Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин

Изобретение относится к области формованных керамических изделий и может быть использовано для изготовления расклинивателей нефтяных 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 и насыпного веса. Эта задача при использовании известных технических решений принципиально невозможно, так как для повышения прочности необходимо повышать содержание оксида алюминия, при этом неизбежно растет твердость и насыпной вес (см., например, рекламу фирм-производителей «Carboceramisc» или «Norton» США).

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин в качестве керамического материала берут метасиликат магния и/или метасиликат кальция, который последовательно измельчают, гранулируют до насыпного веса сырых гранул не менее 1,2 г/см³ и обжигают при температуре 1215-1290°С.

Измельчение метасиликатов магния и/или кальция производят до фракции менее 0,1 мм, а грануляцию - до фракции 0,2-1,8 мм. Измельченный метасиликат перед грануляцией смешивают с модифицирующими и спекающими добавками, например, диоксидом титана, силиката циркония, оксидом железа, глиной и др.

При температуре обжига менее 1215°С пористый материал не спекается «в черепок» и прочность таких расклинивателей слабая, а при температуре обжига свыше 1290°С происходит спекание гранул между собой. Все параметры способа определены экспериментально.

Метасиликат магния и/или кальция синтезируют из самых распространенных и дешевых видов природного сырья - магнезитов, доломитов, известняков, бруситов, диатомитов и других материалов.

Заявляемый способ был реализован в лабораторных условиях, а наиболее характерные составы метасиликата магния и/или метасиликата кальция (т.е. 3 состава) при температурах обжига 1215-1290°С без указания на технологические параметры измельчения и грануляции приведены в таблице. Методика оценки свойств расклинивателей была выполнена по ГОСТ Р 51761-2001 в сравнении с существующими расклинивателями из алюмосиликатов Боровичского комбината огнеупоров и ООО «ФОРЭС» (г. Екатеринбург).

Пример 1. Метасиликат магния (MgSiO₃ _клиноэнстатит) измельчали, смешивали со спекающей добавкой (глиной), гранулировали до насыпной плотности сырых гранул 1,3 г/см³ и обжигали при температуре 1215°С.

Пример 2. Метасиликат кальция-магния (CaMgSiO₂ - диопсид) измельчали, смешивали со спекающей добавкой (TiO₂), гранулировали до насыпной плотности сырых гранул 1,32 г/см³ и обжигали при температуре 1220°С.

Пример 3. Метасиликат кальция (CaSiO₃ - волластонит) измельчали, смешивали со спекающей добавкой (ZrSiO₄), гранулировали до насыпной плотности сырых гранул 1,26 г/см³ и обжигали при температуре 1290°С.

Полученные показатели свойств керамических расклинивателей по 1-3 примерам приведены в таблице.

В таблице указаны составы из предлагаемого класса материалов, так как любые другие соотношения между СаО и MgO в указанных пределах дают такие же высококачественные керамические расклиниватели.

В таблице указаны составы из предлагаемого класса материалов, так как любые другие соотношения между СаО и MgO в указанных пределах дают такие же высококачественные керамические расклиниватели.

Свойства керамических расклинивателей (по ГОСТ Р 51761-2001)

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

- более высокую прочность расклинивателей, а это позволяет использовать их при более высоких давлениях гидроразрыва, т.е. обеспечивает более высокую нефтеотдачу скважин гидроразрыва;

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

- более низкую насыпную плотность, что дает экономию средств у потребителя, так как закачку расклинивателей в нефтяную скважину ведут из расчета объема материала, а приобретают у потребителя на вес.

Авторами отмечено, что несмотря на более низкие показатели механических свойств керамики из метасиликата магния и/или кальция по сравнению с высокоглиноземистой керамикой, сопротивление раздавливанию керамических расклинивателей нефтяных скважин из метасиликата магния и/или кальция выше чем из высокоглиноземистой керамики. Это неожиданный факт, хотя известно, что предел прочности при изгибе керамики из метасиликата магния и/или кальция составляет 130-180 н/мм², а из высокоглиноземистой керамики - 150-250 н/мм². Этот пародоксальный факт, авторы могут объяснить вследствие более низкого модуля упругости керамики из метасиликата магния и/или кальция (60×10³-90×10³ н/мм²) по сравнению с высокоглиноземистой керамикой (150-350×10³ н/мм²). При раздавливании, в первом случае, происходит более значительная пластическая деформация и площадь точечных контактов между расклинивателями увеличивается, а хрупкое разрушение наступает при более высоких давлениях.

Результаты многократных лабораторных испытаний показали, что заявляемый способ изготовления керамических расклинивателей из нетрадиционных материалов (метасиликатов магния и/или кальция), должен пройти промышленные испытания в середине октября 2002 года в цехе керамических расклинивателей ООО «Форэс» (г. Екатеринбург), после чего будет решен вопрос об их серийном производстве.