EA024901B1

EA024901B1 - Состав и способ получения керамического расклинивающего агента

Info

Publication number: EA024901B1
Application number: EA201400789A
Authority: EA
Inventors: Алексей Владимирович БАЛАШОВ
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Ника-Петротэк"
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2016-10-31
Also published as: EA024901B9; EA201400789A1

Abstract

Изобретение направлено на получение керамического расклинивающего агента (частиц пропанта) с высокими эксплуатационными характеристиками и низкой себестоимостью. Указанная задача достигается тем, что способ получения расклинивающего агента включает помол шихты, гранулирование шихты и ее обжиг. Для обеспечения достаточной минимальной прочности материала и максимальной производительности при помоле температуру предварительного дегидрационного обжига дунита производят не менее 700 и не более 1150°C, а в качестве шихты используют природный высококремнеземистый песок в количестве 70-100% от массы смеси и оливин или дунит в количестве 0-30%. Высококремнеземистый песок весь либо частично обрабатывают при температуре выше 900°C. Указанная задача также решается тем, что керамический расклинивающий агент получен указанным выше способом.

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технологии изготовления керамических расклинивающих агентов, предназначенных для использования при добыче нефти или газа методом гидравлического разрыва пласта (ГРП).

Гидравлический разрыв является процессом нагнетания жидкостей в нефтеносный или газоносный подземный пласт при достаточно высоких скоростях и давлениях с целью образования в пласте трещин, увеличивающих поток текучих сред из нефтяного или газового резервуара в скважину. Для сохранения трещин в разомкнутом состоянии в них вводят механически прочные, не взаимодействующие со скважинной жидкостью расклинивающие агенты - сфероподобные гранулы (пропанты), которые, проникая с жидкостью в трещину и, по меньшей мере, частично заполняя ее, создают прочный расклинивающий каркас, проницаемый для нефти и газа, выделяемых из пласта. Пропанты - искусственно созданные гранулы, должны противостоять не только высокому пластовому давлению, стремящемуся деформировать частицы пропанта, что приводит к неизбежному смыканию трещины, но и выдерживанию действия агрессивной скважинной среды (влага, кислые газы, солевые растворы) при высоких температурах.

Известно несколько технических решений для получения расклинивающих агентов, а именно, расклинивающий пропант (патент US № 5188175), представляющий собой керамические гранулы сферической формы из спеченной каолиновой глины, содержащей оксиды алюминия, кремния, железа и титана, причем оксиды в данных гранулах присутствуют в следующих соотношениях, мас.%: оксида алюминия 25-40, оксида кремния - 50-65, оксида железа - 1,6 и оксида титана - 2,6.

Известны также (патент US № 4944905) двухслойные пропанты, внутренняя часть которых состоит из алюмосиликатного вещества, отличающегося достаточно низкой температурой плавления, а периферийная часть с высокой концентрацией оксида алюминия содержит глинозем. В качестве вещества с низкой температурой плавления и способного образовывать при охлаждении стеклофазу предложено использовать нефелиновые сиениты.

При получении указанных видов пропантов вначале проводят грануляцию смеси предварительно обожженного нефелинового сиенита и мелкодисперсного глинозема при добавлении воды и связующего компонента. После сушки полученные гранулы перемешивают с мелкодисперсным глиноземом для предотвращения при последующем обжиге спекания гранул между собой и припекания к стенкам обжиговой печи. Обжиг во вращающейся печи проводят при температуре, близкой к температуре плавления нефелинового сиенита. После данного обжига гранулы обдувают в потоке воздуха для удаления неспекшегося глинозема. Затем проводят повторный обжиг во вращающейся печи при более высокой температуре при повторном добавлении глинозема. Во время этого повторного обжига образуется более толстый поверхностный слой глинозема, который должен обеспечить достаточную прочность полученных пропантов.

Недостатком известного технического решения является сложная многоступенчатая технология производства пропантов с двумя энергоемкими процессами обжига гранул во вращающейся печи, что значительно увеличивает себестоимость и трудоемкость изготовления пропанта.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату является способ изготовления кремнеземистого пропанта нефтяных скважин и пропант (патент RU № 2445339).

Природный высококремнеземистый песок или его смесь с кварцитом с содержанием последнего 1-25% измельчают, гранулируют и обжигают при температуре 1120-1300°C. Кремнеземистый пропант, полученный вышеуказанным способом, имеет содержание кристобалита в обожженных гранулах не превышающее 10 об.%.

Недостатком известного способа и полученного по нему продукта является то, что пропант имеет пониженные значения прочности. Это приводит к снижению проводимости слоя пропантов при повышенных давлениях.

Получение расклинивающих агентов в основном осуществляют путем переработки исходного сырья, в качестве которого могут быть использованы кварцевый песок, бокситы, каолины, оксиды алюминия, различные алюмосиликатные виды сырья. Прочность агента может быть повышена с помощью введения дунита. Запасы магнезиальносиликатного сырья в Уральском регионе практически безграничны. Дунито-серпентинитовый пояс, являющийся основным представителем этого сырья, прослеживается от Полярного до Южного Урала. Дуниты (преимущественно Нижнетагильского, Шоржинского и Иовского месторождений) представляют собой магнийсиликатную породу, содержащую в основном оливин 2(Mg, Fe) - SiO₄ и серпентин 3MgO - 2SiO₂ - 2H₂O с примесями оксидов железа, хрома и алюминия. Практический интерес представляют кытлымские дуниты, содержащие только 1-3% химически связанной воды, что позволяет их использовать в необожженном виде. К одной из разновидностей дунитов относятся и оливины, отличающиеся от дунитов наименьшим содержанием серпентина.

Задача изобретения состоит в получении керамического расклинивающего агента (частиц пропанта) с высокими эксплуатационными характеристиками и низкой себестоимостью.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения расклинивающего агента, включающем помол шихты, гранулирование шихты и ее обжиг, производят предварительный дегидратационный обжиг дунита при температуре не менее 700 и не более 1150°C, а в качестве шихты используют природный высококремнеземистый песок в количестве 70-100% от массы смеси и оливин или дунит в коли

- 1 024901 честве 0-30%.

Указанная задача также решается тем, что керамический расклинивающий агент получен указанным выше способом.

Повышение прочности расклинивающего агента достигается за счет введения дунита (оливина) в шихту, образования при обжиге готовых агентов (пропантов) наряду с кварцем, других кристаллических фаз - энстатитов и магнезиоферритов.

Для того чтобы снизить усадку во время обжига готовых расклинивающих агентов (пропантов), проводят предварительный дегидратационный обжиг дунита (оливина) при температурах от 900-1100°C. При обжиге при температурах менее 900°C не происходит полной дегидратации, при температурах более 1100°C находящийся в дуните фаялит взаимодействует с MgO с образованием магнезиоферрита.

В связи с тем, что дуниты представляют собой смесь оливинов [(Mg,Fe)₂SiO₄] и серпентинитов [3(Mg,Fe)O^x4SiO2^x2H2O], то они имеют большие потери при прокаливании - до 15%.

При первичном обжиге дунита происходит термический распад серпентинитов и оливинов с образованием форстерита и энстатитов и удаление химически связанной влаги, а именно:

(Mg_n1,Fe_m1)2SiO4 (Mg_n2,Fe_m2)2SiO4 + (Mg.._;.Fem_;)_;SiO_;.

где n₁+m₁=n₂+m₂=n₃+m₃=1, щ<п₂, a mj>m₂;

3MgO-2SiO2-2H2O 2MgO-SiO2 + MgO-SiO2 + 2H2O

3MgO-4SiO2-2H2O 3(MgO-SiO2) + SiO2 + 2H2O.

Оксид железа FeO переходит в Fe₂O₃.

Термический распад серпентинита начинается при температурах более 700°C, с повышением температуры процесс интенсифицируется. Материал при этом разрыхляется, что позволяет повысить производительность при помоле.

При повышении температуры предварительного обжига выше 1150°C начинается реакция взаимодействия форстерита с оксидом железа (III) с образование энстатитов и магнезиоферрита.

Mg₂SiO₄ + Fe₂O₃ MgO-SiO₂ + MgO-Fe₂O₃.

Также при этом начинается кристаллизация форстерита и энстатитов, что приводит к увеличению прочности материала.

Для того чтобы обеспечить достаточную минимальную прочность материала, обеспечивающую максимальную производительность при помоле, температуру первичного обжига выбрали в диапазоне температур 900-1100°C.

Кварцевый песок используемый в шихте, предварительно просушивается, затем термообрабатывается при температурах выше 900°C. При этом происходит образование модификации кварца α-тридимит со значительным объемным коэффициентом превращения. Кристаллическая решетка кварца разрыхляется, и прочность значительно снижается. Предварительная термообработка кварцевого песка позволяет повысить производительность на стадии помола на 20-30%.

Технологическая схема производства керамического расклинивающего агента:

Предварительно обожженный дунит и кварцевый песок (просушенный или термообработанный) измельчается совместно или раздельно на помольных агрегатах до гранулометрического состава менее 40 мкм. Тонкомолотый материал гранулируется до необходимого фракционного состава, высушивается и обжигается во вращающейся печи при температуре 1200-1250°C.

Во время обжига происходит взаимодействие форстерита, оксида железа и оксида кремния с образованием кристаллической решетки энстатита с внедренным в нее магнезиоферритом:

Mg₂SiO₄ + SiO₂ 2MgOxSiO₂,

Mg₂SiO₄ + Fe₂O₃ MgOxSiO₂ + MgOxFe₂O₃.

Ниже приведена таблица свойств расклинивающего агента, изготовленного различными способами.

№	Состав	Температура термической обработки	Температу ра обжига	Насыпной вес материала	Разрушаемость при 10000 PSI	Растворимость в кислых средах
1	Дунит 30% Песок 70%	900 °C Не обработан	1250 °C	1,38 г/см³	14,3 %	7,84%
2	Дунит 30% Песок 70%	1050 °C Не обработан	1250 °C	1,40 г/см³	9,4 %	6,42%
3	Дунит 30% Песок 70%	1200 С Не обработан	1250“С	1,44 г/см³	18,4%	6.77%
4	Дунит 30% Песок 70%	1000 °C 1000 °C	1230 °C	1,37 г/см³	7,9 %	5,82%
5	Дунит 20% Песок 80%	1000 °C 1000 С	1230 °C	1,34 г/см³	8,7 %	4,06%
6	Дунит 10% Песок 90%	1000 °C 1000 °C	1230 °C	1,27 г/см³	11,2%	3,74%
7	Дунит 20% Песок 80%	1000С 1100 °C	1230 °C	1,32 г/см³	8,2 %	3,86%

- 2 024901

Как видно из результатов экспериментов, керамический расклинивающий агент, полученный указанным способом, обладает повышенными прочностными характеристиками. Кроме того, расклинивающий агент из-за отсутствия несвязанных основных оксидов обладает высокой кислотостойкостью.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения керамического расклинивающего агента, включающий помол шихты, гранулирование шихты и ее обжиг, отличающийся тем, что в качестве шихты используют дунит в сочетании с высококремнеземистым песком при следующем соотношении, мас.%: дунит 10-30, высококремнеземистый песок 70-90; причем проводят предварительный дегидратационный обжиг дунита при температуре не менее 700 и не более 1150°C, а высококремнеземистый песок весь либо частично предварительно обрабатывают при температуре выше 900°C.

Евразийская патентная организация, ЕАПВ

Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2