EA036221B1

EA036221B1 - Способ получения керамического расклинивающего агента на основе магнезиального материала

Info

Publication number: EA036221B1
Application number: EA201890214A
Authority: EA
Inventors: Алексей Владимирович БАЛАШОВ; Павел Геннадьевич РУСИНОВ; Дмитрий Иванович Баламыгин
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Ника Петротэк"
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2020-10-15
Also published as: EA201890214A1

Abstract

Изобретение направлено на получении керамического расклинивающего агента с высокими эксплуатационными характеристиками, а именно повышение прочности расклинивающих агентов, полученных указанным способом, при низкой себестоимости. В способе получения расклинивающего агента на основе магнезиального материала и кварцевого песка, включающего помол шихты, гранулирование шихты и ее обжиг, в качестве магнезиального материала используют серпентиниты с включением криптокристаллического магнезита (MgCO3) в количестве 1-10%, а дегидратационный обжиг производят при температуре 750-800С. В качестве магнезиального компонента используют серпентинитовые породы месторождений криптокристаллического магнезита (MgCO3), например серпентинито-магнезитовое сырье Халиловского месторождения. Керамический расклинивающий агент, полученный указанным 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 (проппанты), 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. Проппанты - искусственно созданные гранулы должны противостоять не только высокому пластовому давлению, стремящемуся деформировать частицы проппанта, 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, например, в патенте RU №2235703 описан способ получения керамических расклинивающих наполнителей, основанных на магний-силикатном материале с содержанием форстерита от 55 до 80% мас./мас. Исходный материал измельчают, гранулируют и обжигают при температуре от 1150 до 1350°С.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ изготовления магнийсиликатного проппанта и проппант по патенту RU №2463329, включающий подготовку исходных компонентов шихты, их помол с комплексной спекающей добавкой до фракции менее 30 мкм, гранулирование шихты, обжиг и рассев обожженных гранул. В качестве указанной добавки используют смесь брусита, колеманита, кремнефтористого натрия и фаялита в количестве 0,4-3,0% от массы шихты на основе магнийсиликатного сырья, при следующем их соотношении, % от массы шихты: брусит 0,1-1,0, колеманит 0,1-0,6, кремнефтористый натрий 0,1-0,4, фаялит 0,1-1,0, при общем содержании MgO в шихте - 19-48 мас.%. Причем обжиг осуществляют при температуре 1150-1220°С, а в качестве основного компонента шихты используют природное магнийсиликатное сырье - серпентинит; оливинит, дунит как самостоятельно, так и в виде смеси с природным кварц полевошпатным песком.

Проппант, полученный указанным способом, имеет насыпной вес 1,52-1,7 г/см в зависимости от содержания MgO в шихте, имеет недостаточную прочность материала, отчасти обусловленную тем, что при грануляции шихты, измельченной до фракции менее 30 мкм, не удается значительно уплотнить гранулу проппанта - сырца. Вследствие чего после обжига гранулы проппанта содержат избыточное количество пор. Например, насыпной вес проппанта, содержащего 24-28 мас.% MgO, составляет 1,56-1,58 г/см³.

Недостатком известного способа и полученного по нему продукта является то, что из-за очень узкого диапазона спекания (ΔΤ макс, от 10 до 20°С) изготовление таких расклинивающих агентов является сложным, трудоемким и дорогим. Кроме того, это приводит к росту кристаллов метасиликата магния и фазовому превращению во время процесса охлаждения, что также снижает качество получаемого расклинивающего наполнителя, поэтому полученный, по указанному способу, проппант имеет пониженные значения прочности. Как следствие это приводит к снижению проводимости слоя проппантов при повышенных давлениях. Также узкий интервал спекания усложняет технологический процесс обжига в промышленных вращающихся печах.

Задача изобретения заключается в получении керамического расклинивающего агента с высокими эксплуатационными характеристиками, а именно повышение прочности расклинивающих агентов, полученных указанным способом при низкой себестоимости.

Технический результат заключается в совмещении процессов разложения магнезита и дегидратации серпентинита.

Поставленная задача достигается тем, в способе получения расклинивающего агента на основе магнезиального материала и кварцевого песка, включающего помол шихты, гранулирование шихты и ее обжиг, в качестве магнезиального материала используют серпентиниты с включением криптокристаллического магнезита (MgCO₃) в количестве 1-10%, а дегидратационный обжиг производят при температуре 750-800°С.

В качестве магнезиального компонента используют серпентинитовые породы месторождений криптокристаллического магнезита (MgCO₃), например серпентинито-магнезитовое сырье Халиловского месторождения. Отличительной особенностью серпентенитовых вмещающих пород месторождений криптокристаллического магнезита (MgCO₃) является наличие примеси криптокристаллического магнезита (MgCO₃) в количестве от 1 до 10% и микротрещиноватая структура минерала.

В табл. 1 приведены примеры полученных результатов лабораторных исследований.

В табл. 2 приведены данные по выпуску на месторождениях Баденовского массива и Халиловского.

На графике представлена дериватограмма серпентенито-магнезиального сырья Халиловского месторождения, на котором зеленым цветом указана ТГ-термогравиметрия (изменение массы при нагревании), а синим цветом отображена ДСК - дифференциальная сканирующая калометрия (разность тепло- 1 036221 вых потоков между образцом и эталоном).

Известно, что, например, типичный химический состав серпентинито-магнезитового сырья Халиловского месторождения в пересчете на прокалённое вещество составляет, мас.%:

MgO 41,7 - 54,4%

SiO₂ 36,2-42,3%

Fe₂O₃ 5,7-8,1%

СаО 0,6-2,3%

А1₂0з 0,4-1,1%

Потери при прокаливании при 950 °C 14,5-19,8%

Проведение дериватографических исследований серпентинито-магнезитового сырья Халиловского месторождения, которые представлены на графике (фиг. 1) показало, что дегидратация серпентинита происходит при температурах 570-670°С. Потери массы, связанные с разложением магнезита (MgCO₃), накладываются на дегидратацию серпентинов (600-700°С), это означает, что оба процесса происходят одновременно. При температуре 820°С наблюдается экзотермический эффект, связанный с окислением FeO до Fe₂O₃

При термообработке серпентинито-магнезитового сырья при температурах 700-800°С присутствующий в сырье криптокристаллический магнезит (MgCO₃) разлагается на MgO и СО₂, при этом в отличие от кристаллического магнезита (MgCO₃) не образуются зернистые агрегаты, a MgO остается в виде отдельных частиц, вследствие чего является более активным при последующих реакциях. Кроме того, полученный после термообработки материал отличается низкой прочностью.

В результате проведенных исследований авторами обнаружено, что дегидратационный обжиг серпентинито-магнезитового сырья Халиловского месторождения целесообразно проводить при более низких температурах, чем других видов серпентинитового и магнезитового сырья, например серпентинита Беденского массива.

Это связано с тем, что при обжиге (в лабораторных условиях) серпентинит с содержанием магнезита (MgCO₃) достаточно нагреть до температуры 700-730°С, при этом оксид железа FeO остается в виде твердого раствора оксидов магния и оксидов железа MgO-FeO. Серпентенит приходилось нагревать до более высокой температуры 820-850°С, однако при этом уже происходит реакция окисления FeO.

Повышение прочности расклинивающего агента достигается за счет того, что при обжиге во вращающейся печи готовых агентов (проппантов) в окислительной атмосфере, оксид магния быстрее взаимодействует с оксидом кремния, процесс происходит более полно, и отсутствует остаточный кварц, причем, наличие FeO ускоряет реакцию образования магнезиоферрита внедренного в решётку энстатита, а именно:

MgO+Si0₂ -+ Mg₂SiO₄

Mg₂SiO₄ + SiO₂ —> 2MgO*SiO₂

2Mg₂SiO₄ +4FeO +O₂^> 2MgO*SiO₂+ 2MgO*Fe₂O₃

Примеры осуществления изобретения.

С целью апробирования и подтверждения вышеуказанных доводов для реализации технического решения были изготовлены лабораторные образцы и произведен выпуск опытно-промышленной партии расклинивающих агентов в количестве 2,5 тыс.т.

При изготовлении указанных лабораторных проб серпентинито-магнезитовое сырье проходило предварительную термообработку в лабораторной высокотемпературной печи при температурах 750 и 850°С, кварцевый песок сушили в сушильном шкафу СНОЛ - 3,5.3,5.3,5/3,5, при температуре около 100°С до остаточной влажности не более 2%, глину сушили при температуре около 100°С до остаточной влажности 8-10%. Совместный помол магнезиальносодержащего материала с кварцевым песком и глиной производили в лабораторной шаровой мельнице до фракции менее 40 мкм, полученную смесь гранулировали на лабораторном тарельчатом грануляторе, затем обжигали в лабораторной печи Nabertherm НТ 16/18 при температурах 1350-1450°С. У полученных проппантов определяли насыпную плотность и сопротивление раздавливанию в соответствии с ISO 13503-2.

Пример 1. (сравнительный). В качестве серпентинито-магненезитового сырья использовали серпентинит Баденовского месторождения (Карачаево-Черкесская Республика) термообработанный при 750°С. Смесь термообработанного серпентинита, просушенных кварцевого песка и монтмориллонитовой глины для связки в соотношениях 63% : 33% : 4% смололи в мельнице, затем сгранулировали и рассеяли на различные фракции. Фракцию 16/20 (0,85-1,18 мм) обожгли при температурах 1400°С, 1420°С, 1430°С, 1440°С.

Пример 2. (сравнительный). В качестве серпентинито-магненезитового сырья использовали серпентинит Баденовского месторождения (Карачаево-Черкесская Республика) термообработанный при 850°С. Смесь термообработанного серпентинита, просушенных кварцевого песка и монтмориллонитовой глины для связки в соотношениях 63% : 33% : 4% смололи в мельнице, затем сгранулировали и рассеяли на различные фракции. Фракцию 16/20 (0,85-1,18 мм) обожгли при температурах 1400°С, 1420°С, 1430°С,

- 2 036221

1440°С.

Пример 3. В качестве серпентинито-магненезитового сырья использовали серпентинитомагнезит Халиловского месторождения с низким содержанием криптокристаллического магнезита (MgCO₃) (около 2%), термообработанный при 750°С. Смесь термообработанного серпентинита, просушенных кварцевого песка и монтмориллонитовой глины для связки в соотношениях 63% : 33% : 4% смололи в мельнице, затем сгранулировали и рассеяли на различные фракции. Фракцию 16/20 (0,85-1,18 мм) обожгли при температурах 1400°С, 1420°С, 1430°С, 1440°С.

Пример 4. В качестве серпентинито-магненезитового сырья использовали серпентинитомагнезит Халиловского месторождения со средним содержанием криптокристаллического магнезита (MgCO₃) (около 7%), термообработанный при 750°С. Смесь термообработанного серпентинита, просушенных кварцевого песка и монтмориллонитовой глины для связки в соотношениях 55% : 41% : 4% смололи в мельнице, затем сгранулировали и рассеяли на различные фракции. Фракцию 16/20 (0,85-1,18 мм) обожгли при температурах 1400°С, 1420°С, 1430°С, 1440°С.

Пример 5. В качестве серпентинито-магненезитового сырья использовали серпентинитомагнезит Халиловского месторождения со средним содержанием криптокристаллического магнезита (MgCO₃) (около 7%), термообработанный при 750°С. Смесь термообработанного серпентинита, просушенных кварцевого песка и монтмориллонитовой глины для связки в соотношениях 60% : 36% : 4% смололи в мельнице, затем сгранулировали и рассеяли на различные фракции. Фракцию 16/20 (0,85-1,18 мм) обожгли при температурах 1380°С, 1400°С, 1410°С, 1420°С, 1440°С.

Пример 6. В качестве серпентинито-магненезитового сырья использовали серпентинитомагнезит Халиловского месторождения со средним содержанием криптокристаллического магнезита (MgCO3) (около 7%), термообработанный при 750°С. Смесь термообработанного серпентинита, просушенных кварцевого песка и монтмориллонитовой глины для связки в соотношениях 65% : 31% : 4% смололи в мельнице, затем сгранулировали и рассеяли на различные фракции. Фракцию 16/20 (0,85-1,18 мм) обожгли при температурах 1380°С, 1400°С, 1410°С, 1420°С, 1440°С.

Пример 7. В качестве серпентинито-магненезитового сырья использовали серпентинитомагнезит Халиловского месторождения со средним содержанием криптокристаллического магнезита (MgCO3) (около 7%), термообработанный при 850°С. Смесь термообработанного серпентинита, просушенных кварцевого песка и монтмориллонитовой глины для связки в соотношениях 60% : 36% : 4% смололи в мельнице, затем сгранулировали и рассеяли на различные фракции. Фракцию 16/20 (0,85-1,18 мм) обожгли при температурах 1380°С, 1400°С, 1420°С, 1430°С, 1440°С.

Пример 8. В качестве серпентинито-магненезитового сырья использовали серпентинитомагнезит Халиловского месторождения со высоким содержанием криптокристаллического магнезита (MgCO₃) (около 10%), термообработанный при 750°С. Смесь термообработанного серпентинита, просушенных кварцевого песка и монтмориллонитовой глины для связки в соотношениях 60% : 36% : 4% смололи в мельнице, затем сгранулировали и рассеяли на различные фракции. Фракцию 16/20 (0,85-1,18 мм) обожгли при температурах 1370°С, 1380°С, 1390°С, 1400°С, 1420°С.

Конкретные примеры, приведенные в данной заявке, и ссылка на конкретные варианты приведены только для иллюстрации принципов и применений данного изобретения. Были опробованы другие варианты, и дополнительные варианты использования, которые могут быть очевидными для специалистов в данной области после прочтения и понимания данного описания. Предполагается, что все такие варианты использования указанного способа также должны быть включены в объем данного изобретения. Поэтому должно быть понятно, что могут быть осуществлены многочисленные модификации иллюстративных вариантов воспроизведения, не выходя за суть и объем данного изобретения, как определено в формуле данного изобретения.

Выпуск опытно-промышленной партии был осуществлен в следующем порядке: серпентинитомагнезитовое сырье прокалили во вращающейся печи при температурах в зоне обжига 750-800°С.

Затем произвели совместный помол прокаленного полученного материала, просушенного кварцевого песка и монтмориллонитовой глины для связки в соотношениях (59-63%): (34-37%): (3-4%). Помол производили до фракции менее 40 мкм. При этом часовая производительность по сравнению с серийной технологией выросла в 1,5 раза.

Гранулирование производилось на тарельчатых грануляторах диаметром 3 м. Сушку производили в сушильном барабане при температуре 180-200°С.

Обжиг производился во вращающейся печи диаметром 3 м и длиной 51м, при температуре 13801410°С.

Данные по выпуску опытно-промышленной партии по сравнению с серийной технологией приведены в табл. 2.

Как видно из приведенных результатов сопротивление раздавливанию полученных по указанному способу расклинивающих агентов является ниже по отношению к сравниваемым (табл. 2), что указывает на повышение прочности расклинивающего агента, полученного из серпентенито-магнезитового сырья Халиловского месторождения.

- 3 036221

Таблица 1

	Образец 1 (для сравнения)	Образец 2 (для сравнения)	Образец 3	Образец 4	Образец 5	Образец 6	Образец 7	Образец 8
Магнезиальносодержащий материал	Серпентинит	Серпентинит	Серпенти нит с 2% магнезита (MgCO₃)	Серпентинит с 7% магнезита (MgCO₃)	Серпентинит с 7% магнезита (MgCO₃)	Серпентинит с 7% магнезита (MgCO₃)	Серпентинит с 7% магнезита (MgCO₃)	Серпентинит с 10% магнезита (MgCO₃)
Температура предварительной термообработки, °C	750	850	750	750	750	750	850	750
Химический состав магнезиальносодержащего материала, мас%
MgO	42,6	42,6	44,2	50,1	50,1	50,1	50,1	52,7
SiO2	42,1	42,1	40,8	37,9	37,9	37,9	37,9	36,6
Потери при прокаливании при 1000 °C	14,6	14,6	15,7	17,9	17,9	17,9	17,9	19,5
Состав сырьевой смеси, масс.%
Предварительно термообработанный магнезиальносодержащий материал	63	63	63	55	60	65	60	60
Кварцевый песок	33	33	33	41	36	31	36	36
Глина	4	4	4	4	4	4	4	4
Температура обжига ,°С	1430	1430	1420	1430	1410	1400	1430	1390
Насыпная плотность готового агента, фракции 16/20, г/см3	1,55	1,56	1,55	1,53	1,54	1,56	1,54	1,55
Сопротивление раздавливанию при давлении 68,9МПа, %	20,7	18,9	17,7	19,5	16,0	16,8	18,1	17,1

Таблица 2

Наименование	Опытнопромышленная партия на основе серпентенито магнезита Халиловского месторождения	Серийная продукция на основе серпентинита Веденского массива (для сравнения)
1. Предварительная термообработка серпентенита
1.1 Температура обжига, оС	750-800	900-1000
1.2 Потери при прокаливании после обжига, %	0-0,8	0-1,0
1.3 Водопоглощение	11-14%	4-8%
2. Совместный помол материалов
2.1 Содержание сырьевых компонентов,%
- обожжённый серпентинит	59-63	61-65
- кварцевый песок	34-37	32-35
- глина монтмориллонитовая	3-4	3-4
2.2 Среднечасовая производительность мельницы СМ2х10, т/ч	6,12	3,96
2.3 Остаток на сите 40 мкм, %	0,4-1,0	0,Ы,5
3. Грануляция и сушка
3.1. Насыпная плотность, г/см3	1,18-1,20	1,17-1,22
3.2 Влажность полуфабриката, %	0,2-0,8	0,4-1,0
4 Обжиг проппанта
4.1 Температура обжига, оС	1380-1400	1380-1450
4.2 Насыпная плотность готового проппанта, фракции 16/20, г/см3, средн ./(мин-макс)	1,55 (1,53-1,56)	1,56 (1,54-1,58)
4.3 Сопротивление раздавливанию при давлении 68,9МПа, %, средн./(минмакс)	18,3 (16,3-21,0)	20,2 (18,1-22,6)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения керамического расклинивающего агента на основе магнезиального материала и кварцевого песка, включающий помол шихты, содержащей магнезиальный материал и кварцевый песок, гранулирование шихты и ее обжиг, отличающийся тем, что в качестве магнезиального материала используют серпентиниты с включением криптокристаллического магнезита (MgCO₃) в количестве 110%, при этом проводят дополнительный дегидратационный обжиг сырья при температуре 750-800°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве магнезиального материала используют серпентинит-магнезитовое сырье Халиловского месторождения с включением криптокристаллического магнезита (MgCO₃) в количестве 1-10%, и полученный с использованием дегидратационного обжига сырья при температуре 750-800°С, при этом серпентинито-магнезит имеет следующий химический состав, мас.% в пересчете на прокаленное вещество:

MgO 41,7-54,4;

SiO2 36,2-42,3;

Fe2O3 5,7-8,1;

CaO 0,6-2,3;

Al₂O₃ 0,4-1,1.