專利名稱：陶瓷顆粒以及其制造方法
陶瓷顆粒以及其制造方法相關(guān)串請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求于2010年2月10日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/303，097的權(quán)益。
背景技術(shù)：
陶瓷顆粒群可以用于多種多樣的工業(yè)過程以及產(chǎn)品中，包括例如磨料介質(zhì)；作為基于浙青的屋頂瓦片的顆粒涂層；作為液體的過濾介質(zhì)；作為熔模鑄造過程中砂的代替物；以及作為井下鉆孔操作中的支撐劑，其中陶瓷材料可以被稱為支撐劑。由陶瓷顆粒制成的支撐劑可以用在深井中，在此施加到該陶瓷支撐劑上的壓力超過了常規(guī)支撐劑(例如砂和樹脂涂覆的砂)的抗壓碎強(qiáng)度。針對(duì)支撐劑的專利以及公開的專利申請(qǐng)的例子包括US 3，376，930 ；US4，632，876 ；US 7，067，445 ；US 7，528，096 ；US 2006/0177661 和 US2008/0000638。 概沭本發(fā)明的實(shí)施方案包括具有某些特征的顆粒群，這些特征用于改進(jìn)壓碎強(qiáng)度、傳導(dǎo)性以及耐沉降性同時(shí)還降低陶瓷顆粒生產(chǎn)者的制造成本。在此描述的陶瓷顆粒群可以使用常規(guī)的設(shè)備和原料來生產(chǎn)。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括一種陶瓷顆粒群，該群包括多個(gè)單獨(dú)的自由流動(dòng)的顆粒。該多個(gè)顆粒具有一個(gè)總重量和包括(195和(15粒度的粒度分布。該分布具有的有效寬度是該分布的(195與(15粒度之間的差值。該分布的有效寬度超過了 100微米并且包括三個(gè)鄰接的并且不重疊的區(qū)域，這些區(qū)域包括一個(gè)第一區(qū)域、一個(gè)第二區(qū)域以及一個(gè)第三區(qū)域。該第一區(qū)域鄰接該第二區(qū)域并且該第二區(qū)域鄰接該第三區(qū)域。該第二區(qū)域的寬度是該有效寬度的至少25%。該第二區(qū)域中的顆粒重量不超過該群的總重量的15%并且該第一區(qū)域和該第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量各自超過了該第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案涉及一種用于制造陶瓷顆粒群的方法。該方法可以包括以下步驟。提供一個(gè)初始量的、具有總重量和粒度分布的顆粒。將該初始的顆粒群分成至少三個(gè)部分，在此稱為A部分、B部分以及C部分，其中A部分的d5(l是小于B部分的d5(l，并且B部分的d5(l是小于C部分的d50。將A部分與C部分合并由此產(chǎn)生一個(gè)最終顆粒群，該群具有一個(gè)總重量以及包括d95和d5粒度的粒度分布。該分布的有效寬度是該分布的d95與d5粒度之間的差值。該分布的有效寬度超過了 100微米并且包括三個(gè)鄰接的并且不重疊的區(qū)域，這些區(qū)域包括一個(gè)第一區(qū)域、一個(gè)第二區(qū)域以及一個(gè)第三區(qū)域。該第一區(qū)域鄰接該第二區(qū)域并且該第二區(qū)域鄰接該第三區(qū)域。該第二區(qū)域的寬度是該有效寬度的至少25%。該第二區(qū)域中的顆粒重量不超過該最終群的總重量的15%并且該第一區(qū)域和該第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量各自超過了該第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量。<(1}另一個(gè)實(shí)施方案涉及一種用于制造陶瓷顆粒群的方法。該方法可以包括以下步驟。提供第一顆粒群以及第二顆粒群，其中該第一群的d9(l小于該第二群的CU。將該第一群與該第二群合并，由此產(chǎn)生一個(gè)最終群，該最終群具有一個(gè)總重量以及包括d95和d5粒度的粒度分布。該分布具有的有效寬度是該分布的(195與(15粒度之間的差值。該分布的有效寬度超過了 100微米并且包括三個(gè)鄰接的并且不重疊的區(qū)域，這些區(qū)域包括一個(gè)第一區(qū)域、一個(gè)第二區(qū)域以及一個(gè)第三區(qū)域。該第一區(qū)域鄰接該第二區(qū)域并且該第二區(qū)域鄰接該第三區(qū)域。該第二區(qū)域的寬度是該有效寬度的至少25%。該第二區(qū)域中的顆粒重量不超過該最終群的總重量的15%并且該第一區(qū)域和該第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量各自超過了該第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量。附圖
簡要說明圖I是重量百分比對(duì)比顆粒直徑的第一圖；圖2是第一工藝流程圖；圖3是重量百分比對(duì)比顆粒直徑的第二圖；圖4是第二工藝流程圖。
詳細(xì)說明如在此使用的，短語“陶瓷顆粒群”用作對(duì)多個(gè)單獨(dú)的自由流動(dòng)的陶瓷顆粒的總體描述。諸如支撐劑、磨料顆粒以及屋頂料粒的術(shù)語描述了旨在用于特定應(yīng)用中的陶瓷顆粒群。如在此使用的術(shù)語“支撐劑”或“支撐劑類”可以互換使用，用于表示典型地與壓裂液混合并且然后強(qiáng)力注入井孔中的大量陶瓷顆粒。可以具有在200微米與2. 4_之間直徑的顆粒通過該壓裂液而駐留在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的裂縫中。該壓裂液已經(jīng)抽出之后，這些顆粒仍然在裂縫中。隨著位于井孔附近的流體通過這些裂縫而排入井中并且然后被泵送到井表面上，這些單獨(dú)的顆粒支持打開穿過裂縫的通路，由此允許另外的液體填充該井。使用支撐劑可以通過使得與在同一井中不使用支撐劑時(shí)有可能的得到的相比捕獲更多流體而提高了井的經(jīng)濟(jì)性能。為了制造大量的陶瓷顆粒，例如支撐劑，人造支撐劑的商業(yè)制造商可以使用大型旋轉(zhuǎn)盤式混合器來將干成分與濕成分進(jìn)行混合并且然后形成大量的手動(dòng)可變形的球狀顆粒，這些顆粒被稱為陶坯。在任何進(jìn)一步的加工(例如分選或加熱)之前，在此該陶坯可以稱為初始顆粒群。關(guān)于用來制造該陶坯的干成分，適當(dāng)?shù)钠鹗疾牧习ㄑ趸?，例如氧化鋁、氧化硅、氧化鎂以及它們的混合物。其他示例性的起始材料包括粘土 (主要是水合的氧化鋁)，例如高嶺土、硬水鋁石粘土、蠕狀耐火粘土以及燧石粘土、鋁土、天然或合成的鋁土礦、硅鋁酸鹽、硅酸鎂、它們的混合物以及類似物?？梢约尤氩煌臒Y(jié)助劑，例如膨潤土、氧化鐵、硼、碳化硼、二硼化鋁、氮化硼、磷化硼、其他硼化合物或助熔劑，例如碳酸鈉、碳酸鋰、長石、氧化錳、氧化鈦以及硅酸鈉，其量值高達(dá)按重量計(jì)百分之十以輔助燒結(jié)。如果希望的話，可以將一種粘結(jié)劑加入到該混合物中以改進(jìn)顆粒的形成并且增加該陶坯的強(qiáng)度。總體上，該粘結(jié)劑是基于這些氧化物的重量以按重量計(jì)約0-6百分比加入。適合的粘結(jié)劑材料可以包括淀粉、樹脂或蠟、碳酸鈣、或它們的組合。這些干成分可以通過球磨或其他研磨過程進(jìn)行研磨。研磨之前，將這些干成分干燥以便于研磨。 在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將這些干成分與一種濕成分(例如水)結(jié)合并且在一個(gè)強(qiáng)力混合器(例如Eirich混合器)中混合，該強(qiáng)力混合器具有一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的容器，該容器配備有一個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)盤或可旋轉(zhuǎn)的沖擊葉輪。該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)盤或盤在與該沖擊葉輪相反的方向上旋轉(zhuǎn)。該沖擊葉輪可以處于盤的形式，具有附接到該盤上并且總體上平行于該葉輪的旋轉(zhuǎn)軸線而對(duì)齊的多個(gè)桿或棒。需要足夠的水來實(shí)質(zhì)上引起該的混合物的球形顆粒的形成。此種顆粒形成之后，可以加入另外的陶瓷粉末并且可以進(jìn)一步運(yùn)行該混合器以便引起所添加的材料增加到正在形成的顆粒中。然后將所得到的陶坯干燥，通常是在干燥器中在約100° C與約300° C之間的溫度下，直至水分含量小于約10的重量百分比。在常規(guī)的方法中由附聚器產(chǎn)生的粒徑分布是如此寬而使得該分布包括對(duì)于井孔中的使用而言尺寸過大的顆粒以及尺寸不足的顆粒連同尺寸適當(dāng)?shù)念w粒。尺寸過大的顆?？赡芴蠖荒芷鸬街蝿┑淖饔茫?yàn)樗鼈冸y以置于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。尺寸不足的支撐劑可能太小而不能起到支撐劑的作用，因?yàn)樗鼈円子谔畛淦渌叽邕m當(dāng)?shù)闹蝿┲g的空隙并且由此降低了流體穿過該支撐劑填料的傳導(dǎo)性。因此，支撐劑制造商典型地去掉了尺寸過大的以及尺寸不足的顆粒以便生產(chǎn)一種商業(yè)上可行的支撐劑，該支撐劑具有可接受的傳導(dǎo)性以及壓碎耐受性。然而，因?yàn)橥ㄟ^排除尺寸過大的以及尺寸不足的顆粒而減小了粒度分布的寬度，該分布中剩余的顆粒易于形成單峰的分布、具有比初始的群更好的傳導(dǎo)性但是壓碎可能增加至超過可接受的水平。尺寸過大的以及尺寸不足的顆粒通過允許這些顆粒流經(jīng)一系列的篩子而從原始的群中去除。每個(gè)篩子包括多個(gè)形狀和尺寸均勻的孔，這些孔允許比該篩子的孔更小的顆粒流經(jīng)該篩子并且阻止了比該篩孔大的顆粒從中通過。如以上所 解釋的，如果該支撐劑制造過程不能如所希望的嚴(yán)密控制單獨(dú)支撐劑顆粒的直徑，則該篩分過程可能需要轉(zhuǎn)向并且然后回收大量的太大或太小的初始支撐劑群。在一些商業(yè)操作中，在該篩分過程中去除了高達(dá)30重量百分比的支撐劑并且接著將其返回到支撐劑制造過程的開始階段，在那里將它們進(jìn)行回收。在單次通過中產(chǎn)生了小于70重量百分比的可用產(chǎn)品的支撐劑制造過程是已知的。盡管這種再循環(huán)的材料是可回收的，由此避免了顯著的材料成本的經(jīng)濟(jì)損失，但在制造以及回收30重量百分比的陶坯中涉及的勞動(dòng)是一種經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，這最終增加了生產(chǎn)該支撐劑的成本。這種干燥并且篩分后的陶坯然后可以在一個(gè)加熱爐中加熱到升高的溫度，例如1000° C或更高，由此將干成分的附聚粒料彼此燒結(jié)和/粘結(jié)并且形成多孔的耐壓碎的支撐劑顆粒。適當(dāng)?shù)臒Y(jié)溫度總體上是約1200° C并且可以高達(dá)1500° C。如以下將解釋的，本發(fā)明的一種方法的一個(gè)實(shí)施方案降低了生產(chǎn)這種支撐劑的成本，是通過將初始量的顆粒分離成至少三個(gè)部分，它們?cè)诖吮环Q為A部分、B部分、C部分，并且然后將A部分與C部分合并而由此產(chǎn)生一個(gè)最終支撐劑群。B部分可以作為一種單獨(dú)的產(chǎn)品出售而無需進(jìn)一步加工。勞動(dòng)成本的節(jié)約以及生產(chǎn)過程的產(chǎn)率的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)可以顯著地提高該支撐劑制造過程的經(jīng)濟(jì)性能。支撐劑可以使用一種或多種包括粒度分布在內(nèi)的物理特征進(jìn)行表征。如在此使用的，粒度分布是使用CA M S IZERr光學(xué)粒度分析儀來確定，該分析儀是由德國萊馳科技公司(Retsch Technology)生產(chǎn)的。該粒度分析儀提高了一個(gè)粒度分布圖，該圖可以指示許多粒度度量，例如d5(l，是用來指代小于這些顆粒的直徑的50%以及大于這些顆粒的直徑的50%的顆粒直徑。類似地，d5指代小于這些顆粒的直徑的95%并且大于這些顆粒的直徑的5%的粒徑。對(duì)于任何分布，可以對(duì)于其他粒度量度，例如d1(l、d25、d75和d9(l計(jì)算類似的值。用來描述支撐劑的另一個(gè)重要物理特征是傳導(dǎo)性，可以總體上描述為當(dāng)流體移動(dòng)穿過該支撐劑時(shí)該支撐劑施加該流體上的阻力的一種量度。傳導(dǎo)性使用在ISO 13503-5中描述的程序確定。還另一個(gè)重要的特征是支撐劑經(jīng)受壓碎的能力。壓碎耐受性是通常用來表示支撐劑的強(qiáng)度的術(shù)語并且可以使用ISO 13503-2確定。一種強(qiáng)支撐劑在相同的閉合應(yīng)力下產(chǎn)生了比弱支撐劑更低重量百分比的被壓碎支撐劑。例如，在相同的測(cè)試條件下，具有2重量百分比的壓碎支撐劑的支撐劑被認(rèn)為是強(qiáng)支撐劑并且優(yōu)于一種具有10重量百分比的壓碎支撐劑的弱支撐劑。當(dāng)支撐劑被用于鉆削操作中時(shí)，將這些顆粒與一種流體混合，然后將該流體強(qiáng)力地泵送到井下。當(dāng)該流體和其中夾帶的顆粒被泵送到井中時(shí)，一些顆粒與同一粒子群中的其他顆粒相比易于以更快的速率沉降。如果在每個(gè)井中使用相同的壓裂液和推進(jìn)劑，則井的深度將影響分離的程度，其中淺井(即，小于2000米)比深井(B卩，大于4000米)經(jīng)歷了更少的分離。這種現(xiàn)象在此可以被稱為“支撐劑沉降問題”，這對(duì)于使用支撐劑作為破壞地質(zhì)結(jié)構(gòu)的過程的一部分的公司而言是一個(gè)廣泛認(rèn)可的并且持久性的問題。支撐劑沉降問題可以導(dǎo)致小顆粒積累在破碎區(qū)中的一個(gè)位置而大顆粒積累在該破碎區(qū)中的第二位置。在破碎區(qū)內(nèi)不受控的顆粒沉降可以降低支撐劑的效力并且由此降低井的經(jīng)濟(jì)性能。本發(fā)明的諸位 發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，這個(gè)問題可以通過協(xié)調(diào)支撐劑物理特征(例如，粒度分布以及比重)以及化學(xué)組成的選擇而使得大多數(shù)顆粒以大致相同的速率沉降來實(shí)質(zhì)性地降低或消除。將具有第一平均粒度和比重的第一支撐劑群與具有不同的平均粒徑和比重的第二支撐劑群進(jìn)行混合，使得在該最終的顆粒群中的所有顆粒都以大致相同的速率沉降，可以實(shí)質(zhì)性地解決這個(gè)支撐劑沉降問題。本發(fā)明的諸位發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，對(duì)具有已知的的粒徑和比重的第一支撐劑群與具有不同于該第一支撐劑群的粒徑和比重的一個(gè)已知粒徑和或比重的第二支撐劑群的選擇進(jìn)行協(xié)調(diào)可以用來有意地創(chuàng)建一個(gè)沉降速率圖譜，該圖譜可以用來產(chǎn)生有益的并且可控的顆粒沉降速率差。例如，可以使得具有高比重的小顆粒比具有低比重的大顆粒遠(yuǎn)遠(yuǎn)更快地沉降。如果希望的話，可以增大沉降的差異，使得大多數(shù)的小顆粒進(jìn)入該地質(zhì)構(gòu)造的裂隙中并且在較大顆?？梢缘竭_(dá)裂縫開口之前盡可能遠(yuǎn)地移動(dòng)到裂縫中。選擇性地插入較小顆粒然后是較大顆?？梢允撬Ｍ?，因?yàn)檫@可以導(dǎo)致防止顆?；亓?，顆?；亓魇窃谌コ龎毫岩簳r(shí)所不希望的從裂縫中的顆粒去除。圖I示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的陶瓷顆粒群的重量百分比對(duì)比直徑的一個(gè)圖。該分布的有效寬度(參見箭頭28)在此被定義為粒度d5 (參見箭頭30)與粒度(195 (參見箭頭32)之間的距離。如之前描述的，該粒度分布的d5和d95可以使用光學(xué)粒度分析儀確定。在該有效寬度內(nèi)，存在至少三個(gè)鄰接的但是不重疊的區(qū)域，包括第一區(qū)域34、第二區(qū)域36以及第三區(qū)域38。該第一區(qū)域鄰接該第二區(qū)域并且該第二區(qū)域鄰接該第三區(qū)域。在該第一區(qū)域內(nèi)的顆粒重量以及在該第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量各自超過了該第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量。在圖I中，該第一和第三區(qū)域中的顆粒重量是該群的總重量的40%并且在該第二區(qū)域中的顆粒重量是10%。關(guān)于平均粒度，在此也稱為d5(l，該第一區(qū)域的d5(l固有地小于該第二區(qū)域的d5(l，該第二區(qū)域的d5(l固有地小于該第三區(qū)域的d50。此外，該第二區(qū)域的寬度在此被定義為粒度dmin (參見箭頭40)與dmax (參見箭頭42)之間的差，是該有效寬度28的寬度的約25%。關(guān)于第一、第二以及第三區(qū)域的重量百分比，本發(fā)明的陶瓷顆粒群可以具有單獨(dú)地在該群的總重量的5與85重量百分比之間的第一區(qū)域以及第三區(qū)域，前提是該第一和第三區(qū)域總計(jì)不超過90%。該第二區(qū)域不超過該群的總重量的15重量百分比。在一些實(shí)施方案中，該第二區(qū)域可以占該群的總重量的不大于10重量百分比、5重量百分比或甚至O重量百分比。第一或第三區(qū)域的重量百分比在5與85之間，例如15，35，40. 0，63. 5以及75. 7，也是可行的。類似地，第二區(qū)域的重量百分比在0與15之間，例如3. 0,6. 2，9. 5和12. 1，是可行的。在圖I中示出的第一、第二以及第三區(qū)域的界限在此被定義如下。該第一區(qū)域從該群的d5延伸到第二區(qū)域的dmin。該第三區(qū)域從該第二區(qū)域的d_延伸到該群的d95。該第二區(qū)域位于該第一區(qū)域與該第三區(qū)域之間，由此占據(jù)了 (1_與d_之間的區(qū)域。對(duì)于一個(gè)特定的陶瓷顆粒群，(1_與(1_是共同限定了如下一個(gè)區(qū)域的粒度，該區(qū)域同時(shí)地(I)占據(jù)該分布在其d5與d95之間的粒度之間的寬度的至少25% ; (2)該第一區(qū)域以及該第三區(qū)域內(nèi)的顆粒的重量百分比各自超過了該第二區(qū)域內(nèi)的顆粒的重量百分比；并且(3)在該第二區(qū)域內(nèi)的顆粒的重量百分比不超過該群的總重量的15重量百分比。該第二區(qū)域(即，對(duì)應(yīng)于dmin和d_的粒度)可以使用粒度分析儀確定該顆粒群中的粒徑并且然后使用篩子來確定所選擇的粒徑之間的顆粒重量百分比而進(jìn)行確定。圖2中示出了可以用來生產(chǎn)本發(fā)明的陶瓷顆粒群的一個(gè)實(shí)施方案的方法。步驟50呈現(xiàn)了提供初始量的顆粒，這些顆粒具有一個(gè)總重量以及粒度分布。該初始量可以具有單峰或多峰的粒度分布并且可以使用原料和常規(guī)的設(shè)備來生產(chǎn)，例如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的用于制造支撐劑的噴霧干燥器、高強(qiáng)度剪切混合器以及盤式附聚器。在步驟52中，將該初始量的顆粒分成A部分、B部分以及C部分，它們?cè)趫D2中分別由部分編號(hào)54、56和58表不。A部分的d5(l是小于B部分的d5(l,而B部分的d5(l是小于C部分的d50。將該初始量分成三個(gè)部分可以使用空氣分級(jí)系統(tǒng)(旋風(fēng)分離器或篩分機(jī)構(gòu))完成。步驟60表示將A部分與C部分合并以產(chǎn)生一個(gè)最終的陶瓷顆粒群62，該群不包含B部分。B部分中的顆?？梢?出售而無需進(jìn)一步的篩分或其他改變，由此避免了與從該初始量的陶瓷顆粒中回收25%或更多的顆粒相關(guān)的成本。圖3披露了可以由圖2中披露的方法制造的多個(gè)陶瓷顆粒的假設(shè)性粒度分布，其中在該初始量的顆粒被分成A部分、B部分和C部分之后,將A部分與C部分合并，由此產(chǎn)生了具有圖3中披露的粒度分布的最終的陶瓷顆粒群。該最終的陶瓷顆粒群具有一個(gè)總重量和一個(gè)包括d95和d5粒度的粒度分布。該分布的有效寬度是該分布的d95與d5粒度之間的差值、超過了 100微米并且包含三個(gè)鄰接的并且不重疊的區(qū)域，這些區(qū)域包括第一區(qū)域34，該第一區(qū)鄰接第二區(qū)域36，該第二區(qū)域鄰接第三區(qū)域38。該第二區(qū)域的寬度是該有效寬度的至少25%并且該第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量不超過該最終群的總重量的15%。此外，在該第一區(qū)域以及該第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量各自超過了該第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量。用于制造本申請(qǐng)人的發(fā)明的實(shí)施方案的另一種方法參照?qǐng)D4進(jìn)行了說明，其中步驟80代表了提供第一量的具有粒度d9Q的顆粒。步驟82代表提供第二量的具有d1Q粒度的粒度分布的顆粒。該第一量以及第二量的顆粒被選擇為使得該第一量的d9(l小于該第二量的d1(l。在步驟84中，接著將該第一以及第二量混合以產(chǎn)生一個(gè)最終的陶瓷顆粒群。該最終的群具有一個(gè)包括d95和d5粒度的粒度分布。該分布具有的有效寬度是d95與d5粒度之間的差值。該有效寬度超過了 100微米并且包含三個(gè)鄰接的并且不重疊的區(qū)域，這些區(qū)域包括一個(gè)第一區(qū)域，該第一區(qū)鄰接一個(gè)第二區(qū)域，該第二區(qū)進(jìn)而鄰接一個(gè)第三區(qū)域。在該第一區(qū)域以及該第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量各自超過了該第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量。該第二區(qū)域的粒度分布的寬度是該最終群的有效寬度的至少25%。參見在圖4中披露的方法，該第一量的顆粒具有一個(gè)平均比重以及粒度分布。該第二量的顆粒具有一個(gè)平均比重以及粒度分布。在某些實(shí)施方案中，該第二量的顆粒的平均比重可以比該第一量的顆粒的平均比重小至少10%。如果希望的話，該第二量的顆粒的平均比重可以比該第一量的顆粒的平均比重小15%、20%或甚至25%。通過協(xié)調(diào)對(duì)粒度分布以及平均比重的選擇，可以使得該第一量的顆粒與該第二量的顆粒以大致相同的速率進(jìn)行沉降。在某些實(shí)施方案中，將該第二量的顆粒的平均比重控制在比該第一量的顆粒的平均比重小至少10重量百分比，將實(shí)質(zhì)性地減輕或防止所不希望的顆粒沉降。如果如在圖4中披露的方法中，將兩個(gè)不同的顆粒群合并以便制造本發(fā)明的陶瓷顆粒群的一個(gè)實(shí)施方案，則該第一以及第二量的物理特征(即，比重和粒度分布)以及化學(xué)特征(例如組成)均可以獨(dú)立地進(jìn)行選擇為產(chǎn)生一個(gè)最終的群。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的陶瓷顆粒群可以具有如下的粒度分布，該粒度分布具有如在圖3中所示的第一區(qū)域34、第二區(qū)域36以及第三區(qū)域38。在這個(gè)實(shí)施方案中，在該第二區(qū)域沒有顆粒。在第一區(qū)域34中的顆粒可以與該第三區(qū)域38中的顆粒在化學(xué)上是相同的。替代地，在該第一區(qū)域中的顆?？梢跃哂械谝换瘜W(xué)組成并且該第三區(qū)域內(nèi)的顆?？梢跃哂械诙瘜W(xué)組成，該第二化學(xué)組成與該第一化學(xué)組成在化學(xué)上是不同的。如在此使用的，兩種化學(xué)組成會(huì)被認(rèn)為是 “化學(xué)上不同的”，如果(I)這些組成不包含至少一種公共的化學(xué)化合物；或(2)如果這些組成不包含至少一種公共的化合物，然后基于該組合物的總重量，在該第一組成的化合物的量與該第二組成的化合物的量之間存在至少10重量百分比的差異?？梢允褂肵-射線X光(XRF)分析裝置來確定化合物的量，例如Al2O3和Si02。例如，在第一實(shí)施方案中，如果該陶瓷顆粒群中的整個(gè)顆粒群是由鋁土礦制成的，該群具有包含至少30重量百分比的Al2O3的第一化學(xué)組成，則這些區(qū)域的化學(xué)組成不是化學(xué)上不同的。在一個(gè)第二實(shí)施方案中，如果該第一區(qū)域內(nèi)的顆粒是由鋁土礦制成的并且該第三區(qū)域內(nèi)的顆粒具有一個(gè)包含小于I重量百分比的Al2O3以及至少50重量百分比的SiO2的化學(xué)組成，則該第一與第三區(qū)域的組成是化學(xué)上不同的。在該第二實(shí)施方案中，該第三區(qū)域內(nèi)的顆?？梢园ㄉ啊Ｔ谝粋€(gè)第三實(shí)施方案中，如果該第一區(qū)域內(nèi)的顆粒是由鋁土礦制成的并且由此具有小于60重量百分比或更多的Al2O3，而該第三區(qū)域內(nèi)的顆粒是由包括小于50重量百分比的Al2O3的粘土制成的，則該第一與第三區(qū)域的組成是化學(xué)上不同的。關(guān)于支撐劑顆粒的裝填，當(dāng)它們被插入到地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的裂縫中時(shí)，支撐劑顆粒的直徑的分布可以影響所填充的顆粒的物理排列，這可以影響該支撐劑的壓碎強(qiáng)度以及傳導(dǎo)性?？紤]例如包含三種分別具有平均直徑DpD2和D3的不同尺寸的支撐劑顆粒的混合物的一種支撐劑填料，其中最小直徑的顆粒具有等于D1的平均直徑，中間粒徑的顆粒具有等于D2的平均直徑并且最大的顆粒具有等于D3的平均直徑。在該填料內(nèi)，最大直徑的顆粒通?？梢员舜肃徑?，由此形成了一種實(shí)質(zhì)上連續(xù)的基質(zhì)，該基質(zhì)在其間限定了多個(gè)通道。這些中間尺寸的顆粒以及最小尺寸的顆粒可以被選擇來容易地填充最大顆粒之間的通道。因?yàn)樽畲笾睆降念w粒形成了穿過該填料的基質(zhì)，這些最大顆粒的壓碎耐受性實(shí)質(zhì)上決定了該支撐劑填料的壓碎耐受性。在同一填料內(nèi)，最小的以及中間直徑的顆?？赡軐?duì)支撐劑填料的壓碎耐受性具有極小的影響，因?yàn)樗鼈兣浜显谟苫|(zhì)產(chǎn)生的空隙內(nèi)，同時(shí)，最小的以及中間尺寸的顆?？梢酝ㄟ^填充大顆粒之間的空隙而由此阻擋流體可以從中流動(dòng)的通道來減小支撐劑填料的傳導(dǎo)性。相比之下，支撐劑顆粒的分布可以被選擇為使得最小和/或中間直徑的顆粒太大而不能適配到大顆粒所產(chǎn)生的空隙內(nèi)，由此迫使許多更大的顆粒彼此離開并且減小大顆粒之間的接觸點(diǎn)的數(shù)目。這種對(duì)大顆粒的裝填模式的破壞可以通過選擇如下的顆粒群來輔助，在該顆粒群中顆粒的d5:d95之比超過了 0. 22。具有大于0. 30或甚至0. 35的d5:d95比率的顆粒群是可行的。具有大于0. 22的d5:d95比率的顆粒群出于兩個(gè)原因可能是有利的。首先，這種被破壞的填充模式可以在最大顆粒與較小顆粒之間創(chuàng)造更多的接觸點(diǎn)，由此破壞了在更寬的范圍內(nèi)施加到該填料上的力，這導(dǎo)致了提高的壓碎耐受性。其次，由最大顆粒限定的通道被中間以及最小直徑的顆粒迫使打開，由此有助于流體穿過該支撐劑填料而流動(dòng)。在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明的支撐劑可以包含獨(dú)特的粒度分布，這些粒度總體提供了壓碎耐受性、碎裂過程中的沉降耐受性以及流體穿過該支撐劑的傳導(dǎo)性。這些所希望的性能特征被認(rèn)為是至少部分地由于顆粒以破壞的填料模式進(jìn)行裝填的能力。 實(shí)魁為了展示本發(fā)明的陶瓷顆粒群的一個(gè)實(shí)施方案，諸位發(fā)明人如下制造了一個(gè)支撐劑群。起始材料包括400kg的阿肯色州鋁土礦，該鋁土礦之前已經(jīng)被研磨成約10微米的平均粒徑；7kg可商購的玉米淀粉粘結(jié)劑；以及113kg (25磅)的水,該水添加到一個(gè)旋轉(zhuǎn)Eirich混合器(這是一種眾所周知的附聚器)中。將這些原料填充到該混合器腔中至三分之二滿。轉(zhuǎn)盤與葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)持續(xù)I. 5分鐘直至形成了具有適當(dāng)尺寸的顆粒。緩慢添加約IOOkg的另外的鋁土礦，由此對(duì)先前形成的顆粒涂覆了一個(gè)材料層。> 轉(zhuǎn)盤與葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)繼續(xù)4分鐘，由此導(dǎo)致形成了球狀的顆粒，這些顆粒在此可以稱為陶坯。然后將顆粒在干燥器中在200° C下干燥，直至顆粒的水分含量小于10%。為了實(shí)現(xiàn)所希望的密度和強(qiáng)度，然后將這些干燥的顆粒加熱到1400° C持續(xù)約一小時(shí)。所得到的顆粒具有約0.9的球度，如使用Krumbein and Sloss圖所確定的。在離開該干燥箱時(shí)但在流經(jīng)該加熱爐之前整個(gè)顆粒群在此被定義為母體顆粒群。在加熱爐中在1400° C下熱處理之后，將該母體顆粒群通過引導(dǎo)顆粒流動(dòng)穿過第一商業(yè)篩分裝置而進(jìn)行篩分，該篩分裝置包含線性排列的一個(gè)14目篩子然后是一個(gè)50目篩子。該第一篩分裝置去除了(a)不能流動(dòng)穿過該14目篩子或(b)不能流動(dòng)穿過該50目篩子的顆粒，由此留下了足夠小而能流動(dòng)穿過14目篩子并且太到而不能流動(dòng)穿過50目篩子的支撐劑群。這個(gè)顆粒群在此被定義為初始顆粒群并且在表I中稱為批號(hào)I。使批號(hào)I流動(dòng)穿過第二篩分過程，該第二篩分過程包括一種含20目篩子以及35目篩子的商用篩分裝置。該第二篩分裝置將這些顆粒轉(zhuǎn)向并且捕獲成三個(gè)單獨(dú)的部分。A部分包含流動(dòng)穿過了第一篩分裝置中的14目篩子但是太大而不能流動(dòng)穿過該20目篩子的顆粒。B部分中的顆粒足夠小而能流動(dòng)穿過該20目篩子并且太大而不能流動(dòng)穿過35目篩子并且在表I中被稱為批號(hào)2。C部分中的顆粒足夠小而能流動(dòng)穿過該35目篩子并且太大而不能流動(dòng)穿過第一篩分裝置中的50目篩子。將A部分與C部分中的顆粒再次合并，由此產(chǎn)生了該最終的支撐劑群，該群在表I中被稱為批號(hào)3。將B部分中的顆粒從該最終支撐劑群中永久性地分離出。在下表I中示出了每種支撐劑的相關(guān)特征。除百分比外的所有數(shù)值都是以微米計(jì)的。表I
權(quán)利要求
1.一種陶瓷顆粒群，包括 a.多個(gè)單獨(dú)的自由流動(dòng)的陶瓷顆粒，所述多個(gè)顆粒具有一個(gè)總重量以及粒度分布，該粒度分布包括d95和d5粒度； b.所述分布具有一個(gè)有效寬度，該有效寬度是該分布d95與d5粒度之間的差值，所述分布的有效寬度超過了 100微米并且包含三個(gè)鄰接的但是不重疊的區(qū)域，包括一個(gè)第一區(qū)域，一個(gè)第二區(qū)域以及一個(gè)第三區(qū)域，其中該第一區(qū)域鄰接該第二區(qū)域并且該第二區(qū)域鄰接該第三區(qū)域；并且其中所述第二區(qū)域的寬度是該有效寬度的至少25% ;并且 c.其中所述第二區(qū)域中的顆粒重量不超過該多個(gè)顆粒的總重量的15%并且所述第一區(qū)域和所述第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量各自不超過所述第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量。
2.如權(quán)利要求I所述的群，其中，該比率d5:d95超過了0. 22。
3.如權(quán)利要求I所述的群，其中，該比率d5:d95超過了0. 30。
4.如權(quán)利要求I所述的群，其中，所述顆粒群具有在200微米與2.4mm之間的平均直徑。
5.如權(quán)利要求I所述的群，其中，所述第二區(qū)域的寬度是該有效寬度的至少30%。
6.如權(quán)利要求I所述的群，其中，所述第一區(qū)域內(nèi)的顆粒重量超過了該多個(gè)顆粒的總重量的至少5%。
7.如權(quán)利要求6所述的群，其中，所述第一區(qū)域內(nèi)的顆粒重量超過了該多個(gè)顆粒的總重量的至少15%。
8.如權(quán)利要求I所述的群，其中，所述第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量超過了該多個(gè)顆粒的總重量的至少5%。
9.如權(quán)利要求8所述的群，其中，所述第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量超過了該多個(gè)顆粒的總重量的至少15%。
10.如權(quán)利要求9所述的群，其中，所述第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量超過了該多個(gè)顆粒的總重量的至少40%。
11.如權(quán)利要求10所述的群，其中，所述第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量不超過該多個(gè)顆粒的總重量的至少10%。
12.如權(quán)利要求I所述的群，其中，所述第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量不超過該多個(gè)顆粒的總重量的至少10%。
13.如權(quán)利要求I所述的群，其中，所述第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量不超過該多個(gè)顆粒的總重量的至少5%。
14.一種用于制造多個(gè)顆粒的方法，該方法包括以下步驟 a.提供一個(gè)初始量的、具有總重量和粒度分布的顆粒； b.將所述量的顆粒分成A部分、B部分以及C部分，其中A部分的d5(l是小于B部分的d50，而B部分的d50是小于C部分的d50 ;并且 c.將該第一部分與該第三部分合并由此產(chǎn)生一個(gè)最終的顆粒群，該群具有一個(gè)總重量以及一個(gè)包括d95與d5的粒度分布，所述粒度的有效寬度是該分布的d95與d5粒度之間的差值，所述分布的有效寬度超過了 100微米并且包含三個(gè)鄰接但是不重疊的區(qū)域，這些區(qū)域包括一個(gè)第一區(qū)域、一個(gè)第二區(qū)域以及一個(gè)第三區(qū)域，其中該第一區(qū)域鄰接該第二區(qū)域并且該第二區(qū)域鄰接該第三區(qū)域；其中所述第二區(qū)域的寬度是該有效寬度的至少25% ;其中所述第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量不超過該最終群的總重量的15%，并且其中所述第一區(qū)域以及所述第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量各自超過所述第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，該第二區(qū)域的寬度是該有效寬度的至少30%。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量不超過該最終群的總重量的10%。
17.一種用于制造陶瓷顆粒群的方法，該方法包括以下步驟 a.提供第一量的顆粒以及第二量的顆粒，其中該第一量的d9(l小于該第二量的d1(l，并且 b.將該第一量與該第二量合并由此產(chǎn)生一個(gè)最終的陶瓷顆粒群，該群具有一個(gè)總重量以及包括d95與d5的粒度分布，所述分布具有一個(gè)有效寬度，該有效寬度是該分布的d95與d5粒度之間的差值，所述分布的有效寬度超過了 100微米并且包括三個(gè)鄰接但是不重疊的區(qū)域，這些區(qū)域包括一個(gè)第一區(qū)域、一個(gè)第二區(qū)域以及一個(gè)第三區(qū)域，其中該第一區(qū)域鄰接該第二區(qū)域并且該第二區(qū)域鄰接該第三區(qū)域；其中所述第二區(qū)域的寬度是該有效寬度的至少25% ;并且其中所述第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量不超過該最終陶瓷顆粒群的總重量的15%，并且所述第一區(qū)域以及所述第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量各自超過了所述第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中該第一量的顆粒具有一個(gè)平均比重，該第二量的顆粒具有一個(gè)平均比重并且該第一量的平均比重與該第二量的平均比重之間的差值是該第一量的平均比重的至少10%。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中該第一量的顆粒的平均比重與該第二量的顆粒的平均比重之間的差值是該第一量的平均比重的至少15%。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一量的顆粒具有第一化學(xué)組成，所述第二量的顆粒具有第二化學(xué)組成，并且這些化學(xué)組成在化學(xué)上彼此不同。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述這些化學(xué)組成中的至少一種包含至少50重量百分比的SiO2。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述這些化學(xué)組成中的僅一種包含至少50重量百分比的SiO2。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述這些化學(xué)組成中的至少一種包含至少50重量百分比的SiO2所述化學(xué)組成包含砂。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述這些化學(xué)組成中的僅一種包含至少30重量百分比的Al2O3。
全文摘要
在此披露了一種陶瓷顆粒群，該群包括多個(gè)單獨(dú)的自由流動(dòng)的顆粒。該多個(gè)顆粒具有一個(gè)總重量和粒度分布。該分布的有效寬度是該分布的d95與d5粒度之間的差值。該分布的有效寬度超過了100微米并且包括三個(gè)鄰接的并且不重疊的區(qū)域，這些區(qū)域包括一個(gè)第一區(qū)域、一個(gè)第二區(qū)域以及一個(gè)第三區(qū)域。該第一區(qū)域鄰接該第二區(qū)域并且該第二區(qū)域鄰接該第三區(qū)域。該第二區(qū)域的寬度是該有效寬度的至少25%。在該第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量不超過該多個(gè)顆粒的總重量的15%。在該第一區(qū)域以及該第三區(qū)域內(nèi)的顆粒重量各自超過該第二區(qū)域內(nèi)的顆粒重量。還披露了用于制造陶瓷顆粒群的方法。
文檔編號(hào)C04B35/01GK102753501SQ201180008525
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者D·L·邁克遜, I·耶格爾, K·R·迪克遜, S·森, T·富西, T·斯曼斯基, W·T·史蒂芬斯 申請(qǐng)人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司