EA006953B1

EA006953B1 - Проппанты, способ их изготовления и применения

Info

Publication number: EA006953B1
Application number: EA200501165A
Authority: EA
Inventors: Роберт Дункел; Стив Кэнова; Чед Кэннен
Original assignee: Карбо Керамикс Инк.
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2006-06-30
Also published as: EA200501165A1

Abstract

Описано использование для изготовления проппанта - агента для расклинивания (удержания от смыкания) трещины в подземной формации (в нефтеносных и газовых пластах) каолина или смеси каолина с бокситом с низким содержанием в каолине KO менее 0,2 вес.%. Установлено, что спеченные гранулы, изготовленные из указанных материалов, обладают повышенной прочностью (сопротивлением раздавливанию) и вследствие этого, повышенной проницаемостью для нефти и газа.

Description

Область применения изобретения

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к расклинивающим агентам для нефтяных и газовых скважин (проппантам), а более конкретно, к спеченным расклинивающим агентам, которые содержат каолин в качестве основного компонента, к способу изготовления таких расклинивающих агентов, и к способу поддержания трещины (разлома) в подземной (геологической) формации в состоянии расклинивания за счет использования таких расклинивающих агентов.

Известный уровень техники

Нефть и природный газ получают из скважин, проходящих через пористые и проницаемые подземные формации. Пористость формации позволяет ей накапливать нефть и газ, а проницаемость формации позволяет нефти или газу протекать через формацию. Проницаемость формации (пласта) является важнейшей для того, чтобы нефть и газ могли протекать в местоположение, из которого они могут быть откачены из скважины. Иногда проницаемость формации, хранящей газ или нефть, является недостаточной для экономически выгодной добычи нефти и газа. В других случаях, во время работы скважины, проницаемость формации падает настолько, что дальнейшая добыча становится экономически невыгодной. В таких случаях, необходимо произвести разрыв формации и удерживать разрыв в открытом состоянии (удерживать от смыкания трещину) при помощи расклинивающего материала или расклинивающего агента. Такой разрыв пласта (трещинообразование) обычно осуществляют при помощи гидравлического давления, а расклинивающий материал или расклинивающий агент представляют собой спеченные гранулы, которые вводят в трещину при помощи флюида.

Сферические гранулы обычно считают наиболее эффективными расклинивающими агентами по причине их максимизированной проницаемости. По этой причине, при условии, что другие свойства являются одинаковыми, сферические или главным образом сферические расклинивающие агенты являются предпочтительными.

В состав проппантов, используемых в последнее время, обычно входят глинозем (оксид алюминия) и кремнезем (оксид кремния) в различных соотношениях. Считается, что именно содержание этих оксидов в гранулах определяет эксплутационные характеристики проппантов. Оксид алюминия придает проппантам прочность, которая необходима для сохранения целостности гранул, испытывающих при их использовании сжимающие напряжения до 10000 ρκί (свыше 700 кг/см²) и более в зависимости от глубины залегания расклиниваемой трещины. Оксид кремния влияет на эластичность материала, имеющую определяющее значение для формирования гранул.

В качестве алюмокремниевого сырья для изготовления проппантов обычно используют каолины или бокситы, или их смеси.

Примерами использования для изготовления проппантов каолина являются патенты Российской Федерации № 2140874, 2140875 и 2215712, а также патенты США № 5.030.603. и № 5.188.175.

Примерами использования для изготовления проппантов боксита являются патент Российской Федерации № 212998, а также патенты США № 4068718 и № 4668645.

В патенте Российской Федерации № 2211198 описано использование для изготовления проппантов смеси каолина и боксита.

Существует две взаимосвязанные характеристики проппантов, которые в основном и определяют их качество: прочность на раздавливание (или противоположная ей характеристика - дробимость под сжимающим напряжением) и их пропускная способность (проницаемость для жидкости и газа).

Чем выше дробимость проппантов, тем меньше их пропускная способность при одних и тех же сжимающих напряжениях. Так, для легковесных проппантов, к которым в основном относится настоящее изобретение, используемых на небольших глубинах, дробимость не должна превышать 7,4% при напряжении 7.500 ρκί (7,5 к) и 10% при напряжении 10.000 ρκί (10 к).

Как отмечено ранее, принято считать, что прочность гранул проппантов, если говорить о химическом составе сырья для их изготовления, определяется содержанием в ней оксидов алюминия. Именно этим объясняется, в частности, тот факт, что если исходное сырье содержит малое количество оксидов алюминия, к нему добавляются добавки, увеличивающие прочность гранул, с высоким содержанием этих оксидов. Так, в патенте Российской Федерации № 2140875, в котором описано использование каолина с невысоким содержанием оксидов алюминия (30-45 мас.%), предлагается использовать в качестве добавок, увеличивающих прочность гранул, в частности, глиноземную пыль с содержанием А1₂О₃ 99,099,5 мас.%.

Сущность изобретения

Кроме указанных оксидов, используемое для изготовления проппантов сырье содержит оксиды таких элементов, как железо и титан, а также щелочных элементов -ΝαΟ, К₂О, СаО и МдО. Ранее исследовалось влияние содержания Т1О₂ на прочность гранул проппантов, при этом был сделан вывод, что повышение его свыше 0,8 мас.% существенно не влияет на улучшение прочностных характеристик (патент НИ 2166079).

Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что на дробимость гранул проппантов (прочность) и, как следствие, на их пропускную способность (проницаемость для нефти и газа) оказыва

- 1 006953 ет существенное влияние содержание в используемом для их изготовления сырье двуокиси калия К₂О, а именно, чем оно выше, тем ниже прочность гранул и наоборот.

Как показано в настоящем описании далее, от содержания именно этого окисла в исходном каолине в значительной степени зависит прочность изготавливаемых из него гранул. При равном содержании оксида алюминия прочность будет выше у тех гранул, которые изготовлены из каолина с более низким содержанием К₂О. Более того, гранулы, изготовленные из каолина с более низким содержанием А1₂О₃ , но с низким содержанием К₂О, оказываются прочнее гранул, изготовленных из каолина с более высоким содержание А12О3, но с высоким содержанием К2О.

Авторами изобретения установлены и количественные значения «низкого» содержания К₂О, при которых проявляется обнаруженный эффект: менее 0,2 вес.%, предпочтительно менее 0,15 вес.% и наиболее предпочтительно от 0,05 до 0,1 вес.%.

Указанные значения существенно ниже тех, которые характерны для каолинов, предлагавшихся для применения в известном уровне техники. Так, в патентах КП 2140874 и КП 2140875 предлагается использовать каолин с содержанием К₂О - 0,8-0,9%, в патенте Ки 2215712 каолин с содержанием К₂О 0,45-0,91%.

Краткое изложение изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются проппанты, представляющие собой спеченные, по существу сферические гранулы, изготовленные из каолина с низким содержанием К2О - менее 0,2 вес.%, преимущественно менее 0,15 вес.% и наиболее предпочтительно от 0,05 до 0,1 вес.%.

Изобретение охватывает также проппанты, изготовленные из смеси каолинов и боксита, причем каолин имеет низкое содержание К2О в указанных выше пределах, при этом сохраняется преимущество использования каолина с низким содержанием К₂О - получение более прочных и проницаемых гранул.

Другим аспектом настоящего изобретения является способ изготовления проппантов, при котором в качестве исходного материала используется каолин с низким содержанием К2О или смесь каолинов с бокситом, в которой каолин имеет низкое содержание К₂О.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ расклинивания (удержания от смыкания) трещин в нефтяных и газовых скважинах с использованием гранул проппанта, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана зависимость между содержанием К₂О в различных каолинах и прочностью изготовленных из них спеченных гранул.

На фиг. 2 показана для сравнения картина распределения значений прочности тех же самых гранул в зависимости от содержания в каолинах А12О3.

Подробное описание изобретения

Расклинивающий агент в соответствии с настоящим изобретением имеет вид твердых, по существу сферических (имеющих среднее отношение минимального диаметра к максимальному от 0,7 и выше) гранул, изготовленных из каолина или из смеси каолина и боксита, удовлетворяющих условию низкого содержания К₂О (менее 0,2 вес.%) в каолине.

Каолины - глинистые горные породы осадочного происхождения, состоящие в основном из минерала - каолинита (химическая формула А1₂О₃-281О₂-2Н₂О).

Каолин имеет обычно содержание оксида алюминия менее, чем ориентировочно 50 %, а содержание диоксида кремния больше, чем ориентировочно 45%. Все приведенные здесь значения содержания даны в пересчете на сухой вес полностью прокаленного материала.

Могут быть использованы различные способы изготовления гранул, однако, предпочтительным является способ, описанный в патенте США № 4427068 и предусматривающий использование смесителя Ешсй. Размолотый до размера частиц около 10 мкм, прошедший термическую обработку в целях дегидратации, каолин или смесь каолина и боксита перемешивают с небольшим количеством связующего и воды. Предпочтительным связующим является крахмал, однако, может быть использован и любой другой подходящий связующий материал, который надлежащим образом позволяет сохранить форму сырой гранулы и не оказывает вредного влияния на прочность обожженной гранулы.

Затем добавляют дополнительный порошок сухого размолотого каолина (каолина и боксита) и перемешивание продолжают, пока не образуются по существу сферические гранулы. Сырые гранулы затем обжигают (спекают) при температуре от 1100 до 1590°С в течение ориентировочно от 45 мин до 1 ч в барабанной печи.

Авторы изобретения изучали влияние содержания К₂О в каолине на прочность изготовленных из него спеченных гранул на примере различных каолиновых глин из штата Джорджия, США. Измерение прочности проводилось в соответствии с методикой, рекомендованной Американским нефтяным институтом (АР1).

В соответствии с этой методикой, слой гранул толщиной около 6 мм с испытуемой пробой помещают в полую цилиндрическую ячейку. Затем в ячейку вводят поршень. После этого к пробе прикладывают нагрузку при помощи поршня. Одна минута требуется для того, чтобы достичь максимальной нагрузки, которую затем сохраняют в течение двух минут. После этого нагрузку снимают, пробу извлекают

- 2 006953 из ячейки и просеивают для отделения дробленного материала. Его доля от веса исходной пробы и является показателем прочности: чем она выше, тем ниже прочность.

Далее изобретение будет описано со ссылками на примеры, не имеющие ограничительного характера.

Пример 1.

Для приготовления гранул использовался каолин следующего химического состава:

А1₂О₃ - 45,17, §ίϋ₂ - 52,65, Τίϋ₂ - 2,00, Ее₂О₃ - 0,81, СаО - 0,17, МдО - 0,12, Р₂О₅ - 0,06 и К₂О - 0,04. Кальцинированному каолину (прошедшему термическую обработку при температуре 500-1000°С) была придана форма сферических гранул гранулометрического состава 18/30, после чего гранулы были спечены при температуре около 1500°С. Спеченные гранулы имели гранулометрический состав 20/40. Приготовленные таким образом гранулы были подвергнуты прочностным испытаниям при нагрузке 7.500 ρδΐ (7,5 к) по описанной выше методике АР1. Полученное значение равно 4,0.

Примеры 2-16.

Аналогичным образом изготавливались и испытывались на прочность гранулы из каолинов иного химического состава.

Полученные данные о прочности гранул при нагрузке 7.500 ρδΐ (7,5 к) и сведения о химическом составе исследованных каолиновых глин представлены в табл. 1.

Таблица 1

Пример 1 2 3 4 5 6 7 8	А1₂Оз 45.17 45.93 46.91 45.77 45.00 45.56 46.85 47.16	Ре₂О₃ 0.81 0.90 1.15 0.99 0.86 0.86 1.17 1.14	К₂О 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11	8Ю₂ 51.65 50.70 49.21 50.68 51.75 51.08 49.41 48.95	СаО 0.17 0.15 0.26 0.20 0.16 0.11 0.03 0.20	МдО 0.12 0.10 0.14 0.10 0.08 0.07 0.04 0.12	Р₂О₅ 0.06 0.06 0.06 0.03 0.06 0.05 0.06 0.06	Т1О₂ 2.00 2.11 2.22 2.16 2.02 2.17 2.34 2.25	7.5К 4.0 4.5 4.3 4.0 4.4 4.0 4.1 4.4
9	46.26	0.96	0.12	50.11	0.09	0.07	0.05	2.33	4.6
10	45.78	1.19	0.13	50.59	0.09	0.11	0.05	2.07	4.7
11	47.07	1.21	0.14	49.08	0.16	0.11	0.06	2.17	4.5
12	45.48	1.13	0.15	50.89	0.10	0.10	0.06	2.10	4.9
13	44.84	1.22	0.16	59.19	0.12	0.09	0.06	2.31	5.2
14	46.50	1.27	0.18	49.36	0.10	0.07	0.06	2.46	5.8
15	46.63	1.24	0.19	49.26	0.10	0.07	0.06	2.45	7.1
16	47.71	1.47	0.21	48.15	0.14	0.11	0.08	2.14	6.0

Как видно из представленных в табл. 1 данных, существует четкая закономерность: чем ниже содержание К₂О в каолине, тем меньше дробимость гранул, то есть тем выше их прочность. Эта четкая зависимость представлена на фиг. 1: при значениях К₂О, равном 0,05 %, прочность максимальна, при увеличении содержания К₂О в пределах 0,05-0,15 % прочность сохраняется на уровне, близком к максимальному, и при значении содержания К2О 0,2% и выше намечается значительное снижение прочности гранул.

В то же время оказалось, что между содержанием А1₂О₃ и прочностью гранул такой зависимости обнаружено не было (в интервале содержания А1₂О₃ от 44,5 до 48%), что и иллюстрирует фиг. 2.

Это означает, что ориентация на значение содержания оксида алюминия в каолине как единственный показатель прочности гранул, может оказаться ошибочной, следует учитывать как не менее важный параметр, и содержание в сырье К2О.

Выявленные закономерности зависимости прочности гранул от содержания К₂О в сырье были подтверждены и в отношении гранул, изготовленных из смеси каолина и бокситов.

Пример 17.

Были изготовлены в лабораторных условиях гранулы из смеси каолина А (85%) и боксита С (15%). Данные о химическом составе использовавшихся в данном и последующих примерах каолинов и бокситов приведены в табл. 2. Гранулы были подвергнуты прочностным испытаниям аналогично примерам 116, но при нагрузке 10.000 ρδΐ (10 К). Полученный показатель прочности 8,4. Содержание К₂О в каолине А 0,11%.

Примеры 18-22.

Изготавливались и испытывались на прочность гранулы, изготовленные из смеси каолинов (А и В) с бокситами (С, Ό, Е) при различных соотношениях в исходном сырье. Результаты сведены в табл. 3.

Как следует из представленных в ней данных, при практически одинаковом суммарном содержании А1₂О₃, прочность гранул, изготовленных из смеси каолина и боксита, в 1,4 раза (для смеси каолинов с бокситом Е) и в 1,7 раза (для смеси каолинов с бокситом С) выше при использовании каолина с низким содержанием К₂О (каолин А) по сравнению с каолином с более высоким содержанием К₂О (каолин В).

- 3 006953

Таблица 2

Материал	ΑΙ2Ο3	5ΪΟ2	ТЮ2	Ее2ОЗ	К2О	СаО	МдО
Каолин А	44,78	52,64	1,40	0,81	0,11	0,16	0,05
Каолин В	41,55	55,57	1,06	1,14	0,40	0,16	0,13
Боксит С	89,65	5,44	3,58	1,07	0,09	0,07	0,10
Боксит ϋ	75,80	14,04	4,45	5,03	0,32	0,19	0,17
Боксит Е	75,00	17,90	4,23	2,10	0,36	0,15	0,21

Таблица 3

Примеры		Продукт	Объемная плотность г/сс	АВС	ЮК вес %	ΑΙ2Ο3	8Ю2	ТЮ2	Ее2ОЗ	К2О	СаО	МдО
Смеси каолинов А и В с бокситом С
17	85% каолин А + 15% боксит С	20/40	1,51	2,77	8,4	52,03	44,66	1,74	1,08	0,08	0,12	0,07
18	79 % каолин В + 21% боксит С	20/40	1,45	2,70 I	14,0	52,44	44,03	1,69	1,23	0,34	0,15	0,13
	Смеси каолинов А и В с бокситом ϋ
19	76,9% каолин А + 23,1% боксит ϋ	20/40	1,53	2,82	9,1	52,01	43,52	2,07	1,97	0,17	0,17	0,09
20	68,4 % каолин В + 31,6% боксит ϋ	20/40	1,51	2,81	9,9	52,20	43,17	1,67	1,75	0,50	0,53	0,18
	Смеси каолинов А и В с бокситом Е
21	73,5% каолин А + 26,5% боксит Е	20/40	1,54	2,82	10,1	52,22	43,80	2,06	1,46	0,21	0,16	0,09
22	65,2% каолин В + 34,8% боксит Е	20/40	1,50	2,76	14,0	52,24	43,26	2,07	1,68	0,45	0,16	0,14

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно очевидно, что специалистами в данной области могут быть внесены в него эквивалентные изменения и дополнения, которые не выходят за рамки приведенной далее формулы изобретения. Так, представленные в примерах соотношения содержания каолина и боксита в смеси никак не ограничивают указанными в них значениями объем изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Агент для расклинивания трещин в подземной формации, представляющий собой спеченные, по существу сферические гранулы, изготовленные из каолина, причем каолин содержит К₂О в количестве менее 0,2 вес.%.
2. Агент для расклинивания трещин по п.1, изготовленный из каолина, у которого содержание К₂О составляет менее 0,15 вес.%.
3. Агент для расклинивания трещин по п.1, изготовленный из каолина, у которого содержание К₂О составляет от 0,05 до 0,10 вес.%.
4. Способ изготовления агента для расклинивания трещин в подземной формации, включающий в себя следующие этапы:

а) термическую обработку предварительно измельченного алюмосиликатного сырья, обеспечивающую его дегидратацию;

б) перемешивание прошедшего термическую обработку алюмосиликатного сырья со связующим и водой;

в) образование из указанной смеси, по существу, сферических гранул; и

г) спекание полученных гранул, причем в качестве исходного сырья используют каолин с содержанием К2О менее 0,2 вес.%.
5. Способ по п.4, в котором используют каолин с содержанием К₂О менее 0,15 вес.%.
6. Способ по п.4, в котором используют каолин с содержанием К₂О от 0,05 до 0,10 вес.%.
7. Способ удержания от смыкания трещины в подземной формации, образованной путем гидравлического разрыва, заключающийся в нагнетании в указанную трещину флюида, содержащего спеченные, по существу, сферические гранулы, изготовленные из каолина с содержанием К₂О менее 0,2 вес.%, предпочтительно менее 0,15 вес.%, наиболее предпочтительно от 0,05 до 0,10 вес.%.

- 4 006953
8. Агент для расклинивания трещин в подземной формации, в частности в нефтяных и газовых пластах, представляющий собой спеченные, по существу, сферические гранулы, изготовленные из смеси каолина и боксита, причем каолин содержит К₂О в количестве менее 0,2 вес.%.
9. Агент для расклинивания трещин по п.8, причем каолин содержит К₂О в количестве менее 0,2 вес.%.
10. Агент для расклинивания трещин по п.8, причем каолин содержит К₂О в количестве от 0,05 до 0,1 вес.%.
11. Способ изготовления агента для расклинивания трещин в подземной формации, включающий в себя следующие этапы:

а) термическую обработку предварительно измельченного алюмосиликатного сырья, обеспечивающую его дегидратацию;

б) перемешивание прошедшего термическую обработку алюмосиликатного сырья со связующим и водой;

в) образование из указанной смеси, по существу, сферических гранул; и

г) спекание полученных гранул, причем в качестве исходного сырья используют смесь каолина и боксита, при этом содержание К₂О в каолине менее 0,2 вес.%.
12. Способ по п.11, в котором используют каолин с содержанием К₂О менее 0,15 вес.%.
13. Способ по п.11, в котором используют каолин с содержанием К₂О от 0,05 до 0,10 вес.%.
14. Способ удержания от смыкания трещины в подземной формации, образованной путем гидравлического разрыва, заключающийся в нагнетании в указанную трещину флюида, содержащего спеченные, по существу, сферические гранулы, изготовленные из смеси каолина и боксита, причем каолин содержит К₂О в количестве менее 0,2 вес.%, предпочтительно менее 0,15 вес.%, наиболее предпочтительно от 0,05 до 0,10 вес.%.
15. Способ по п.14, при котором подземная формация представляет собой нефтяной или газовый пласт.