Способ изготовления магнийсиликатного проппанта и проппант
METHOD FOR MAGNESIUM SILICATE PROPPANT PREPARATION, AND PROPPANT

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технологии изготовления керамических проппантов средней плотности, предназначенных 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.
3
Первым и наиболее часто используемым материалом для закрепления трещин являются пески, плотность которых составляет приблизительно 2,65 г/см. 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 наносят специальное полимерное покрытие. В конце 70-х годов с созданием новых среднепрочных и высокопрочных синтетических проппантов начался подъем в области применения ГРП на газовых и нефтяных месторождениях, приуроченных к плотным песчаникам и известнякам, расположенным на больших глубинах.
3
3
3
Среднепрочными являются керамические проппанты плотностью 2,7-3,3 г/см, используемые при напряжении сжатия до 69 МПа. Сверхпрочные проппанты с плотностью 3,3-3,8 г/см используются при напряжении сжатия до 100 МПа. Производятся и используются также облегченные проппанты с плотностью 2,55 г/см и менее. 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 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:
/
0
COR=V/V,
/
0
где V - скорость частицы после отскока от твердой поверхности, a V - 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:
/
1/2
0
COR=(h/h),
0
/
где h- 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 повышенным насыпным весом (см. патенты РФ №2463329, №2521989). Кроме того, использование спекающих и уплотняющих добавок отрицательно сказывается на упругих характеристиках материала. Следовательно, известные технические решения не могут обеспечить получение продукта с оптимальным соотношением прочности и коэффициента восстановления.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение коэффициента восстановления проппанта при сохранении необходимых прочностных характеристик материала.
Указанная задача решается тем, что в способе изготовления магнийсиликатного проппанта, содержащего 18-30 мас. % MgO, из сырья на основе природного магнийсодержащего компонента и кварцполевошпатного песка, включающем предварительный обжиг природного магнийсодержащего компонента, его помол с кварцполевошпатным песком, грануляцию материала, обжиг сырцовых гранул и их рассев, в качестве природного магнийсодержащего компонента используют серпентинит Баженовского месторождения, содержащий в пересчете на прокаленное вещество, мас. %:
SiO<sub>2</sub>
38-46
MgO
38-46
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
6-12
CaO
0,1-2,1
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05-1,1
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,2-0,7
NiO
0,1-0,45
MnO
0,05-0,25
K<sub>2</sub>O
0,002-0,2
Na<sub>2</sub>O
0,06-0,5
микропримеси
остальное,
а предварительный обжиг указанного серпентинита и обжиг сырцовых гранул производят со скоростью подъема температуры более 150°C/ч.
Кроме того, магнийсиликатный проппант характеризуется тем, что он получен указанным способом.
Экспериментальным путем установлено, что наиболее предпочтительным способом регулирования плотности магнийсиликатных проппантов без использования порообразующих, спекающих и уплотняющих сырцовые гранулы добавок является изменение состава исходной шихты с использованием природного сырья, взятого с конкретного месторождения. Сохранение прочностных характеристик расклинивателя обеспечивается скоростным обжигом, как исходного серпентинита, так и сырцовых гранул. Общеизвестно, что упрочнение керамических материалов достигается за счет сохранения в изделиях при обжиге мелкокристаллической структуры. В большинстве случаев эта задача решается путем тонкого помола исходной шихты. Вместе с тем, процесс рекристаллизации можно замедлить за счет скоростного обжига изделий. Учитывая тот факт, что гранулы проппанта имеют небольшой объем, их обжиг можно осуществлять в высокоскоростном режиме.
Технология изготовления магнийсиликатного проппанта предполагает предварительный обжиг природного серпентинита при температуре 750-1150°C, во время которого происходит удаление влаги и образование форстерита, помол материала с кварцполевошпатным песком, гранулирование шихты и обжиг сырцовых гранул при температуре 1200-1350°C (температура обжига в основном определяется содержанием MgO в шихте). Во время спекающего обжига зерна форстерита в основном преобразуются в метасиликат магния. С целью сохранения мелкокристаллической структуры в спеченных гранулах целесообразно обжиг исходного сырья производить с повышенной скоростью. В этом случае удается изначально получить форстерит/пироксен с минимальным размером зерна, а при последующем скоростном обжиге проппанта-сырца сохранить мелкодисперсную фазу метасиликата магния, который обеспечивает максимальное упрочнение керамики. Следует отметить, что заявляемый серпентинит Баженовского месторождения демонстрирует заметный разброс значений содержания слагающих его компонентов, зависящий как от места и условий залегания, так и от фракционного состава серпентинитового щебня, используемого для производства проппанта. В этой связи соблюдение скоростного режима обжига серпентинита и проппанта-сырца приобретает особую актуальность, так как медленный обжиг материалов, сопряженный с появлением жидкой фазы, приводит к образованию и сохранению в структуре керамики различных фаз неконтролируемого переменного состава, отрицательно влияющих на упругие и прочностные характеристики конечного продукта.
Авторами экспериментальным путем установлено, что при скорости подъема температуры до конечного значения 150°C/ч и менее проппант имеет пониженное значение COR и недостаточно высокие прочностные характеристики. Максимальная скорость подъема температуры определяется исключительно техническими характеристиками производственного обжигового оборудования. При этом использование в качестве природного магнийсодержащего компонента серпентинита Баженовского месторождения позволяет получить проппант с высоким значением коэффициента восстановления. Вероятно, это объясняется присутствием в составе серпентинита оптимального количества оксидов железа и никеля, способствующих наиболее полному превращению форстерита в метасиликат магния, а также уникальным соотношением других входящих в состав материала компонентов, обеспечивающих упругие свойства расклинивателя. Кроме того, мелкозернистая структура спеченной керамики способствует получению гранул с более гладкой поверхностью, что также способствует повышению значения COR.
Пример осуществления изобретения
вых. отв
2
2
3
2
3
2
3
2
2
Шихту для изготовления магнийсиликатного проппанта с содержанием MgO 25 мас. % готовили путем совместного помола до фракции менее 30 мкм, термообработанного при температуре 1050°C со скоростью подъема температуры 500°C/ч серпентинита Баженовского месторождения и кварцполевошпатного песка. Полученную шихту гранулировали на тарельчатом грануляторе, гранулы обжигали в лабораторной печи при температуре 1280°С со скоростью подъема температуры 500°С/ч. У обожженных гранул фракции 16/20 меш с показателями сферичности/округлости 0,9 определяли насыпную плотность и разрушаемость по общепринятой методике ISO 13503-2:2006 (Е), а также сравнительный коэффициент восстановления по методике, аналогичной представленной в заявке США №20140290349: пробу проппанта массой 50 г высыпали через воронку (Н=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 мас. % гранул. Аналогичным образом тестировали пробы проппантов с различным содержанием MgO, изготовленные с использованием серпентинита Баженовского месторождения различного химического состава, обожженного с различной скоростью подъема температуры. Усредненный состав серпентинита, использованного при проведении исследований, - SiO - 43.5, MgO - 43,5, FeO - 9,5, СаО - 1,1, AlO - 0,8, CrO - 0,6, NiO - 0,3, MnO - 0,2, KO - 0,1, NaO - 0,35, микропримеси - 0,05, мас. % в пересчете на прокаленное вещество. При этом также меняли скорость подъема температуры обжига гранул проппанта - сырца. Результаты испытаний приведены в таблице.
Анализ данных таблицы показывает, что магнийсиликатный проппант, изготовленный заявляемым способом (примеры 1-9), обладает повышенным коэффициентом восстановления и обладает требуемой прочностью при достаточно низких значениях насыпной плотности гранул. Следовательно, применение заявляемого проппанта позволит увеличить дебиты скважин за счет лучшего размещения прочных гранул в трещинах ГРП.