Шихта для изготовления легковесного кремнезёмистого проппанта и проппант
FEED FOR MANUFACTURING OF LIGHT-PROOF SILICON PROPPANT AND PROPPANT

Изобретение относится к производству керамических  проппантов, предназначенных для использования  в качестве  расклинивающих агентов при добыче углеводородов методом гидравлического разрыва пласта – ГРП, конкретно – к  производству  легковесных  керамических  проппантов  на  основе  кремнеземистого  сырья.
3
3
3
Специалистам, работающим  в  области  исследования  свойств  керамических  расклинивающих  агентов, известно, что основными  видами  сырья  для масштабно  производимых  в  настоящее  время  проппантов  являются  природные  алюмосиликаты, природные магнийсиликаты  и  кремнезем. Соответственно, проппанты, производимые  из  шихты алюмосиликатного  или  магнийсиликатного  состава,  относятся  к  высокоплотным  и  среднеплотным  продуктам (насыпная  плотность  составляет   приблизительно 1,5 – 2,0 г/см, см., например, патент РФ №2563853), а  проппанты, производимые  из  шихты кремнеземистого  состава, являются  легковесными (насыпная  плотность  1,3 – 1,4 г/см)  или  ультралегковесными (насыпная  плотность  менее 1,3 см) изделиями. При этом достаточно  хорошо  изученным  является  тот  факт, что с  понижением  насыпной  плотности  проппанта  снижаются  его  прочностные  характеристики  и,  как  следствие, проводимость/проницаемость  проппантной  пачки. По  этой  причине  ультралегковесные  проппанты  в  настоящее  время  не  находят  широкого  применения  и  используются  исключительно  на  скважинах  с  низким  пластовым  давлением.  Известен, например,  способ изготовления  кремнеземистого проппанта (см. патент РФ № 2445339), в котором  качестве шихты используют природный высококремнеземистый  песок или его смесь с кварцитом. Проппант, полученный  указанным  способом,  относится  к  категории  ультралегковесных  и  обладает  пониженными  прочностными  характеристиками  в  особенности  при  высоких  (более  7500 psi) разрушающих  нагрузках. В  то  же  время специалистам, работающим  в  сфере  добычи  углеводородов,  известно, что  с  понижением  насыпной  плотности  расклинивающего  агента  появляется  возможность  проведения операции ГРП  с  применением жидкостей с низкой вязкостью, что является особенно актуальным  при использовании технологии горизонтального бурения в сочетании с гидроразрывом. В  результате чего  обеспечиваются  необходимые  дебиты  скважин. Этот эффект достигается преимущественно за счет улучшения переноса и оптимизации расположения проппанта в трещинах (см. доклады компании Oxane Materials на конференции SPE Hydraulic Fracturing Technology  в Woodlands, штат Техас, США, 4-6 февраля 2014 г.). Вместе  с  тем, при  добыче  углеводородов  из  глубоких  скважин  с высоким  пластовым  давлением  предпочтительным  является  использование  проппанта  с  повышенными  прочностными  характеристиками. В  этой  связи  особый  интерес  представляют  легковесные  проппанты  с  улучшенными  эксплуатационными  характеристиками, которые  могут  применяться  при  высоких (до 10000 psi) пластовых  давлениях. Повышения качества  проппанта  добиваются  введением  в  кремнеземистую  шихту  различных  добавок – магнийсодержащих  соединений, смеси красножгущейся  глины  и  серпентинита, смеси  серпентинита  и  каолиновой  ваты, смеси  диатомита  и магнийсодержащего  соединения (см., например, патенты РФ № 2446200, № 2547033, № 2513792, № 2535540).
3
Наиболее  близкими  по  технической  сущности  к  заявляемому  решению  являются  шихта  для  изготовления  легковесного  проппанта состава, масс.% : кварцполевошпатовый  песок  90-97, глина и/или каолин 3-10 (патент РФ № 2425084),  и  способ  изготовления  проппанта  из  указанной  шихты, включающий сушку исходных компонентов, их дозирование, помол, гранулирование шихты и обжиг полученных гранул, причем обжиг гранул осуществляют при скорости их нагрева - 350-370°С/ч и скорости охлаждения - 800-820°С/ч. Кроме  того, указанную сушку осуществляют при температуре 200-240°С, помол компонентов шихты осуществляют до фракции не более 40 мкм, при содержании фракции не более 5 мкм не менее 60 мас.%, а для увлажнения шихты при гранулировании используют 2-8%-ный раствор гидроксида натрия и/или калия. Легковесный проппант характеризуется тем, что он получен указанным способом. Известный  легковесный  проппант с  насыпной  плотностью  1,3–1,4 г/см  обладает  высокими  прочностными  характеристиками  при  нагрузках  до  7500 psi.
Недостатком  известного  проппанта  является  резкое  увеличение  разрушаемости  гранул  при  более  высоких (до 10000 psi)  нагрузках.
3
Технической  задачей, на  решение  которой  направлено  заявляемое  изобретение  является  снижение  разрушаемости  легковесного  проппанта  под  нагрузкой до 10000 psi, при  сохранении  его насыпной  плотности    1,4 г/см  и  менее.
Указанный  результат  достигается  тем, что  шихта  для  изготовления  легковесного  кремнеземистого  проппанта,    включающая  природный  песок, дополнительно  содержит  цементный  клинкер  и/или  цемент  при  следующем  соотношении  компонентов, мас.%:
природный песок                            –    90,0–99,5,
цементный  клинкер  и/или  цемент          –    0,5–10,0.
Кроме  того, легковесный  кремнеземистый  проппант  характеризуется  тем, что он  изготовлен  из  указанной  шихты.
2
Технология  изготовления  проппанта, соответствующего  заявляемому  решению,  является  традиционной  для  данного  вида  продукции  и  включает  в  себя   помол  исходных  сырьевых  компонентов, как  правило,  до  фракции  менее 40 мкм,  их  грануляцию  и  обжиг, обеспечивающий  максимальное  уплотнение  керамики.  Авторами  экспериментальным  путем  установлено, что  проппант, полученный  из  шихты  заявляемого  состава,    демонстрирует  снижение  разрушаемости  при  давлении  до  10000 psi. Вероятно  это  связано  с  тем, что  введение  в  кремнеземистую  матрицу  алюмосиликатов  кальция  оказывает  больший  упрочняющий  эффект  при  высоких  нагрузках  по  сравнению  с  алюмосиликатными  добавками. Алюмосиликаты  кальция,  взаимодействуя  с  легкоплавкими  примесями, имеющимися  в  составе  природных  песков, образуют  спекающую  жидкую  фазу, что  позволяет  при  более  низких  температурах  обжига  получать  мелкозернистую  керамику. Это,  в  свою  очередь, снижает  степень  разупрочняющего  перехода  кварца  в  кристобалит. Кроме  того, добавка  цемента, имеющего  в  своем  составе  гипс, благоприятно  сказывается  на  прочности  проппанта – сырца, снижая  его  разрушаемость  во  время  технологических  перемещений. Для  реализации  заявляемого  технического  решения  может  быть  использован  любой  природный  песок, предпочтительно  содержащий  не  менее 70 мас.% SiO. Введение  в  состав  шихты  для  изготовления  легковесного  проппанта  цементного  клинкера  и/или  цемента  в  количестве  менее  0,5 мас.%  не  оказывает  заметного  влияния  на  прочностные  характеристики  продукта, а  увеличение  содержания  указанных  добавок  свыше  10 мас.%  не  приводит  к  дальнейшему  снижению  разрушаемости  проппанта  и  вызывает  заметное  уплотнение  керамики.
Примеры  осуществления  изобретения.
Пример 1. 0,05 кг цементного  клинкера  и  9,95 кг  высушенного  природного  песка  подвергали  совместному  помолу  в  лабораторной  вибромельнице  до  фракции  менее  40 мкм. Полученный  материал  гранулировали  и  обжигали  в  лабораторной  печи  при  температуре  1250°С. У полученного  проппанта  фракции  40/70 меш определяли  насыпную  плотность  и  разрушаемость    по общепринятой  методике  ISO 13503 - 2:2006.
Пример 2. 0,05 кг цемента  и  9,95 кг  высушенного  природного  песка  подвергали  совместному  помолу  в  лабораторной  вибромельнице  до  фракции  менее  40 мкм. Полученный  материал  гранулировали  и  обжигали  в  лабораторной  печи  при  температуре  1250°С. У полученного  проппанта  фракции  40/70 меш определяли  насыпную  плотность  и  разрушаемость    по общепринятой  методике  ISO 13503 - 2:2006.
Пример 3.  0,5 кг цемента  и  0,5 кг  цементного  клинкера  и  9 кг высушенного  природного  песка  подвергали  совместному  помолу  в  лабораторной  вибромельнице  до  фракции  менее  40 мкм. Полученный  материал  гранулировали  и  обжигали  в  лабораторной  печи  при  температуре  1230°С. У полученного  проппанта фр. 40/70 меш определяли  насыпную  плотность  и  разрушаемость    по общепринятой методике  ISO 13503 - 2:2006. Аналогичным  образом  готовили  пробы  проппанта  с  различным  содержанием  цемента  и  цементного  клинкера. Кроме  того, была  изготовлена  проба  проппанта   по патенту  РФ № 2425084, имеющего  минимальную  разрушаемость  при  нагрузке  10000 psi. Результаты  испытаний  приведены  в  таблице.
3
Результаты  данных  таблицы  показывают, что  проппант, изготовленный  из  шихты  заявляемого  состава (примеры 4 – 6, 9 – 11, 14 – 16), демонстрирует  меньшую  разрушаемость  при  нагрузке  10000 psi  в  сравнении  с известными  техническими  решениями, имея   насыпную  плотность менее  1,4 г/см.
Таблица – свойства легковесного проппанта