ПРОППАНТ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
PROPPANT AND ITS APPLICATION

Настоящее изобретение, в общем, имеет отношение к созданию расклинивающих агентов (проппантов), которые используются для удержания в открытом состоянии трещин в породах, образованных при закачке жидкости с проппантом в нефтяные, газовые и геотермальные скважины. В частности, настоящее изобретение имеет отношение к использованию расклинивающих агентов в операциях гидравлического разрыва пласта и удержания открытых трещин от смыкания.
Предпосылки к созданию изобретения
В нефтяных, газовых, а также геотермальных скважинах часто возникает необходимость интенсифицировать продуктивность скважины, чтобы достичь экономически выгодных дебитов скважины. Например, новая скважина может быть экономически неэффективной в результате низких фильтрационно-емкостных свойств продуктивного пласта. Технология, которую часто используют для интенсификации подобных скважин, заключается в закачивании жидкости в скважину при высоком давлении, что приводит к разрыву породы и образованию трещины. Такие трещины повышают площадь контакта продуктивного пласта со скважиной, что позволяет пластовой жидкости двигаться быстрее и в больших объемах к стволу скважины. Данную технологию называют гидравлическим разрывом пласта и применяют в нефтегазовой отрасли уже более 50 лет.
Известно также, что после разрыва породы необходимо удерживать от смыкания вновь образованные трещины, чтобы создавать непрерывный приток пластовой жидкости, содержащей нефть и газ. В противном случае трещина сомкнется под влиянием давления смыкания пород. Технология, которую используют для того, чтобы удерживать от смыкания трещины, заключается в закачивании смеси жидкости с проппантом в пласт.
Расклинивающий агент - это твердые частицы, которые должны иметь достаточную прочность для того, чтобы выдерживать давление смыкания пород (напряжение, вызывающее смыкание трещины), воздействующее на трещину. Под воздействием давления смыкания слабый расклинивающий агент разрушается на более мелкие частицы, тем самым снижая проводимость закрепленной трещины. Так как давление смыкания пород, как правило, прямо пропорционально глубине, то расклинивающие агенты, которые используют в более глубоких трещинах, должны быть прочнее тех, которые применяются в неглубоких пластах.
Долгое время в качестве расклинивающих агентов использовался натуральный песок, но в настоящее время широко используются искусственные расклинивающие агенты, несмотря на их более высокую стоимость.
Сферические гранулы одинакового размера обычно считают наиболее эффективными расклинивающими агентами, обеспечивающими максимальную пропускную способность (см., например, патент США №4623630). В соответствии со стандартом Американского Нефтяного Института (API) требуется, чтобы диапазоны размеров частиц (гранул) проппантов находились в достаточно узких определенных границах. Например, диапазоны размеров частиц должны быть определены в соответствии с такими обозначениями размеров ячейки сит как 40/70, 30/50, 20/40, 16/30, 16/20 и 12/18. Первое число в этом обозначении относится к размеру ячейки стандартного (для США) самого крупного (верхнего) сита, а второе число - к размеру самого мелкого (нижнего) сита, при этом требуется, чтобы 90% всех гранул при просеивании удерживались между верхним и нижним ситами.
Существуют две взаимосвязанные характеристики проппантов, которые в основном и определяют их качество: прочность на раздавливание (или противоположная ей характеристика - разрушение под воздействием сжимающего напряжения) и их пропускная способность (проницаемость для жидкости и газа).
В состав искусственных проппантов, используемых в последнее время, обычно входят глинозем (оксид алюминия) и кремнезем (оксид кремния) в различных соотношениях. Считается, что именно содержание этих оксидов в гранулах главным образом определяет эксплуатационные характеристики проппантов. Оксид алюминия придает проппантам прочность, которая необходима для сохранения целостности гранул, испытывающих при их использовании сжимающие напряжения, а оксид кремния влияет на эластичность материала, имеющую определяющее значение для формирования гранул.
Широко используемым алюмокремниевым сырьем для изготовления проппантов являются каолины (каолиновые глины) (патенты США №5030603 и №5188175, патенты Российской Федерации №2140874, №2140875 и №2215712).
В частности, известный расклинивающий агент (проппант) по патенту US 5188175, 23.02.1993 содержит керамические гранулы сферической формы из спеченной каолиновой глины, включающей оксиды алюминия, кремния, железа и титана. Причем оксиды в данных гранулах содержатся в следующих соотношениях, мас.%: оксида алюминия - 25-40, оксида кремния - 50-65, оксида железа - 1,6 и оксида титана - 2,6. Сферичность гранул составляет 0,7. Сферичность - это отношение минимального и максимального диаметров.
Данный расклинивающий наполнитель (проппант) наиболее эффективен при интенсификации нефтяных или газовых продуктивных пластов, залегающих на небольших и средних глубинах.
Основным недостатком известного проппанта является то, что в качестве сырья используется глина, в которой оксиды алюминия и кремния имеют широкий диапазон. Из данного диапазона компонентов проппант необходимого качества можно получить при соотношении оксида алюминия - 40 мас.% и оксида кремния - 50 мас.%. При других соотношениях необходимо вносить различные добавки, чтобы получить гранулы необходимого качества.
Главной проблемой при разработке шихты для изготовления проппантов является наличие таких взаимоисключаемых параметров изделия, как требуемая высокая прочность при сохранении низких значений насыпной плотности и удельного веса.
Высокая прочность проппантам необходима для сопротивления давлению пластов. Гравиметрические показатели влияют на процессы переноса проппанта жидкостью при закачке в трещину и на выбор типа используемой жидкости.
Из RU 2140875, 10.11.1999 известна алюмокремниевая шихта для производства гранул проппанта.
Шихта содержит обожженный каолин, содержащий, мас.%:
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
30-45,0
SiO<sub>2</sub>
50-60,0
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,8-1,2
TiO<sub>2</sub>
0,8-1,1
CaO
0,35-0,5
MgO
0,30-0,45
K<sub>2</sub>O
0,8-0,9
Na<sub>2</sub>O
0,7-0,8
SO<sub>2</sub>
15-0,25
и добавку, увеличивающую прочность гранул (глиноземная пыль, бадделеит, обожженный циркониевый концентрат, необожженный боксит).
Для производства гранул используют прокаленный при 700-900°C каолин, содержащий, мас.%:
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
35,0-45,0
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,8-1,2
SiO<sub>2</sub>
50,0-60,0
TiO<sub>2</sub>
0,8-1,1
CaO
0,35-0,50
MgO
0,30-0,45
K<sub>2</sub>O
0,8-0,9
Na<sub>2</sub>O
0,7-0,8
SO<sub>2</sub>
0,15-0,25
Совместному помолу подвергают шихту из каолина и одной или нескольких добавок. Содержание каолина в шихте составляет 70,0-95,5 мас.% (предпочтительно 90,0-92,0 мас.%), содержание добавки, увеличивающей прочность гранул - 0,5-30 мас.% (предпочтительно 2,0-8,0 мас.%). Шихту, измельченную до среднего размера частиц 3-5 мкм, загружают в смеситель-гранулятор EIRICH при скорости вращения роторной мешалки 11,5-13,3 м/с. Затем в гранулятор вводят связующее - 3% водный раствор карбометилцеллюлозы (КМЦ), в количестве 12,0-15,0 мас.% от веса шихты. При подаче связующего скорость вращения роторной мешалки увеличивают до 30,0-33,0 м/с по мере увеличения количества введенной в шихту связки. После 2-5 минут грануляции при высоких оборотах роторной мешалки, когда появляются мелкие гранулы с размерами 0,1-0,3 мм, скорость вращения роторной мешалки снижают до 11,5-13,5 м/с. В это время в смеситель-гранулятор добавляют молотую шихту (опудривание) со скоростью 20-100 кг/мин в количестве 15,0-20,0 мас.% от массы шихты, необходимом для получения гранул заданного размера.
3
3
Через 1-5 минут после опудривания сырые гранулы выгружают, сушат при температуре 110-320°C в течение 20-60 минут до остаточной влажности 1,0 мас.% и обжигают при температуре 1350-1550°C в течение 30-70 минут до водопоглощения менее 1,5 мас.%, плотности 2,5-3,0 г/см и насыпного веса 1,3-1,8 г/см.
Как следует из описания производства проппанта по патенту RU 2140875, 10.11.1999, технология является достаточно сложной, а полученный гранулированный проппант имеет высокий удельный вес, при этом его получают при высоких температурах обжига.
Кроме того, для достижения необходимой прочности в шихту вводят дополнительные добавки, что приводит к дополнительным экономическим затратам.
Указанное техническое решение по патенту RU 2140875 может быть выбрано в качестве ближайшего аналога.
Технической задачей заявленного изобретения является расширение ассортимента расклинивающих агентов с меньшими экономическими затратами при их изготовлении, обладающих необходимой прочностью и необходимой химической стойкостью.
Поставленная техническая задача достигается получением проппанта в виде спеченных обожженных керамических гранул из каолина Нижне-Увельского месторождения, и имеющего следующий состав, мас.%:
оксид алюминия
17,00-29,00
диоксид кремния
65,00-77,00
оксид кальция
0,20-0,39
оксид хрома
0,03-0,04
оксид железа
1,80-4,20
оксид калия
0,40-0,95
оксид натрия
0,20-0,38
оксид титана
1,20-2,00
оксид магния
0,50-1,00
оксид марганца
0,00-0,01
пятиокись фосфора
0,00-0,01
3
3
В заявленную группу изобретения входит также и способ применения проппанта в качестве расклинивающего агента при интенсификации добычи нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта путем закачивания в продуктивный пласт смеси, включающей проппант в виде гранул со средним размером 0,15-2,0 мм, с насыпной плотностью 1,35-1,47 г/см, и удельным весом 2,37-2,49 г/см. Проппант закачивается в виде смеси, которая включает указанный проппант, жидкость (вода или нефть), гелеобразующие добавки, сшиватели и другие добавки, которые могут включать деструкторы геля, поверхностно-активные вещества, стабилизаторы глин, пенообразователи и прочие добавки.
Уникальный особый состав глины (как сырья) Нижне-Увельского месторождения оказывает влияние на свойства проппанта и способствует увеличению проницаемости трещины. Известно, что оксид алюминия придает прочность, диоксид кремния влияет на эластичность, химстойкость, а наличие в проппанте, например, оксидов хрома, железа, калия также оказывает влияние на стойкость проппанта к агрессивным средам; наличие оксида титана в совокупности с особым качественно-количественным составом полученного проппанта, включая и особое соотношение между оксидом алюминия и диоксидом кремния, обеспечивают возможность снизить температуру обжига сырьевой смеси - глины Нижне-Увельского месторождения.
3
Более низкий удельный вес полученного по изобретению проппанта 2,37-2,49 г/смприводит к снижению скорости оседания проппанта в трещине и, следовательно, позволяет обеспечить перенос проппанта на большее расстояние вглубь трещины, что увеличивает производительность скважины.
Ниже в таблице представлены примеры образцов проппанта по изобретению из глины Нижне-Увельского месторождения.
Таблица
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
K<sub>2</sub>O
MgO
MnO
Na<sub>2</sub>O
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
SiO<sub>2</sub>
TiO<sub>2</sub>
Новоувелка формовочная НУФ
26,00
0,39
0,03
4,20
0,95
1,00
0,00
0,34
0,01
65,20
1,88
Новоувелка полукислая НУПК
25,16
0,26
0,04
3,41
0,55
0,96
0,01
0,38
0,01
67,77
1,45
Новоувелка кислая НУК
17,36
0,20
0,04
3,0
0,43
0,50
0,01
0,24
0,01
77,00
1,21
18,57
0,20
0,04
1,8
0,43
0,50
0,01
0,24
0,01
77,00
1,20
2
Таким образом, в таблице приведены примеры образцов проппанта, охарактеризованного в формуле изобретения при указанных в ней пределах количественных соотношениях компонентов. Исходный каолин Нижне-Увельского месторождения содержит воду (HO) в пределах 6,4-12,3 мас.%. Потери при прокаливании (LO1) составляют 9,7-11,9 мас.%.
Ниже приводится общий пример, описывающий технологию получения проппатна по изобретению.
Способ получения проппанта включает следующие стадии:
1. Термическая обработка сырья при температуре от 900-1200°C для удаления влаги в течение 30 минут;
2. Измельчение сухого материала до требуемой тонины помола;
3. Гранулирование;
Данную стадию осуществляют, в частности, с использованием связующих. В качестве связующих, в частности, используют крахмал, модифицированные крахмалы, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ); количество добавляемого связующего может варьироваться в пределах от 0 до 2,5 мас.% в зависимости от требуемого (необходимого) размера гранул.
4. Сушка полученных влажных гранул при температуре от 120-220°C;
5. Сортировка по требуемым диапазонам размеров. Размеры гранул могут быть от 0,15 до 2,0 мм;
6. Обжиг гранул при температуре от 1280 до 1500°C продолжительностью около 30 минут;
3
3
7. Сортировка обожженного продукта по требуемым диапазонам размеров. Проппанты, полученные по данному изобретению, имеют насыпную плотность 1,35-1,47 г/см, удельный вес 2,37-2,49 г/см.
Разрушение при сжимающем напряжении для фракции 12/18 не более 25% при 7500 psi (510 атм).
3
3
Полученный по данному изобретению проппант, указанного выше состава из каолина Нижне-Увельского месторождения (г.Южноуральск), применяют в качестве расклинивающего агента при интенсификации добычи нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта путем закачивания полученных керамических (спеченных обожженных гранул) со средним размером 0,15-2,0 мм, насыпной плотностью 1,35-1,47 г/см и удельным весом 2,37-2,49 г/см, в продуктивный пласт смеси, содержащей указанный проппант по изобретению.
Таким образом, проппант, полученный по заявленному изобретению, обладает низкими значениями насыпной плотности и удельным весом, необходимой прочностью, получен из недорогого сырья, способ получения его достаточно экономичен, что в целом и позволяет расширить ассортимент экономичных эффективных расклинивающих агентов.