Проппант, способ его получения и способ гидравлического разрыва пласта с использованием полученного проппанта

Проппант, способ его получения и способ гидравлического разрыва пласта с использованием полученного проппанта

Реферат

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для повышения производительности промысловых скважин путем предотвращения смыкания трещин с применением расклинивающих гранул - проппантов при проведении гидравлического разрыва продуктивных нефтяных пластов.

Гидравлический разрыв пласта - в настоящее время один из наиболее перспективных способов добычи нефти и газа, позволяющий при правильном его использовании значительно увеличить производительность скважин. Сущность метода гидравлического разрыва пласта состоит в закачивании под большим давлением вязкой жидкости в нефте- и газоносные пласты, что приводит к образованию в пласте трещин, в которые проникает жидкость. Для сохранения трещин в разомкнутом состоянии в них вводят механически прочные, не взаимодействующие со скважинной жидкостью, сфероподобные гранулы (проппанты), которые, проникая с жидкостью в трещину и, по меньшей мере, частично заполняя ее, создают прочный расклинивающий каркас, проницаемый для нефти и газа, выделяемых из пласта. Проппанты - искусственно созданные гранулы должны противостоять не только высокому пластовому давлению, стремящемуся деформировать частицы проппанта, что приводит к неизбежному смыканию трещины, но и выдерживанию действия агрессивной скважинной среды (влага, кислые газы, солевые растворы) при высоких температурах. При разрушении частиц проппанта под действием скважинной среды также происходит смыкание трещины с неизбежным уменьшением дебета скважины. Промышленно проплаты получают путем переработки исходного сырья, в качестве которого могут быть использованы кварцевый песок, бокситы, каолины, оксиды алюминия, различные алюмосиликатные виды сырья.

Настоящее изобретение характеризует новый проппант, используемый в гидравлическом разрыве пласта при давлениях закрытия трещин в пластах до 15000 psi (фунтов/кв. дюйм). Проппант представляет собой сферические неорганические зерна различных размеров, используемые для удержания стенок гидравлических разломов открытыми после выполнения операции гидравлического разрыва пласта, с тем, чтобы обеспечить пути истечения углеводородной жидкости из пласта. Такие проппанты производят на основе различных железных шлаков, то есть шлаков, образующихся при выплавке железа, чугуна и стали, или нежелезистых металлургических и неметаллургических шлаков, то есть медных, никелевых, фосфорных, свинцовых, свинцово-цинковых, цинковых, алюминиевых и титановых шлаков.

Американское общество испытаний и материалов (ASTM) (1999) определяет шлак шахтных печей как «неметаллический продукт, состоящий, главным образом, из силикатов кальция и других оснований, которые образуются в условиях выплавки железа в шахтных печах».

В производстве железа доменную печь загружают железной рудой, флюсовой добавкой (обычно известняком или доломитом) и коксом в качестве горючего и восстановительного агента. Железная руда представляет собой смесь оксидов железа, кремния и алюминия. Из них и добавленного флюса - карбонатов щелочно-земельных металлов, образуется плавильный шлак и железо. Кислород предварительно нагретого воздуха, закачиваемого в печь, взаимодействует с углеродом кокса, образуя необходимое тепло и окись углерода. В это же время железная руда восстанавливается до железа, главным образом, по реакции окиси углерода с окислом железа с образованием двуокиси углерода (CO₂) и металлического железа. Флюсовая добавка распадается на оксиды кальция и магния и двуокись углерода, оксиды кальция и магния взаимодействуют с оксидами кремния и алюминия и образуют шлак. Шлак транспортируют в охладительный колодец, непосредственно или с использованием железных ковшей, в зависимости от расстояния между колодцем и печью.

В зависимости от метода охлаждения могут быть получены три типа шлака - воздушно-охлажденный, вспученный и гранулированный. Воздушно-охлажденный шлак получают, медленно охлаждая шлак на воздухе в открытом колодце. В случае, если шлак отвердевает в условиях медленного охлаждения, выделяющиеся газы оставляют после себя пористый агрегат низкой плотности. Шлак, отвердевающий при контролируемом быстром охлаждении на воздухе (так называемом, гашении), в основной массе твердый и плотный. Вспученный шлак образуется при контролируемом быстром охлаждении расплавленного шлака в воде (или в воде в сочетании с действием пар и сжатого воздуха). Пар и другие газы повышают пористость и ячеистую структуру шлака, что приводит к образованию легких агрегатов. Гранулированный шлак получают гашением (быстрым охлаждением) расплавленного шлака, переводя его в стеклообразное состояние с использованием водных форсунок высокого давления. Гашение предотвращает кристаллизацию минералов, входящих в состав шлака, и таким образом получают стеклообразные агрегаты в форме гранул.

Главными компонентами шлаков производства железа и стали являются оксид кремния (SiO₂), оксид алюминия (Al₂O₃), оксид кальция (СаО) и оксид магния (MgO), содержание которых в составе этих шлаков достигает 95%. К неосновным компонентам состава этих шлаков относятся оксиды марганца и железа, соединения серы с металлами, а также следовые количества некоторых других веществ. Физические свойства, такие как плотность, пористость и размеры частиц зависят от скорости охлаждения шлака и его химического состава.

Нежелезистые шлаки образуются при извлечении и переработке других металлов из их природных руд. Эти шлаки являются расплавленным побочным продуктом высокотемпературного процесса, используемого, прежде всего, для отделения металла от неметаллических составляющих, содержащихся в рудной массе. После охлаждения расплавленный шлак превращается в материал в форме щебня или гранул.

Переработка большинства руд состоит из ряда стандартных операций. Сначала добытую рудную массу обрабатывают для удаления из нее пустой породы (сопутствующих пород и минералов). Эта обработка обычно состоит из измельчения до состояния относительно тонкого порошка и последующей гравитационной сепарации в какой-нибудь из ее форм для отделения металлической руды от породы. Для этого используют разные устройства - циклонные сепараторы, наклонные вибрационные столы, флотационные резервуары. Обогащенную руду затем термически перерабатывают для отделения металла от неметаллических составляющих с последующим восстановлением свободного металла. Поскольку большинство этих металлов не используют в чистом виде, их затем смешивают с другими элементами и соединениями с образованием сплавов, обладающих желаемыми свойствами.

В процессе подготовки к восстановлению металла, целью которого является отделение металла от неметаллических составляющих, некоторые неоксидные минералы превращаются в оксиды вследствие нагревания на воздухе при температурах ниже температуры их плавления («обжиг руды»). В этом процессе сульфиды металлов, присутствующие в медной и никелевой руде, переходят в оксиды. Восстановление ионов металла в свободный металл обычно завершается в процессе, называемом выплавкой. В этом процессе восстановительный агент, такой как кокс (углерод с примесями), вместе с оксидом углерода и водородом взаимодействуют с обожженным продуктом, переходя в кремнистый флюс. Затем металл гравиметрически отделяют от флюса смешанного состава, оставляя шлак.

В табл.1 приведены типичные физические свойства нежелезистых шлаков. Свинцовый, свинцово-цинковый и цинковый шлаки составляют единую группу вследствие того, что их свойства подобны.

Что касается химических свойств, свинцовый, свинцово-дуинковый и цинковый шлаки представляют собой, главным образом, железистые силикаты, а фосфорный шлак и никелевый шлак - прежде всего, кальциево-магниевые силикаты. В таблице 2 приведен пипичный химический состав этих шлаков, где типичные физические свойства определены в соответствии с рекомендуемыми нормами - 60 Американского нефтяного института (API).

Известен (US, патент 4713203) проппант на основе бокситов и способ его получения. Известный проппант представляет собой сферические частицы размером от 2 до 0,3 мм и пригоден для использования при давлениях до 20,000 psi. Известный проппант состоит из природного боксита, содержащего мелкодисперсную фракцию некальцинированного природного боксита, состоящую, главным образом, из частиц гиббсита, бемита и каолинита, причем каолинита содержится не более 25% от всех указанных частиц. Площадь поверхности мелкодисперсной фракции составляет около 30 квадратных метров на грамм. Бокситная фракция содержит 30-50% гиббсита, 22-45% бемита и 16-24% каолинита, то есть упомянутая некальцинированная бокситная фракция содержит 57-63% глинозема или бокситная фракция содержит 7-11% кремнезема. Проппант производят путем отделения мелкодисперсной фракции, гранулирования, удаления воды и спекания при 1350 - 1500°С. Плотность конечного продукта меньше 3,4.

Известны также (US, патент 4921820 и WO/9604464) легкие проппанты, а также способы их изготовления и применения. Известные проппанты представляют собой спеченные керамические гранулы, шихта которых, в основном, содержит смесь каолиновой глины и аморфного или мелкокристаллического кремнезема. Каолиновая глина практически не содержит кварца (меньше 1%) и перед спеканием она не должна подвергаться действию тепла, чтобы не происходило фазового перехода глины в муллит и кристобалит. Гранулы имеют удельный вес менее 2,7; такой проппант обладает проницаемостью не менее 3000 мД-ф (милидарси-фут) после 50 часов при давлении 8000 psi и температуре 275 F в присутствии 2%-го раствора KCl.

Известен также (US, патент 4668645) спеченный проппант низкой плотности для газовых и нефтяных скважин. В патенте раскрыт состав гранулированного расклинивающего агента с числом Крумбейна 0,8 или больше и диаметром частиц от 0,2 до 1,77 мм. Гранулы изготовлены из природной бокситовой глины, которая имеет следующий состав (в расчете на безводное состояние): 16-19% кремнезема, 79-80% глинозема и меньше 0,35% окислов щелочных и щелочно-земельных металлов. Гранулы прокаливают при температуре 1400-1500°C, при этом образуется расклинивающий материал, содержащий муллит в качестве основной фазы и альфа-глинозем в качестве дополнительной фазы. Приведен также способ изготовления проппанта.

Известен также (US, патент 6753299, заявка WO 03/042497) состав кремнеземного проппанта. Состав проппанта включает равные по весу количества некальцинированного боксита, некальцинированного сланца и кварца со связующим, образованным из волластонита и талька в количествах менее 10% от веса композиции. В составе композиции проппанта меньше 25 весовых процента глинозема и свыше 45 весовых процента кремнезема.

Известна публикация № WO 2004085490 А2 «Средство очистки из двуокиси титана и способ его получения». Указанная публикация характеризует средство очистки, представляющего собой частицы двуокиси титана округлой или сферической формы, и способа получения этого средства. Средство очистки эффективно при удалении отложений двуокиси титана на стенках реакционного сосуда из двуокиси титана. Способ состоит в формировании сырых гранул из двуокиси титана в высокопроизводительной мешалке при перемешивании коммерчески доступного порошка двуокиси титана и воды. Получающиеся гранулы двуокиси титана обладают округлой и сферической формой и плотностью от 1,38 г/см³ до 2,46 г/см³. Методом испытания прочности проппантов Американского нефтяного института показано, что для гранул характерно разрушение менее 40% при давлении 4000 psi. Продукт спекают при температуре от приблизительно 550°C до приблизительно 1050°С.

Известен расклинивающий проппант (US, патент 5188175), представляющий собой керамические гранулы сферической формы из спеченной каолиновой глины, содержащей оксиды алюминия, кремния, железа и титана, причем оксиды в данных гранулах присутствуют в следующих соотношениях, мас.%: оксида алюминия - 25-40, оксида кремния - 50-65, оксида железа - 1,6 и оксида титана - 2,6. Сферичность гранул составляет 0,7. Данный расклинивающий проппант наиболее эффективен при разработке нефтяных или газовых пластов, залегающих на небольших и средних глубинах.

Существенным недостатком известных проппантов следует признать сложность состава исходной шихты, а также сложность технологии получения частиц проппанта. Это, в свою очередь, увеличивает затраты на производство проппанта, увеличивая тем самым его себестоимость.

Известны (US, патент 4668645) проппанты из кальцинированного при 1000°C боксита, что улучшает соотношение Al₂O₃/SiO₂ и, соответственно, прочностные характеристики, но еще более увеличивает себестоимость проппанта.

Известны также (US, патент 4879181) пропанты на основе смеси боксита и каолина, что придает исходной массе пластичность и, следовательно, сферичность и округлость полученных проппантов при одновременном повышении себестоимости.

Известны также (US, патент 4944905) двухслойные проппанты, внутренняя часть которых состоит из алюмосиликатного вещества, отличающегося достаточно низкой температурой плавления, а периферийная часть с высокой концентрацией оксида алюминия содержит глинозем. В качестве вещества с низкой температурой плавления и способного образовывать при охлаждении стеклофазу предложено использовать нефелиновые сиениты. При получении указанных проппантов вначале проводят грануляцию смеси предварительно обожженного нефелинового сиенита и мелкодисперсного глинозема при добавлении воды и связующего компонента. После сушки полученные гранулы перемешивают с мелкодисперсным глиноземом для предотвращения при последующем обжиге спекания гранул между собой и припекания к стенкам обжиговой печи. Обжиг во вращающейся печи проводят при температуре, близкой к температуре плавления нефелинового сиенита. После данного обжига гранулы обдувают в потоке воздуха для удаления неспекшегося глинозема. Затем проводят повторный обжиг во вращающейся печи при более высокой температуре при повторном добавлении глинозема. Во время этого повторного обжига образуется более толстый поверхностный слой глинозема, который должен обеспечить достаточную прочность полученных проппантов.

Недостатком известного технического решения следует признать достаточно сложную многоступенчатую технологию производства проппантов с двумя энергоемкими процессами обжига гранул во вращающейся печи, что значительно увеличивает себестоимость готового проппанта.

Известен также (US, патент 3929191) проппант, используемый при добыче нефти методом гидравлического разрыва пласта, полученный на основе спеченного алюмосиликатного сырья или на основе минералов, или из железа, стали в виде гранул с размерами 6-100, предпочтительно 10-40 меш, со сферичностью и округлостью по Крумбейну не менее 0,8, плотностью 2,6 г/см³ с покрытием из плавкой фенольной смолы.

Недостатком известного технического решения следует также признать высокую себестоимость получаемого продукта.

Технический результат, получаемый при реализации разработанного проппанта, состоит в получении частиц проппанта с высокими эксплуатационными характеристиками и низкой себестоимостью, использование которого приводит к уменьшению себестоимости добываемого флюида.

Для получения указанного технического результата предложено использовать в качестве частиц проппанта гранулы шлака воздушного охлаждения вспученных и гранулированных шлаков, при этом используемые гранулы шлака отвечают следующим требованиям:

- плотность от 1,5-4 г/см³

- твердость (по шкале Мооса) не менее 4.

В качестве проппанта может быть выбран, по меньшей мере, один из следующих шлаков: шлаки черной металлургии (образующиеся при выплавке железа, чугуна и стали) и/или шлаки цветной металлургии (титановые, алюминиевые, никелевые, медные, свинцовые, цинковые, свинцово-цинковые, магниевые, марганцевые), а также шлаки производства фосфора. Размер частиц низкой плотности может варьировать в пределах от 1 до 500 мкм.

При производстве разработанного проппанта, по меньшей мере, один из вышеупомянутых шлаков может быть измельчен, размолот, гранулирован и спечен при температурах от 400 до 1600°C. В одном из вариантов получения указанного проппанта используют, по меньшей мере, два различных шлака, которые могут быть вместе или по отдельности измельчены (размолоты), смешаны (если они не были смешаны на предыдущих этапах), гранулированы и спечены при температурах от 400 до 1600°C. Во время процессов смешивания, размола и/или гранулирования может быть дополнительно добавлен пластифицирующий агент для гранулирования. Пластифицирующий агент может быть органическим или неорганическим веществом. Шлаковый порошок может быть дополнительно смешан с измельченными бокситом или глиноземом, и/или с порошками глин и затем может быть подвергнут обработке, этапы которой описаны ранее. На частицы проппанта может быть дополнительно нанесено органическое или неорганическое покрытие с целью упрочнения поверхности гранулы и повышения проводимости упаковки, создаваемой с помощью данного шлака.

С использованием охарактеризованного ранее проппанта осуществляют гидравлической разрыв пласта (с использованием шлаков воздушного охлаждения, вспученных и гранулированных шлаков в качестве проппанта) при вызывающих смыкание трещин напряжениях до 15000 psi.

Разработанное техническое решение было реализовано следующим образом. Частицы шлака медного производства со средним размером частиц 0,6 мм и плотностью 3,2 г/см³ использовали в качестве расклинивающего наполнителя при проведении гидроразрыва в районе Западной Сибири на глубине 3500 м, что позволило снизить затраты на проведение работы на 40% по сравнению с работой ГРП, поводимой в аналогичных условиях, но с применением керамического проппанта с плотностью 3,2 г/см³ за счет более низкой себестоимости шлаковых частиц. При этом производительность скважины в день в обоих случаях составила 160 м³/день.

Другой способ реализации данного изобретения может быть описан следующим примером. Частицы вспученных никелевых и фосфорных шлаков измельчали до остатка на сите 63 мкм 3 мас.% сухим способом, смешивали в соотношении 3:2 по массе и затем к полученной смеси добавляли порошок бокситовой руды, измельченной до прохода через сито 40 мкм 0,5 мас.%. Соотношение шлаковая смесь : боксит составляет 7:3 по массе. Затем около 4 кг полученной смеси поместили в гранулятор R02 типа Eirich. Перемешивание начинали на скорости вращения лопастной мешалки, обеспечивающей зародышеобразование в смеси, при этом в материал дополнительно вводили 600 г водного раствора карбоксиметилцеллюлозы (концентрация 3%). Перемешивание на указанной скорости составляло 4 минуты. Затем скорость вращения изменили и в гранулятор ввели 200 г исходной смеси измельченных карбида кремния и термообработанной бокситовой руды. Время дополнительного перемешивания на скорости, обеспечивающей формирование гранул, с образованием гранул желательного размера (0,15 - 5,0 мм) составляло 2 мин. Подготовленные таким образом гранулы высушивали и рассеивали до получения более 90% процентов между ситами -16 меш/+30 меш. Обжиг проводили при температуре 1300 - 1500°C. После обжига кажущаяся плотность материала составляла 3,52 г/см³. Лучшие значения прочности наблюдали при температуре 1450°C, при этом процент разрушения при давлении 10000 пси (69 МПа), определенный в соответствии с API recommended Practice 60, составлял 3 мас.%.

Себестоимость полученного подобным образом проппанта составляет не более 80% от себестоимости проппанта, полученного традиционным способом.

Табл.1.
Свойства	Никелевый шлак	Медный шлак	Фосфорный шлак	Свинцовый, свинцово-цинковый и цинковый шлаки
Внешний вид	Красновато-бурый или коричнево-черный, угловатых форм с аморфной текстурой	Черный, стеклообразный, когда гранулирован - более ячеистый	Темно-серый до черного, воздушно-охлажденный - плоский и удлиненный; гранулированный - однородный, угловатых форм	Красный или черный, стеклообразный, частицы остроугольной (кубической) формы
Удельный вес, кг/м3	3500	2800-3800	Воздушно-охлажденный: 1360-1440 вспученный: 880-100	<2500-3600
Абсорбция (%)	0,37	0,13	1,0-1,5	5,0

Табл.2.
Элемент	Медный шлак отражательных печей	Никелевый шлак	Фосфорный шлак	Свинцовый шлак	Свинцовоцинковый шлак
SiO2	36,6	29,0	41,3	35,0	17,6
Al2O3	8,1	следы	8,8	-	6,1
Fe2O3	-	53,06	-	-	-
СаО	2,0	3,96	44,1	22,2	19,5
MgO	-	1,56	-	-	1,3
FeO	35,3	-	-	28,7	-
K2O	-	-	1,2	-	-
F	-	-	2,8	-	-
MnO	-	следы	-	-	2,0-3,0
P2O5	-	-	1,3	-	-
Cu	0,37		-	-	-
ВаО	-		-	-	2,0
SO3	-	0,36	-	-	-
Свободный СаО	-	-	-	-	-
S	0,7	-	-	1,1	2,8
PbO	-	-	-	-	0,8

1. Способ производства проппанта, частицы которого имеют плотность 1,5-4,0 г/см³ и твердость по шкале Мооса не менее 4, в котором используют, по меньшей мере, два различных шлака промышленных производств, указанные шлаки измельчают до или после их смешивания, полученную смесь шлаковых порошков смешивают с измельченным бокситом или измельченным глиноземом в соотношении смесь шлаковых порошков: измельченный боксит или измельченный глинозем 7:3 по массе, гранулируют и обжигают до спекания при температуре от 1300 до 1600°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные шлаки сначала по отдельности измельчают, а затем смешивают.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные шлаки смешивают перед измельчением.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при смешивании, и/или измельчении, и/или гранулировании дополнительно добавляют пластифицирующий агент для гранулирования.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при смешивании дополнительно добавляют пластифицирующий агент для гранулирования.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что при гранулировании дополнительно добавляют пластифицирующий агент для гранулирования.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют органический или неорганический пластифицирующий агент для гранулирования.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь шлаковых порошков дополнительно смешивают с порошками глин.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что на частицы проппанта дополнительно наносят органическое или неорганическое покрытие.

10. Проппант, полученный способом по любому из пп.1-9.

11. Проппант по п.10, отличающийся тем, что размер частиц проппанта варьирован в пределах 0,1-3 мм.

12. Способ гидравлического разрыва пласта при вызывающих смыкание трещин напряжениях до 15000 psi, в котором используют проппант по п.10 или 11.