用于烧结支撑剂的设备和方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及地下地层的水力压裂领域，更具体涉及用于对井的水力压裂过程 中所使用的陶瓷支撑剂颗粒进行烧结的系统、方法和设备。
【背景技术】
[0002] 美国和许多其它国家都具有丰富的位于页岩层中的非常规油气资源。因此有了术 语"页岩油"或"页岩气"。然而，这些致密的页岩层需要独特的完井方法来释放油和/或气 并允许其流动至井的生产管，该完井方法被称为水力压裂法。为了使裂缝保持张开，必须用 高强度材料来撑开着井。这类似于用木楔或隔板来撑开着门。但在这里，不是木楔或隔板， 而是高强度材料例如压裂砂和/或陶瓷珠被栗送到井中，然后进入通过对井进行水力压裂 而形成的裂缝。在井的水力压裂期间，支撑剂用于"撑"开着油井或气井。因此有了术语"支 撑剂"。
[0003] 传统上，多数水力压裂井均采用压裂砂作为支撑剂。然而，压裂砂的压碎强度和球 度远不如陶瓷支撑剂。许多油气操作人员已开始使用陶瓷支撑剂来提升井在水力压裂后 的导流性或流量。由于陶瓷支撑剂本身具有优于压裂砂的球度，所以陶瓷支撑剂的导流性 (流量）能增强气和/或油在井内的流动。这对井流量的最大化来说至关重要。
[0004] CarboCeramics,Inc.制造有种类繁多的支撑剂，从树脂涂覆砂到陶瓷支撑剂均 有。例如美国专利申请公开号US2012/20231981A1描述了制造支撑剂颗粒的多种方法。
[0005] 与制造陶瓷支撑剂有关的主要问题是成本、产能和排放。烧结陶瓷支撑剂的传统 方法须采用天然气煅烧的长回转窑。首先，新回转窑的建造安装成本高企，所需投产准备时 间长（例如18至24个月以上），因此很难扩大产能。第二，如果天然气价格增长，那么生 产成本将增加。另一方面，若天然气价格下降，则操作者将倾向于不钻气井和/或使用压裂 砂。结果造成陶瓷支撑剂销量下降。第三，许多使用回转窑的设备必须安装昂贵的洗涤器 以降低空气排放。与长回转窑有关的其它问题是尺寸、占地面积、厂址和管理许可。这些问 题加起来将导致投产准备时间较长，从而妨碍公司为跟上高性能陶瓷支撑剂的需求而提高 产能的能力，所述高性能是相对于压裂砂而言的。
[0006] 此外，为达到2800°F(华氏度）至3000°F的典型烧结温度，可预见回转窑内的 烧结时间非常长。该烧结时间一般是30分钟至超过一小时。如果温度逐渐超过烧结温度， 那么支撑剂生坯中熔点较低的金属和/或矿物质通常将在窑内熔化并"析"出。因此，回转 窑必须被关停、冷却和修理，从而不可避免地对工厂产能造成不利影响。
[0007] 由于大量的天然气和石油都源自页岩区块，因此人们需要不使用长回转窑的替代 性支撑剂烧结方法。
【发明内容】
[0008] 本发明提供一种用于烧结生球以制造支撑剂颗粒的设备。该设备包括：(a)容 器，其具有布置在第一端的溢流部、布置在第二端的底流部、布置在第一端和第二端之间的 具有圆形横截面的中间部以及邻近第一端的切向入口，以使气体从切向入口沿从容器第一 端至第二端的旋涡轨迹流动；(b)延伸穿过溢流部的第一电极和延伸穿过底流部的第二电 极，其中两个电极都至少部分布置在容器内，彼此间隔，且沿从第一端至第二端的容器中心 轴线相互轴向对齐；和（C) 一个或多个供料管，其延伸穿过溢流部，邻近第一电极。电极用 于产生开放的电弧，当生球在电弧和沿旋涡轨迹流动的气体之间经过然后离开底流部时， 该电弧在选定温度范围内烧结或部分烧结来自所述一个或多个供料管的生球以形成支撑 剂颗粒。
[0009] 此外，本发明提供一种用于烧结生球以制造支撑剂颗粒的方法。提供一种设备，包 括：(a)容器，其具有布置在第一端的溢流部、布置在第二端的底流部、布置在第一端和第 二端之间的具有圆形横截面的中间部以及邻近第一端的切向入口； (b)延伸穿过溢流部的 第一电极和延伸穿过底流部的第二电极，其中两个电极都至少部分布置在容器内，彼此间 隔，且沿从第一端至第二端的容器中心轴线彼此轴向对齐；和（c) 一个或多个供料管，其延 伸穿过溢流部，邻近第一电极。将气体引导到切向入口中以沿从第一端至容器第二端的旋 涡轨迹流动。在第一电极和第二电极之间形成开放的电弧。从一个或多个供料管投下生球， 从而当生球在电弧和沿旋涡轨迹流动的气体之间经过且然后离开底流部时，在选定温度范 围内烧结或部分烧结生球以形成支撑剂颗粒。
[0010] 以下参照附图详细描述本发明。
【附图说明】
[0011] 通过参看下述描述以及附图可更充分理解本发明的上述和其它优势，其中：
[0012] 图1A是根据本发明一实施例的支撑剂烧结设备的图解；
[0013]图1B是用在根据本发明另一实施例的支撑剂烧结设备中的容器的图解；
[0014]图2是根据本发明另一实施例的支撑剂烧结设备的图解；
[0015]图3是根据本发明又一实施例的支撑剂烧结方法的流程图；
[0016] 图4A和图4B是根据本发明又一实施例的系统的多种实施例的框图。
【具体实施方式】
[0017] 虽然下文详细讨论了本发明各实施例的制造和使用，但应理解，本发明提供了许 多可应用的创造性构想，这些构想可在多种多样的具体环境中得到实施。本文讨论的具体 实施例仅能说明制造和使用本发明的具体方式，并不能限定本发明的范围。本文的讨论主 要涉及烧结生球以制造支撑剂颗粒，但应理解本发明的构想也可应用于颗粒的高温制造或 加工。
[0018] 美国专利第5, 832, 361号、美国专利第7, 422, 695号、美国专利第7, 578, 937号和 美国专利第8, 088, 290号中公开的系统、设备和方法可适于如下文所述那样烧结支撑剂。 本文的讨论主要针对这些专利的图2,但也可适于针对这些专利的其它附图。因此，本发明 不局限于所示的容器形状。
[0019] 现在参看图1A，其示出根据本发明一实施例的用于烧结生球102以制造支撑剂颗 粒104的设备100。设备100包括容器106,该容器具有布置在第一端110中的溢流部108、 布置在第二端114中的底流部112、布置在第一端110和第二端114之间的具有圆形横截面 的中间部116以及邻近第一端110的切向入口 118,以使气体120从切向入口 118沿着从容 器106第一端110至第二端118的旋涡轨迹122流动。容器106中间部116的内部可呈圆 柱形（例如图1B)、圆锥形、漏斗形或其组合。此外，容器106中间部116的内部可涂覆或内 衬有特殊材料，以便防止容器106向外传递热量、以便改变容器的化学特性或以便实现任 何其它期望结果。容器106的外部可呈任何形状（见例如图1B)。此外，容器106可以是旋 流分离器、液力旋流器或喷气液力旋流器。此外注意，如图1B所示，第二端114处的底流部 112可以是切向出口、喷嘴或其它出口构型。
[0020] 设备100还包括延伸穿过溢流部108的第一电极124和延伸穿过底流部112的第 二电极126,其中两个电极124和126都至少部分布置在容器106内，彼此间隔，且沿从第 一端110至第二端114的容器116中心轴线128相互轴向对齐。第一电极124和第二电极 126用于生成电弧，电弧产生波能。波能可包括紫外线、红外线、可见光、声波、超音速波、超 声波、电子、气穴或其任意组合。第一电极124和第二电极126可由碳或其它合适材料制 成。此外，第一电极124和第二电极126可由能涂覆生球102或与生球102起化学反应的 材料制成。可使用线性致动器或其它装置来使第一电极124朝向或远离第二电极126移动 以触发电弧，如箭头134a所示。也可用线性致动器或其它装置使第二电极126移动，如箭 头134b所示。DC电源130连接至第一电极124和第二电极126。在一些实施例中，DC电 源130可以是一个或多个电池或一个或多个太阳能电