Гранулированный материал, имеющий множество отверждаемых покрытий, способы их получения и применения

Гранулированный материал, имеющий множество отверждаемых покрытий, способы их получения и применения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к покрытому гранулированному материалу, в котором частицы индивидуально покрыты первым сочетанием одного или нескольких слоев отверждаемой смолы, например сочетание фенол-фурановой смолы или фурановой смолы, или фенол-фуран-формальдегидного тройного полимера, на расклинивающем наполнителе, таком как песок, и первое сочетание слоев покрыто вторым сочетанием одного или нескольких слоев отверждаемой смолы, например новолачной смолы. Кроме того, раскрыты способы получения и применения этого покрытого продукта в качестве расклинивающего наполнителя, гравийного фильтра и для регулирования потока песка.

Описание уровня техники

Термин «расклинивающий наполнитель» означает гранулированный материал, который вводят в разрывы в подземной формации, окружающей нефтяные скважины, газовые скважины, водяные скважины и прочие аналогичные стволы скважин, с целью обеспечения носителя, который поддерживает (расклинивает) эти разрывы в открытом состоянии и обеспечивает поток газа или жидкости через разрыв в ствол скважины.

В патенте США №4694905 (Armbruster), включенном в это изобретение как ссылка, описан покрытый гранулированный материал, в котором частицы индивидуально покрыты сочетанием отвержденной фенол-фурановой смолы или фуранового тройного полимера с образованием покрытия предварительно отвержденной смолы на расклинивающем наполнителе, таком как песок, в результате чего значительно улучшается химическая стойкость расклинивающего наполнителя по сравнению с той, которую имеет предварительно отвержденное покрытие с неразветвленным фенолом. Другой вариант осуществления этого изобретения включает применение множества полимерных покрытий на гранулированном материале с образованием конечного слоистого покрытия, содержащего желаемое количество отвержденной смолы.

В патенте США №4722991 (Armbruster), включенном в это изобретение как ссылка, описан тройной полимер, полученный из фенола, фурилового спирта и формальдегида, в котором значительное количество фурилового спирта реагирует каталитически, под действием водорастворимого катализатора - соли поливалентного металла, и в котором процесс проводится в существенно водных условиях.

В патенте США №4677187 (Armbruster), включенном в это изобретение как ссылка, описана смола фурилового спирта и формальдегида, которая может быть получена с использованием водорастворимого катализатора - соли поливалентного металла.

В патенте США №4888240 (Graham и др.), включенном в это изобретение как ссылка, описаны покрытые смолой частицы, которые содержат гранулированный субстрат, внутреннее покрытие отверждаемой смолы и внешнее покрытие отвержденной смолы.

В патенте США №5837656 (Sinclair), включенном в это изобретение как ссылка, частицы, покрытые смолой, получают путем первоначального покрытия субстрата реактивной смолой. Затем, поверх внутреннего покрытия отверждаемой смолы, наносится второе или внешнее покрытие смолы, которое подвергают термическому воздействию в течение времени, которое достаточно для отверждения внешнего покрытия, в то время как внутреннее покрытие остается способным к отверждению.

Расклинивающие наполнители обычно применяются для расклинивания открытых разрывов, образовавшихся в подземных формациях, таких как скважины нефтяные или природного газа, в процессе гидравлического разрыва. Расклинивающие наполнители могут быть предварительно отверждены или являются способными к отверждению. Предварительно отвержденные расклинивающие наполнители отверждаются до введения в подземную формацию. Отверждаемые расклинивающие наполнители отверждаются в скважине с образованием искусственно укрепленной забутовки расклинивающим наполнителем. Смолистые композиции, обычно используемые для отверждаемых покрытий на субстратах расклинивающего наполнителя (песок, керамика и др.), приводят к образованию сильно сшитых покрытий на поверхности субстратов. Хотя обычно это приводит к достижению максимальных термических свойств покрытий, эти условия не обязательно являются предпочтительными для покрытий, представляющих интерес для нефтедобывающей промышленности, где температура редко превышает 204,4°C (400°F), но на покрытия действуют напряжения, которые могут разрушить хрупкое связывание.

Промышленно доступные пески, покрытые отверждаемой фенольной смолой, применялись в качестве расклинивающих наполнителей. Покрытие отверждаемой фенольной смолой содержит фенольную смолу, которая, по меньшей мере, частично, но не полностью отверждена, в отличие от термина «предварительно отвержденная» смола, означающего, что покрытие фенольной смолой является отвержденным покрытием, которое также промышленно доступно.

Другой аспект обеспечения добычи из подземной формации заключается в том, что для извлечения углеводородов, таких как природный газ и сырая нефть, из подземных формаций, пробуривают скважины в зоны продуктивного пласта, содержащего углеводороды. Однако добыча нефти, газа и воды из неукрепленных или слабо укрепленных формаций обычно сопровождается образованием частиц песка в формации, наряду с добытой текучей средой. Образование песка вместе с добытой текучей средой создает такие серьезные проблемы, как эрозия средств производства как на поверхности, так и под землей, и к накоплению песка в стволе скважины и в сепараторах на поверхности. В течение многих лет с переменным успехом использовались различные способы, такие как гравийные фильтры и искусственное укрепление пластиками. Однако эти способы имеют несколько ограничений технического и экономического характера. Дополнительные сведения о регулировании потока песка приведены в патенте США №6364019, который полностью включен в это изобретение как ссылка.

Для поддержания производительности скважины и регулирования потока углеводородных текучих сред из скважины эксплуатируются многочисленные устройства и системы уровня техники, с целью предотвращения разрушения скважины и нарушения или прекращения потока текучей среды из скважины. В одной такой системе уровня техники обеспечивается крепление на всю глубину ствола скважины, в результате чего стенки ствола скважины облицовываются стальными обсадными трубами, которые закрепляются на стенке скважины с помощью бетонного кольца между внешней поверхностью обсадной трубы и стенкой скважины. После этого стальная обсадная труба и окружающее бетонное кольцо перфорируются с помощью баллистического или пиротехнического устройства вдоль зоны продуктивного пласта, для того чтобы обеспечить поток желаемой углеводородной текучей среды из продуктивной формации внутрь обсадной трубы. Обычно внутренняя часть обсадки уплотняется выше и ниже продуктивной зоны пласта, в результате чего выкидной патрубок меньшего диаметра пронизывает верхнее уплотнение, для того чтобы обеспечить равномерный и чистый поток углеводородной текучей среды в трубный коллектор на поверхности.

В другой системе заканчивания скважины целостность стенок продуктивной скважины обеспечивается с помощью плотноупакованного отложения, в совокупности содержащего песок и/или гравий между исходной стенкой скважины и выкидным патрубком, тем самым сокращаются время и расходы, связанные с монтажом стальной обсадной трубы от поверхности до продуктивного пласта, который может находиться на много сотен метров ниже поверхности. Гравийный фильтр обладает собственной проницаемостью относительно желаемой углеводородной текучей среды и обеспечивает структурное усиление стенки скважины против внутреннего сжатия или нарушения потока. Такие системы заканчивания скважины называются завершением «чистой скважины». Устройство и способ, с помощью которого уплотненный слой гравия располагается между стенкой ствола скважины и выкидным патрубком, охватываются определением «система чистой скважины с гравийным фильтром». К сожалению, системы чистой скважины с гравийным фильтром согласно уровню техники для размещения и упаковки гравия вдоль зоны продуктивного углеводородного пласта сопровождаются значительным риском сжатия стенки ствола скважины, вызванного флуктуацией давления в стволе скважины вдоль продуктивной зоны. Эти флуктуации давления вызваны манипулированием на поверхности с инструментом в скважине, который обеспечивает непосредственную циркуляцию текучей среды внутри скважины и завершающей колонны труб. Дополнительное рассмотрение гравийных фильтров приведено в патенте США №6382319, который включен в это изобретение как ссылка.

Было бы желательно разработать усовершенствованные частицы для использования в качестве расклинивающего наполнителя, гравийного фильтра и/или для предотвращения потока песка в подземных формациях.

Раскрытие сущности изобретения

Настоящее изобретение относится к покрытому гранулированному материалу, в котором частицы расклинивающего субстрата, такого как песок или керамика, индивидуально покрыты двумя или несколькими слоями отверждаемого покрытия, причем все покрытия на частицах способны отверждаться. В случае, когда эти покрытия имеют различный состав, это изобретение обобщенно включает в себя, по меньшей мере, одно внутреннее покрытие, содержащее отверждаемую на расклинивающем наполнителе смолу, которое затем покрыто, по меньшей мере, одним внутренним покрытием, содержащим вторую отверждаемую смолу. Термин «различный состав» означает смолы с различными химическими формулами, а не одинаковые формулы смолы с различной степенью сшивки.

В рамках настоящего изобретения термины "отвержденный" и "отверждаемый" определяются тремя испытаниями, которые исторически применяются в этой области техники и могут быть использованы для определения состояния как внешнего, так и внутреннего покрытий.

а). Испытание температуры прилипания: помещают покрытый материал на нагретый брусок для определения температуры плавления и находят минимальную температуру, при которой покрытый материал прилипает к бруску. Значение «температуры прилипания» выше 176,7°C (350°F) обычно соответствует отверждаемому материалу, причем оно зависит от использованной смолистой системы.

б). Испытание экстракции ацетоном: в методе экстракции ацетоном, который описан ниже, растворяют часть смолы, которая не отверждена.

в). Испытание прочности на сжатие: неотвержденному материалу соответствует отсутствие связывания или упрочнения покрытых частиц после влажного сжатия при давлении 7 МПа (1000 ф/кв. дюйм) при 121,1°C (250°F) в течение времени до 24 часов.

Однако, если не указано другое, термины «отвержденный» и «отверждаемый» определяются по Испытанию экстракции ацетоном.

В одном варианте осуществления покрытый гранулированный материал имеет первое внутреннее покрытие, содержащее фурановую смолу, отверждаемую композицию фенольной и фурановой смолы или отверждаемую смолу тройного сополимера фурана с образованием, по меньшей мере, одного покрытия отверждаемой смолы на расклинивающем наполнителе и, по меньшей мере, одного внешнего покрытия, включающего в себя отверждаемую феноло-формальдегидную новолачную смолу, для того чтобы обеспечить отверждаемый расклинивающий наполнитель, содержащий отверждаемый внешний слой (слои) и отверждаемый внутренний слой (слои), и подходящий для введения в подземную формацию в состоянии, способном к отверждению. Кроме того, настоящее изобретение может включать вариант осуществления, в котором частицы имеют множество внешних или внутренних покрытий, например, два внутренних покрытия отверждаемой смолы, таких как тройной сополимер фурана, нанесенный на субстрат с тремя покрытиями отверждаемой смолы, таких как феноло-формальдегидный новолак, нанесенный сверху. Однако порядок и число слоев смолы конкретно не ограничиваются. Кроме того, в объеме охвата настоящего изобретения рассматривается применение любой отверждаемой смолы для покрытий. Например, любая термически отверждаемая смола, такая как эпокси-модифицированная фенольная, уретановая смола, или смолы, раскрытые в патенте США №4585064 (Graham и др.), полностью включенном в это изобретение как ссылка, могут быть использованы в качестве отверждаемой смолы для внутреннего или внешнего покрытия.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу получения отверждаемого расклинивающего наполнителя только с отверждаемыми слоями, который заключается в том, что частицы субстрата покрывают, по меньшей мере, одним внутренним отверждаемым слоем, содержащим, например, отверждаемую фурановую смолу, отверждаемую композицию фенольной (резольной) смолы и фурановой смолы или отверждаемую смолу тройного сополимера феноло-формальдегидно-фурановой смолы с образованием покрытия отверждаемой смолы на расклинивающем наполнителе, с последующим нанесением, по меньшей мере, одного внешнего покрытия, содержащего отверждаемую смолу. Когда наносятся слои, температура в процессе нанесения слоев снижается по сравнению с обычной температурой при нанесении покрытий.

Температура, содержание и концентрация отвердителя, содержание и концентрация катализатора и другие факторы обычно выбирают таким образом, чтобы обеспечить целесообразные временные циклы и в то же время предотвратить образование полностью отвержденных слоев смолы. Часто выбирают температуру и катализаторы или другие отвердители, а также их концентрацию таким образом, чтобы частично, но не полностью превратить реакционноспособные смолы.

Например, субстрат может быть нагрет до температуры приблизительно 204,4-287,8°C (400-550°F) или 204,4-276,7°C, обычно 204,4-210°C или 207,2-210°C (405-410°F), до удаления нагревателя, и наносят слои различных смол. Как таковая температура субстрата (в том числе любой нанесенной на него смолы) в процессе покрытия может составлять приблизительно от 121,1 до 287,8°C (250-550°F). Температура, до которой нагревается субстрат, конкретно выбирается таким образом, чтобы смола расплавилась и чтобы она могла соответствующим образом покрыть или смочить субстрат. Кроме того, температура должна быть ограничена сверху, чтобы смола не стекала с субстрата или не разлагалась термически, и чтобы можно было точно контролировать отверждение смолы.

Концентрация отвердителя (например, катализатора или сшивающего агента) может быть снижена в четыре раза по сравнению с содержанием отвердителя, который используется традиционно, и она составляет около 25% от концентрации, применяемой для традиционных предварительно отвержденных расклинивающих наполнителей, для того чтобы вызвать только частичное превращение внутреннего фуранового резола и снизить в 2 раза количество фурана, использованного во втором слое. Количество отвердителя может быть отрегулировано таким образом, чтобы достигалась любая желаемая степень отверждения, пока смола сохраняется в отверждаемом состоянии, как определено выше. В результате исключительно низкого содержания катализатора, по меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления, в момент сброса отвердителя в скважину смола не может быть сшита в такой степени, как в случае традиционных отверждаемых расклинивающих наполнителей или традиционных предварительно отвержденных расклинивающих наполнителей, полученных из этой смолы.

Обычно продукт обладает ударной вязкостью, то есть способностью выдерживать стандартное испытание циклической нагрузки в 30 циклов, без проявления обратного течения свыше 15%.

Кроме того, отвердители можно использовать в достаточно низкой концентрации, для того чтобы вызвать дополнительное предельное превращение реакционноспособных смол (когда они находятся под землей) в легко сшитые, эластичные покрытия, для того чтобы обеспечить другие выгодные свойства. Например, частицы могут быть нагреты до температуры выше 204,4°C (400°F), а концентрация катализатора может составлять приблизительно от 0,05 до 0,25% в расчете на весовое количество фуранового резола или в интервале 2-15 мас.% отвердителя, например, в расчете на содержание использованной новолачной смолы.

В одном варианте осуществления фурановую смолу, любое сочетание резола и фурана или любой тройной сополимер феноло-фурано-формальдегидного внутреннего покрытия наносят, когда температура частиц находится в интервале от 193,3 до 232,2°C (380-450°F), а любое новолачное внешнее покрытие наносят, когда температура частиц находится в интервале от 93,3 до 148,9°C. Однако, если температура находится вне указанных пределов, количество сшивающего агента (или катализатора) можно регулировать таким образом, чтобы достигнуть желаемую степень отверждения. Например, если субстрат находится при температуре 260°C (500°F), когда добавляется система новолачной смолы, раствор гексаметилентетрамина (отвердитель) может быть разбавлен, например, водой для того, чтобы снизить степень отверждения. Аналогичным образом, если температура субстрата составляет лишь 176,7°C (350°F), когда нужно получить дополнительное внутреннее фурано-формальдегидное покрытие, количество кислотного катализатора может быть увеличено, для того чтобы увеличить степень отверждения этого слоя. Таким образом, очевидно, что путем регулирования содержания сшивающего агента, в соответствии с различной температурой, может быть достигнут широкий интервал степеней отверждения. Это обеспечивается в способе согласно изобретению в широком интервале рабочих температур.

Более того, для резольных фурановых внутренних покрытий содержание катализатора снижается на 98%, обычно на 75%, по сравнению с обычным содержанием катализатора для предварительно отвержденного покрытия. Таким образом, содержание катализатора во внутренних покрытиях составляет от 0,05 до 0,25 мас.%, например от 0,1 до 0,15%, в расчете на общий вес сухой (без растворителя) смолы этого покрытия.

Содержание сшивающего агента - гексаметилентетрамина (также известен как ГМТА) в наружном покрытии снижается на 70-90% по сравнению с традиционными новолачными покрытиями. Таким образом, содержание гексаметилентетрамина в наружном покрытии находится в интервале от 1 до 5%, например от 3 до 4%, в расчете на общий вес сухой (без растворителя) смолы для этого слоя покрытия.

Кроме того, настоящее изобретение включает способы получения расклинивающего наполнителя, содержащего желаемое количество отверждаемой смолы, а также способы применения таких расклинивающих наполнителей.

Кроме того, настоящее изобретение удовлетворяет потребность в эластичных покрытиях с соответствующими термическими свойствами.

Более того, в настоящем изобретении эта задача осуществляется с получением неожиданного потенциального преимущества определенных материалов, покрытых смолой, которые сохраняют способность к прочному связыванию даже под действием водной среды при повышенной температуре в ходе описанного ниже испытания с суспензионным раствором. Кроме того, авторы настоящего изобретения осознают, что в работающей скважине давление (вес) на расклинивающий наполнитель в скважине возрастает, а когда скважина закрывается, давление (вес) на расклинивающий наполнитель снижается, поскольку нефть или газ выталкиваются из разрыва в формации. Таким образом, после отверждения отверждаемых расклинивающих наполнителей с образованием искусственно укрепленной забутовки расклинивающего наполнителя скважина может подвергаться воздействию циклических или иных напряжений с образованием разрыва вне укрепленной забутовки расклинивающего наполнителя, что приведет к обратному потоку образовавшейся разрушенной забутовки расклинивающего наполнителя или в отдельных частицах, или в объединенных группах частиц.

Однако после размещения в подземной формации и отверждения гранулированный материал с множеством покрытий обладает некоторой способностью залечивать трещины после действия циклических напряжений. Таким образом, если в процессе эксплуатации скважины произойдет разрыв связей в укрепленной забутовке, содержащей расклинивающий наполнитель настоящего изобретения, оператор может закрыть скважину, чтобы обеспечить связывание частиц между собой (залечивание).

Расклинивающие наполнители настоящего изобретения обладают улучшенной способностью к залечиванию по сравнению с традиционными расклинивающими наполнителями. Способность к залечиванию измеряется путем проведения испытания расклинивающего наполнителя, покрытого смолой, на неограниченное сжатие (UCS), в котором определяется величина предела прочности при сжатии, как подробно описано в протоколе испытания UCS. Объединенный блок частиц из этого испытания далее разрушается до отдельных частиц путем многократного истирания в металлическом сите (приблизительно 20 отверстий на 25,4 мм), пока не образуются практически индивидуальные частицы. Эти частицы снова просеивают, для того чтобы выделить желаемую фракцию (например, 20/40 отв./25,4 мм). Откалиброванные частицы снова подвергают Испытанию на неограниченное сжатие, как описано в другом месте. Величины UCS определяются и сопоставляются с исходной величиной предела прочности, которая документирована для этого конкретного расклинивающего наполнителя, покрытого смолой. Прочность при залечивании приводится в процентах от исходной прочности связывания при UCS.

Эта способность к залечиванию является выгодной. Она обеспечивает повторное закрепление на забутовке расклинивающего наполнителя «ранее отверждаемых» частиц наполнителя, которые освободились из забутовки расклинивающего наполнителя, прежде чем они будут вынесены из подземной формации. Этот эффект является неожиданным, так как можно было ожидать, что отверждаемые частицы после отверждения практически утеряют способность к повторному закреплению.

Другое потенциальное преимущество этого гранулированного материала со множеством отверждаемых покрытий состоит в том, что обеспечивается сохранение прочности связывания. Это можно измерить путем первоначального определения образца расклинивающего наполнителя в Испытании на неограниченное сжатие, как описано ниже под заголовком «Параметры покрытых частиц», и затем второй образец расклинивающего наполнителя подвергают испытанию с «суспензионным раствором», для того чтобы определить UCS расклинивающего наполнителя после Испытания с суспензионным раствором, в процентах от исходной величины.

В Испытании с суспензионным раствором образец частиц, покрытых смолой, сначала подвергается Испытанию на неограниченное сжатие (UCS), описанному ниже. Другой образец частиц, покрытых смолой, добавляют в 2%-ный раствор KCl в соотношении 1,44 кг/л раствора KCl (12 фунтов частиц на 1 галлон) с последующим нагревом до температуры 93,3°С (200°F) в течение времени испытания, например 1, 2 или 3 часа.

После этого частицы извлекают и проводят испытание прочности при неограниченном сжатии (UCS), как описано ниже. Сопоставление данных UCS образца, после испытания с нагретым суспензионным раствором, с данными UCS образца до испытания с суспензионным раствором показывает сохранение прочности связывания. Величины сохранения прочности связывания приведены в процентах от исходного значения, до воздействия на образец горячего суспензионного раствора (то есть, UCS после испытания с суспензионным раствором/UCS до испытания с суспензионным раствором × 100%). Обычно прочность на сжатие покрытых частиц изобретения после испытания с суспензионным раствором составляет, по меньшей мере, 60%, предпочтительно, приблизительно 70, 80 или 90% от исходной прочности на сжатие. Наиболее предпочтительно, прочность на сжатие покрытых частиц изобретения после испытания с суспензионным раствором составляет приблизительно 100% от исходной прочности на сжатие. Это указывает на необычное сохранение исходной прочности связывания.

Преимущественно, частицы не только обладают высоким процентом сохранения прочности связывания, но также имеют высокое значение UCS после испытания с суспензионным раствором, например, UCS составляет, по меньшей мере, около 3,5 МПа, по меньшей мере, приблизительно 7 МПа или, по меньшей мере, около 10,5 МПа.

Сохранение прочности связывания представляет собой преимущество. Обычно покрытый расклинивающий наполнитель поступает на месторождение в грузовых автомобилях или другим транспортом, и его нужно закачивать в скважину. Даже после закачивания частицы расклинивающего наполнителя должны работать сами по себе, в результате гидравлического транспорта в разрывы формации. На эти стадии часто требуется 6 часов или больше. В соответствии с этим, испытание с суспензионным раствором показывает прочность забутовки расклинивающего наполнителя. Высокий процент сохранения прочности связывания показывает, что в процессе поставки частицы не теряют своей способности к образованию прочной забутовки расклинивающего наполнителя. Низкий процент сохранения прочности связывания показывает, что в процессе поставки к скважине конкретная композиция расклинивающего наполнителя теряет свою способность к образованию прочной забутовки по сравнению с потенциалом прочности до поставки.

Другими словами, эти множественные покрытия преждевременно не отверждаются полностью в условиях, которые обычно связаны с начальным размещением расклинивающего наполнителя в формации. Таким образом, частицы сохраняют способность к связыванию после воздействия на них напряжений, возникающих внутри формации в процессе начального размещения расклинивающего наполнителя. Обычно для получения какой-либо заметной прочности связывания требуется приблизительно 1-4 часа, в зависимости от температуры в формации и от химического состава композиций. Таким образом, множественные покрытия преждевременно не отверждаются в скважине.

Кроме того, это изобретение обеспечивает расклинивающий наполнитель для нефтяного месторождения, который покрыт смолой и обладает неожиданной способностью сохранять сопротивляемость обратному потоку из подземной формации, даже после воздействия случайных циклических напряжений. Например, когда скважина закрыта, внутри подземной формации развивается давление, что способствует сохранению открытых разрывов, в которых содержится укрепленный расклинивающий наполнитель. Однако, когда скважина закрыта, падает давление текучей среды таким образом, что из разрывов дополнительно выдавливается укрепленный расклинивающий наполнитель, содержащийся в этих разрывах. До этой разработки циклические напряжения давления приводили к обратному выходу флюидов или обратному потоку расклинивающего наполнителя из формации, что 1) снижало добычу углеводородов из разрыва и 2) вызывало проблемы, когда поток расклинивающего наполнителя попадал в наземное оборудование для добычи углеводородов. В испытании циклического напряжения, описанном под заголовком «Параметры покрытых частиц», измеряется способность укрепленной забутовки расклинивающего наполнителя противостоять этому напряжению и перемещению, вызванному в подземной формации в ходе нормальной работы. Это относится к сдвигу внутри подземной формации, вызванному повторным открытием и закрытием скважины в подземной формации и другими природными явлениями. Было бы желательно разработать расклинивающий наполнитель с лучшей способностью противостоять этому напряжению.

Другое потенциальное преимущество этого расклинивающего наполнителя заключается в том, что в нем регулируется отверждение внешнего слоя таким образом, что в нем развивается прочное связывание под действием напряжения замыкания в формации, но прочное связывание отсутствует под действием простого гидростатического давления (то есть, не под действием дифференциального напряжения) в скважине, где частицы могут контактировать при повышенном гидростатическом давлении, но при минимальном напряжении замыкания. Таким образом, по желанию, расклинивающий наполнитель может быть удален после пребывания в ней в течение продолжительного периода времени в условиях скважины без дифференциального напряжения.

Другое потенциальное преимущество этого расклинивающего наполнителя заключается в том, что частицы сохраняют способность к отверждению даже после хранения в экстремальных природных условиях. В некоторых районах мира, таких как Средний Восток, который отличается очень жарким климатом, расклинивающий наполнитель может храниться в течение продолжительного периода времени при столь высокой температуре как 60°C (140°F). Это может вызвать преждевременное взаимодействие отверждаемого расклинивающего наполнителя при хранении в таком жарком климате и привести к некоторой потере способности к отверждению и, следовательно, к потере прочности связывания после введения в скважину в подземной формации. Напротив, частицы настоящего изобретения могут выдерживать такое хранение, поскольку покрытые частицы согласно изобретению сохраняют прочность при сжатии, по меньшей мере, на 80% или, по меньшей мере, на 90%, предпочтительно, по меньшей мере, на 95%, как определяется по испытанию UCS, после хранения в течение 14 суток при температуре 60°С. Обычно частицы согласно изобретению могут выдерживать такое хранение, поскольку они сохраняют прочность при сжатии, по меньшей мере, на 80 или, по меньшей мере, на 90%, предпочтительно, по меньшей мере, на 95%, как определяется по испытанию UCS, после хранения в течение 28 суток при температуре 60°C (140°F).

Краткое описание чертежей

На единственном чертеже показана типичная покрытая частица настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов изобретения

Настоящее изобретение предоставляет покрытые частицы, содержащие субстрат, покрытый, по меньшей мере, одним смолистым отверждаемым покрытием. Это смолистое отверждаемое покрытие может быть индивидуально выбрано из группы, состоящей из феноло-формальдегидных смол, эпоксидных смол, мочевино-альдегидных смол, смол фуриловых спиртов, меламино-альдегидных смол, полиэфирных смол и алкидных смол. Обычно покрытые частицы согласно изобретению включают, по меньшей мере, один внутренний слой, содержащий смолу, независимо выбранную из группы, состоящей из фурановой смолы, сочетания фурановой смолы и фенольной смолы, или смолы тройного фенол-фуран-формальдегидного полимера. Кроме того, покрытые частицы согласно изобретению могут включать, по меньшей мере, один внешний слой смолы, содержащий отверждаемую феноло-формальдегидую новолачную смолу.

Кроме того, настоящее изобретение предоставляет способ получения покрытых частиц, имеющих только отверждаемые покрытия, путем покрытия песка или другого гранулированного материала, по меньшей мере, одним внутренним слоем отверждаемой смолы и, по меньшей мере, одним отверждаемым внешним слоем.

А. Субстрат

Используемый при практическом осуществлении этого изобретения гранулированный материал может быть любым твердым материалом, который обычно применяется в качестве расклинивающего наполнителя. Например, подходящий гранулированный материал включает песок, минеральные волокна природного происхождения, такие как циркон и муллит, керамические материалы, такие как спеченный боксит, спеченный оксид алюминия, другие некерамические тугоплавкие материалы, такие как измельченные или стеклянные шарики. Индивидуальные частицы гранулированного материала имеют размер в интервале приблизительно от 8 до 100 в соответствии с номерами ситового анализа по стандарту США (т.е. отверстия в ситах приблизительно от 2,38 до 0,15 мм). Предпочтительно, диаметр частиц составляет приблизительно от 0,25 до 1,02 мм. В отличие от оксида алюминия боксит содержит примеси природного происхождения, и для него не требуются добавки спекающих агентов. Частицы представляют собой частицы расклинивающего наполнителя. Таким образом, они являются твердыми и противостоят деформации. Деформация отличается от раздавливания, когда частицы разрушаются. Кроме того, частицы не плавятся при температуре ниже 93,3°C (200°F) или 107,2°С (225°F), обычно частицы не плавятся при температуре ниже 232,2°С (450°F) или 287,8°С (550°F).

Однако в объеме этого изобретения учитывается, что оно дополнительно включает деформируемый, нерастворимый в воде гранулированный материал, вместе с недеформируемым, нерастворимым в воде гранулированным материалом. Такие деформируемые частицы описаны ниже.

Кроме того, в объеме настоящего изобретения рассматривается, что оно обеспечивает, по меньшей мере, одно отверждаемое внутреннее покрытие и, по меньшей мере, одно отверждаемое внешнее покрытие, как описано в изобретении, на другом гранулированном материале, таком как те, которые применяются для регулирования потока песка и для гравийных фильтров, где желательно получить прочное связывание между частицами под давлением.

В. Отверждаемые смолы

Используемые при практическом осуществлении этого изобретения отверждаемые смолы представляют собой любую смолу, которая способна покрывать субстрат в неотвержденной форме. Примеры таких смол включают фенол-альдегидные смолы, меламин-альдегидные смолы, резольные и новолачные смолы, мочевино-альдегидные смолы, эпоксидные смолы и фурфуриловые смолы, а также уретановые смолы.

Эти смолы могут быть нанесены в отверждаемом состоянии, в котором они остаются даже после добавления отверждающего агента, например катализатора или сшивающего агента, для того чтобы вызвать отверждение.

Для измерения степени отверждения используется обычное испытание - определение доли (в %) вещества, экстрагируемого ацетоном, которое описано ниже в разделе F, озаглавленном «Параметры покрытого расклинивающего наполнителя».

Однако следует понимать, что отверждаемое состояние смолы, используемой для покрытия субстрата, представляет собой технологический параметр, а не свойство самой смолы. Конкретно, температура, при которой наносят смолу, в сочетании с количеством или концентрацией добавленного отвердителя, может эффективно определять «степень отверждения» смолы.

1. Фурановая смола

В одном варианте осуществления применяется фурановая смола. Фурановые смолы представляют собой термически отверждаемые смолы, полученные путем взаимодействия фурилового спирта с формальдегидом или путем автоконденсации фурилового спирта, или путем сочетания взаимодействия фурилового спирта с формальдегидом и автоконденсации.

Вместо фурилового спирта можно использовать фурфурол.

Смолы фурилового спирта и формальдегида получаются в процессе, в котором в качестве катализатора используются водорастворимые соли многовалентных металлов. Использование водорастворимой соли многовалентного металла исключает необходимость применения катализатора - протонной кислоты, при этом взаимодействие проводится в существенно водных условиях.

Предпочтительным источником формальдегида является 50%-ный раствор формалина. Однако также могут быть использованы другие марки реагента. Параформ также может быть использован, если в реакционную смесь добавляется достаточное количество воды, чтобы весь или значительная часть отвердителя находилась в растворе.

Фуриловый спирт, формальдегид и катализатор - соль многовалентного металла - просто добавляют в реакционный сосуд и нагревают до температуры реакции.

Катализаторы - водорастворимые соли многовалентных металлов, которые могут быть использованы в этой реакции, включают ионы многовалентных металлов: марганца, цинка, кадмия, магния, кобальта, никеля, меди, олова, железа, свинца и кальция. Предпочтительными катализаторами являются ацетат цинка, ацетат свинца или их смеси.

В ходе взаимодействия фурилового спирта, формальдегида и катализатора - соли многовалентного металла - желательно удалять избыток воды, образующейся в реакции конденсации, и воду, присутствующую в формалине, относительно количества воды, необходимого для растворения катализатора. Удаление воды может быть осуществлено путем отгонки в ходе реакции, при этом увеличивается скорость реакции, а также снижается содержание воды в конечном продукте. Удаление воды целесообразно осуществлять в ходе реакции или на любой стадии, что облегчает обработ