ПРОППАНТ
PROPPANT

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при проведении операции гидравлического разрыва продуктивного пласта (ГРП) для повышения эффективности добычи углеводородного сырья.
При эксплуатации нефтяных и газовых скважин с течением времени наблюдается снижение уровня добываемого сырья. Во многих случаях это происходит по причине снижения проницаемости пор и трещин в результате выноса из пласта вместе с нефтью и газом твердых остатков и других веществ. Поэтому для восстановления и повышения производительности скважины производят операцию гидравлического разрыва продуктивного пласта. Сущность операции состоит в закачке в пласт под большим давлением жидкости, что приводит к образованию в пласте трещин. Для сохранения трещин в разомкнутом состоянии, в них вместе с жидкостью гидроразрыва вводят расклинивающий материал - проппант, который сохраняет трещины в раскрытом состоянии и создает проницаемый слой для нефти и газа.
Основным критерием оценки эффективности работы любого проппанта служит проводимость его пачки, которую он обеспечивает в трещине. Исследование проницаемости пачки проппанта является наиболее важным испытанием, поскольку позволяет определить вероятную производительность скважины после гидравлического разрыва продуктивного пласта.
Методика определения проводимости пачки описана в стандарте ISO 13503-5. Метод определения проводимости заключается в моделировании условий нахождения проппанта в трещине. Определенное количество проппанта помещается в специальную форму под определенным давлением и на определенное время, при этом через форму пропускают жидкость с заданной скоростью, давлением и температурой. Во время проведения испытания определяют разницу в давлении жидкости на входе и на выходе формы и на основе полученных данных рассчитывают проводимость и проницаемость пачки проппанта.
Принято считать, что проводимость пачки проппанта зависит от прочности гранул и от их сферичности. Чем выше прочность гранул, тем дольше они сохраняют свою форму и обеспечивают более высокую проводимость даже с ростом горного давления.
2
3
3
Известен высокопрочный проппант (см. патент US №4068718), изготовленный из бокситового сырья с содержанием AlO более 80%. Производство высокопрочного проппанта - это сложный и дорогостоящий процесс, связанный с использованием дорогого сырья и очень высоких температур при обжиге. Этот проппант обладает значительным насыпным весом около 2,0 г/см, что вызывает определенные трудности его закачки в продуктивный пласт.
Другой способ повышения проводимости упаковки проппантов заключается в создании идеально сферичной формы гранул (см. патент РФ №2344156). Описывается способ производства керамического проппанта в форме сферы при отклонении от полной сферичности не более 0,05% от величины радиуса. Это позволяет увеличить размер каналов в пачке проппанта, тем самым повышая ее проводимость.
К недостаткам известного проппанта следует отнести высокую трудоемкость и сложность процесса производства гранул, специальные условия обжига гранул в туннельных печах и определенной загрузки тиглей. Идеальную форму гранулы имеют только в начале операции гидроразрыва, по мере закачки их в пласт происходит разрушение и образование дефектов поверхности гранул, а по мере возрастания горного давления, количество гранул с идеальной сферичностью резко снижается за счет взаимодействия гранул между собой.
Известен проппант (РФ 2351632), представляющий собой гранулы, имеющие как выступы, так и впадины. Придание такой формы гранулам позволяет предотвратить вынос проппанта из скважины и сохранить высокую проводимость.
К недостаткам известного проппанта можно отнести сложность и трудоемкость его производства, так как требуются дополнительные операции формирования выступов и впадин. Выступы на гранулах проппанта являются наименее прочной частью и уже при закачке в скважину они создают высокую абразивную нагрузку на металлические элементы скважины, что приводит к тому, что в продуктивный пласт уже сразу попадает большое количество мелких обломков забивающих пустоты между гранулами. При дальнейшей эксплуатации скважины оставшиеся целые выступы под действием горного давления обламываются и так же застревают в пространстве, вымыванию которых будет препятствовать значительное количество впадин, в которых они будут задерживаться. В итоге проводимость такой пачки проппанта значительно снизится, так как описываемые преимущества могут быть только у целых гранул и без приложения более или менее большого горного давления.
Наиболее близким по технической сущности является сферический керамический расклинивающий наполнитель для ГРП - проппант (см. патент РФ №2432382), гранулы которого имеют только углубления на своей поверхности, которые позволяют создавать турбулентные потоки в пачке проппанта повышая эффективность извлечения нефти или газа. Недостатком известного проппанта является то, что для гранул, имеющих углубления на своей поверхности, необходимы высокие скорости жидкости для создания турбулентных потоков, без которых преимущества указанного проппанта теряются. В свою очередь, наличие турбулентных потоков снижает скорость жидкости и как следствие снижается проводимость пачки проппанта. При закачке указанного проппанта повреждения поверхности не происходит, но при длительной эксплуатации скважины, когда горное давление начинает разрушать гранулы и повреждать специально сформированную поверхность, уже не происходит образование турбулентных потоков. По мере роста горного давления и роста количества разрушенных или деформированных гранул, указанный эффект вообще отсутствует. Таким образом, использование подобного проппанта актуально только при незначительном горном давлении, при котором не происходит разрушение поверхности гранул, так как именно за счет ее обусловлены все способы повышения проницаемости пачки проппанта.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является повышение проводимости пачки проппанта и ее сохранение длительное время, независимо от величины горного давления, за счет обеспечения эффекта «самоочищения».
Указанный результат достигается тем, что проппант, включающий керамические гранулы выполненные с открытой поверхностной пористостью - до 2% и с открытой поверхностной пористостью от 2% до 20%, причем отношение указанных гранул по различной поверхностной пористости в пачке при эксплуатации скважины составляет, масс.%:
гранулы с пористостью до 2%,
3-97
гранулы с пористостью от 2%-20%
3-97
Средний размер пор каждой гранулы не превышает 60 мкм. Гранулы с открытой поверхностной пористостью от 2%-20% имеют общую пористость от 5% до 50%, а с открытой поверхностной пористостью до 2% имеют общую пористость, не превышающую 5%.
Эффект «самоочищения» основан на зависимости скорости течения жидкости от характеристики поверхности, вдоль которой она протекает. Как известно, чем меньше шероховатость поверхности, тем выше скорость течения жидкости вдоль нее. С увеличением количества дефектов поверхности (впадины, выступы и т.д.) скорость течения жидкости вдоль такой поверхности снижается. Это связано с возрастанием коэффициента трения, которое происходит за счет турбулизации жидкости возле поверхности. При этом выступающие частицы гранул больше способствуют образованию турбулизации потоков жидкости, чем небольшие углубления и поры.
Если расположить в одном канале гладкую и негладкую поверхности в одном канале и пустить по нему жидкость, то по ширине канала образуется градиент скоростей, при этом скорость у гладкой поверхности выше, а у негладкой - ниже. Использование таких поверхностей позволяет менять скорость потока и его положение. Подобную модель течения жидкости можно рассмотреть применительно к пачке проппанта. Градиент скоростей обеспечивается относительно парным расположением пористых и не пористых гранул. В данном случае для создания искусственной дефектной поверхности рассматривается только создание определенной пористости на поверхности гранул, так как специальное создание шероховатости в виде выступов приводит к излишней турбулизации потоков жидкости, а в дальнейшем забивании пачки проппанта обломками этих выступов. Выбор именно пористой поверхности гранул, в отличие от предложенных в аналоге впадин, также основан на стремлении снизить вероятность образования лишних турбулентных потоков. Принцип «самоочистки» пачки проппанта основан на создании градиента скоростей жидкости относительно описанных пар, но не исключает частичную турбулизацию потоков жидкости при высоких ее скоростях.
К непористым гранулам относятся гранулы с открытой пористостью не более 2%, а к пористым гранулам относятся гранулы с открытой пористостью 2-20%. Величина открытой пористости до 2% установлена экспериментально и характеризуется тем предельным количеством пор, при котором удается гарантировать высокую скорость течения жидкости без образования турбулентных потоков относительно других гранул. Величина открытой пористости 2-20% обусловлена наоборот стремлением снизить скорость течения за счет сопротивления трения, вызванного наличием большого количества пор на поверхности. Предельная величина пористости в 20% обусловлена предельными механическими характеристиками гранул проппанта, при ее превышении прочность гранул становится недостаточной и влияние эффекта «самоочищения» не наблюдается. Нижний предел диаметра пор не указан, в связи с тем, что его установить фактически невозможно из-за технологических факторов, да и пор может и не быть, т.е. предел будет равен нулю. Верхний предел диаметра пор на поверхности гранул пористого проппанта должен составлять не более 60 мкм, так как при размере пор свыше этого, появляется вероятность образования турбулентных потоков при небольшой скорости течения жидкости. Граница разделения пористых и непористых гранул по величине открытой пористости 2% является условной, так как в производственных условиях сложно изготавливать проппант с точно заданной величиной пористости. Для создания эффекта «самоочищения» требуется создать градиент скоростей относительно гранул с разной пористостью и чем больше разница в величинах открытой пористости между гранулами, тем этот эффект более действенный. Для создания эффекта достаточно, чтобы разница в пористости парных гранул составляла 0,15%. Величина открытой пористости до 2% служит показателем предельно допустимой пористости для производства проппанта и позволяет оценить его пригодность для создания эффекта «самоочищения». Вероятность того, что образуется пара пористых и «непористых» гранул с одинаковой величиной пористости крайне низка.
В пачке проппанта пористые и непористые гранулы расположены случайным образом, а вероятность образования зависит от количества одних относительно других. Рассматривая влияние описанного градиента скоростей между пористыми и непористыми гранулами на пачку проппанта, видно, что скорость жидкости в разных местах пачки не постоянная - происходит или ускорение или замедление течения жидкости. В результате это позволяет не допустить оседание мелких частиц горных пород или иных веществ в пачке проппанта, так как постоянно изменяющаяся скорость течения жидкости постепенно вымывает их из пачки проппанта и почти не влияет на общую скорость протекания жидкости через пачку проппанта. Принцип «самоочищения» пачки проппанта заключается в том, чтобы не допустить осаждение твердых частиц и создать условия для их дальнейшего удаления.
В результате ГРП и дальнейшей эксплуатации скважины происходит разрушение гранул в пачке проппанта, поэтому эффект «самоочищения» основанный только на создании градиента скоростей за счет поверхностей гранул работает при условии, что не менее 90% гранул сохранили свою форму и поверхность. При дальнейшем разрушении гранул сохранить градиент скоростей течения жидкости становится сложнее, поэтому чем выше механическая прочность гранул, тем дольше сохраняется эффект «самоочищения».
Поэтому общая пористость проппанта с малой открытой пористостью должна быть до 5%. Ограничение общей пористости в 5% обусловлено созданием достаточно плотной и прочной структуры гранулы, у которой при разрушении образуются достаточно плотные обломки позволяющие сохранить эффект «самоочищения», при превышении этого показателя пористости начинается резкий рост сопротивления трения жидкости. Для гранул с высокой пористостью наоборот требуется увеличение сопротивления трения, поэтому содержание пор в объеме гранулы и должно составлять от 5% до 50%. Предельная величина пористости в 50% так же обусловлена прочностными характеристиками гранулы. При превышении этого показателя, прочность гранул становится недостаточной и поэтому использование эффекта «самоочищения» не дает положительного результата. Условная граница раздела пористых и «непористых» гранул составляет 5% и она так же обусловлена сложностью изготовления гранул проппанта со строго заданной общей пористостью. Конкретная величина пористости для каждого материала индивидуальна и может зависеть от многих факторов.
При дальнейшем росте разрушающей нагрузки, эффект «самоочищения» снижается в результате сужения пространства между частицами пачки проппанта, поэтому он напрямую зависит от прочности всех гранул.
Продуктивные пласты могут находиться в широком диапазоне глубин, соответственно так же изменяется горное давление и разрушающая нагрузка на гранулы в пачке проппанта. Поэтому под каждые геологические условия необходимо подбирать состав пачки проппанта, при этом соотношение пористых и «непористых» гранул будет менять соответственно следующим образом:
- пористые гранулы 97-3%;
- непористые гранулы 3-97%.
Минимальное количество гранул, необходимых для создания эффекта «самоочищения», составляющее 3%, определено экспериментальным путем. При введении гранул с отличающейся пористостью эффект «самоочищения» устойчиво не проявляется, так как образуется недостаточное количество мест с перепадами скоростей в пачке проппанта, что приводит к осаждению частиц.
Пример №1. В примерах использовали гранулы на основе магнисиликатной керамики фракции 12/18 (размер гранул 1,7-1,0 мм). Брали гранулы «А», имеющие следующие свойства: открытая пористость 12%, общая пористость 25%, средний размер пор 38 мкм. Гранулы «Б» имели следующие свойства: открытая пористость 1,8%, общая пористость 4,7%, средний размер пор 16 мкм. Из этих гранул сделали следующие составы по таблице 1.
Таблица 1
Наименование
Содержание гранул, %
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Состав 4
Состав 5
Гранулы «А»
98
97
50
3
2
Гранулы «Б»
2
3
50
97
98
Проводимость указанных составов определяли по методике ISO 13503 - 5:2006 при следующих условиях: 2% водный раствор KCl, температура 121°C (250°F). Полученные данные приведены в таблице 2.
Таблица 2
Состав
Проводимость, мл Дарси×фут
141,кг×см<sup>2 </sup>(2000 psi)
282, кг×см<sup>2</sup> (4000 psi))
423, кг×см<sup>2</sup> (6000 psi)
564, кг×см<sup>2</sup> (8000 psi)
703, кг×см<sup>2</sup> (10000 psi)
1
26852
15567
6289
3010
1290
2
32122
16230
6890
3109
1340
3
37909
16978
7089
3890
1586
4
36204
18534
7239
4029
1655
5
35125
17625
6967
3402
1559
Как видно из таблицы 2, проппанты состава №1 на основе гранул «А» имеют проводимость стандартную для проппанта имеющего достаточно большую открытую и общую пористость. В такой пачке проппанта устанавливается равномерное течение жидкости по всему объему, поэтому не создается достаточный градиент скоростей жидкости между гранулами. По проводимости состава №2 видно, что уже при введении 3% гранул «Б» позволило существенно повысить проводимость. В данном случае наблюдается действие эффекта «самоочищения» пачки проппанта, так как никаких существенных изменений не произошло в прочностных характеристиках или гранулометрическом составе проппанта. В составе №3 содержание гранул «А» и «Б» равное, поэтому количество возможных парных контактов гранул максимально и это позволяет сохранять их количество при повышении давления. Состав №3 является наиболее показательным для проявления эффекта «самоочищения». Состав №4 состоит из плотных и прочных гранул, но содержит 3% пористых, что позволяет сохранять высокий уровень проводимости за счет эффекта «самоочищения». Состав №5 состоящий из гранул «Б» показывает хорошую проводимость, но ее уровень ниже проводимости состава №4. Разница проводимостей обусловлена тем, что в составе №5 отсутствует градиент скоростей между гранулами в отличие от состава №4. Следует учитывать, что стоимость гранул «Б» значительно выше стоимости гранул «А». Поэтому путем подбора оптимального состава проппанта этих гранул можно добиться высоких показателей проводимости, соблюдая и экономическую эффективность ГРП.
Пример №2. Гранулы «В» имели следующие свойства: открытая пористость 17,5%, общая пористость 41%, средний размер пор 54 мкм, а гранулы «Г»: открытая пористость 18,8%, общая пористость 47%, средний размер пор 73 мкм. На основе гранул «В» и «Б», «Г» и «Б» были сделаны составы согласно составу №2 и получили соответственное наименование, состав №6 и 7.
Так же, как в примере 1, определяли проводимость составов 6 и 7 при условиях: 2% водный раствор KCl, температура 121°C (250°F). Проводимость указанных составов приведена в таблице 3.
Таблица 3
Состав
Проводимость, мл Дарси×фут
141, кг×см<sup>2</sup> (2000 psi)
282, кг×см<sup>2</sup> (4000 psi))
423, кг×см<sup>2</sup> (6000 psi)
564, кг×см<sup>2</sup> (8000 psi)
703, кг×см<sup>2</sup> (10000 psi)
2
32122
16230
6890
3109
1340
6
30300
15970
6445
3051
1302
7
29970
15390
6356
2811
1140
Как видно из таблицы 3, по мере увеличения размера пор свыше 60 мкм (состав №7), происходит снижение проводимости пачки проппанта относительно состава с размером пор до 60 мкм (состав №6 и 2). При использовании гранул, у которых размер пор превышает 60 мкм, приводит к снижению градиента скоростей в пачке проппанта, потому что начинают образовываться турбулентные потоки у поверхности гранул при определенных скоростях потока жидкости.
Пример №3. Гранулы «Д» имели следующие свойства: открытая пористость 6%, общая пористость 10%, средний размер пор 21 мкм, гранулы «Ж»: открытая пористость 20%, общая пористость 58%, средний размер пор 57 мкм, гранулы «К»: открытая пористость 2,5%, общая пористость 4,6%, средний размер пор 14 мкм.
На основе гранул «Д» и «Б», «Ж» и «Б» и «К» и «Б» были сделаны составы согласно составу №2 и получили соответственное наименование, состав №8, 9 и 10.
Так же, как в примере 1, также определена проводимость составов 8, 9 и 10 при условиях: 2% водный раствор KCl, температура 121°C (250°F). Проводимость указанных составов приведена в таблице 4.
Таблица 4
Состав
Проводимость, мл Дарси×фут
141, кг×см<sup>2</sup> (2000 psi)
282, кг×см<sup>2</sup> (4000 psi))
423, кг×см<sup>2</sup> (6000 psi)
564, кг×см<sup>2</sup> (8000 psi)
703, кг×см<sup>2</sup> (10000 psi)
6
30300
15970
6445
3051
1302
8
31033
16190
6573
2920
1276
9
30012
15720
6215
2705
1102
10
29852
15567
6289
2810
1190
Как видно из таблицы 4, по мере увеличения общей пористости свыше 50% (состав №9), происходит снижение проводимости пачки проппанта относительно пачки проппанта с общей пористостью менее 50% (состав №6). Это связано с тем, что увеличение общей пористости свыше 50%, приводит к тому, что количество и характер обломков снижают действие эффекта «самоочищения». При использовании гранул с общей пористостью менее 5% (состав №10), образуемый градиент скоростей не достаточно эффективный в сравнении с гранулами с общей пористостью свыше 5% (состав №8). Это связано с тем, что при низкой общей пористости, на поверхности этих гранул не образуется достаточного количества дефектов для создания градиента скоростей. Использование гранул с параметрами близкими критическим, снижают эффективность «самоочищения».
Пример №4. Гранулы «Л» имели следующие свойства: открытая пористость 1,7%, общая пористость 9%, средний размер пор 25 мкм, а гранулы «М»: открытая пористость 0,6%, общая пористость 1,9%, средний размер пор 7 мкм. На основе гранул «Л» и «А», «М» и «А» были сделаны составы согласно составу №2 и получили соответственно составы №11 и 12.
Проводимость у составов 11 и 12 определена по известной методике при следующих условиях: 2% водный раствор КСl, температура 121°C (250°F). Проводимость указанных составов приведена в таблице 5.
Таблица 5
Состав
Проводимость, мл Дарси×фут
141, кг×см<sup>2</sup> (2000 psi)
282, кг×см<sup>2</sup> (4000 psi))
423, кг×см<sup>2</sup> (6000 psi)
564, кг×см<sup>2</sup> (8000 psi)
703, кг×см<sup>2</sup> (10000 psi)
2
32122
16230
6890
3109
1340
11
31433
15820
5745
2961
984
12
33250
18120
7680
3502
1432
Как видно из таблицы 4, при использовании гранул с открытой пористостью до 2% и общей пористостью свыше 5% (состав №11) происходит значительное снижение проводимости, относительно состава с общей пористостью менее 5% (состав №2 и 12). Это связано с тем, что увеличение общей пористости приводит к снижению механической прочности поверхности гранул и ее преждевременному разрушению, тем самым снижая градиент скоростей, что в свою очередь снижает эффект «самоочищения».