Шихта для изготовления магнезиально-кварцевого проппанта
CHARGE FOR THE PRODUCTION OF MAGNESIA-QUARTZ PROPPANT

3
3
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к материалам для изготовления керамических проппантов средней и пониженной плотности, предназначенных для использования в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти или газа методом гидравлического разрыва пласта - ГРП. Проппантами средней плотности, рассматриваемыми в рамках настоящего изобретения, являются проппанты с насыпной плотностью 1,4-1,7 г/см, проппанты с пониженной плотностью имеют насыпную плотность 1,4 г/сми менее. 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.
На протяжении длительного времени среди специалистов, работающих в сфере нефтедобычи, преобладало мнение, что основным параметром проппанта, обеспечивающим максимальный дебит скважины, является его прочность. В этой связи с увеличением глубины скважин применялся все более плотный и соответственно более прочный проппант. Однако в серии масштабных комплексных полевых испытаний, 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 SPEHydraulic 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 последующей 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.
Таким образом, для оптимизации коэффициента восстановления, а следовательно, и процесса переноса, необходимо получить упругий проппант с пониженной плотностью. При этом для дополнительного увеличения дебета скважины желательно сохранить достаточные прочностные характеристики гранул. Оптимальным сочетанием указанных характеристик обладают проппанты средней плотности алюмосиликатного или магнийсиликатного состава. В линейке магнийсиликатных проппантов среднеплотными являются расклиниватели, содержащие в своем составе 18-30 мас. % MgO. Известны легковесные магнийсодержащие проппанты с содержанием оксида магния от 0,3 до 18 мас.%, которые в силу пониженной плотности имеют недостаточно высокие прочностные характеристики (см. патенты РФ № 2446200, № 2437913, № 2547033). Известны упрочненные проппанты, имеющие в своем составе от 19 до 48 мас.% оксида магния, которые производятся с использованием спекающих или уплотняющих проппант-сырец добавок, вследствие чего обладают повышенной насыпной плотностью (см. патенты РФ № 2463329, № 2521989). Кроме того, использование спекающих и уплотняющих добавок отрицательно сказывается на упругих характеристиках материала. Следовательно, известные технические решения не могут в полной мере обеспечить получение продукта с оптимальным соотношением прочности и коэффициента восстановления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является патент РФ № 2613676, в котором шихта для изготовления магнийсиликатного проппанта, содержащего 18-30 мас.% MgO, состоит из смеси природного магнийсодержащего компонента и кварцполевошпатного песка, причем в качестве природного магнийсодержащего компонента используют предварительно обожженный серпентинит Баженовского месторождения. Применяемый в известном техническом решении серпентинит представлен следующими минералами: нимит, анортит, флогопит, форстерит, шабазит, бементит, магнетит, диопсид, лизардит, цеолит (см. Габдуллин А.Н. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, 05.17.01 - Технология неорганических веществ, Разработка способа азотнокислой переработки серпентинита Баженовского месторождения, с.7). Основу указанного серпентинита составляют массивный лизардит, форстерит и волокнистый хризотиласбест. Материал имеет потери массы при прокаливании до 15% и температуру обезвоживания 1050°С. В настоящее время используется в основном для извлечения асбестового волокна.
Недостатком известного технического решения является то, что прирост коэффициента восстановления проппанта, изготовленного из известной шихты, достигается в узком интервале содержания MgO. Кроме того, сама величина коэффициента восстановления является недостаточно высокой. По всей вероятности, это объясняется как минералогическим составом Баженовского серпентинита, так и тем, что он используется после обязательного предварительного обжига, производимого для удаления значительного количества химически связанной влаги.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение коэффициента восстановления проппанта средней и пониженной плотности при сохранении необходимых прочностных характеристик расклинивающего агента.
Указанная задача решается тем, что шихта для изготовления магнезиально-кварцевого проппанта содержит в своем составе 15-35 масс.% MgO и представляет собой смесь измельченных до фракции менее 100 мкм магнийсиликатного компонента и природного кремнеземистого песка, причем магнийсиликатный компонент представляет собой необожженный антигоритовый щебень Кочкарского месторождения, содержащий 83-87 масс.% антигорита. В качестве кремнеземистого природного песка используют песок Бочкарихинского месторождения.
Авторами изобретения экспериментальным путем установлено, что использование в качестве магнийсиликатного компонента шихты необожженной горной породы на основе антигорита позволяет получить проппант средней и пониженной плотности, обладающий повышенным коэффициентом восстановления в расширенном диапазоне содержания MgO. Это обусловлено тем, что помимо минералогических отличий горные породы на основе антигорита структурно отличаются от других магнийсиликатных пород. В частности, в отличие от массивных дунита и оливинита, антигорит образован тонкими пластинчатыми агрегатами, которые легко разделяются по одному направлению. Кроме того, в отличие от Баженовского серпентинита, Кочкарские антигоритовые породы не содержат в своем составе волокнистого асбеста и имеют более низкие потери массы при прокаливании - менее 10%. Пластинчатая, легкоразделяемая структура материала и отсутствие волокнистого асбеста обеспечивают антигориту повышенную размолоспособность, а пониженные потери массы при прокаливании позволяют использовать горную породу на основе антигорита без предварительного дегидратационного обжига. Использование необожженного магнийсиликата приводит к тому, что химически связанная влага удаляется на этапе обжига гранулированного проппанта-сырца. Авторами экспериментальным путем установлено, что во время спекающего обжига обезвоживание проппанта-сырца, изготовленного с использованием необожженной антигоритовой породы, завершается до температуры 650°С, т.е. до начала спекания материала и не приводит к растрескиванию гранул, в результате чего обожженный проппант сохраняет микропористую структуру, не содержащую крупных разупрочняющих трещин. Микропористая структура позволяет получать проппант средней плотности при повышенном содержании оксида магния в шихте. Очевидно, что указанная микропористая структура благоприятно сказывается на упругости обожженных гранул, повышая коэффициент восстановления проппанта как с пониженным, так и с повышенным, в сравнении с наиболее близким аналогом,  содержанием оксида магния.
В рамках настоящего изобретения авторами исследовались составы сырьевой шихты с содержанием MgO - 15-35 масс.%. При этом экспериментальным путем установлено, что присутствие в составе сырьевой шихты, измельченной до фракции менее 100 мкм горной породы на основе антигорита, позволяет получать магнезиально-кварцевый проппант с повышенным коэффициентом восстановления. Более грубый помол приводит к ухудшению потребительских характеристик продукта. В частности, разрушаемость проппанта превышает требования ГОСТ Р 54571-2011 Пропанты магнезиально-кварцевые. При проведении исследований в качестве магнийсиликатного компонента сырьевой шихты использовалась дробленая горная порода на основе антигорита Кочкарского месторождения (РФ, Челябинская обл.), представляющая собой щебень следующего минералогического состава, масс.%: антигорит - 83-87; кварц - 1-2; клинохлор - 2,3-2,7; тремолит - 2,6-4,1; магнетит, брусит, актинолит - остальное.
2
2
3
2
3
2
2
В качестве кремнеземистого природного песка при проведении исследований использовался песок Бочкарихинского месторождения (РФ, Свердловская обл.) следующего усредненного химического состава, масс.%: SiO - 92,6, AlO - 2,1, FeO - 0,9, CaO - 0,15, MgO  - 0,4, NaO - 0,4, KO - 0,9, примеси - остальное.
Технология изготовления проппанта из заявляемой шихты является традиционной для данного вида продукции и включает в себя измельчение исходных компонентов, гранулирование измельченного материала и обжиг полученных гранул.
Пример осуществления изобретения
9,8 кг необожженного антигоритового щебня  Кочкарского месторождения (РФ, Челябинская обл.) и 0,2 кг кремнеземистого песка Бочкарихинского месторождения (РФ, Свердловская обл.) помещали в мельницу и измельчали до размера частиц менее 100 мкм. Измельченный материал гранулировали и обжигали при температуре 1300°С. У обожженных гранул фракции 16/20 меш с показателями сферичности/округлости 0,9 определяли насыпную плотность и разрушаемость по общепринятой методике ISO13503-2:2006 (Е), а также сравнительный коэффициент восстановления по методике, аналогичной представленной в заявке США № 20140290349: пробу проппанта массой 50 г высыпали через воронку (Н=150мм, Dвых. отв. =11 мм) с высоты 50 мм под углом 45° на стекло толщиной 6мм и измеряли расстояние от точки падения, на котором разместилось 90 мас.% гранул. Аналогичным образом тестировали пробы проппантов с различным содержанием MgO, изготовленные с использованием антигоритовой породы Кочкарского месторождения. Содержание MgO регулировали различным соотношением антигоритовая горная порода/кремнеземистый песок. Результаты измерений приведены в таблице.
Анализ данных таблицы показывает, что магнезиально-кварцевый проппант, изготовленный из заявляемой шихты (примеры 2-5 таблицы), обладает повышенным коэффициентом восстановления и требуемой прочностью при средних и пониженных
значениях насыпной плотности гранул.
№ п/п
Степень измельчения,мкм
Содержание MgO,мас.%
Насыпная плотность,г/см<sup>3</sup>
Разрушаемость при нагрузке 10000psi (68,9 МПа), мас.%
Расстояние отскока гранул, мм
1. Проппант по пат. РФ № 2613676
< 80
18
1,42
21
115
2.
< 100
15
1,37
21,0
124
3.
< 100
25
1,52
17,9
121
4.
< 100
30
1,58
17,1
119
5.
< 100
35
1,62
16,2
117
6.
< 120
35
1,6
28,2
112
Таблица - Свойства магнезиально-кварцевого проппанта.