Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин

Изобретение относится к области технологии формованных керамических изделий и может быть использовано для изготовления керамических расклинивателей нефтяных и газовых скважин.

Все известные заявителю керамические расклиниватели изготавливаются только из алюмосиликатного сырья с содержанием оксида алюминия свыше 28% (см., например, патент РФ №2163227 или ГОСТ 51761-2001). Керамических расклинивателей с высокой прочностью другого состава в научно-технической и патентной литературе не обнаружено.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение эксплуатационных характеристик керамических расклинивателей, т.е. повышение прочности при одновременном снижении твердости. Эта задача при использовании известных технических решений принципиально невозможна, так как при повышении прочности необходимо повышать содержание оксида алюминия, при этом растет твердость (см., например, рекламу фирм-производителей «Carboceramics» и «Norton» США). Кроме того, поставленная техническая задача направлена на удешевление керамических расклинивателей за счет расширения более дешевой сырьевой базы и снижение температуры спекания при их производстве.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин в качестве керамического материала берут материал на основе форстерита с содержанием последнего 55-80%, который последовательно измельчают, гранулируют и обжигают при температуре 1150-1350°C. Оптимальное количество форстерита в керамическом материале экспериментально установлено в пределах 55-80%. При содержании форстерита менее 55% резко снижается температурный интервал спекания, что приводит к образованию при обжиге «спеков» - слипшихся частиц, которые при просеве уходят в брак. При содержании форстерита более 80% возрастает температура спекания, и происходит рекристаллизация керамики, и ухудшаются механические свойства расклинивателей. Наряду с форстеритом керамический материал может содержать до 30% пироксена и стеклофазу в количестве до 25%. Пироксен и стеклофаза формируются в процессе спекания керамических расклинивателей и обеспечивают получение мелкокристаллической и малопористой структур керамического материала. Форстерит целесообразно получать из серпентинито-асбестовой породы. Измельчение форстерита производят до размера частиц менее 0,01 мм, а грануляцию - до фракции 0,2-1,8 мм. Перед грануляцией измельченный форстерит можно смешивать со спекающими и модифицирующими добавками, например, трепелом, диатомитом, опокой, гранитом, пластичной глиной и др.

Синтез форстерита можно осуществлять из оксидов магния и кремния, однако на практике гораздо более рационально использовать природные силикаты магния, например, преимущественно серпентинит, асбест, серпентинито-асбенстовую породу, а также дунит, оливинит, пироксенит, змеевик. Данные минералы являются породообразующими, повсеместно встречаются на территории России, а в ряде случаев представляют собой отходы техногенной переработки природного сырья.

По химическому составу серпентинито-асбестовая порода представляет собой водный силикат магния (Mg₆[Si₄O₁₁/(OH)₆]⋅Н₂О) с примесями железа и кальция, причем состав серпентинитов и асбестов одного месторождения практически идентичен.

Особенностью предлагаемого способа является и то, что после термообработки серпентинито-асбестовая порода представляет собой форстерит (2MgO⋅SiO₂) с небольшим содержанием пироксенов - (Mg, Fe, Ca)O⋅SiO₂ - и стекла.

В технологическом плане заявляемый способ довольно прост. Возможны два варианта измельчения материала - сухой и мокрый. При сухом способе измельчения серпентинито-асбестовую породу можно не обжигать. При мокром способе измельчения для получения шликеров с хорошей текучестью и низкой влажностью температуры обжига должна быть более 950°С. В обоих случаях свойства керамики близки и основным соединением, представленным в керамике, является форстерит. В технологический процесс могут быть введены спекающие и модифицирующие добавки, которые регулируют количество и состав пироксена и стеклофазы, однако их роль является второстепенной.

Заявляемый способ можно проиллюстрировать на следующих примерах.

Пример 1. Кусковой серпентинит (балласт для отсыпки железнодорожного полотна) обжигали при температуре 1070°С, размалывали до удельной поверхности 6500 см²/г (форстерита 55%) с добавкой 7% трепела и 5% гранита, гранулировали и обжигали при температуре 1280°С.

Пример 2. Циклонную пыль ОАО «Ураласбест» смешивали с 3% концентрата окиси цинка, (возгоны вторичной плавки) и 9% глины, размалывали до состояния частиц размером более 60 мкм менее 5%, (форстерита 70%), гранулировали и обжигали при температуре 1260°С.

Пример 3. Серпентинитовый щебень смешивали с 1% титанового концентрата, размалывали до удельной поверхности 7000 см²/г (форстерита 60%), гранулировали и обжигали при температуре 1240°С.

Пример 4. Циклонную пыль ОАО «Ураласбест» обжигали при 700°С, смешивали с 8% золы-уноса Рефтинской ГРЭС, размалывали до удельной поверхности 12000 см²/г, (форстерита 65%), гранулировали и обжигали при температуре 1270°С.

Пример 5. Серпентинитовый щебень обжигали при температуре 1100°С, размалывали до удельной поверхности 14500 см²/г (форстерита 80%), гранулировали и обжигали при температуре 1320°С.

Свойства получаемых по предлагаемому способу керамических расклинивателей в сравнении с известными приведены в таблице.

Свойства керамических расклинивателей (по ГОСТ Р51761-2001)

Таблица

Из таблицы видно, что заявляемые расклиниватели имеют более высокие эксплуатационные характеристики в сравнении с известными:

более высокую прочность расклинивателей, а это позволяет использовать их при более высоких давлениях гидроразрыва, что обеспечивает более высокую нефтеотдачу скважин после гидроразрыва;

более низкую твердость, что обеспечивает увеличение срока службы дорогостоящего оборудования для их закачки и гидроразрыва скважин;

более низкую температуру обжига керамических расклинивателей, что упрощает технологический процесс их изготовления.

В марте-апреле 2003 года ООО «ФОРЭС» произвело опытно-промышленные опробования предлагаемое способа. Общее количество изготовленной продукции 530 тонн. Опробование подтвердило эффективность предлагаемого способа, испытания керамических расклинивателей у потребителей показали их высокое качество.