RU2623751C1

RU2623751C1 - Manufacturing method of light-weight siliceous proppant and proppant

Info

Publication number: RU2623751C1
Application number: RU2016121233A
Authority: RU
Inventors: Сергей Фёдорович Шмотьев; Виктор Георгиевич Пейчев; Василий Александрович Плотников; Сергей Юрьевич Плинер; Евгений Васильевич Рожков; Вячеслав Михайлович Сычёв
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Форэс"
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-06-29

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: in the manufacturing method of light-weight siliceous proppant, which involves drying and grinding of components of initial charge containing the silica source material in the form of quartz-feldspar sand, its granulation, calcination of obtained granules and screening, Portland cement is additionally introduced into the charge with the following component ratio, wt %: quartz-feldspar sand - 85-99, Portland cement - 1-15. Siliceous proppant is characterised by the fact that it has been obtained with the above method.

EFFECT: reduced proppant degradability at high pressure.

2 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технологии изготовления проппантов, предназначенных для использования в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти или газа методом гидравлического разрыва пласта - ГРП.The invention relates to the oil and gas industry, and in particular to the technology of manufacturing proppants intended for use as proppants in oil or gas production by hydraulic fracturing - hydraulic fracturing.

Проппанты (расклиниватели) - прочные гранулы, удерживающие трещины ГРП от смыкания под большим давлением и обеспечивающие необходимую производительность нефтяных и/или газовых скважин путем обеспечения в пласте проводящего канала. Среди керамических расклинивателей наиболее применяемыми являются алюмосиликатные и магнийсиликатные проппанты, обладающие высокими значениями прочности, сферичности, округлости. Однако оба типа вышеупомянутых проппантов имеют высокий насыпной вес. Между тем, снижение плотности проппанта позволяет использовать низковязкую жидкость ГРП, применяемую для заполнения трещин проппантом, что сокращает стоимость самой жидкости, а также снижает вероятность того, что жидкость ГРП, остающаяся в пласте, блокирует поток нефти и газа. Кроме того, снижение плотности расклинивающего агента облегчает и удешевляет процесс закачки проппанта в скважину, а сам проппант может глубже проникать в трещину, увеличивая тем самым производительность нефтяной или газовой скважины. Известны способы снижения плотности проппанта путем изготовления гранул с пористой структурой. Однако пониженные прочностные характеристики указанного материала предполагают нанесение на его поверхность дорогостоящего упрочняющего полимерного покрытия. В связи с этим, производители проппанта проводят исследования, направленные на поиск альтернативных видов сырья для изготовления расклинивателей. Особое внимание привлекают кремнеземистые материалы на основе кварц-полевошпатного песка и/или кварцита с содержанием SiO₂ более 80 мас.% (см., например, патент РФ № 2445339).Proppants (proppants) - durable granules that hold hydraulic fractures from closing under high pressure and provide the necessary productivity of oil and / or gas wells by providing a conductive channel in the formation. Among ceramic proppants, the most used are aluminosilicate and magnesium silicate proppants, which have high strength, sphericity, and roundness. However, both types of the aforementioned proppants have a high bulk density. Meanwhile, a decrease in proppant density allows the use of a low-viscosity hydraulic fracturing fluid used to fill proppant fractures, which reduces the cost of the fluid itself and also reduces the likelihood that hydraulic fracturing fluid remaining in the formation blocks the flow of oil and gas. In addition, lowering the density of the proppant facilitates and reduces the cost of pumping proppant into the well, and the proppant itself can penetrate deeper into the fracture, thereby increasing the productivity of an oil or gas well. Known methods for reducing proppant density by making granules with a porous structure. However, the reduced strength characteristics of this material suggest the application of an expensive reinforcing polymer coating on its surface. In this regard, proppant manufacturers are conducting research aimed at finding alternative types of raw materials for the manufacture of proppants. Of particular interest are siliceous materials based on quartz-feldspar sand and / or quartzite with a SiO ₂ content _of more than 80 wt.% (See, for example, RF patent No. 2445339).

Указанные материалы не отличаются выдающимися прочностными характеристиками, а также имеют недостаточно высокие показатели проводимости/проницаемости, сферичности/округлости. Для преодоления указанных недостатков и регулирования плотности расклинивателя в шихту для изготовления проппанта вводят глину, каолин, магнийсодержащие компоненты, соли, полимерные связующие и пр. (см., например, патенты РФ № 2425084, № 2500713, № 2513792, № 2535540, № 2547033).These materials do not differ in outstanding strength characteristics, and also do not have sufficiently high conductivity / permeability, sphericity / roundness. To overcome these drawbacks and control the density of the proppant, clay, kaolin, magnesium-containing components, salts, polymer binders, etc. are introduced into the charge for the manufacture of proppant (see, for example, RF patents No. 2425084, No. 2500713, No. 2513792, No. 2535540, No. 2547033 )

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ изготовления легковесного кремнеземистого проппанта (патент РФ № 2446200), включающий сушку и помол компонентов исходной шихты, ее грануляцию, обжиг полученных гранул и их рассев, в кремнеземистую шихту, содержащую материал-источник диоксида кремния в виде кварц-полевошпатного песка и/или кварцита, дополнительно вводят материал - источник оксида магния с размером частиц 5 мкм и менее при следующем соотношении компонентов (в пересчете на прокаленное вещество), мас.%: SiO2 88-94, MgO 0,3-9, природные примеси - остальное, а в качестве материала-источника оксида магния используют серпентинит, тальк, брусит, каустический магнезит или их смеси. Причем материал-источник диоксида кремния имеет размер частиц 10 мкм и менее, а температура обжига гранул проппанта не превышает 1200°С. Кроме того, проппант характеризуется тем, что он получен указанным способом.The closest in technical essence to the claimed solution is a method of manufacturing a lightweight siliceous proppant (RF patent No. 2446200), including drying and grinding the components of the initial mixture, its granulation, firing of the obtained granules and their sieving, in a siliceous mixture containing a source material of silicon dioxide in in the form of quartz-feldspar sand and / or quartzite, an additional material is introduced - a source of magnesium oxide with a particle size of 5 μm or less with the following ratio of components (in terms of calcined substance), ma .%: SiO2 88-94, MgO 0,3-9, natural impurities - the rest, and as a source material used serpentinite magnesium oxide, talc, brucite, caustic magnesia or mixtures thereof. Moreover, the source material of silicon dioxide has a particle size of 10 μm or less, and the firing temperature of the proppant granules does not exceed 1200 ° C. In addition, proppant is characterized in that it is obtained by the specified method.

Недостатком известного технического решения является пониженная прочность проппанта при высоких (более 7500 psi) давлениях. По всей вероятности это обусловлено тем, что стеклофаза сложного состава, образующаяся в гранулах расклинивателя при спекающем обжиге, не обладает достаточной вязкостью, вследствие чего при давлениях более 7500 psi происходит резкое увеличение разрушаемости проппанта.A disadvantage of the known technical solution is the reduced strength of the proppant at high (over 7500 psi) pressures. In all likelihood, this is due to the fact that the glass phase of complex composition formed in the proppant granules during sintering firing does not have sufficient viscosity, as a result of which, at pressures of more than 7500 psi, a sharp increase in proppant fracture occurs.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение разрушаемости легковесного кремнеземистого проппанта при давлении более 7500 psi.The technical problem to which the invention is directed is to reduce the degradability of lightweight siliceous proppant at a pressure of more than 7500 psi.

Указанная задача решается тем, что в способе изготовления легковесного кремнеземистого проппанта, включающем сушку и помол компонентов исходной шихты, содержащей материал–источник диоксида кремния в виде кварц-полевошпатного песка, ее грануляцию, обжиг полученных гранул и их рассев, в шихту дополнительно вводят портландцемент при следующем соотношении компонентов, мас.%: кварц-полевошпатный песок - 85–99, портландцемент - 1–15. Кроме того, кремнеземистый проппант характеризуется тем, что он получен указанным способом.This problem is solved by the fact that in the method of manufacturing a lightweight siliceous proppant, including drying and grinding the components of the initial mixture containing the source material of silicon dioxide in the form of silica feldspar sand, granulating it, calcining the obtained granules and sieving them, Portland cement is additionally introduced into the mixture with the following ratio of components, wt.%: quartz-feldspar sand - 85–99, Portland cement - 1–15. In addition, siliceous proppant is characterized in that it is obtained in this way.

Экспериментальным путем установлено, что введение в состав шихты для изготовления легковесного кремнеземистого проппанта портландцемента позволяет уже на стадии грануляции получать уплотненные и упрочненные гранулы проппанта–сырца. В результате чего во время спекающего обжига в значительной степени снижается пылеобразование и, следовательно, припекание пылевидных частиц к поверхности обожженных гранул проппанта, а это в свою очередь положительно сказывается на степени разрушаемости проппантной пачки. Кроме того, по мнению авторов, более вязкая по сравнению с прототипом стеклофаза, образующаяся в гранулах проппанта при обжиге, препятствует хрупкому разрушению гранул расклинивающего агента при нагрузках более 7500 psi. При проведении исследований установлено, что портландцемент, включенный в состав шихты, действует как ярковыраженная спекающая добавка, вследствие чего отпадает необходимость сверхтонкого измельчения компонентов шихты. Абсолютная плотность проппанта составила 2,0–2,5 г/см³ _, против 2,0–2,44 г/см³ у прототипа. Таким образом, полученный проппант также относится к легковесным расклинивающим агентам. Введение в шихту портландцемента в количестве менее 1 мас.% не оказывает заметного влияния на прочность проппанта, а увеличение содержания портландцемента в шихте свыше 15 мас.% не приводит к дальнейшему увеличению прочности, при этом из–за увеличенного содержания стеклофазы в гранулах при обжиге образуется значительное количество спеков проппантов.It was experimentally established that the introduction of Portland cement into the composition of the mixture for the manufacture of lightweight siliceous proppant makes it possible to obtain compacted and hardened raw proppant granules at the granulation stage. As a result, during sintering firing, dust formation and, therefore, baking of dusty particles to the surface of the fired proppant granules are significantly reduced, and this in turn has a positive effect on the degree of destructibility of the proppant pack. In addition, according to the authors, the more viscous compared to the prototype glass phase formed in the proppant granules during firing prevents brittle fracture of the proppant granules at loads of more than 7500 psi. When conducting research it was found that Portland cement, included in the composition of the mixture, acts as a pronounced sintering additive, as a result of which there is no need for ultrafine grinding of the components of the mixture. The absolute proppant density was 2.0–2.5 g / cm ³ _, versus 2.0–2.44 g / cm ³ in the prototype. Thus, the proppant obtained also relates to lightweight proppants. The introduction of Portland cement in the amount of less than 1 wt.% Does not significantly affect the strength of the proppant, and an increase in the content of Portland cement in the charge of more than 15 wt.% Does not lead to a further increase in strength, while due to the increased content of the glass phase in the granules during firing, a significant number of proppant cakes.

Пример осуществления изобретенияAn example embodiment of the invention

4,5 кг кварц-полевошпатного песка (Бочкарихинского месторождения, РФ, Свердловская обл.), высушенного при температуре 150°С в течение 1 часа, помещали в лабораторную вибромельницу, туда же помещали 0,5 кг (10 мас.%) портландцемента (ООО СЦЗ, РФ, Свердловская обл., г. Сухой Лог). Материал измельчали до фракции менее 40 мкм, гранулировали и обжигали при температуре 1215°С. У обожженных проппантов фракции 30/50 меш определяли разрушаемость при 10 000 psi по общепринятой методике ISO 13503 - 2: 2006(Е). Аналогичным образом готовили пробы проппанта с различным содержанием портландцемента. Одновременно была изготовлена проба проппанта по патенту РФ № 2446200, имеющая минимальную разрушаемость при нагрузке 10 000 psi (состав шихты пробы: кварц-полевошпатный песок + серпентинитовый щебень, при содержании MgO ≈ 3,0 мас.%, SiO₂ ≈ 94 мас.%, примеси ≈ 3,0 мас.%).4.5 kg of quartz-feldspar sand (Bochkarykhinsky deposit, RF, Sverdlovsk region), dried at a temperature of 150 ° C for 1 hour, was placed in a laboratory vibratory mill, 0.5 kg (10 wt.%) Of Portland cement were placed there ( SCZ LLC, RF, Sverdlovsk Region, Sukhoi Log). The material was crushed to a fraction of less than 40 microns, granulated and calcined at a temperature of 1215 ° C. The calcined proppants of the 30/50 mesh fraction were deteriorated at 10,000 psi according to the generally accepted procedure ISO 13503 - 2: 2006 (E). Similarly, proppant samples with different portland cement contents were prepared. At the same time, a proppant sample was made according to RF patent No. 2446200, having a minimum destructibility at a load of 10,000 psi (composition of the sample charge: quartz-feldspar sand + serpentinite crushed stone, with MgO ≈ 3.0 wt.%, SiO ₂ ≈ 94 wt.% impurities ≈ 3.0 wt.%).

Результаты измерений представлены в таблице.The measurement results are presented in the table.

Анализ данных таблицы показывает, что легковесный кремнеземистый проппант, полученный заявляемым способом (примеры 4–7 таблицы), имеет меньшую разрушаемость по сравнению с прототипом.Analysis of the data in the table shows that the lightweight silica proppant obtained by the claimed method (examples 4-7 of the table) has less destructibility compared to the prototype.

Таблица – свойства кремнеземистого проппанта с добавкой портландцементаTable - Properties of silica proppant with Portland cement

Claims

1. A method of manufacturing a lightweight siliceous proppant, comprising drying and grinding the components of the initial mixture containing a source of silicon dioxide in the form of silica feldspar sand, granulating it, calcining the obtained granules and sieving them, characterized in that Portland cement is additionally introduced into the mixture in the next the ratio of components, wt.%:

quartz-feldspar sand 85–99;

Portland cement 1–15.

2. Siliceous proppant, characterized in that it is obtained by the method according to claim 1.