Способ изготовления легковесного кремнеземистого магнийсодержащего проппанта

Способ изготовления легковесного кремнеземистого магнийсодержащего проппанта

Реферат

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технологии изготовления керамических проппантов, предназначенных для использования в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта (ГРП).

Проппанты - прочные сферические гранулы, удерживающие трещины ГРП от смыкания под большим давлением и обеспечивающие необходимую производительность нефтяных и газовых скважин путем обеспечения в пласте проводящих каналов. В качестве проппантов (расклинивателей) используются различные органические и неорганические материалы, среди которых наиболее применяемыми являются природные пески и керамические проппанты. В ближайшее десятилетие прогнозируется значительное увеличение спроса на расклиниватели, обусловленное широким внедрением горизонтального бурения, совмещенного с множественным ГРП. Однако имеющийся опыт масштабного применения указанной технологии позволяет говорить об определенных экологических рисках, связанных с использованием больших объемов химических реагентов, применяемых в том числе и для доставки проппанта по стволу скважины к месту проведения ГРП. В связи с этим исследовательские подразделения предприятий, производящих проппант, работают над созданием продукта с наименьшей плотностью, позволяющего ограничить использование химических реагентов при проведении ГРП. Задача изготовления легковесного проппанта осложняется тем обстоятельством, что снижение плотности материала сопровождается увеличением разрушаемости гранул, причем данная тенденция характерна для всех видов проппантов.

В этой связи особое внимание привлекают магнийсодержащие проппанты на основе природного кварцполевошпатного песка с добавкой термообработанных серпентинита, брусита, каустического магнезита, дунита, оливинита, талька. Такие проппанты имеют повышенное содержание диоксида кремния и обладают пониженной плотностью, при этом гранулы расклинивателя имеют приемлемые значения разрушаемости.

Известен способ изготовления магнийсиликатного проппанта и проппант (патент РФ №2437913), включающий подготовку исходных компонентов шихты, их помол, гранулирование, обжиг и рассев обожженных гранул, в котором гранулирование производят на воде, содержащей, по крайней мере, одну соль натрия, калия, магния и кальция из группы водорастворимых хлоридов, сульфатов и карбонатов, в количестве 18-38 г/л, при следующем содержании указанных солей, г/л: соли натрия 13,3-30,0; соли магния 2,6-6,0; соли калия 0,7-1,5; соли кальция 0,3-0,5. Магнийсиликатный проппант характеризуется тем, что он получен указанным выше способом. Основным недостатком известного технического решения является повышенная плотность проппанта (2,6-2,7 г/см³), обусловленная высоким содержанием в шихте MgO, а также тем, что используемые для грануляции растворы солей в указанных концентрациях при обжиге выполняют роль спекающей добавки, увеличивающей плотность материала.

Известен также способ изготовления легковесного магнийсиликатного проппанта (патент РФ №2476478), включающий термообработку магнийсодержащего компонента - источника оксида магния, совместный помол его кремнеземсодержащим компонентом, грануляцию полученной шихты, обжиг полученных гранул и их рассев, в котором шихта для изготовления проппанта содержит (в пересчете на прокаленное вещество), масс.%: SiO₂ 64-72, MgO 11-18, природные примеси - остальное, а указанную термообработку осуществляют при температуре не более 1080°C. Легковесный магнийсиликатный проппант характеризуется тем, что он получен указанным выше способом. Недостатком известного технического решения является повышенная плотность проппанта (2,45-2,55 г/см³), обусловленная высоким содержанием в шихте MgO.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ изготовления легковесного кремнеземистого проппанта (патент РФ №2446200), включающий сушку и помол компонентов исходной шихты, ее грануляцию, обжиг полученных гранул и их рассев, в котором в кремнеземистую шихту, содержащую материал - источник диоксида кремния в виде кварц-полевошпатного песка и/или кварцита, дополнительно вводят материал - источник оксида магния с размером частиц 5 мкм и менее при следующем соотношении компонентов (в пересчете на прокаленное вещество), масс.%: SiO₂ 88-94, MgO 0,3-9, природные примеси - остальное. Проппант характеризуется тем, что он получен указанным способом с плотностью менее 2,45 г/см³.

Недостатком известного способа является то, что получаемый проппант, обладающий низкой плотностью, имеет при этом повышенные значения разрушаемости. Это объясняется рядом причин, в том числе и пониженным содержанием оксида магния в исходной шихте.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение разрушаемости гранул проппанта при сохранении низкой (менее 2,45 г/см³) плотности материала.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе изготовления легковесного кремнеземистого магнийсодержащего проппанта, включающем сушку и помол исходной кремнеземистой шихты, содержащей материал - источник диоксида кремния в виде кварцполевошпатного песка и/или кварцита и материал - источник оксида магния, ее грануляцию, обжиг полученных гранул и их рассев, в шихту перед помолом дополнительно вводят диатомит в количестве 0,2-10,0 масс.% при содержании в шихте MgO - 9,1-10,9 масс.% в пересчете на прокаленное вещество.

Анализ известных технических решений позволяет с уверенностью говорить о том, что при изготовлении магнийсодержащих проппантов из шихты на основе физической смеси кремнеземсодержащего компонента на основе природного кварцполевошпатного песка и/или кварцита и дополнительно введенного магнийсодержащего компонента материал - источник MgO является добавкой, упрочняющей структуру керамики. Однако с увеличением доли оксида магния повышается плотность гранул проппанта. Следовательно, упрочнения указанного проппанта без увеличения его плотности по сравнению с прототипом можно добиться только путем незначительного повышения содержания оксида магния в шихте по сравнению с прототипом и дополнительным введением в материал добавки, сдерживающей уплотнение керамики.

Экспериментальным путем установлено, что для кремнеземистой магнийсодержащей шихты оптимальной добавкой является диатомит, взятый в заявляемом количестве. При содержании MgO в шихте менее 9,1 масс.% проппант имеет повышенную разрушаемость, а при увеличении доли MgO в шихте выше 10,9 масс.% увеличивается плотность гранул расклинивателя. В качестве материала - источника оксида магния могут быть использованы термообработанные серпентинит, брусит, каустический магнезит, дунит, оливинит, тальк или их смеси при соответствующем расчете шихты с тем, чтобы обеспечить в ней заявляемое содержание MgO. Введение в шихту диатомита в количестве менее 0,2 масс.% не оказывает заметного влияния на свойства проппанта, а увеличение содержания диатомита свыше 10 масс.% вызывает разупрочнение керамики, обусловленное, по всей вероятности, специфическим характером взаимодействия кристаллической и аморфной фаз SiО₂ при обжиге и последующем охлаждении гранул проппанта. Диатомит, как более дисперсный материал, в первую очередь реагирует с MgO с образованием пироксена, избыток диатомита при обжиге превращается в кристобалит, что ухудшает прочность и снижает плотность материала. Следует отметить, что введение диатомита изменяет минеральный состав керамики - снижается доля форстерита, уменьшается количество стеклофазы и растет доля кварца. Это благоприятно сказывается на кислотостойкости проппантов. Необходимо добавить также, что предприятия, производящие магнийсодержащие керамические проппанты, для сфероидизации используют клеящие и/или спекающие добавки, которые вводятся в воду для грануляции или в шихту. При этом указанные добавки вызывают дополнительное уплотнение керамики. Заявляемый состав шихты позволяет производить грануляцию материала на воде без использования связующих веществ и спекающих добавок, что дополнительно способствует сохранению низкой плотности проппанта и снижает себестоимость продукции.

Пример осуществления изобретения

Высококремнеземистый кварцполевошпатный песок, серпентинит и диатомит высушивали при температуре 150°C в течение 1 часа и подвергали совместному помолу до фракции 10 мкм и менее (d₉₀=8,4) в соотношении, обеспечивающем содержание диатомита - 5 масс.% от веса шихты, при содержании в шихте MgO в количестве 10 масс.% в пересчете на прокаленное вещество. Контроль фракционного состава проводился на фотоседиментографе Horiba LA-300. Полученный материал гранулировали и обжигали при температуре, достаточной для максимального упрочнения керамики. У обожженных проппантов фракции 30/50 меш определяли абсолютную плотность (прибор Ассирус 1340) и разрушаемость при 7500 psi по общепринятой методике ISO 13503-2:2006(E). Аналогичным образом готовили пробы проппанта с различным содержанием MgO и диатомита при использовании различных источников диоксида кремния и оксида магния. Результаты измерений представлены в таблице.

Свойства гранул легковесного кремнеземистого магнийсодержащего проппанта
№ п/п	Состав шихты	Содержание диатомита, масс.%	Содержание MgO, масс.%	Абсолютная плотность гранул проппанта, г/см3	Разрушаемость проппанта, % при 7500 psi
1	Серпентинитовый щебень+кварцполевошпатный песок Патент РФ №2446200	-	9,0	2,44	1,7
2	Серпентинитовый щебень+диатомит+кварцполевошпатный песок	0,1	9,0	2,43	1,7
3	Серпентинитовый щебень+диатомит+кварцполевошпатный песок	10,1	11,0	2,41	1,8
4	Серпентинитовый щебень+диатомит+кварцполевошпатный песок	0,2	9,1	2,43	1,2
5	Серпентинитовый щебень+диатомит+кварцполевошпатный песок	10,0	10,9	2,35	1,4
6	Серпентинитовый щебень+диатомит+кварцполевошпатный песок	5,0	10,0	2,4	1,1
7	Серпентинитовый щебень+диатомит+кварцполевошпатный песок	3,0	9,5	2,44	1,2
8	Серпентинитовый щебень+диатомит+кварцполевошпатный песок	8,0	10,5	2,4	1,1
9	Каустический магнезит+кварцполевошпатный песок+кварцит+диатомит	5,0	10,0	2,4	1,2
10	Каустический магнезит+кварцит+диатомит	5,0	10,0	2,4	1,3
11	Каустический магнезит+тальк+диатомит+кварцполевошпатный песок	5,0	10,0	2,44	1,1

Анализ данных таблицы показывает, что заявляемый способ изготовления легковесного кремнеземистого магнийсодержащего проппанта позволяет получать продукт (примеры 4-11), обладающий пониженной разрушаемостью при сохранении низкой плотности по сравнению с известными аналогами. Кроме того, отказ от использования при гранулировании спекающих и клеящих добавок снижает себестоимость материала. Применение проппанта, полученного заявляемым способом, позволит снизить общее количество используемых реагентов и соответственно уменьшить экологическую нагрузку при проведении операции гидроразрыва пласта.

Способ изготовления легковесного кремнеземистого магнийсодержащего проппанта, включающий сушку и помол исходной кремнеземистой шихты, содержащей материал - источник диоксида кремния в виде кварцполевошпатного песка и/или кварцита и материал - источник оксида магния, ее грануляцию, обжиг полученных гранул и их рассев, отличающийся тем, что в шихту перед помолом дополнительно вводят диатомит в количестве 0,2-10,0 масс.% при содержании в шихте MgO в количестве 9,1-10,9 масс.% в пересчете на прокаленное вещество.