用于烧结支撑剂的设备和方法 |
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| 申请号 | CN201480014781.8 | 申请日 | 2014-03-12 | 公开(公告)号 | CN105189919B | 公开(公告)日 | 2017-12-01 |
| 申请人 | 弗雷特等离子实验室公司; | 发明人 | T·弗雷特; | ||||
| 摘要 | 一种设备和方法，用于在生球在 电弧 和沿 旋涡 轨迹流动的气体之间经过且离开容器底流部时，在 选定 温度 范围内 烧结 或部分烧结生球以制造 支撑 剂 颗粒。所述容器具有布置在第一端的溢流部、布置在第二端的底流部、布置在所述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所述第一端的切向入口，以使气体从切向入口沿从第一端至容器第二端的旋涡轨迹流动。第一 电极 延伸穿过所述溢流部而第二电极延伸穿过所述底流部。电极用于产生开放的电弧。一个或多个供料管延伸穿过所述溢流部，邻近所述第一电极。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于烧结生球以制造支撑剂颗粒的设备，所述设备包括： |
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| 说明书全文 | 用于烧结支撑剂的设备和方法技术领域背景技术[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/或陶瓷珠被泵送到井中，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。 [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。 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池。 [0021] 另外，设备100包括一个或多个供料管132，它们延伸穿过溢流部108，邻近第一电极124。如图1所示，所述一个或多个供料管132可以是单管132，单管具有大于第一电极124的直径，以使第一电极124布置在单管132内并有间隙隔开单管132与第一电极124。这种构型协同形成了管式逆流换热器内的同轴管。这种逆流换热器允许在暴露于电弧之前预先加热生球102。所述一个或多个供料管132也可以是绕第一电极124等距间隔的多个较小供料管。在另一实施例中，所述一个或多个供料管132是接近第一电极124的单一较小供料管。所述一个或多个供料管132可如图1所示延伸超出第一电极124，或延伸至第一电极124端部附近，或仅延伸至未到第一电极124端部的某点。可使用线性致动器或其它装置来调整所述一个或多个供料管132的位置，如箭头136所示。所述一个或多个供料管132可由电绝缘材料或者能涂覆生球102或与生球102起化学反应的材料制成，或者由导电材料制成以形成一个或多个第三电极。还应注意，液体可与气体120混合。 [0022] 气体120优选是氮气，因为氮气通常被用作等离子气体。但是，气体120还可以是适于形成期望支撑剂颗粒104的任何其它气体或是多种气体的组合。此外，生球102一般由矿物制成，而矿物通常含氟。若在大型回转窑中加热，则会形成氟气和三氟化氮，其必须在向大气排放废气之前被洗涤除去。不局限于理论，可以认为如果任何卤素比如氟和氯与氮气起反应，那么其将在本发明的设备中被紫外线破坏。美国专利第5,832,361号介绍了用于破坏三氯化氮(NCl3)的装置和方法。类似地，可借助紫外线和热来分解三氟化氮(NF3)。因此，可使水和/或任何洗涤流体流入入口11，同时通过洗涤流体和/或通过美国专利第7,422,695号的图3所示的多孔管14加入氮气作为气体15。氮气可借助空气分离单元(“ASU”)轻易地与空气分离。ASU在油气工业中非常常见。如将参照图2介绍的，使用氮气作为用于本发明的气体允许形成闭环的支撑剂烧结工艺。 [0023] 电极124和126用于产生开放的电弧，当生球102在电弧和沿旋涡轨迹122流动的气体120之间经过然后离开底流部126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132的生球102，以便形成支撑剂颗粒104。在一个实施例中，选定温度范围在约1200℃(摄氏度)和3700℃之间。选定温度范围可基于生球102的化学成分、生球102的尺寸、生球102在容器内的共振时间或其组合。注意，也可使用其它参数来确定选定温度范围。注意，持续供送电极124和/或126允许连续的操作。应明白，任何导电材料均可用于电极，例如碳、石墨或铜。本发明也可使用能涂覆在支撑剂上的电极材料。例如，钛是重量轻的导电金属，可用的有钛棒、钛条或钛管，其可被持续供送以给支撑剂涂上高强度轻金属。另一方面，钨是重导电金属，可用于涂覆支撑剂。 [0024] 生球102(未烧结的支撑剂104)非常柔软，当置于旋流分离器的旋涡或旋流中时可被轻易压碎、撕碎和/或粉碎。另一方面，沿旋涡轨迹流动或旋转的气体120的风眼以非常低乃至接近零的速度移动，因此对于易碎材料例如生球102来说是理想的供料位置。这允许迅速烧结支撑剂104(即几秒，而不是30分钟或更久)。所述一个或多个供料管132将生球102投入或供给至沿旋涡轨迹流动或旋转的气体120的风眼。气体的全部或一部分可通过溢流部108离开。注意，烧结过程可包含经过单一设备100的单一路径、或经过单一设备100的多个路径、或经过多个设备100的单一路径(图4B)。 [0025] 在另一实施例中，设备100可包括连接至所述一个或多个供料管132的热气源，以预先加热生球102。热气源可以是高温鼓风机、高温压缩机、电热器或电热气源、燃烧器、热氧化器、喷射排气装置、含氧燃料炬、等离子体炬、内燃机排气装置或其组合。 [0026] 在另一实施例中，容器106还包括附接至容器106或布置在容器106内的射频源138(例如一个或多个射频线圈、波导件或其组合等)。微波源和/或感应线圈138可利用范围在0.5kHz(千赫兹)至300MHz(兆赫兹)内的射频而感应耦合至等离子体。碳弧可给微波或RF能量提供激励能量以耦合至并形成风眼内的球形等离子体。然而，基座可设置于容器106内以点燃等离子体，并且允许耦合和维持等离子体。类似地，被感应耦合的等离子体维持在风眼中。生球102沿风眼的竖直轴线掉落，穿过被感应耦合的等离子体，然后经容器106底部排出。等离子体可耦合至射频能量(例如感应耦合(“IC”)的等离子体炬等)。本发明者的Plasma 反应器是IC等离子体炬。射频(“RF”)频谱的范围是约3kHz至300GHz(吉赫兹)。感应加热通常采用RF线圈，其频率范围是0.5kHz至400kHz。类似地，微波频率通常见于家用微波炉中，其一般以2450兆赫兹(2.450吉赫兹)的频率和300瓦至1000瓦的功率运行。 功率是6kw至100kw的商用微波炉通常以915MHz(兆赫兹)的频率运行。 [0027] 如前所述，RF能量可耦合至气体且形成等离子体。耦合效率基于几个变量，包括气体类型、气体流速、频率、腔和/或反应器的形状和容积。关于等离子体的三个主要问题是点燃、维持和约束等离子体。用电弧点燃和维持等离子体是相当简单直接的。DC等离子体炬利用惯性约束，以使能量最大化并向工件传递该能量。类似地，为了防止炬熔化其自身，等离子体的约束是必要的。然而，用RF能量点燃等离子体特别困难。因此，许多使用RF线圈或微波源的RF炬常采用基座来点燃等离子体。基座就是尖的金属棒，其吸收RF能量，升温，然后通过热离子放射来发射电子。结果，火花点燃任何存在的气体且形成等离子体。注意，使用DC等离子体炬作为加热器，这允许仅通过开启RF线圈或微波发生器并注入呈光子形式的波能就可增大等离子体总体积从而增强等离子体，所述光子由RF线圈或微波磁控管发射出。 [0028] 现在参看图2，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200。设备200包括与前文参照图1所述相同的设备100，外加气体滑道202和气体管道204。可选部件包括气气换热器206、热气净化设备208和/或气体压缩机210。气体滑道 202具有用于生球102的第一入口202、用于供料气体216的第二入口214以及连接至所述一个或多个供料管132的出口218。气体滑道202，也常称作空气滑道，提供了一种用于将生球 102缓慢供送至所述一个或多个供料管132的优选输送设备。气动空气滑道是常见的，可从供应商如Dynamic Air、WG Benjey和FL Smidth(“ AirslideTM输送技术”)处获得。 还可使用其它用于将生球102输送至一个或多个供料管132的机构(例如振动托盘、输送机等)。 [0029] 用于气体滑道202的供料气体216可以多种方式供给，例如借助于独立的供料气体源220，或借助于将溢流部108连接至气体滑道202第二入口214的气体管道204，以使供料气体216包括离开溢流部108的热气体的至少一部分。附接至气体管道204的阀或调节器可用于控制供料气体216的压力。此外，供料气体216可使用加热器(未示出)或气气换热器206加热以预先加热生球102。如图所示，气气换热器206连接至供料气体源220、气体滑道202第二入口214以及气体管道204，以使离开溢流部108的热气的热量传递至供料气体216。注意，任何气体均可用作供料气体216，而不是必须使用从溢流部108排出的热气体。 [0030] 加热器(未示出)可选自但不限于下列一组：高温鼓风机或压缩机、电加热器或电热气源、燃烧器、热氧化器、喷气火箭、含氧燃料炬、等离子体炬、和/或乃至内燃机比如往复式发动机或燃气轮机的排气装置。发动机排气装置的使用允许在烧结支撑剂的同时发电。由此形成独特的联产系统，即生产支撑剂同时发电。在另一示例中，加热器包括邻近入口 118的另一电极。例如，加热器可以是美国专利第8,074,439号、第8,278,810号、第7,622, 693号和第8,324,523号中公开的DC等离子体 炬。类似地，理想的加热器或热气源可以是美国专利第8,074,439号的图6中示出的热氧化器或美国专利第8,074,439号的图 7中公开的等离子体火箭。 [0031] 气体管道204也可用于使离开溢流部108的气体120的至少一部分再循环，从而回到切向入口118中，形成闭环或部分闭环的工艺。为提高效率，热气净化装置208和/或气体压缩机210可附接至气体管道204和切向入口118。本领域技术人员将理解，还可添加其它部件至设备200。 [0032] 在本发明的一个实施例中，使用由共用集管供料的多个小直径容器，这提供了紧凑的支撑剂制造工厂或系统，其是高效且可扩缩的。类似地，这种构型允许工厂渐增产能，而不必购买一个长回转窑或一个大型等离子体工艺设备。本发明允许支撑剂的制造采用多级烧结工艺，其中附加材料可被添加、涂覆至支撑剂或与支撑剂起反应以产生新的改进特性。此外，能够使用源自油气工业的现成和/或改造的高温高压旋流分离器作为等离子体支撑剂制造系统的组成部件，这使工厂较为紧凑、模块化和便宜，并且可及时建成。最后，本发明提供的系统可安装在滑轨、拖车、卡车、轨道车、驳船或轮船上且可在钻采工地处或附近运行，其通过省下昂贵的储存和运输费用而极大降低了支撑剂的成本。 [0033] 现在参看图3，其示出用于烧结生球以制造支撑剂颗粒的方法300的流程图。方框302中，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。方框304中，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。方框306中，在第一电极和第二电极之间形成开放的电弧。方框308中，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，以便形成支撑剂颗粒。还可具有根据以上对设备100和200的描述容易得出或本领域技术人员容易想到的其它步骤。 [0034] 现在参看图4A和图4B，其示出系统400的多种实施例的框图。图4A示出加工系统400a，其中生球102通过并联的各个设备(100a或200a；100b或200b；100c或200c；100d或 200d)被加工(一个路径或多个路径)，以形成经烧结的支撑剂颗粒104。系统400a易于扩缩以适应增加/减少的需求。系统400a可位于建筑物中，或者可通过将系统安装在滑轨、拖车、卡车、轨道车、驳船或轮船402上而制成可移动的。图4B示出加工系统400b，其中生球102通过串联的各个设备(100a或200a；100b或200b；100c或200c；100d或200d)被加工，以制备经烧结的支撑剂颗粒104。注意，系统400b可设置成塔状构型或盘圈构型，其中设备相互叠置或竖向对齐。系统400b可通过断开一个或多个设备来扩缩以适应增加/减少的需求。系统 400b可位于建筑物中，或者可通过将系统安装在滑轨、拖车、卡车、轨道车、驳船或轮船402上而制成可移动的。 [0035] 以上针对各实施例和各变型中的本发明设备和方法的描述，和以上可有利地使用本发明的工艺的示例，其目的在于说明而不在于限制。本发明还可包容在本发明全部范围内的其它变型和替代实施例，该范围记载在后附权利要求书中。 |
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