Магнийсиликатный проппант
MAGNESIUM-SILICATE PROPPANT

3
Изобретение  относится  к  нефтегазодобывающей  промышленности, а  именно к  технологии  изготовления  среднеплотных  и  легковесных керамических  проппантов  с  насыпной  плотностью 1,4 – 1,55 г/см из  шихты   на  основе  смеси  термообработанного  природного магнийсиликатного  сырья     и  кварцполевошпатного  песка.
Керамические  проппанты – расклинивающие  агенты, это  прочные сферические  гранулы,  удерживающие  трещины  ГРП  от  смыкания  под  большим  давлением  и  обеспечивающие  необходимую  производительность нефтяных  скважин  путем создания  в пласте  проводящего  канала.  Широко представленные  рынке   проппанты  производятся  из  алюмосиликатного  или  магнийсиликатного сырья, причем использование природного магнийсиликатного  сырья, являющегося  доступным  и  не  требующим  значительных  затрат  на  переработку,  позволяет  получать  конкурентный  в  ценовом  отношении  продукт. Кроме  того, использование  в  качестве  исходного  сырья  физической  смеси  термообработанного  магнийсиликатного  сырья (серпентинита, дунита, талька  и  прочее) и кварцполевошпатного  песка  в  различных  соотношениях  дает  возможность изменять  физико–механические  характеристики  проппанта в  широких  пределах.   К  числу  основных  технических  требований, предъявляемых  к  проппантам,  относятся: сферичность/округлость, плотность  разрушаемость, а  также  проводимость  проппантной  пачки. При  этом  снижение  плотности  материала  влечет за  собой  увеличение  разрушаемости  расклинивателя  и  снижение  проводимости  материала. Вместе  с  тем,  в  последние  годы  наблюдается  увеличение  спроса  со  стороны  сервисных  компаний  на  среднеплотные  и  легковесные проппанты, демонстрирующие  повышенную  степень  переноса  и  улучшенное  размещение  расклинвающего  агента  в  трещине.  В  этой  связи  предприятиями–производителями  проппанта  проводятся  исследования, направленные  на  сохранение  прочностных  характеристик  магнийсиликатного  проппанта  при  снижении  его  плотности.
Известны  способы  изготовления  среднеплотных  и  легковесных  магнийсиликатных  проппантов  на  основе  смеси  термообработанного  серпентинита  и  кварцполевошпатного  песка (см. патенты  РФ № 2521989, № 2463329), в  которых  сохранения  прочностных  характеристик  добиваются  уплотнением  и  упрочнением  проппанта–сырца.
Известен  также  способ  изготовления  магнийсиликатного  проппанта  и  проппант (патент  РФ №2463329), в  котором   снижения  падения проводимости проппантной пачки при высоких (более 6000 psi) давлениях в условиях гидротермального воздействия  добиваются  посредством  введения  в  шихту  комплексной  спекающей  добавки. Многолетними  исследованиями, проводимыми  авторами в  области  совершенствования  технологии  изготовления  проппантов  установлено, что еще одной  из  важнейших  характеристик  расклинивателя, обеспечивающих  проводимость  проппантной  пачки  является  устойчивость  материала  к  воздействию  циклических  нагрузок, поскольку  в  реальных  условиях  проппант  испытывает  не  разовые, а  многократные  нагрузки, в  результате  чего  возрастает  доля  разрушенных  гранул. Задача  повышения  устойчивости  расклинивателя  к  воздействию  динамических  нагрузок  решена  для  ультралегковесного кремнеземистого  проппанта, путем  введения  в  состав  шихты  пластинчатого и  волокнистого  материалов – серпентинита и каолиновой  ваты (см. патент  РФ № 2535540).
3
3
Наиболее  близким  по  технической  сущности  к  заявляемому  решению является магнийсиликатный  проппант, представляющий собой керамические гранулы на основе метасиликата магния, полученные путем  термообработки и помола исходных компонентов шихты, их гранулирования  до насыпного веса сырых гранул не менее 1,2 г/см, обжига при температуре 1215-1290°С с последующим  охлаждением  и рассевом (см. патент РФ № 2235702). Метасиликат  магния  (MgSiO)  в  проппанте,  полученном  заявляемым  способом,  представлен преимущественно клиноэнстатитом.
Недостатком  указанного  проппанта  является  пониженная  устойчивость  к  воздействию  циклических  сжимающих  нагрузок.
Технической  задачей, на  решение  которой  направлено  заявляемое  изобретение  является увеличение  устойчивости магнийсиликатного  проппанта   к воздействию  циклических  сжимающих  нагрузок  при  сохранении  требуемых исходных  прочностных  характеристик  продукта.
Указанная  задача  решается  тем, что магнийсиликатный  проппант, представляющий  собой  керамические  гранулы на  основе  метасиликата  магния, изготовленные  путем  предварительной  термообработки  и  помола  исходных  компонентов  шихты, формования  гранул, их  обжига, охлаждения  и  рассева, получен  при  охлаждении, которое  производят со скоростью 250°С/ч и более, причем  указанный  метасиликат  представлен  протоэнстатитом  и  клиноэнстатитом  при  следующем  их  соотношении, об.%:
Протоэнстатит
55–95
Клиноэнстатит
5–45
3
Наиболее  применяемым  природным  магнийсиликатным  сырьем  для  производства  проппанта  является  серпентинит, который  предварительно  обжигают  при  температуре  1000 – 1200°С. После  обжига  получают  материал, содержащий  более  60%  форстерита. Шихту  для  производства  проппанта  готовят  путем  совместного тонкого (до 10 мкм  по  среднемедианному  размеру  частиц) помола  обожженного  серпентинита  с  кварцполевошпатным  песком, смешанных  в  необходимом  соотношении. Соотношение компонентов шихты определяется  требуемой  плотностью  проппанта. Измельченный  материал  гранулируют, обжигают, охлаждают  и  рассевают. Обжиг  магнийсиликатных  проппантов  производится  в  широком  интервале  температур, зависящих  от  химического  и  минералогического  состава  используемого  природного  сырья, состава  и  количества  примесей, соотношения  компонентов  шихты и определяется  для  каждого материала  отдельно. Критерием  оптимальной  температуры  спекающего  обжига является  максимальная  прочность (минимальная  разрушаемость) проппанта.  В  процессе  обжига  керамических  гранул содержащийся  в  материале  форстерит  преобразуется  в  метасиликат  магния,  представленный  двумя  фазами – клиноэнстатитом  и  протоэнстатитом  с  преобладанием  последнего. Во  время  охлаждения  протоэнстатит  частично  переходит  в  клиноэнстатит, при  этом  доля  протоэнстатита  в  значительной  степени  зависит  от  скорости  охлаждения  обожженного  проппанта. Сохранению  фазы  протоэнстатита  при  комнатной  температуре  также  способствует  тонкое  измельчение  шихты  и  наличие  в  ней  естественных  легкоплавких  примесей, способствующих образованию  по  границам  зерен стеклофазы. Находящиеся  в  керамике  клиноэнстатит и протоэнстатит  обеспечивают  необходимую исходную прочность  материала, при этом  протоэнстатит  придает  изделиям трещиностойкость. Это  объясняется  полиморфизмом  MgSiO. Специалистам, работающим  в  области  производства  магнийсиликатной  керамики, известно, что находящийся  в  метастабильном  состоянии  при  комнатной  температуре протоэнстатит, при приложении  внешней  нагрузки    может  переходить  в  клиноэнстатит  с  увеличением  объема  до  6%. Применительно  к  магнийсиликатному  проппанту  это  означает, что  при  воздействии  сжимающей  нагрузки  на  проппантную пачку  в  местах  контакта  гранул  происходит  фазовый  переход  протоэнстатиа  в  клиноэнстатит  с  образованием  сети локальных  микротрещин. После  снижения  нагрузки  и  повторном  нагружении  энергия   распространяющейся  трещины  рассеивается  в  образовавшейся  ранее  сети  микротрещин. Следовательно,  наличие  в  проппанте  определенного  количества  протоэнстатита увеличивает  сопротивляемость  материала  воздействию  циклических  сжимающих  нагрузок.
Экспериментальным  путем  установлено, что сопутствующие  кристаллические  фазы, образующиеся  в  керамике  после  обжига  и  охлаждения,  не  оказывают  заметного  влияния  на  решение  поставленной  технической  задачи. В  качестве  сопутствующих  кристаллических  фаз  в  обожженном  проппанте  могут присутствовать кварц, маггемит, кристобалит, форстерит и пр. Их  количество  и  соотношение  зависят  от химического  состава  и температуры   предварительной  термообработки  исходных  компонентов  шихты, соотношения  исходных  компонентов  шихты  и степени  их  измельчения. Также экспериментальным  путем  установлено, что заявляемое  соотношение  фаз  обеспечивает необходимую  исходную  прочность  проппанта  и  способствует  ее  сохранению  при  циклических  нагрузках. При  содержании  в  метасиликате  магния   протоэнстатита  в  количестве  менее   55 об.%   и     клиноэнстатита  в  количестве  более  45 об.%  уменьшается  устойчивость  проппанта  к  действию  циклических  сжимающих нагрузок. Содержание протоэнстатита 95 об.%   (соответственно клиноэнстатита – 5 об.%) является  максимальным, которого  удалось достичь при  использовании  природного  сырья, содержащего  естественные  примеси, оказывающие  влияние  на  фазовый  состав  керамики.  Охлаждение  обожженного  проппанта  со  скоростью  менее  250°С/ч  приводит  к  значительному  снижению  содержания  протоэнстатита  в  керамике  за  счет  его  перерождения  в  клиноэнстатит, что,  в  свою  очередь,  снижает  как  прочность, так  и трещиностойкость  материала,  увеличивая  тем  самым  долю  разрушенных  гранул  под  действием   циклических  сжимающих  нагрузок.
Авторы подтверждают, что использование альтернативного  магний-силикатного  сырья  при  соблюдении  заявляемого  соотношения  фаз  в   метасиликате  магния, являющимся  основным  компонентом  обожженного  проппанта  и  реализации  заявляемой  скорости  охлаждения  обожженного  расклинивателя,  позволяет  получать  продукт, обладающий  устойчивостью  к  циклическим сжимающим  нагрузкам.
Примеры  осуществления  изобретения
Пример 1.
3
6 кг  обожженного  серпентинита (Асбестовского месторождения, РФ Свердловская обл.)  и  4 кг  кварцполевошпатного  песка (Малышевского  месторождения, РФ, Свердловская обл.) измельчали  в  лабораторной  мельнице  до  среднемедианного  размера  частиц  менее 10 мкм, материал  гранулировали  и  обжигали  при  температуре  1280°С (оптимальной  для  данной  шихты), обожженный  гранулят  охлаждали  со  скоростью 2500°С/ч (пример 3 таблицы 1). У  охлажденного  проппанта  определяли  фазовый  состав  и  разрушаемость. Проппант  фракции 16/20 меш, с насыпной  плотностью  1,55 г/см и  долей  разрушенных  при  10000 psi  гранул  равной  14,2 масс.%  подвергали  нагрузке  в  10000 psi, затем  давление  снижали  до  7500 psi  и  вновь  поднимали  до  10000 psi. После  5  циклов  нагрузки  вновь  определяли долю  разрушенных  гранул. Подобным  образом  проводили  исследования  свойств  полученного проппанта, охлажденного  с  другими  скоростями. Также  был  изготовлен  проппант  на  основе  клиноэнстатита  по способу, предложенному  в  патенте   РФ № 2235702.  Проппант–сырец  обжигали  при температуре 1215°С и охлаждали вместе  с  обжиговой  печью со скоростью 250°С/ч для  получения  проппанта  с  максимальным  содержанием  клиноэнстатита. Результаты  испытаний  приведены  в  таблице 1. Результаты  фазового  анализа  образцов  округлены  до  целых  значений.
Таблица 1.
*
1 -  проппант  на  основе  клиноэнстатита  по  патенту  РФ № 2235702.
Пример 2.
3
5 кг  обожженного  серпентинитового  щебня (Асбестовского месторождения, РФ, Свердловская обл.) и  5 кг  кварцполевошпатного  песка (Малышевского  месторождения, РФ, Свердловская обл.)   измельчали  в  лабораторной  мельнице  до  среднемедианного  размера  частиц  менее 10 мкм, материал  гранулировали  и  обжигали  при  температуре  1260°С (оптимальной  для  данной  шихты), обожженный  гранулят  охлаждали  со  скоростью 2500°С/ч (пример 2 таблицы 2). У  охлажденного  проппанта  определяли  фазовый  состав  и  разрушаемость. Проппант  фракции 16/20 меш, с насыпной  плотностью  1,4 г/см и  долей  разрушенных  при  10000 psi  гранул  равной  16,3 масс.%  подвергали  нагрузке  в  10000 psi, затем  давление  снижали  до  7500 psi  и  вновь  поднимали  до  10000 psi. После  5  циклов  нагрузки  вновь  определяли долю  разрушенных  гранул. Подобным  образом  проводили  исследования  свойств  полученного проппанта, охлажденного  с  другими  скоростями. Результаты  фазового  анализа  образцов  округлены  до  целых  значений.
Результаты  испытаний  приведены  в  таблице 2.
Таблица 2.
Анализ  данных  таблиц  показывает, что магнийсиликатный  проппант, соответствующий  заявляемому техническому  решению (примеры 2–7 таблицы 1  и  1–6  таблицы 2), обеспечивает  сохранение  исходной  прочности  при  воздействии  циклических  сжимающих  нагрузок.