NO20110843A1 - Proppemidler med hoy styrke - Google Patents

Abstract

Sintret keramisk partikkel fremstilt av et keramisk materiale med egendensitet høyere enn 3,5 g/cm3 og en sammensetning med ikke mer enn 30 vekt% silisiumoksid og minst 15 vekt% jernoksid, basert på den kombinerte vekten av aluminium-, jern- og silisiumoksidene. Det beskrives også en fremgangsmåte hvor det anvendes en eksternt pålagt kompressiv kraftfor å fremstille en keramisk partikkel.

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt keramiske partikler for anvendelse i en lang rekke industrielle anvendelser. Noen av disse anvendelsene omfatter anvendelse av et flertall av keramiske partikler: som et proppemiddel for å lette fjernelsen av væsker og/eller gasser fra brønner som er boret i geologiske formasjoner; som et medium for utvasking, maling eller polering; som et sjiktbærermedium i en kjemisk reaktor; som et varmeoverføringsmedium; som et filtreringsmedium; og som taktekkingskorn ved anvendelse i asfaltsingel. Nærmere bestemt er foreliggende oppfinnelse nyttig i anvendelser som krever en keramisk sfære som har høy knuseresistens. Enda mer spesifikt vedrører foreliggende oppfinnelse proppemidler som kan anvendes i geologiske formasjoner hvor trykket som utøves på proppemidlet overskrider knuseresistensen for konvensjonelle proppemidler så som sand og harpiksbelagt sand.

Eksempler på patenter og publiserte patentsøknader rettet mot proppemidler omfatter: US 3.376.930; US 4.632.876; US 7.067.445; US 2006/0177661 og US 2008/0000638.

Oppsummering

Utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en keramisk partikkel som er egnet for anvendelse i nedhullsanvendelser som krever et proppemiddel av høy styrke.

I en utførelsesform omfatter foreliggende oppfinnelsen en sintret partikkel omfattende keramisk materiale. Det keramiske materialet omfatter oksider av aluminium, jern og silisium. Silisiumoksidene representerer ikke mer enn 30 vekt% av oksidenes kombinerte vekt. Jernoksidene representerer mellom 15 og 40 vekt% av oksidenes kombinerte vekt. Densiteten av det keramiske materialet overskrider 3,5 g/cm<3>.

En annen utførelsesform vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av en partikkel omfattende et sintret keramisk materiale. Fremgangsmåten kan omfatte følgende trinn. Blanding av i det minste et første metalloksid med én eller flere tørre bestanddeler og minst én væske for derved å danne en blanding. Forming av i det minste en del av blandingen til et forstadium. Sintring av forstadiet. Oppvarming av forstadiet og utøvelse av en ytre påført kompressiv kraft på forstadiet for derved å danne en sintret keramisk partikkel.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 er et tre-fasediagram; Fig. 2 er et flytskjema over en fremgangsmåte anvendt for å fremstille en keramisk partikkel; og Fig. 3 er en grafisk fremstilling som viser knuseresistens ved å avsette prosent andel av finpartikler som funksjon av trykk.

Detaljert beskrivelse

Teknologi som anvender partikler for å lette fjernelsen av hydrokarbonbaserte fluider, så som naturgass og råolje, fra nedhullsbrønnborehull er dokumentert i tallrike patenter og tidskriftartikler. Partiklene, som kan betegnes som proppemidler, anvendes for å proppe åpne fissurer i jorden hvorigjennom gassen og oljen flyter mot brønnboringen. I brønner hvor proppemidler ikke anvendes, kan sprekker i jorden lokalisert nærmest brønnboringen falle sammen kort etter at gassen og oljen lokalisert nærmest brønnbor-ingen er fjernet. Kollapsen av sprekkene begrenser produksjonen av brønnen ved å forhindre ytterligere olje og gass fra å bevege seg mot brønnboringen. Derimot kan produktiviteten av brønner som anvender proppemidler forbedres fordi proppemidlene propper åpne sprekkene i jorden som ellers ville lukkes etter fjernelse av de hydrokarbonbaserte fluidene. Proppemidlene avleveres inn i sprekkene ved å blande proppemidlene med et fraktureringsfluid som tvinges gjennom brønnboringen og inn i sprekkene. Når fraktureringsfluidet fjernes, forblir partiklene lokalisert i sprekkene og propper derved sprekkene åpne.

På grunn av det bestående behovet for å tilveiebringe større og større mengder av naturgass og olje og den samtidige uttømmingen av lett tilgjengelige gass og olje lokalisert nær jordens overflate, må nye brønner bores dypere enn eldre brønner for å nå tidligere utømte reservoarer av olje og gass. Ettersom dybden av brønnboringen øker, øker også trykket utøvet på proppemidlet av jorden. Følgelig må proppemiddelfabrikanter fremstille proppemidler som kan tåle høyere trykk enn proppemidler fremstilt for få år siden for å motstå knusing ved de dypere brønndybdene. Et proppemiddels evne til å motstå knusing kan karakteriseres som knuseresistens som er en betegnelse som er vanlig anvendt for å angi styrken av et proppemiddel og kan bestemmes ved å anvende ISO 13503-2:2006(E). Et sterkt proppemiddel genererer en lavere vektprosent knuseresistens enn et svakt proppemiddel ved den samme lukningsbelastningen. For eksempel anses et proppemiddel som har en 2 vekt% knuseresistens å være et sterkt proppemiddel og foretrekkes fremfor et svakt proppemiddel som har en 10 vekt% knuseresistens.

Proppemidler kan fremstilles fra enten et naturlig forekommende materiale, så som sand, eller fra sammensetninger som er fremstilt via en fremstillingsprosess. Et eksempel på en sammensetning anvendt for å fremstille proppemidler er en kombinasjon av metalloksider, så som bauxitt, som er blandet med forskjellige addi-tiver, formet til et flertall av generelt sfæriske baller og deretter sintret for å danne et flertall av keramiske proppemidler. Selv om den nøyaktige kjemiske sammensetningen av bauxitt kan variere avhengig av lokaliseringen av gruven hvorfra bauxitten fjernes, omfatter de fleste bauksitter mellom 60 og 90 vekt% A1203. Et annet eksempel på en sammensetning som kan anvendes for å fremstille proppemidler er vanlig kjent som "rødleire" som er et biprodukt av Bayer-prosessen for raffinering av aluminium. Dette avfallsproduktet inneholder typisk oksidert jern, titan, natrium, silisiumoksid og andre forurensninger.

Den kjemiske sammensetningen av bauxitten kan bestemmes ved å fremstille en smeltet prøve av bauxitten og deretter anvende en røntgenfluorescens (XRF) analyttisk apparatur for å bestemme vektprosentene av aluminiumoksider, jernoksider og silisiumoksider. Den smeltede prøven kan fremstilles ved å anvende en Claisse M4 Fluxer Fusion apparatur (fremstilt av Claisse i Quebec City, Canada) som følger. Flere gram av bauxitten males manuelt slik at bauxitten passerer gjennom en 75 um (200 Tyler mesh) sikt. I en platinadigel levert av Claisse blandes 1.0000 g (± 0,0005 g) av den malte og siktede bauxitten med 8.0000 g (± 0,0005 g) av litiumborater 50-50, som inneholder et frigjøringsmiddel så som LiBr eller Csl. Dersom frigivelsesmidlet ikke er inkludert i litiumboratet, kan tre dråper frigivelsesmiddel (25 vekt/volum % LiBr eller Csl) tilsettes. Blandingen i digelen oppvarmes så gradvis for å fjerne eventuelle organiske materialer, fuktighet osv. Samtidig spinnes digelen raskt slik at sentrifugal-kraften forårsaket av spinningen driver eventuell unnfanget gass fra det smeltede materialet. Når temperaturen av den smeltede bauxitten i digelen når ca. 1000 °C, er materialet flytendegjort og digelen tippet slik at den smeltede bauxitten flyter inn i en skiveform. Mens det smeltede materialet avkjøles i skiveformen, blåser en vifte luft på formen for å lette fjernelsen av varme. Ettersom den smeltede bauxitten avkjøles, danner materialet en skiveformet prøve som måler ca. 3 cm i bredde og 4 mm i tykkelse. Skiven skal ikke inneholde noen gassbobler unnfanget deri. Den kjemiske sammensetningen av den avkjølte skiven bestemmes så ved å anvende en modell MagiX Pro Philips X-Ray Fluorescence analyzer running IQ+ software. Den samme fremgangsmåten kan anvendes for å bestemme den kjemiske sammensetningen av keramiske partikler, så som proppemidler.

Ett av kriteriene som vurderes av proppemiddelfabrikanter ved valg av en kilde for bauxittmalm anvendt for å fremstille proppemidler er nivået av uønskede forurensninger som antas å nedbryte ytelsen av proppemidlet. Typiske forurensninger omfatter jernoksid og titanoksid. Uheldigvis kan for store mengder jernmalm forårsake problemer under sintringstrinnet av fremstillingsprosessen for proppemidlet fordi sintringstemperaturen av jernmalmen kan være vesentlig forskjellig fra sintringstemperaturen for aluminiumoksid og aluminiumsilisiumoksider, så som kaolinleire eller mullitt. "Sintring", som anvendt heri, betyr sammenføyning av partiklene ved tilførsel av varme. Dette resulterer vanligvis i fortetning, men ikke i alle tilfeller. Noen kommersielt vellykkede proppemiddelfabrikanter har ansett kilder for bauxittmalm som har mer enn 15 vekt% jernoksid som uegnede for anvendelse som et råmateriale for fremstillingen av proppemidler. Derimot beskriver søknaden at en kilde for bauxitten som inneholder en mengde metalloksid som hittil har vært ansett som uakseptabel, kan anvendes for fremstilling av et proppemiddel som har forbedret resistens mot knusing. Proppemidler kan fremstilles ved å velge en kilde for bauxittmalm som i utgangspunktet inneholder: mellom 50 og 85 vekt% av et første metalloksid, så som oksider av aluminium, som har en densitet høyere enn 3,7 g/cm<3>; mellom 15 og 40 vekt% av et andre metalloksid, så som oksider av jern, som har en densitet høyere enn 3,9 g/cm<3>; og mellom 0 og 30 vekt% av et tredje metalloksid, så som oksider av silisium, som har en densitet som ikke er større enn 2,8 g/cm<3>. Videre kan en bauxittmalm som ikke naturlig inneholder et tilstrekkelig nivå av jernoksid blandes med en separat kilde for jernoksid for å oppnå den forbedrede ytelsen av proppemidlet.

Historien om proppemiddelutvikling, som dokumentert i noen US-patenter, har vært inkonsistent i forhold til læren av det beste området for spesifikk tetthet for proppemidler. I 1970-årene beskrev US 4 068 718, som krever prioritet fra en søknad inngitt 17. mai 1974, et "høystyrke proppemiddel omfattende partikler av sintret bauxitt som har en spesifikk vekt høyere enn ca. 3,4." Imidlertid ble det, under 1980-årene, betydelig innsats utøvet av proppemiddelindustrien for å fremstille proppemidler med spesifikk vekt signifikant lavere enn 3,4. For eksempel siterer US 4 680 230, som ble inngitt 18. januar 1984, en studie utført for US Department of Energy som beskriver et "ideelt proppemiddel" som har "en spesifikk vekt lavere enn to". I kolonne 1, linjer 49 til 65, lærer dette patentet bort fra anvendelse av sintret bauxitt som et proppemiddel. Med hensyn til anvendelsen av materialet inneholdende jernoksid for fremstilling av keramiske sfæroider, så som et proppemiddel som har høy knusestyrke, beskriver US 4 632 876 "Blasovnslagg, kraftanleggsslagg og flyveaske kan anvendes, men generelt er de imidlertid ikke akseptable fordi deres høye jernoksidinnhold resulterer i høye densiteter. Jernoksidinnhold av mineralpartikkelmateriale bør være vesentlig lavere enn 9 vekt%, fortrinnsvis lavere enn 5 %."

I motsetning til patentene beskrevet ovenfor beskriver foreliggende oppfinnelse et proppemiddel, hvori det keramiske materialet i proppemidlet har et jernoksidinnhold som er vesentlig høyere enn det som tidligere ble ansett som anvendbart. Slik betegnelsen her benyttes, refererer "keramisk materiale" til samlingen av korn av uorganiske, metall og ikke-metall, oksider, karbider og nitrider som er formet til en sfære og sintret slik at de individuelle kornene adherer til hverandre og derved danner en sintret partikkel. Det keramiske materialet omfatter ikke flyktige komponenter, så som bindemidler og væsker anvendt for å fremstille proppemidlet, heller ikke polymerene eller andre belegg som kan være adhert til partikkelen etter sintringstrinnet. I én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse inneholder proppemidlet minst et første metalloksid som omfatter oksider av aluminium og et andre metalloksid som inneholder oksider av jern og kan omfatte et tredje metalloksid som inneholder oksider av silisium. Vektprosentene av første, andre og tredje metalloksider beregnes som henholdsvis A1203, Fe203og Si02. Mengden av oksider av jern i proppemidlet kan representere mellom 15 og 40 vekt%, mer foretrukket mellom 15 og 35 vekt%, enda mer foretrukket mellom 20 og 30 vekt%, av oksidenes kombinerte vekt. Mengden av oksider av silisium kan representere mellom 0 og 30 vekt%, mer foretrukket mellom 1 og 10 vekt%, av oksidenes kombinerte vekt. Vektprosentene av første, andre og tredje metalloksider beregnes som en fraksjon av den kombinerte vekten av nettopp disse metalloksidene. Dersom proppemidlet omfatter andre komponenter, så som et polymerbelegg påført på overflaten av proppemidlet og/eller et fjerde metalloksid, så er verken vekten av polymeren eller det fjerde metalloksidet inkludert i beregningen av vektprosentene av de første, andre og tredje metalloksidene. Den kombinerte vekten av metalloksidene kan overskride 50 vekt% av den keramiske partikkelens totale vekt. Den totale vekten av den keramiske partikkelen innbefatter vekten av første, andre og tredje metalloksider pluss vekten av andre metalloksider og forurensninger som finnes igjen etter at partiklene er sintret og før tilsetningen av eventuelle belegg, fyllstoffer osv. Den kombinerte vekten av de første, andre og tredje metalloksidene kan overskride 60 eller sågar 70 vekt% av den keramiske partikkelens totale vekt.

I tillegg til de kjemiske sammensetningene beskrevet ovenfor, overskrider densiteten av partikkelens keramiske materiale 3,5 g/cm<3>.1 noen utførelsesformer kan densiteten av partikkelens keramiske materiale overskride 3,6 g/cm<3>, 4,0 g/cm<3>, 4,2 g/cm<3>eller sågar 4,5 g/cm<3>. Slik betegnelsene anvendes, refererer "sann densitet", "densitet av det keramiske materialet", "densitet av partikkelens keramiske materiale" og "densitet av proppemidlets keramiske materiale" alle til den samme densiteten av den faste keramiske matriksen som danner den keramiske partikkelen. Som definert i Dictionary of Ceramics, tredje utgave, av Arthur Dodd og David Murfin, er den samme densiteten av et porøst fast stoff "definert som forholdet mellom massen av materialet til dets sanne volum" som i sin tur er "definert som volumet av bare det faste materialet, idet volumet av eventuelle porer er neglisjert." Et keramisk materiales sanne densitet er karakteristisk for det keramiske materialets kjemiske sammensetning og krystallinsk(e) fase(r). Den samme densiteten av det keramiske materialet er uavhengig av partikkel-porøsiteten. Densiteten av proppemidlets keramiske materiale bestemmes i henhold til ASTM standard D02840-69 ved å veie en prøve, male prøven til mindre enn 100 mesh, måle volumet av prøven med et heliumpyknometer (så som et SPY 03 Quantachrome stereopyknometer) og beregne vekten per kubikkcentimeter.

Det keramiske materialets densitet er en fysikalsk parameter som er forskjellig fra og separert fra partikkelens spesifikke vekt. I motsetning til densiteten angitt ovenfor refererer uttrykkene "spesifikk vekt av den keramiske partikkelen" og "spesifikk vekt av proppemidlet" begge til partikkelens tilsynelatende spesifikke vekt som er definert i Dictionary of Ceramics som "forholdet mellom massen til massen av en mengde vann som, ved 4 °C, har samme volum som det tilsynelatende faste volumet av materialet ved måletemperaturen." For anvendelse heri er det tilsynelatende faste volumet definert som volumet av det faste materialet pluss volumet av eventuelle forseglede porer. Den spesifikke vekten av den keramiske partikkelen påvirkes direkte av porøsiteten inkorporert i partikkelen. Porøsiteten av de keramiske partiklene ifølge oppfinnelsen kan variere fra 2 % til 40 %. Keramiske partikler som har porøsitet mellom 5 og 15 % er tenkelige. Den spesifikke vekten av den keramiske partikkelen kan bestemmes ved å anvende internasjonal standard ISO 13503-2. Standarden er datert 1. november 2006.

Tilsynelatende porøsitet i et keramisk legeme er definert som 1 minus kvotienten mellom den tilsynelatende spesifikke vekten dividert med den samme densiteten.

Den sanne densiteten av det keramiske materialet og den spesifikke vekten av den keramiske partikkelen kan kontrolleres uavhengig av hverandre. For eksempel, selv om man holder den samme densiteten av det keramiske materialet konstant, kan keramiske partikler som har forskjellige nivåer av porøsitet inkorporert deri fremstilles, hvilket resulterer i keramiske partikler som har den samme sanne densiteten, men forskjellige spesifikke vekter. Dersom man tilsvarende holder nivået av porøsitet i flere keramiske partikler likt, kan sammensetningene av de keramiske materialene anvendt for å fremstille partiklene endres, hvilket derved resulterer i partikler som har samme porøsitet, men forskjellige sanne densiteter.

Ved å anvende læren tilveiebrakt heri, kan det fremstilles et proppemiddel som har lav spesifikk vekt og høy knuseresistens. Proppemidlet kan fremstilles fra et materiale av høy densitet, så som et keramisk materiale som har en sann densitet høyere enn 3,5 g/cm<3>, mens proppemidlet kan ha en lav spesifikk vekt, så som 2,8, på grunn av inkorporeringen av porer i proppemidlet. Proppemidler som har enda lavere spesifikk vekt, så som 2,5, 2,4 eller 2,0 er tenkelige. Fordi høydensitets keramisk materiale kan ha høy styrke og derfor være resistent mot knusing, kan høydensitets keramiske materialer være ønskelige. Imidlertid kan proppemidler fremstilt fra materialer av høy sann densitet vise tendens til å sedimentere for tidlig ut i et fraktureringsfluid når de innføres i en brønnboring dersom proppemidlets spesifikke vekt er tilnærmet lik det keramiske materialets sanne densitet. Proppemidler som har god knuseresistens og lav spesifikk vekt kan oppnås dersom den sanne densiteten av det keramiske materialet er høy nok til å øke knuseresistensen utover reduksjonen i knuseresistens som forårsakes ved inkorporeringen av porer påkrevd for å nedsette den spesifikke vekten av proppemidlet.

Vist i fig. 1 er et ternært diagram 10 av en sintret keramisk partikkel som omfatter A1203, Fe203og Si02 og det antas ingen porøsitet. Linjer 12, 14 og 16 representerer de sanne densitetene av de keramiske partiklene ved henholdsvis 3,0 g/cm<3>, 3,2 g/cm<3>og 3,4 g/cm<3>. Andre linjer som er generelt parallelle med linjene 12, 14 og 16 indikerer de sanne densitetene av de keramiske partiklene som angitt på fasediagrammet. På denne grafen er den laveste densiteten ca. 2,7 g/cm<3>og den høyeste densiteten er ca. 4,2 g/cm<3>. Skravert areal 18 identifiserer delen av diagrammet som ikke inneholder mer enn ca. 30 vekt% Si02, 15 til 40 vekt% oksider av jern og densiteten av det keramiske materialet er 3,5 g/cm<3>eller høyere. Proppemidler som faller innenfor det skraverte arealet er funnet å ha god knuseresistens når de evalueres for knuseresistens ved 137,9 megapascal (MPa) som er ekvivalent med 20 000 psi.

I fig. 2 er det vist et flytskjema for en fremgangsmåte anvendt for å fremstille en sintret keramisk partikkel ifølge oppfinnelsen. Trinn 20 representerer blanding av bauxittmalm med tørre bestanddeler, så som bindemidler og poredannere, og væsker, så som vann, for å danne et frittflytende pulver som her kan betegnes som en blanding. Et bindemiddel kan være ett eller flere materialer valgt fra organiske stivelser, så som borestivelse, så vel som gummier eller harpikser som selges kommersielt for slike formål. Et bindemiddel kan også være et uorganisk materiale, så som leire eller en syre. Bindemidler tilsettes vanligvis i en mengde mindre enn 10 vekt% av det tørre faststoffinnholdet av blandingen og kan tilsettes tørt eller som en oppløsning. I trinn 22 kan blandingen bearbeides gjennom en maskin, så som en Eirich R02 blander, for derved å danne minst en del av blandingen til et stort antall små sfærer som her kan betegnes som partikkelforstadier eller proppemiddelforstadier. Partikkelforstadier som er nyttige som proppemidler kan bearbeides gjennom en sikteapparatur som omfatter en Nr. 8 ASTM siktebetegnelse, som har 2,36 mm aperturer, og en Nr. 70 ASTM siktebetegnelse, som har 212 um siktaperturer. Proppemidlene flyter gjennom Nr. 8 sikten og flyter ikke gjennom Nr. 70 sikten. Trinn 24 representerer sintring av forstadiene for å forbedre den fysikalske integriteten av forstadiene relativt til den fysikalske integriteten av forstadiene før oppvarming. I trinn 26 kan partikkelforstadiene oppvarmes og en eksternt pålagt kompressiv kraft utøves på forstadiene for derved å fremstille et flertall av sintrede partikler. På grunn av krymping som kan finne sted under sintringsprosessen, kan den gjennomsnittlige diameteren av de sintrede partiklene være mindre enn den gjennomsnittlige diameteren av partikkelforstadiet.

Kommersielle fremgangsmåter anvendt for å fremstille proppemidler anvendes typisk en røsteovn for å sintre det grønne proppemidlet ved atmosfæretrykk. Røsteovnen kan være en rørformet roterende røsteovn som tillater proppemidler å tromle ettersom de beveger seg fra én ende av røsteovnen til den motsatte enden av røsteovnen. Maksi-mumstemperaturen i en røsteovn anvendt for å fremstille proppemidler omfattende primært aluminiumoksid kan nærme seg 1500 °C. I motsetning til fremstilling av proppemidler ved atmosfæretrykk kan proppemidler med forbedret knuseresistens fremstilles ved å utøve en eksternt pålagt kompressiv kraft på proppemidler under proppemiddelfremstillingsprosessen. Den eksternt påførte, kompressive kraften kan være en hvilken som helst kraft som uniformt komprimerer proppemidlet fra alle retninger mot senteret av proppemidlet. Et eksempel på en egnet kompressiv teknikk er isostatisk pressing. En spesifikk utførelsesform av isostatisk pressing er varm isostatisk pressing som anvender oppvarmet gass for å heve temperaturen av partiklene, slik at fullstendig eller delvis sintring av det keramiske materialet kan finne sted, og samtidig å utøve en kraft innover mot alle punkter av partiklenes overflate. Isostatisk pressing kan anvende en beholder av fleksibel gummi eller elastomer, vanlig betegnet som "verktøy" ("tooling"), hvori artikkelen som skal presses føres inn. Verktøyet plasseres så i en beholder inneholdende hydraulisk fluid. Hydrostatisk trykk pålegges på fluidet. Fremgangsmåten pålegger trykk på en uniform måte over hele overflaten av gjenstanden, hvilket resulterer i at gjenstanden har uniform densitet. En alternativ tilnærmelse er å trinnvis sintre og komprimere gjenstandene. I en utførelsesform blir gjenstandene, så som proppemiddelforstadier, sintret, og deretter anvendes varm isostatisk pressing for å pålegg trykk på alle overflater av proppemidlene. Sintringstrinnet forbedrer den fysiske integriteten av proppemidlene. Bauxittbaserte proppemidler kan sintres mellom 1100 °C og 1500 °C. En annen alternativ tilnærmelse er å anvende isostatisk pressing for å utøve en kompressiv kraft på proppemiddelfor-stadiene og deretter sintre de komprimerte partiklene.

Eksempler

For å demonstrere den forbedrede knuseresistensen av proppemidlene ifølge oppfinnelsen, ble det fremstilt fem porsjoner av proppemidler, her betegnet som porsjoner A, B, C, D og E, og de ble evaluert for knuseresistens. Råmaterialene anvendt for å fremstille proppemidlene er vist i tabell 1. Porsjon A representerer kommersielt tilgjengelige proppemidler som inneholdt 9,5 vekt% oksider av jern i det sintrede proppemidlet. Porsjoner B, C, D og E representerer proppemidler som har minst 15 vekt% oksider av jern, beregnet som Fe203, i det sintrede proppemidlet. En kommersielt tilgjengelig kilde for bauxitt er tilgjengelig fra Ferrous American Company of Littleton, Colorado, USA. En mengde bauxitt fra dette selskapet ble anvendt for å fremstille porsjoner B, C, D og E. Sammensetningen av denne bauxitten omfattet 64,0 vekt% A1203, 25,8 vekt% Fe203og 4,0 vekt% Si02. Malmen inneholdt også 3,2 vekt% Ti02og spormengder, som her er definert som mindre enn 1 vekt%, av flere andre forbindelser, så som MgO, CaO, Ce02og MnO. Porsjoner A, B, C, D og E ble fremstilt ved anvendelse av en konvensjonell proppemiddelfremstillingsprosess for å danne et flertall av små sfærer, her kjent som proppemiddelforstadier eller partikkelforstadier. Fremgangsmåten anvendte en RV02 høyintensitets skjærblander tilgjengelig fra Eirich Machines, Inc. i Gurnee, Illinois, USA. Fremgangsmåten omfattet plassering av den innledende chargen av bauksitt i blanderen mens både beholder og rotor roterte. Rotorhastigheten ble innstilt på 80 % av maksimal hastighet. Etter 30 sekunder ble det deioniserte vannet helt inn i blanderen direkte på den roterende bauxitten. Ca. 30 sekunder ble anvendt for å fordele vannet på bauxitten. Den fuktede bauxitten ble tillatt å rotere i tre minutter under hvilken tid et flertall av sfærer ble dannet. Rotorhastigheten ble deretter redusert til minimum hastighet ettersom beholderen fortsatte å rotere. Den andre chargen av bauxitt ble deretter tilsatt langsomt til de roterende sfærene av bauxitt. Den langsomme tilsetningen av bauxitt tok ca. tre minutter og kan betegnes som "innstøving" av bauxitten. Etter fullstendig innstøving av bauxitten fortsatte beholderen å rotere i ca. 20 sekunder. Sfærene av bauxitt som var blitt belagt med et lag av bauxitt ble fjernet fra blanderen og kan betegnes som proppemiddelforstadier eller partikkelforstadier. Forstadiene i porsjoner A, B, C og D ble deretter sintret i en roterende røsteovn ved atmosfæretrykk. Bare forstadiene i porsjon E ble fremstilt ved en fremgangsmåte som innbefattet utøvelse av en eksternt pålagt kompressiv kraft på proppemiddelforstadiet. Teknikken anvendt for å utøve den eksternt pålagte kompressive kraften er kjent som varm isostatisk pressing. Partikkelforstadiene i porsjon E ble sintret ved 1250 °C. De sintrede forstadiene ble deretter samtidig presset ved 352 kg/cm<2>(5 000 psi) og oppvarmet til 1200 °Ci én time. Oppvarming av de sintrede forstadiene til 1200 °C, samtidig som den kompressive kraften ble utøvd, hjalp til å hindre korn vekst under kompresjonstrinnet. For porsjoner A, B og C ble sikting anvendt for å begrense partikkelstørrelsen til de partiklene som passerte gjennom en sikt som har 20 mesh åpninger og som ikke passerte gjennom en sikt med 40 mesh åpninger. Porsjoner D og E ble siktet for å begrense partikkelstørrelsene til de partiklene som passerte gjennom en sikt som har 30 mesh åpninger og som ikke passerte gjennom en sikt med 50 mesh åpninger.

Fig. 3 er en grafisk linjeavsetning av knuseresistens som funksjon av trykk for porsjoner A, B, C, D og E. Linje 28 (porsjon A) representerer knuseresistensen for en kommersielt tilgjengelig sintret bauxitt som inneholdt 9,5 vekt% oksider av jern, beregnet som Fe203. Etter eksponering mot 86,2 MPa (12.500 psi), hadde ca. 5,5 vekt% av proppemidlet blitt knust til finpartikler. Linje 30 (porsjon B) og linje 32 (porsjon C) representerer knuseresistensen av duplikatkjøringer av et proppemiddel som hadde 25,8 vekt% oksider av jern beregnet som Fe203og en 20/40 partikkelstørrelse. Ved 103 MPa (15.000 psi)) hadde et gjennomsnitt på 4,5 vekt% av dette proppemidlet blitt knust til finpartikler, hvilket er bedre enn knuseresistensen av det kommersielt tilgjengelige proppemidlet ved 86,2 MPa (12.500 psi) (se linje 28). Linje 34 (porsjon D) og linje 36 (porsjon E) representerer knuseresistensen av et proppemiddel som hadde 25,8 vekt% oksider av jern beregnet som Fe2C>3 og 30/50 partikkelstørrelse. Ved 137,9 MPa (20.000 psi) var den gjennomsnittlige knuseresistensen av proppemidlene i porsjoner D og E ca. 3,5 %, hvilket er langt bedre enn knuseresistensen av proppemidlene som inneholdt mindre enn 15 vekt% jernoksid ved 86,2 MPa (12.500 psi) (se linje 28). Dataene demonstrerer at proppemidlene fremstilt med mer enn 15 vekt% oksider av jern (porsjoner B, C, D og E) hadde bedre knuseresistens enn proppemidlene i porsjon A som hadde mindre enn 15 vekt% oksider av jern. Videre tilveiebrakte proppemidlene i porsjon E den beste knuseresistensen.

Den foregående beskrivelsen anses som utelukkende spesielle utførelsesformer. Modifikasjoner av oppfinnelsen vil være åpenbare for fagmannen og for de som utfører eller anvender oppfinnelsen. Det er derfor åpenbart at utførelsesformene vist i tegningene og beskrevet ovenfor bare er illustrerende og er ikke ment å begrense oppfinnelsens omfang, dette er definert i de etterfølgende patentkravene som skal tolkes i henhold til patentlovens prinsipper.

Claims (19)

1. Sintret partikkel omfattende keramisk materiale, karakterisert vedat det keramiske materialet omfatter oksider av aluminium, jern og silisium; silisiumoksidene, beregnet som Si02, representerer ikke mer enn 30 vekt% av den kombinerte vekten av oksidene; jernoksidene, beregnet som Fe203, representerer mellom 15 og 35 vekt% av den kombinerte vekten av oksidene; og det keramiske materialets egendensitet overskrider 3,5 g/cm<3>.

2. Sintret partikkel ifølge krav 1, hvor den kombinerte vekten av nevnte oksider overskrider 50 vekt% av den keramiske partikkelens samlede vekt.

3. Sintret partikkel ifølge krav 1, hvor jernoksidene representerer mellom 20 og 30 vekt% av oksidenes kombinerte vekt.

4. Sintret partikkel ifølge krav 1, hvor aluminiumoksidene, beregnet som A1203, representerer mellom 50 og 85 vekt% av oksidenes kombinerte vekt.

5. Sintret partikkel ifølge krav 4, hvor aluminiumoksidene representerer mellom 60 og 80 vekt% av oksidenes kombinerte vekt.

6. Sintret partikkel ifølge krav 1, hvor silisiumoksidene, beregnet som Si02, representerer mellom 1 og 10 vekt% av oksidenes kombinerte vekt.

7. Sintret partikkel ifølge krav 1, hvor det keramiske materialets egendensitet overskrider 4,0 g/cm<3>.

8. Sintret partikkel ifølge krav 1, hvor det keramiske materialets egendensitet overskrider 4,5 g/cm<3>.

9. Sintret partikkel ifølge krav 1, hvor partikkelen har porøsitet større enn 2 % og lavere enn 40 %.

10. Sintret partikkel ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor partikkelens densitet er lavere enn 3,0.

11. Sintret partikkel ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor nevnte partikkelens densitet er lavere enn 2,8.

12. Fremgangsmåte for fremstilling av en partikkel omfattende et sintret keramisk materiale,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter trinnene: a. oksider av jern, aluminium og silisium blandes med én eller flere tørre bestanddeler og minst én væske for derved å danne en blanding; b. minst en del av blandingen formes til et partikkelforstadium; c. dette forstadiet sintres; d. forstadiet oppvarmes og påføres en eksternt pålagt kompressiv kraft for derved å danne en sintret keramisk partikkel.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, hvor trinn (d) omfatter samtidig kompresjon og oppvarming av nevnte forstadium.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 12, hvor trinn (d) omfatter trinnvis komprimering og oppvarming av nevnte forstadium.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, hvor trinn (d) omfatter kompresjon og deretter oppvarming av nevnte forstadium.

16. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 12 til 15, hvor trinn (d) omfatter anvendelse av isostatisk kompresjon for å komprimere nevnte forstadium inntil det sintrede keramiske materialets egendensitet overskrider 3,5 g/cm<3>.

17. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 12 til 15, hvor trinn (d) omfatter anvendelse av isostatisk kompresjon for å komprimere nevnte forstadium inntil det sintrede keramiske materialets egendensitet overskrider 4,0 g/cm<3>.

18. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 12 til 15, hvor trinn (d) omfatter anvendelse av isostatisk kompresjon for å komprimere nevnte forstadium inntil den det sintrede keramiske materialets egendensitet overskrider 4,5 g/cm<3>.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 12, hvor blandingen omfatter mellom 50 og 85 vekt% aluminiumoksider, mellom 10 og 40 vekt% jernoksider og mellom 1 og 10 vekt% silisiumoksider.