Кремнеземистый проппант
SILICA PROPPANT

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно проппантам, изготовленным из природного кварцевого песка и предназначенным 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 прочность, гранулометрический состав, форма гранул (сферичность и округлость) и плотность. Первым и наиболее часто используемым материалом для закрепления трещин являются кварцевые пески. Пески обычно используются при гидроразрыве пластов, в которых напряжение сжатия не превышает 40 МПа. Для снижения разрушаемости материала и улучшения его эксплуатационных характеристик на зерна песка может наносится специальное полимерное покрытие. На протяжении длительного времени среди специалистов, работающих в сфере нефтедобычи, преобладало мнение, что основным параметром проппанта, обеспечивающим максимальный дебит скважины, является его прочность. Однако в серии масштабных комплексных полевых испытаний керамических проппантов, проведенных в 2011-2013 годах компанией Oxane Materials, было убедительно показано, что проппант с пониженной плотностью (среднеплотный или облегченный) и усовершенствованной поверхностью, не обладающий исключительными прочностными характеристиками, способен обеспечивать высокие дебиты как средних, так и глубоких скважин. Этот эффект достигается преимущественно за счет улучшения переноса и оптимизации расположения проппанта в трещинах при проведении операции ГРП с использованием жидкостей с низкой вязкостью, что является особенно актуальным при использовании технологии горизонтального бурения в сочетании с гидроразрывом (см. доклады компании Oxane Materials на конференции SPE Hydraulic Fracturing Technology в Woodlands, штат Техас, США, 4-6 февраля 2014 г.). Транспортировка проппанта является результатом трех основных механизмов: гравитационного оседания (Закон Стокса), осаждения (образование дюн) и сальтации. Соответственно снижение плотности проппанта уменьшает скорость осаждения, а низкий коэффициент трения уменьшает высоту дюны, в результате чего расклинивающий агент проходит все дальше в трещину. Сальтация (скачкообразное движение частиц проппанта в условиях пульсирующего потока) является одним из ключевых механизмов переноса в системах жидкости с низкой вязкостью и описывается при помощи коэффициента восстановления проппанта (COR). В общем случае для одного движущегося тела коэффициент рассчитывается по следующей формуле: COR=V/ /V0, где V / - скорость частицы после отскока от твердой поверхности, a V0 - начальная скорость частицы. COR можно также измерить в ходе теста вертикального падения путем измерения высоты падения и высоты отскока частицы. В этом случае для удара при вертикальном падении: COR=(h/ /h0) 1/2, где h0 - высота падения, a h / - высота отскока частицы. Измеряя коэффициент восстановления, можно оценить эффективность транспортировки проппанта в трещине, через которую проходит суспензия с расклинивающим агентом. По мере того, как в структуре начинает формироваться проппантная пачка, дополнительные частицы проппанта, которые сталкиваются с пачкой расклинивающего агента, могут вести себя двояко. В первом случае частицы проппанта могут удариться о пачку и остановиться, во втором варианте частицы проппанта могут удариться о пачку, отскочить и продвинуться дальше. В условиях любой скорости, тенденция частиц проппанта к отскоку и переносу дальше в трещину находится в прямой зависимости от COR. Известна патентная заявка США №20140290349, в которой, в частности, предложен оригинальный экспресс-метод сравнительного определения COR различных типов проппантов, основанный на измерении расстояния отскока частиц от точки падения. Авторы известного технического решения заявляют, что в рамках одной фракции проппанта и при одинаковых показателях округлости/сферичности частиц, дальность отскока определяется плотностью и упругостью материала, из которого изготовлен расклинивающий агент.
В настоящее время на территории РФ наиболее часто применяемыми и достаточно хорошо изученными являются магнийсиликатные проппанты. Известны способы изготовления магнийсиликатных проппантов, а также химический состав проппантов (например, раскрыт в заявке 2018136901 на выдачу патента РФ). Известны изобретения, направленные на увеличение коэффициента восстановления магнийсиликатных керамических проппантов (например, патенты РФ 2613676, 2753285).
Кремнеземистые проппанты на сегодняшний день не нашли широкого применения на скважинах РФ. Вероятно, это связано с тем, что применительно к российским условиям и технологиям добычи углеводородов расклиниватели этого типа недостаточно хорошо изучены. В частности, остается не до конца исследованным вопрос оптимизации коэффициента восстановления кремнеземистых проппантов с высоким (82 масс. % и более) содержанием Si02, хотя известны технические решения, направленные на увеличение прочности (снижение разрушаемости) кремнеземистых проппантов (патенты РФ 2623751, №2513792). Известен также кремнеземистый проппант, обладающий пониженной плотностью при сохранении требуемых прочностных характеристик (патент РФ №2446200).
2
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является изобретение по патенту РФ №2445339, в котором кремнеземистый проппант характеризуется тем, что в качестве шихты для его изготовления используют природный высококремнеземистый песок или его смесь с кварцитом в количестве 1-25% от массы смеси при содержании SiO в шихте не менее 87 масс. %. Шихту измельчают до размера не более 10 мкм при содержании фракции не более 5 мкм, составляющем не менее 50 масс. % и гранулируют. Обжиг гранул ведут при 1120-1300°С со скоростью нагрева 1000-2500°С/ч и скоростью охлаждения 1000-2000°С/ч. При этом, содержание кристобалита в обожженных гранулах не превышает 10 об. %.
Недостатком известного технического решения является пониженный коэффициент восстановления проппанта.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение кремнеземистого проппанта, имеющего повышенный коэффициент восстановления.
Указанная задача решается тем, что кремнеземистый проппант, изготовленный из природного песка и содержащий 82 - 99 масс. % диоксида кремния, дополнительно содержит 0,01 - 0,4 масс. % оксида марганца и 0,1 - 0,7 масс. % триоксида вольфрама.
2
2
3
2
3
2
2
2
2
2
2
3
2
Авторами заявляемого технического решения проведены исследования COR проппантов, изготовленных из природных кварцевых песков, взятых с различных карьеров. Все исследованные пески содержали 82 и более масс. % SiO и имели в составе различные количества классических примесей: AlO, FeO, KO, NaO, TiO, СаО. Причем, с увеличением содержания SiO снижалось количество примесей, а в песках, содержащих более 97 масс. % SiO, примесь AlO фиксировалась в крайне незначительных количествах. Проппанты получали следующим образом: пески измельчали и гранулировали, гранулы обжигали при температурах, достаточных для достижения максимальных прочностных характеристик. У изготовленных, таким образом проппантов, имеющих практически одинаковые показатели гранулометрического состава, сферичности/округлости и насыпной плотности, определяли коэффициент восстановления. Было установлено, что исследованные проппанты демонстрировали близкие значения коэффициента восстановления. Следовательно, колебания содержания SiO (82-99 масс. %) и, соответственно, изменения количественного содержания известных классических примесей не оказывали заметного влияния на величину COR. Аналогичным образом получали и исследовали проппанты, в которых в кварцевые пески перед измельчением добавляли оксид марганца и/или триоксид вольфрама в количестве 0,01 - 0,4 масс. % и 0,1 - 0,7 масс. % соответственно. Исследования показали, что при одинаковых значениях сферичности/округлости и насыпной плотности, повышенным коэффициентом восстановления обладали частицы проппанта, содержащие одновременно оба указанных оксида в заявляемых количествах. При отсутствии одного из указанных оксидов или при меньшем их совместном содержании заметного увеличения COR не наблюдалось. По всей вероятности, именно совместное присутствие в составе проппанта оксида марганца и триоксида вольфрама увеличивает упругость частиц расклинивателя, что вызывает повышение коэффициента восстановления проппанта, и, как следствие, улучшает процесс переноса расклинивающего агента. Ниже приведены конкретные примеры осуществления заявляемого изобретения.
Пример 1.
2
2
2
3
2
3
2
2
2
выx. отв
2
3
Высушенный при температуре 200°С природный песок, содержащий приблизительно 87 масс. % SiO, помещали в лабораторную вибромельницу и измельчали до фракции менее 30 мкм. Полученный материал гранулировали на лабораторном тарельчатом грануляторе, гранулы обжигали в лабораторной печи при температуре 1200°С. У обожженных гранул на анализаторе ARL Perform X определяли химический состав, а также насыпную плотность и сферичность и округлость по общепринятой методике ISO 13503-2:2006 (Е). Полученный проппант фракции 40/70 меш с насыпной плотностью 1,5 г/см и показателями сферичность/округлость 0,8/0,9, содержал приблизительно, масс. %: SiO - 87,0; AlO - 6,2; FeO - 2,8; KO - 1,3; NaO - 1,3; TiO - 0,5; СаО - 0,9. Сравнительный коэффициент восстановления определяли по методике, аналогичной представленной в патентной заявке US 20140290349: пробу проппанта массой 50 г высыпали через воронку (Н=150 мм, D=11 мм) с высоты 50 мм под углом 45° на стекло толщиной 6 мм и измеряли расстояние от точки падения до места, на котором разместилось 90 масс. % гранул. Аналогичным образом получали и исследовали проппанты, изготовленные из песков различных месторождений, содержащие 82 - 99 масс. % SiO. Результаты исследований приведены в таблице 1.
Пример 2.
2
2
2
3
2
3
2
2
2
3
3
3980 гр. высушенного при температуре 200°С природного песка, содержащего приблизительно 87 масс. % SiO, помещали в лабораторную вибромельницу, туда же добавляли 10 гр. (0,25 масс. %) триоксида вольфрама и 10 гр. (0,25 масс. %) оксида марганца. Смесь измельчали до фракции менее 30 мкм, полученный материал гранулировали на лабораторном тарельчатом грануляторе, гранулы обжигали в лабораторной печи при температуре 1200°С. У обожженных гранул на анализаторе ARL Perform X определяли химический состав, а также насыпную плотность и сферичность и округлость по общепринятой методике ISO 13503-2:2006 (Е). Полученный проппант фракции 40/70 меш с насыпной плотностью 1,5 г/см и показателями сферичность/округлость 0,8/0,9, содержал приблизительно, масс. %: SiO -86,74; AlO - 6,16; FeO -2,77; K0 - 1,27; NaO - 1,29; TiO - 0,38; СаО - 0,89; WO - 0,25; MnO - 0,25.
выx. отв
2
Сравнительный коэффициент восстановления определяли по методике, аналогичной представленной в патентной заявке US 20140290349: пробу проппанта массой 50 г высыпали через воронку (Н=150 мм, D=11 мм) с высоты 50 мм под углом 45° на стекло толщиной 6 мм и измеряли расстояние от точки падения, на котором разместилось 90 масс. % гранул. Аналогичным образом получали и исследовали проппанты, содержащие 82 - 99 масс. % SiO. Дополнительно определили коэффициент восстановления проппанта, полученного по патенту РФ 2445339. Результаты исследований приведены в таблице 2.
Пример 3.
2
3
выx. отв
3
3
Частным случаем реализации заявляемого изобретения, демонстрирующим влияние комбинации оксида марганца и триоксида вольфрама на коэффициент восстановления проппанта, является расклинивающий агент, изготовленный из природного песка Андреевского карьера (РФ, Тюменская область), содержащий 88,17 масс. % SiO, 0,012 масс. % MnO и 0,22 масс. % WO, примеси - остальное. Песок отмывали горячей водой, помещали в трубную мельницу и самоокатывали в щелочном водном растворе (рН=9) до получения гранул с показателями сферичности/округлости 0,6/0,7. Гранулы промывали, высушивали в течение 1 часа при температуре 200°С и рассевали на товарные фракции. Для проведения исследований брали частицы проппанта фракции 40/70 меш с насыпной плотностью 1,5 г/см, измеренной по общепринятой методике ISO 13503-2:2006 (Е). У проппанта определяли химический состав (анализатор ARL Perform X), а также сравнительный коэффициент восстановления по методике, аналогичной представленной в заявке US20140290349: пробу проппанта массой 50 г высыпали через воронку (Н=150 мм, D=11 мм) с высоты 50 мм под углом 45° на стекло толщиной 6 мм и измеряли расстояние от точки падения, на котором разместилось 90 масс. % гранул. Аналогичным образом исследовали проппанты, полученные из песка, взятого с других участков указанного карьера, имеющие такие же значения сферичности/округлости и насыпной плотности, но отличающиеся по содержанию MnO и WO. Результаты исследований представлены в таблице 3.
Анализ сведений, представленных в таблицах 1-3 показывает, что кремнеземистые проппанты, содержащие 0,01 - 0,4 масс. % оксида марганца и 0,1 - 0,7 масс. % триоксида вольфрама (примеры 4-8 таблицы 2 и пример 1 таблицы 3) имеют более высокий коэффициент восстановления, чем остальные испытанные расклинивающие агенты, не содержащие указанные оксиды в заявляемом количестве.