Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления легковесного кремнезёмистого проппанта и проппант

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

Проппанты (расклиниватели) - прочные гранулы, удерживающие трещины ГРП от смыкания под большим давлением и обеспечивающие необходимую производительность нефтяных и/или газовых скважин путем обеспечения в пласте проводящего канала. Среди керамических расклинивателей наиболее применяемыми являются алюмосиликатные и магнийсиликатные проппанты, обладающие высокими значениями прочности, сферичности, округлости. Однако оба типа вышеупомянутых проппантов имеют высокий насыпной вес. Между тем, снижение плотности проппанта позволяет использовать низковязкую жидкость ГРП, применяемую для заполнения трещин проппантом, что сокращает стоимость самой жидкости, а также снижает вероятность того, что жидкость ГРП, остающаяся в пласте, блокирует поток нефти и газа. Кроме того, снижение плотности расклинивающего агента облегчает и удешевляет процесс закачки проппанта в скважину, а сам проппант может глубже проникать в трещину, увеличивая тем самым производительность нефтяной или газовой скважины. Известны способы снижения плотности проппанта путем изготовления гранул с пористой структурой. Однако пониженные прочностные характеристики указанного материала предполагают нанесение на его поверхность дорогостоящего упрочняющего полимерного покрытия. В связи с этим, производители проппанта проводят исследования, направленные на поиск альтернативных видов сырья для изготовления расклинивателей. Особое внимание привлекают кремнеземистые материалы на основе кварц-полевошпатного песка и/или кварцита с содержанием SiO₂ более 80 мас.% (см., например, патент РФ № 2445339).

Указанные материалы не отличаются выдающимися прочностными характеристиками, а также имеют недостаточно высокие показатели проводимости/проницаемости, сферичности/округлости. Для преодоления указанных недостатков и регулирования плотности расклинивателя в шихту для изготовления проппанта вводят глину, каолин, магнийсодержащие компоненты, соли, полимерные связующие и пр. (см., например, патенты РФ № 2425084, № 2500713, № 2513792, № 2535540, № 2547033).

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 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), мас.%: SiO2 88-94, MgO 0,3-9, природные примеси - остальное, а в качестве материала-источника оксида магния используют серпентинит, тальк, брусит, каустический магнезит или их смеси. Причем материал-источник диоксида кремния имеет размер частиц 10 мкм и менее, а температура обжига гранул проппанта не превышает 1200°С. Кроме того, проппант характеризуется тем, что он получен указанным способом.

Недостатком известного технического решения является пониженная прочность проппанта при высоких (более 7500 psi) давлениях. По всей вероятности это обусловлено тем, что стеклофаза сложного состава, образующаяся в гранулах расклинивателя при спекающем обжиге, не обладает достаточной вязкостью, вследствие чего при давлениях более 7500 psi происходит резкое увеличение разрушаемости проппанта.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение разрушаемости легковесного кремнеземистого проппанта при давлении более 7500 psi.

Указанная задача решается тем, что в способе изготовления легковесного кремнеземистого проппанта, включающем сушку и помол компонентов исходной шихты, содержащей материал–источник диоксида кремния в виде кварц-полевошпатного песка, ее грануляцию, обжиг полученных гранул и их рассев, в шихту дополнительно вводят портландцемент при следующем соотношении компонентов, мас.%: кварц-полевошпатный песок - 85–99, портландцемент - 1–15. Кроме того, кремнеземистый проппант характеризуется тем, что он получен указанным способом.

Экспериментальным путем установлено, что введение в состав шихты для изготовления легковесного кремнеземистого проппанта портландцемента позволяет уже на стадии грануляции получать уплотненные и упрочненные гранулы проппанта–сырца. В результате чего во время спекающего обжига в значительной степени снижается пылеобразование и, следовательно, припекание пылевидных частиц к поверхности обожженных гранул проппанта, а это в свою очередь положительно сказывается на степени разрушаемости проппантной пачки. Кроме того, по мнению авторов, более вязкая по сравнению с прототипом стеклофаза, образующаяся в гранулах проппанта при обжиге, препятствует хрупкому разрушению гранул расклинивающего агента при нагрузках более 7500 psi. При проведении исследований установлено, что портландцемент, включенный в состав шихты, действует как ярковыраженная спекающая добавка, вследствие чего отпадает необходимость сверхтонкого измельчения компонентов шихты. Абсолютная плотность проппанта составила 2,0–2,5 г/см³_, против 2,0–2,44 г/см³ у прототипа. Таким образом, полученный проппант также относится к легковесным расклинивающим агентам. Введение в шихту портландцемента в количестве менее 1 мас.% не оказывает заметного влияния на прочность проппанта, а увеличение содержания портландцемента в шихте свыше 15 мас.% не приводит к дальнейшему увеличению прочности, при этом из–за увеличенного содержания стеклофазы в гранулах при обжиге образуется значительное количество спеков проппантов.

Пример осуществления изобретения

4,5 кг кварц-полевошпатного песка (Бочкарихинского месторождения, РФ, Свердловская обл.), высушенного при температуре 150°С в течение 1 часа, помещали в лабораторную вибромельницу, туда же помещали 0,5 кг (10 мас.%) портландцемента (ООО СЦЗ, РФ, Свердловская обл., г. Сухой Лог). Материал измельчали до фракции менее 40 мкм, гранулировали и обжигали при температуре 1215°С. У обожженных проппантов фракции 30/50 меш определяли разрушаемость при 10 000 psi по общепринятой методике ISO 13503 - 2: 2006(Е). Аналогичным образом готовили пробы проппанта с различным содержанием портландцемента. Одновременно была изготовлена проба проппанта по патенту РФ № 2446200, имеющая минимальную разрушаемость при нагрузке 10 000 psi (состав шихты пробы: кварц-полевошпатный песок + серпентинитовый щебень, при содержании MgO ≈ 3,0 мас.%, SiO₂ ≈ 94 мас.%, примеси ≈ 3,0 мас.%).

Результаты измерений представлены в таблице.

Анализ данных таблицы показывает, что легковесный кремнеземистый проппант, полученный заявляемым способом (примеры 4–7 таблицы), имеет меньшую разрушаемость по сравнению с прототипом.

Таблица – свойства кремнеземистого проппанта с добавкой портландцемента