АРМИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ, НАНОСИМОГО НА ПОВЕРХНОСТЬ ПРОППАНТА
REINFORCING MATERIAL FOR POLYMER COATING APPLIED ON THE SURFACE OF PROPPANT

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технологии изготовления керамических проппантов, предназначенных для использования в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти или газа методом гидравлического разрыва пласта - ГРП. Гидравлический разрыв пласта является процессом нагнетания жидкостей в нефтеносный или газоносный подземный пласт при достаточно высоких скоростях и давлениях, в результате чего пласт растрескивается. Для удерживания трещины в открытом состоянии после снятия давления разрыва применяется расклинивающий агент (проппант), который смешивается с нагнетаемой жидкостью. Применение ГРП увеличивает поток текучих сред из нефтяного или газового резервуара в скважину за счет увеличения общей площади контакта между резервуаром и скважиной, а также за счет того, что слой проппанта в трещине имеет более высокую проницаемость, чем проницаемость пласта.
Современные материалы, широко используемые для закрепления трещин в раскрытом состоянии, можно разделить на два вида - кварцевые пески и синтетические проппанты. К физическим характеристикам проппантов, которые влияют на проводимость трещины и дебит скважины, относятся такие параметры, как разрушаемость, гранулометрический состав, форма гранул (сферичность и округлость) и плотность. По плотности проппанты подразделяются на высокоплотные, средней плотности, легковесные и ультралегковесные. Разрушаемость расклинивающих агентов возрастает с уменьшением их плотности. С целью снижения разрушаемости легковесных и ультралегковесных гранул расклинивателя и предотвращения его обратного выноса применяют различные полимерные материалы, которые наносят на поверхность гранул в виде тонкопленочного покрытия. Для еще большего снижения разрушаемости проппанта полимерное покрытие армируют тонкодисперсными минеральными порошками, синтетическими или минеральными волокнами.
Известен способ изготовления проппанта с покрытием и проппант (патент РФ №2435823), который включает нанесение на поверхность гранулы покрытия, состоящего из связующего и волокна, часть которого выходит за пределы слоя связующего. Соотношение длины каждого волокна к диаметру гранулы составляет от 0,06 до 0,44. Кроме того, гранулы дополнительно обрабатывают кремнийорганическим или фторуглеродным гидрофобизатором в количестве от 0,5% до 10% от массы волокон. Проппант получают указанным выше способом. В качестве указанного волокнистого материала используют волокна шелка, вискозу, хлопковую пряжу, базальтовое волокно, муллитокремнеземистое волокно.
Недостатком известного технического решения является необходимость предварительной подготовки волокнистого материала - измельчения до требуемой длины органических, синтетических и минеральных волокон, кроме того, минеральное волокно перед измельчением требует обязательной термообработки.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является патент США 5,597,784 «Композитное и усиленное покрытие для проппантов и микрочастиц», в котором высокопрочная частица, состоящая из субстрата частицы, по существу отвержденного внутреннего полимерного покрытия, внешнего полимерного покрытия и усиливающего (армирующего) агента, встроенного на границе между внутренним и внешним полимерным покрытием, используется в ГРП подземной формации, причем подходящими усиливающими агентами являются различные минеральные наполнители, включая коллоидальный диоксид кремния, кварцевую муку, тальк, глину, слюду, асбест, карбонат кальция, сульфат кальция, металл и волластонит. Кроме того, общим для всех подходящих усиливающих агентов является требование, чтобы размер таких усиливающих агентов был, как правило, меньше, чем 300 меш, а армирующие материалы волокнистой или стержневой породы должны быть меньше, чем приблизительно 0,006″ (15 мкм) и предпочтительно 0,002″ (5 мкм) в длину. Из всех усиливающих материалов, предпочтение отдается кварцевой муке фракции примерно 325 меш.
Недостатком известного технического решения является необходимость специальной предварительной подготовки армирующего агента - тонкого помола зернистых материалов и минеральных волокон, кроме того, минеральные волокнистые материалы перед измельчением нуждаются в обязательной термической обработке.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение сырьевой базы производства проппанта за счет вовлечения в производство пылевидных отходов обжига серпентинита, уловленных аспирационными системами.
Указанная задача решается тем, что пылеотходы, образующиеся при обжиге серпентинита, применяются в качестве армирующего материала для полимерного покрытия, наносимого на поверхность проппанта, причем указанные пылеотходы вводятся в количестве 0,05-0,5% от массы проппанта, а в качестве указанного полимера используют фенолформальдегидную или эпоксидную смолу. Кроме того, указанное покрытие наносят на магнийсиликатный или высококремнеземистый проппант.
Заявляемое техническое решение может применяться для любых типов проппантов и на любых предприятиях, производящих проппант с полимерным покрытием, вместе с тем, наиболее эффективным представляется его использование на предприятиях, производящих магнийсиликатный проппант. Это обусловлено тем, что основным сырьем для изготовления магнийсодержащих проппантов являются термообработанный серпентинит и кварцполевошпатный песок, следовательно, именно на этих предприятиях образуются значительные количества пыли, образующейся в процессе обжига серпентинита. Кроме того, указанные предприятия производят легковесный проппант с содержанием MgO менее 18 масс. % и ультралегковесный проппант, изготовленный на основе кварцполевошпатных песков. Пылеотходы обжига серпентинита - пылеунос, уловленный аспирационными системами, представляет собой термообработанную смесь тонкодисперсного форстерита и/или метасиликата магния и микроволокон асбеста. По гранулометрическому составу материал близок к требованиям, предъявляемым к армирующему агенту в патенте США 5,597,784, и имеет размер менее 30 мкм с преобладающим размером компонентов 5-15 мкм. Термообработка серпентинита, производимая, как правило, при температуре 900-1200°C, придает армирующему агенту дополнительную прочность, а сочетание порошкообразных микрочастиц с волокнами усиливает упрочняющий эффект армирующей добавки. В настоящее время пылеунос обжига серпентинита, уловленный системами аспирации, собирается и утилизируется на специальных полигонах в установленном порядке.
Для армирования могут быть использованы различные полимерные материалы, однако, по мнению авторов, наиболее предпочтительными являются фенолформальдегидные или эпоксидные смолы. Армированное пылеотходами обжига серпентинита полимерное покрытие может быть как однослойным, так и многослойным, что в конечном итоге определяется требованиями, предъявляемыми потребителями к прочностным характеристикам проппанта. Количество вводимых пылеотходов определяется гранулометрическим составом проппанта, при этом оптимальным, по мнению авторов, является содержание пылеуноса в покрытии от 0,05 до 0,5 масс. %. При введении пылеуноса обжига серпентинита в полимерное покрытие в количестве менее 0,05% от массы проппанта, армирующее действие добавки малозаметно, при увеличении количества указанной добавки свыше 0,5% от массы проппанта, последняя плохо удерживается на поверхности проппанта, нарушается сплошность покрытия, а также показатели сферичности/округлости гранул. Кроме того, образуется некоторое количество сростков гранул проппанта, требующих дополнительной переработки, что усложняет технологический процесс.
Примеры осуществления изобретения.
Пример 1. Пробу легковесных (насыпная плотность 1,4 г/см) магнийсиликатных проппантов фракции 12/18 меш массой 1 кг нагревали до температуры 145°C и помещали в лопастной смеситель, куда вводили физическую смесь сухой фенолформальдегидной смолы (марка СФ-010) и уротропина в качестве отвердителя при следующем соотношении компонентов: смола + уротропин - 1.8% от массы проппантов (смола - 154,8 г, уротропин - 25,2 г). Проппант и смолу перемешивали в течение 2 минут, затем в смеситель добавляли 5 г пылеотходов обжига серпентинита и продолжали перемешивание в течение 1 минуты. После перемешивания проппанты выгружали и охлаждали естественным образом. Аналогичным образом получали проппанты с различным содержанием пылеотходов обжига серпентинита. У подготовленных таким образом проппантов производилось определение разрушаемости по общепринятой методике ISO 13503-2:2006(Е). Результаты измерений представлены в таблице 1.
Пример 2. Пробу ультралегковесных (насыпная плотность 1,2 г/см) высококремнеземистых проппантов фракции 12/18 меш массой 1 кг нагревали до температуры 190°C и помещали в лопастный смеситель, куда вводили твердую эпоксидную смолу марки D.E.R.-671 в количестве 1,0% от массы проппантов, проппант и смолу перемешивали в течение 1 минуты, далее в материал добавляли расчетное количество отвердителя D.E.H-82. Смесь перемешивали в течение 1 минуты, затем в смеситель добавляли 0,5 г пылеотходов обжига серпентинита и продолжали перемешивание в течение 1 минуты, после чего в смеситель вновь вводили эпоксидную смолу марки DER-671 в количестве 1,0% от массы проппантов, перемешивали материал в течение 1 минуты, добавляли расчетное количество отвердителя D.E.H.-82 и продолжали перемешивание в течение 2 минут. После чего проппанты выгружали и охлаждали естественным образом. Аналогично получали проппанты с различным содержанием пылеотходов обжига серпентинита. У подготовленных таким образом проппантов производилось определение разрушаемости по общепринятой методике ISO 13503-2:2006(Е). Результаты измерений представлены в таблице 2.
Анализ данных таблиц показывает, что использование пылеотходов обжига серпентинита в качестве армирующего материала для полимерного покрытия, наносимого на поверхность магнийсиликатного или высококремнеземистого проппанта (примеры 3-5 таблиц 1, 2) позволяет повысить прочность покрытия, кроме того, использование указанных отходов снижает себестоимость продукции и уменьшает экологическую нагрузку на окружающую среду.