СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ПРОППАНТОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR MANUFACTURING OF CERAMIC PROPPANTS (VERSIONS)

Изобретение относится к производству керамических проппантов, применяющихся в технологии гидроразрыва горных пород в качестве опорного слоя в искусственных трещинах и способствующих увеличению отдачи нефтеносных пластов.
Проппанты - прочные сферические гранулы, которые удерживают трещины от смыкания после снятия давления гидроразрыва и обеспечивают необходимую проницаемость слоя проппантов для прохождения нефтепродукта.
Известен способ изготовления проппантов [1] из магнийсиликатного материала на основе форстерита с содержанием последнего 55-80%, который последовательно измельчают, гранулируют и обжигают при температуре 1150-1350°С. Полученные таким способом проппанты имеют недостаточно высокую прочность и относительно низкую проницаемость в связи с формированием многочисленных дефектов поверхности гранул, в первую очередь разрушающихся при нагружении слоя с образованием пылевидных осколков, блокирующих проводящие жидкость каналы.
Известен способ изготовления алюмосиликатных керамических проппантов на кордиеритовой связке [2], включающий мокрый помол сырьевой смеси, сушку шликера в распылительной сушилке, гранулирование, обжиг и рассев гранул на товарные фракции. Полученные проппанты имеют неудовлетворительную прочность и относительно низкую проницаемость в связи с формированием многочисленных дефектов на поверхности и в объеме гранул, формирующихся за счет вовлечения в грануляцию высокопористых агрегатов частиц, получаемых в процессе распылительной сушки шликера.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ производства высокопрочных сферических керамических гранул [3], включающий кальцинацию природного алюмосиликатного сырья, его измельчение, дозирование и загрузку в гранулятор, увлажнение измельченного сырья, грануляцию, дозирование и подачу в гранулятор дополнительного количества измельченного сырья, рассев полученных гранул для выделения целевой фракции, ее обжиг во вращающейся печи и рассев спеченных гранул. При этом 60-90% кальцинированного алюмосиликатного сырья измельчают до размера частиц 20-40 мкм, а 10-40% измельчают до размера частиц менее 20 мкм. В процессе гранулирования тонко измельченное сырье подают в гранулятор после увлажнения измельченного сырья и зарождения гранул и до завершения грануляции.
Проппанты, изготовленные по данному способу, имеют в сырце более совершенную округлость, но после обжига характеризуются высокой степенью дефектности поверхности, препятствующей плотной укладке слоя проппантов, высокой степени осадки слоя под нагрузкой, что ведет к интенсивному разрушению проппантов как с поверхности, так и по объему гранул, обильному пылеобразованию и снижению проводимости.
Заниженные показатели прочности и проводимости наблюдаются и у проппантов, изготовленных из других видов сырья, если характер их поверхности препятствует формированию наиболее плотной укладки гранул в слое. Кроме того, поскольку на поверхности гранул практически всегда имеются многочисленные выступы, углубления и поры, течение жидкости через слой проппантов имеет смешанный - ламинарный и турбулентный режим, причем турбулентный режим существенно снижает проницаемость слоя керамических проппантов. Другим обстоятельством, снижающим прочность и проницаемость слоя, является повышенное поверхностное разрушение гранул за счет их относительного перемещения при уплотнении слоя под нагрузкой, возникновения напряжений сдвига и критических расклинивающих нагрузок.
Техническим результатом, на решение которого направлено заявляемое изобретение, является увеличение прочности и проводимости проппантов в рабочем слое за счет повышения их округлости.
Предлагаемый способ изготовления керамических гранул позволяет устранить указанные недостатки и повысить выход гранул с высокой округлостью, тем самым способствуя увеличению прочности и проводимости проппантов в рабочем слое.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления керамических проппантов, включающем тонкий помол сырьевой смеси, гранулирование, сушку, обжиг гранул и рассев их на товарные фракции, перед рассевом на товарные фракции гранулы подвергают галтованию путем окатывания их во вращающемся барабане в течение 20-60 мин при 20-40% заполнении его объема, причем скорость вращения барабана выбирают такой, что она обеспечивает перекатный режим перемещения гранул.
В другом варианте технический результат достигается тем, что в способе, включающем гранулирование сырьевой смеси, сушку, обжиг гранул и рассев на товарные фракции, перед рассевом на товарные фракции гранулы подвергают галтованию путем их виброистирания при частоте от 50 до 200 Гц и амплитуде от 0,8 до 0,3 мм в течение 1-3 мин.
Галтование в указанных режимах приводит к поверхностному шлифованию гранул, удалению или сглаживанию микровыступов, что снижает коэффициент трения и абразивность, повышает текучесть порошков и, соответственно, удобоукладываемость проппантов в слое. Эффект подтверждается увеличением насыпной плотности проппантов (~ на 3,5-5%).
Увеличение плотности слоя свидетельствует о практическом отсутствии крупных полостей (следствие сводообразования), т.е. о повышении координационного числа и количества точек взаимного контакта гранул, что обеспечивает существенное повышение несущей способности рабочего слоя проппантов (~ на 25-40%).
С повышением плотности и прочности слоя увеличивается и его проводимость, чему способствует также отсутствие перемещения гранул в более плотном слое в процессе повышения нагрузки, снижается степень осадки слоя и поверхностное разрушение гранул, ведущее к образованию пылевидных частиц, блокирующих проводящие каналы. Сглаживание дефектов поверхности способствует повышению средней скорости течения жидкости в слое.
Указанные в предлагаемом способе пределы параметров определены экспериментально и выход за эти пределы снижает эффективность его применения.
Возможность осуществления заявляемого способа подтверждается примерами его конкретного выполнения в лаборатории заявителя.
Для демонстрации способа взяты пробы проппантов фракции 12/18 магнезиально-силикатного, муллитокремнеземистого и муллитового (прототип) составов, изготовленных по технологии, включающей тонкий помол сырьевой смеси соответствующего состава, гранулирование, сушку и обжиг гранул. После определения свойств пробы подвергли галтованию во вращающемся барабане диаметром 0,75 и длиной 1,6 м и в виброжелобе (полуцилиндр диаметром 219 мм), изменяя продолжительность процесса и объем загрузки барабана, амплитуду, частоту и продолжительность прохождения гранул по виброжелобу. После обработки определяли свойства полученных проппантов. Исходные и галтованные порошки сравнивались по следующим показателям свойств: насыпная плотность, сопротивление раздавливанию, доля пылевидных частиц в продуктах разрушения (см. табл.1 и 2).
Таблица 1
Свойства проппантов размером 12/18 до и после окатывания
Параметры галтования
Проппанты
Муллито-кремнеземистые
Муллитовые (прототип)
Магнезиально-силикатные
Плотность насыпная, г/см<sup>3</sup>
Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %
Плотность насыпная, г/см<sup>3</sup>
Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %
Плотность насыпная, г/см<sup>3</sup>
Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %
Длительность галтования в барабане с заполнением 40%,
мин: 0
1,56
13,7/3,2
1,74
7,9/1,3
1,56
9,5/1,8
20
1,58
11,4/2,1
1,78
6,6/1,1
1,61
7,5/1,5
40
1,61
9,5/1,5
1,81
4,8/0,6
1,64
5,9/0,8
60
1,61
9,2/1,3
1,82
4,5/0,3
1,66
5,6/0,4
Галтование в течение 40 мин в барабане с
заполнением:
20%
1,61
9,3/1,4
1,82
4,4/0,5
1,65
5,7/0,6
30%
1,61
9,5/1,5
1,81
4,6/0,6
1,65
5,7/0,6
Таблица 2
Свойства проппантов размером 12/18 до и после виброгалтования
Параметры галтования
Проппанты
Муллито-кремнеземистые
Муллитовые (прототип)
Магнезиально-силикатные
Плотность насыпная, г/см<sup>3</sup>
Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %
Плотность насыпная, г/см<sup>3</sup>
Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %
Плотность насыпная, г/см<sup>3</sup>
Доля разрушения при нагрузке 7500 psi в т.ч. фракции <0,3 мм, %
Длительность виброгалтования с амплитудой 0,8 мм частотой 50 Гц,
мин: 0
1,56
13,7/3,2
1,74
7,9/1,3
1,56
7,9/1,3
1
1,57
11,8/2,0
1,77
6,8/1,2
1,58
6,8/1,2
2
1,62
9,3/1,4
1,82
4,5/0,5
1,63
5,4/0,5
3
1,64
9,0/1,1
1,82
4,3/0,3
1,67
5,3/0,3
Виброгалтование в течение 2 мин с амплитудой 0,5 мм частотой 100 Гц
1,63
9,1/1,2
1,82
4,6/0,5
1,64
5,5/0,5
Виброгалтование в течение 2 мин с амплитудой 0,3 мм частотой 200 Гц
1,64
8,9,0/1,0
1,83
4,4/0,3
1,66
5,2/0,3
Полученные результаты свидетельствуют о повышении качества гранул, изготовленных по предлагаемому способу, по сравнению с проппантами промышленного изготовления в т.ч. с наиболее близким аналогом, что выражается в повышении насыпной плотности, прочности и снижении пылеобразования при разрушении под нагрузкой. Эффект достигнут за счет улучшения округлости гранул, что обеспечило более плотную укладку слоя, снижение степени перемещения гранул в рабочем слое при его нагружении, соответствующем снижении поверхностного и объемного разрушения проппантов и выхода пылевых фракций.
Реализация способа при технологических параметрах, близких к предельно установленным, снижает эффективность его применения.
Использование галтованных проппантов, полученных по 2-м вариантам заявляемых способов решают одну и ту же задачу с получением практически одинакового технического результата (повышенной округлостью, позволяющей увеличить прочность и проводимость проппантов в рабочем слое скважины).
Список литературы
7
1. Способ изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин: Пат. 2235703 Россия, МПК C04B 35/20; C04B 35/622 / Шмотьев С.Ф., Плинер С.Ю., Опубл. 10.09.2004.
2
3
2
2. Снегирев А.И., Слободин Б.В. Технология производства и свойства сферических гранул в системе MgO-AlO-SiO // Огнеупоры и техническая керамика. 1998. №10. С.21-23.
6
3. Способ производства высокопрочных сферических керамических гранул: Пат. 2133716 Россия, МПК C04B 20/04 / Мигаль В.П., Можжерин В.А., Новиков А.Н. и др., Опубл. 27.07.99, Бюл. №21.