剂。支撑剂包含粒子W及安置在粒子上的涂层。
[0017] 粒子可W是适合用于水力压裂或类似过程的任何此类材料。适合粒子的实例包括 (但不限于)矿物、娃砂、石英、陶瓷(如合成陶瓷粒子)或其组合。
[0018] 常用作支撑剂的优选粒子是娃砂或二氧化娃(Si〇2)砂，在行业内俗称"压裂砂"。 优选地，压裂砂是来自高娃(石英)砂岩或松散沉积物的那些压裂砂。粒子可W含有非娃杂 质，如巧、儀、铁、其混合物等。待涂布的粒子可W具有任何形状，但其优选地是大致球形。
[0019] 粒子一般可W具有任何适合的晶粒尺寸。在一些实施例中，粒子的晶粒尺寸可W 在12到140目、或者20到70目范围内，并且可W包括标准尺寸，如12到20目、16到30目、20到 40目、30到50目W及40到70目，从而90%产品属于指定的筛尺寸之间。一些特定实例是8/ 12、10/20、20/40W及70/140。粒子的目径可W根据由一系列具有一定尺寸孔的目筛截留的 粒子的百分比测定。在目径数目中，目数表示标准单位面积的孔的标称数目。因此，在所述 类别中小数目是较大粒度，而较大数目是小粒度。数目越小，晶粒越粗。晶粒尺寸还可W使 用标准长度测量(如毫米或微米)来测量，一些实例的晶粒尺寸范围是2.38-1.681111]1、2.00-0.84mm、0.84-0.42mmW及210-105微米。虽然任何粒度样品可W在上文所指示的范围内显 著设定尺寸，任何样品的小部分(例如，小于5%)粒度分布可W大于或小于所指示的范围， 归因于形状不规则性或小粒子由于静电或其它原因而粘住较大粒子的物理亲和力。
[0020] 根据本发明，粒子具有安置在其上的由如下文所描述的水性涂料组合物形成的涂 层。术语"安置"意指涂层覆盖粒子外部并且包括粒子被涂层覆盖的部分和全部。上面安置 本发明涂层的粒子可W任选地被预涂布(如用树脂)或预处理，如描述于例如美国预授权公 开2010/0179077和美国专利7,270,879中，其中每一者都W引入的方式并入本文中。在此类 情况下，本发明涂层安置在预涂布或预处理的粒子上。
[0021] 在一些实施例中，涂层覆盖小于50%粒子，或者小于40%、或者小于30%、或者小 于20%或者小于10%的粒子。即使在运些不完全覆盖的情况下，涂层的粘合性质将粉尘吸 引到粒子上的所选涂布区域并且使其与粒子结合。覆盖水平可W通过各种技术测定，如扫 描电子显微镜和原子映射。
[0022] 在本发明中用于涂布粒子的水性涂料组合物包含表面活性剂、聚合物粘合剂W及 水。
[0023] 表面活性剂可W是非离子、阳离子或阴离子材料，并且其可W是表面活性剂的渗 合物。所属领域中已知可W适当使用的表面活性剂的非限制性实例包括美国预授权公开 2002/0045559中所描述的那些表面活性剂，所述公开W引入的方式并入本文中。
[0024] 适合的阴离子表面活性剂可W包括例如横酸表面活性剂（如直链烷基苯横酸)或 其盐。适合用于本文中的阴离子横酸盐或横酸表面活性剂包括C5-C20、更优选地C10-C16、更 优选地Cll-Cu烷基苯横酸盐、烷基醋横酸盐、C6-C22伯或仲烧控横酸盐、横化聚簇酸W及其 任何混合物(但优选地Cii-Cu烷基苯横酸盐）的酸形式和盐形式。阴离子硫酸盐或酸表面活 性剂包括伯和仲烷基硫酸盐，其具有含9到22个碳原子的直链或支链烷基或締基部分或更 优选地Cl2到Cl8烷基。
[0025] 可W使用的阴离子表面活性剂还包括0-支链烷基硫酸盐表面活性剂或市售材料 的混合物，其(表面活性剂或混合物的）加权平均支化度是至少50 %或甚至至少60 %或甚至 至少80%或甚至至少95%。中链支链烷基硫酸盐或横酸盐也是适合用于本发明的阴离子表 面活性剂。优选的是中链支链烷基硫酸盐。
[0026] 可W用于本发明的适合的单甲基支链伯烷基硫酸盐包括选自由W下组成的群组 的那些盐:3-甲基十五烧醇硫酸盐、4-甲基十五烧醇硫酸盐、5-甲基十五烧醇硫酸盐、6-甲 基十五烧醇硫酸盐、7-甲基十五烧醇硫酸盐、8-甲基十五烧醇硫酸盐、9-甲基十五烧醇硫酸 盐、10-甲基十五烧醇硫酸盐、11-甲基十五烧醇硫酸盐、12-甲基十五烧醇硫酸盐、13-甲基 十五烧醇硫酸盐、3-甲基十六烧醇硫酸盐、4-甲基十六烧醇硫酸盐、5-甲基十六烧醇硫酸 盐、6-甲基十六烧醇硫酸盐、7-甲基十六烧醇硫酸盐、8-甲基十六烧醇硫酸盐、9-甲基十六 烧醇硫酸盐、10-甲基十六烧醇硫酸盐、11-甲基十六烧醇硫酸盐、12-甲基十六烧醇硫酸盐、 13-甲基十六烧醇硫酸盐、14-甲基十六烧醇硫酸盐W及其混合物。
[0027] 适合的二甲基支链伯烷基硫酸盐可W包括选自由W下组成的群组的材料:2,3-甲 基十四烧醇硫酸盐、2,4-甲基十四烧醇硫酸盐、2,5-甲基十四烧醇硫酸盐、2,6-甲基十四烧 醇硫酸盐、2,7-甲基十四烧醇硫酸盐、2,8-甲基十四烧醇硫酸盐、2,9-甲基十四烧醇硫酸 盐、2,10-甲基十四烧醇硫酸盐、2,1-甲基十四烧醇硫酸盐、2,12-甲基十四烧醇硫酸盐、2， 3-甲基十五烧醇硫酸盐、2，4-甲基十五烧醇硫酸盐、2，5-甲基十五烧醇硫酸盐、2，6-甲基十 五烧醇硫酸盐、2，7-甲基十五烧醇硫酸盐、2，8-甲基十五烧醇硫酸盐、2，9-甲基十五烧醇硫 酸盐、2，10-甲基十五烧醇硫酸盐、2，11-甲基十五烧醇硫酸盐、2，12-甲基十五烧醇硫酸盐、 2,13-甲基十五烧醇硫酸盐W及其混合物。
[0028] 可W用于本发明的阳离子表面活性剂的实例包括具有C 6-C18N-烷基链的阳离子 单烷氧基化和双烷氧基化季胺表面活性剂，如具有通式：
[0029]
[0030] 其中Rl是含有约6到约18个碳原子、优选地6到约16个碳原子、最优选地约6到约14 个碳原子的烷基或締基部分;R2和R3各自独立地是含有一个到约=个碳原子的烷基，优选 地是甲基，最优选地是R2和R3两者都是甲基;R4选自氨(优选的）、甲基W及乙基;X是提供电 中性的阴离子，如氯离子、漠离子、甲基硫酸根、硫酸根等;A是烷氧基，尤其是乙締氧基、丙 締氧基或下締氧基;并且P是0到约30,优选地2到约15,最优选地2到约8。
[0031 ]阳离子双烷氧基化胺表面活性剂优选地具有通式：
[0032]
[0033] 其中Rl是含有约8到约18个碳原子、优选地10到约16个碳原子、最优选地约10到约 14个碳原子的烷基或締基部分;R2是含有一个到S个碳原子的烷基，优选地是甲基;R3和R4 可W独立地变化并且选自氨(优选的）、甲基W及乙基;X-是足W提供电中性的阴离子，如氯 离子、漠离子、甲基硫酸根、硫酸根等。A和y可W独立地变化，并且各自选自C1-C4烷氧基， 尤其乙締氧基、丙締氧基、下締氧基W及其混合物;P是1到约30,优选地巧Ij约4,并且q是1到 约30,优选地1到约4,并且最优选地是P和q两者都是1。
[0034] 可W用于本发明的另一适合群组的阳离子表面活性剂是阳离子醋表面活性剂。适 合的阳离子醋表面活性剂，包括胆碱醋表面活性剂，已经例如公开于美国专利4,228,042、 4,239,660? 及4,260,529 中。
[0035] 在本发明中，非离子表面活性剂是优选的（包括其渗合物）。适合的非离子表面活 性剂包括例如烷氧基化材料，包括由环氧乙烧、环氧丙烷和/或环氧下烧衍生的那些材料。 实例描述于例如美国专利7,906,474和美国预授权公开2011/0098492中，其中每一者都W 引入的方式并入本文中。
[0036] 在一些实施例中，用于本发明的表面活性剂是式I的非离子烷氧基化物：
[0037] RaO-(AO)Z-H (I)
[003引其中Ra是芳基(例如，苯基)或直链或支链C6-C24烷基，AO在每次出现时独立地是乙 締氧基、丙締氧基、下締氧基或其无规