Способ изготовления керамических проппантов (варианты)

Способ изготовления керамических проппантов (варианты)

Реферат

Изобретение относится к производству керамических проппантов, применяющихся в технологии гидроразрыва горных пород в качестве опорного слоя в искусственных трещинах и способствующих увеличению отдачи нефтеносных пластов.

Проппанты - прочные сферические гранулы, которые удерживают трещины от смыкания после снятия давления гидроразрыва и обеспечивают необходимую проницаемость слоя проппантов для прохождения нефтепродукта.

Известен способ изготовления проппантов [1] из магнийсиликатного материала на основе форстерита с содержанием последнего 55-80%, который последовательно измельчают, гранулируют и обжигают при температуре 1150-1350°С. Полученные таким способом проппанты имеют недостаточно высокую прочность и относительно низкую проницаемость в связи с формированием многочисленных дефектов поверхности гранул, в первую очередь разрушающихся при нагружении слоя с образованием пылевидных осколков, блокирующих проводящие жидкость каналы.

Известен способ изготовления алюмосиликатных керамических проппантов на кордиеритовой связке [2], включающий мокрый помол сырьевой смеси, сушку шликера в распылительной сушилке, гранулирование, обжиг и рассев гранул на товарные фракции. Полученные проппанты имеют неудовлетворительную прочность и относительно низкую проницаемость в связи с формированием многочисленных дефектов на поверхности и в объеме гранул, формирующихся за счет вовлечения в грануляцию высокопористых агрегатов частиц, получаемых в процессе распылительной сушки шликера.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ производства высокопрочных сферических керамических гранул [3], включающий кальцинацию природного алюмосиликатного сырья, его измельчение, дозирование и загрузку в гранулятор, увлажнение измельченного сырья, грануляцию, дозирование и подачу в гранулятор дополнительного количества измельченного сырья, рассев полученных гранул для выделения целевой фракции, ее обжиг во вращающейся печи и рассев спеченных гранул. При этом 60-90% кальцинированного алюмосиликатного сырья измельчают до размера частиц 20-40 мкм, а 10-40% измельчают до размера частиц менее 20 мкм. В процессе гранулирования тонко измельченное сырье подают в гранулятор после увлажнения измельченного сырья и зарождения гранул и до завершения грануляции.

Проппанты, изготовленные по данному способу, имеют в сырце более совершенную округлость, но после обжига характеризуются высокой степенью дефектности поверхности, препятствующей плотной укладке слоя проппантов, высокой степени осадки слоя под нагрузкой, что ведет к интенсивному разрушению проппантов как с поверхности, так и по объему гранул, обильному пылеобразованию и снижению проводимости.

Заниженные показатели прочности и проводимости наблюдаются и у проппантов, изготовленных из других видов сырья, если характер их поверхности препятствует формированию наиболее плотной укладки гранул в слое. Кроме того, поскольку на поверхности гранул практически всегда имеются многочисленные выступы, углубления и поры, течение жидкости через слой проппантов имеет смешанный - ламинарный и турбулентный режим, причем турбулентный режим существенно снижает проницаемость слоя керамических проппантов. Другим обстоятельством, снижающим прочность и проницаемость слоя, является повышенное поверхностное разрушение гранул за счет их относительного перемещения при уплотнении слоя под нагрузкой, возникновения напряжений сдвига и критических расклинивающих нагрузок.

Техническим результатом, на решение которого направлено заявляемое изобретение, является увеличение прочности и проводимости проппантов в рабочем слое за счет повышения их округлости.

Предлагаемый способ изготовления керамических гранул позволяет устранить указанные недостатки и повысить выход гранул с высокой округлостью, тем самым способствуя увеличению прочности и проводимости проппантов в рабочем слое.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления керамических проппантов, включающем тонкий помол сырьевой смеси, гранулирование, сушку, обжиг гранул и рассев их на товарные фракции, перед рассевом на товарные фракции гранулы подвергают галтованию путем окатывания их во вращающемся барабане в течение 20-60 мин при 20-40% заполнении его объема, причем скорость вращения барабана выбирают такой, что она обеспечивает перекатный режим перемещения гранул.

В другом варианте технический результат достигается тем, что в способе, включающем гранулирование сырьевой смеси, сушку, обжиг гранул и рассев на товарные фракции, перед рассевом на товарные фракции гранулы подвергают галтованию путем их виброистирания при частоте от 50 до 200 Гц и амплитуде от 0,8 до 0,3 мм в течение 1-3 мин.

Галтование в указанных режимах приводит к поверхностному шлифованию гранул, удалению или сглаживанию микровыступов, что снижает коэффициент трения и абразивность, повышает текучесть порошков и, соответственно, удобоукладываемость проппантов в слое. Эффект подтверждается увеличением насыпной плотности проппантов (~ на 3,5-5%).

Увеличение плотности слоя свидетельствует о практическом отсутствии крупных полостей (следствие сводообразования), т.е. о повышении координационного числа и количества точек взаимного контакта гранул, что обеспечивает существенное повышение несущей способности рабочего слоя проппантов (~ на 25-40%).

С повышением плотности и прочности слоя увеличивается и его проводимость, чему способствует также отсутствие перемещения гранул в более плотном слое в процессе повышения нагрузки, снижается степень осадки слоя и поверхностное разрушение гранул, ведущее к образованию пылевидных частиц, блокирующих проводящие каналы. Сглаживание дефектов поверхности способствует повышению средней скорости течения жидкости в слое.

Указанные в предлагаемом способе пределы параметров определены экспериментально и выход за эти пределы снижает эффективность его применения.

Возможность осуществления заявляемого способа подтверждается примерами его конкретного выполнения в лаборатории заявителя.

Для демонстрации способа взяты пробы проппантов фракции 12/18 магнезиально-силикатного, муллитокремнеземистого и муллитового (прототип) составов, изготовленных по технологии, включающей тонкий помол сырьевой смеси соответствующего состава, гранулирование, сушку и обжиг гранул. После определения свойств пробы подвергли галтованию во вращающемся барабане диаметром 0,75 и длиной 1,6 м и в виброжелобе (полуцилиндр диаметром 219 мм), изменяя продолжительность процесса и объем загрузки барабана, амплитуду, частоту и продолжительность прохождения гранул по виброжелобу. После обработки определяли свойства полученных проппантов. Исходные и галтованные порошки сравнивались по следующим показателям свойств: насыпная плотность, сопротивление раздавливанию, доля пылевидных частиц в продуктах разрушения (см. табл.1 и 2).

Таблица 1
Свойства проппантов размером 12/18 до и после окатывания
Параметры галтования	Проппанты
Муллито-кремнеземистые	Муллитовые (прототип)	Магнезиально-силикатные
Плотность насыпная, г/см3	Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %	Плотность насыпная, г/см3	Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %	Плотность насыпная, г/см3	Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %
Длительность галтования в барабане с заполнением 40%,
мин: 0	1,56	13,7/3,2	1,74	7,9/1,3	1,56	9,5/1,8
20	1,58	11,4/2,1	1,78	6,6/1,1	1,61	7,5/1,5
40	1,61	9,5/1,5	1,81	4,8/0,6	1,64	5,9/0,8
60	1,61	9,2/1,3	1,82	4,5/0,3	1,66	5,6/0,4
Галтование в течение 40 мин в барабане с
заполнением:
20%	1,61	9,3/1,4	1,82	4,4/0,5	1,65	5,7/0,6
30%	1,61	9,5/1,5	1,81	4,6/0,6	1,65	5,7/0,6

Таблица 2
Свойства проппантов размером 12/18 до и после виброгалтования
Параметры галтования	Проппанты
Муллито-кремнеземистые	Муллитовые (прототип)	Магнезиально-силикатные
Плотность насыпная, г/см3	Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %	Плотность насыпная, г/см3	Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %	Плотность насыпная, г/см3	Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %
Длительность виброгалтования с амплитудой 0,8 мм частотой 50 Гц,
мин: 0	1,56	13,7/3,2	1,74	7,9/1,3	1,56	7,9/1,3
1	1,57	11,8/2,0	1,77	6,8/1,2	1,58	6,8/1,2
2	1,62	9,3/1,4	1,82	4,5/0,5	1,63	5,4/0,5
3	1,64	9,0/1,1	1,82	4,3/0,3	1,67	5,3/0,3
Виброгалтование в течение 2 мин с амплитудой 0,5 мм частотой 100 Гц	1,63	9,1/1,2	1,82	4,6/0,5	1,64	5,5/0,5
Виброгалтование в течение 2 мин с амплитудой 0,3 мм частотой 200 Гц	1,64	8,9,0/1,0	1,83	4,4/0,3	1,66	5,2/0,3

Полученные результаты свидетельствуют о повышении качества гранул, изготовленных по предлагаемому способу, по сравнению с проппантами промышленного изготовления в т.ч. с наиболее близким аналогом, что выражается в повышении насыпной плотности, прочности и снижении пылеобразования при разрушении под нагрузкой. Эффект достигнут за счет улучшения округлости гранул, что обеспечило более плотную укладку слоя, снижение степени перемещения гранул в рабочем слое при его нагружении, соответствующем снижении поверхностного и объемного разрушения проппантов и выхода пылевых фракций.

Реализация способа при технологических параметрах, близких к предельно установленным, снижает эффективность его применения.

Использование галтованных проппантов, полученных по 2-м вариантам заявляемых способов решают одну и ту же задачу с получением практически одинакового технического результата (повышенной округлостью, позволяющей увеличить прочность и проводимость проппантов в рабочем слое скважины).

Список литературы

1. Способ изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин: Пат. 2235703 Россия, МПК⁷ C04B 35/20; C04B 35/622 / Шмотьев С.Ф., Плинер С.Ю., Опубл. 10.09.2004.

2. Снегирев А.И., Слободин Б.В. Технология производства и свойства сферических гранул в системе MgO-Al₂O₃-SiO₂ // Огнеупоры и техническая керамика. 1998. №10. С.21-23.

3. Способ производства высокопрочных сферических керамических гранул: Пат. 2133716 Россия, МПК⁶ C04B 20/04 / Мигаль В.П., Можжерин В.А., Новиков А.Н. и др., Опубл. 27.07.99, Бюл. №21.

1. Способ изготовления керамических проппантов, включающий гранулирование сырьевой смеси, сушку, обжиг гранул и рассев на товарные фракции, отличающийся тем, что перед рассевом на товарные фракции гранулы подвергают галтованию путем окатывания их во вращающемся барабане в течение 20-60 мин при 20-40% заполнении его объема.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость вращения барабана выбирают такой, что она обеспечивает перекатный режим перемещения гранул.

3. Способ изготовления керамических проппантов, включающий гранулирование сырьевой смеси, сушку, обжиг гранул и рассев на товарные фракции, отличающийся тем, что перед рассевом на товарные фракции гранулы подвергают галтованию путем их виброистирания при частоте от 50 до 200 Гц и амплитуде от 0,8 до 0,3 мм.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что виброистирание осуществляют в течение 1-3 мин.