Способ получения проппанта и проппант
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к производству проппантов, используемых в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти методом гидравлического разрыва пласта. Технический результат изобретения - увеличение прочности керамического проппанта и повышение его качества за счет нанесения смолянистого покрытия с введением разделяющей эмульсии. Проппант содержит керамические гранулы с покрытием, состоящим из новолачных смол с добавлением каталитического водного раствора уротропина и кремнийорганической эмульсии. Способ получения проппанта включает получение керамических гранул и их последующее покрытие. Гранулы нагревают до температуры 150-160°С, добавляют при постоянном перемешивании гранул сухую новолачную смолу и каталитический раствор уротропина двумя равными по разделению масс смолы и уротропина долями, а при достижении температуры каплепадения смолы 95-100°С вводят кремнийорганическую эмульсию в соотношении, мас.%:новолачная смола 5,0-8,0, водный 33% раствор уротропина 1,5-3,0, кремнийорганическая эмульсия 0,1-0,3, керамические гранулы остальное. Гранулы охлаждают. Кремнийорганическая эмульсия готовится в соотношении эмульсия-вода 1:10. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к производству проппантов, используемых в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти методом гидравлического разрыва пласта.
Гидравлический разрыв пласта является хорошо известным способом, используемым для повышения продуктивности пластов, производящих углеводородные флюиды. Разрывы имеют тенденцию закрываться в случае, если давление внутри пласта снижается. В связи с этим установилась практика “поддержания” разрывов открытыми, путем закачивания внутрь пласта расклинивающих агентов с жидкостью. Расклинивающие агенты в рассматриваемой области промышленности имеют обобщенное название “проппант”. В качестве проппанта используют крупный фракционированный песок или гравий, а также искусственные проппанты, представляющие собой керамические гранулы, полученные из каолиновых или бокситовых глин или смесей алюмосиликатного сырья.
Известен проппант, содержащий керамические гранулы сферической формы из спеченного сырья - каолиновой глины. Данный легкий керамический проппант обладает достаточной прочностью и легкостью для использования на небольших глубинах (п. РФ №2166079).
Важными свойствами искусственных проппантов является сферичность и круглость частиц, гомогеничность - однородность по размеру и форме. Благодаря наличию этих свойств обеспечивается лучшая проницаемость проппантовых сред и соответственно лучшая проводимость углеводородных флюидов через разрывы. Геометрическая стабильность искусственного проппанта сохраняется за счет высокой прочности, температурной и кислотной стойкости материала. Однако в условиях пластового давления (до 70 и более МПа), температуры (до 120°С) и кислотного воздействия частицы проппанта имеют тенденцию к разрушению на более мелкие крупинки, что может привести к усадке проппантового “тела”, снижению фильтрующей способности и проводимости разрывов и как следствие к снижению эффективности операции в целом.
При гидравлическом разрыве пласта с использованием расклинивающих агентов есть некоторые особенности поведения проппантов в различных средах, такие как миграция частиц внутри разрывов и вынос проппанта обратно потоками извлекаемых флюидов. Кроме того, наблюдается неоднородность потоков флюидов, представляющая собой изменение скорости тока флюидов через проницаемую проппантовую “подушку”.
Так как проппант находится в разрывах в состоянии взвеси, потоки с изменяющейся скоростью вызывают колебание (пульсацию) частиц, изменение расстояния между ними, сужение и расширение проводящего канала, что приводит к усилению турбулентности и вносит осложнения при измерении скорости потока флюидов и дебита скважины. Это явление стимулирует негативный эффект миграции проппанта внутри разрывов.
Известен также проппант, полученный на основе спеченного алюмосиликатного сырья в виде гранул с гидрофобным покрытием, выполненным путем нанесения его на гранулы (п. РФ №2180397).
Данное покрытие не дает значительного увеличения прочности и, находясь внутри пласта, не образует монолитного проппантового “тела” из-за низкого склеивающего эффекта.
Известен проппант с композитным покрытием (п. США №5597784). Покрытие состоит из внутреннего и внешнего слоя и армирующей субстанции, связывающей слои между собой. Для создания внутреннего и внешнего слоев используются смолы: резол и новолак. Покрытие наносится на песок и более дорогие виды проппанта.
Использование для покрытия песков и стеклянных шариков вызвано их невысокой стоимостью. Однако пески не обладают регулярной сферической формой в отличие от синтетических материалов, а стеклянные шарики не являются достаточно прочным материалом.
Известен способ получения проппанта, включающий получение керамических гранул и их последующее покрытие путем доведения гранул до температуры плавления смолы, последовательного добавления при постоянном перемешивании гранул сухой новолачной смолы, каталитического раствора уротропина и охлаждение гранул, выбранный заявителем в качестве прототипа (п. США №4888240).
Известен проппант, содержащий керамические гранулы с покрытием, состоящим из новолачных смол с добавлением в процессе покрытия водного раствора уротропина, выбранный заявителем в качестве прототипа (п. США №4888240).
Поверхностная оболочка из термостойкой смолы придает проппанту дополнительную прочность. Основным недостатком полученных гранул по данному патенту является их склеивание (агломерация) в процессе производства. Для механического разделения гранул (дезинтеграции) после просушивания требуется дополнительная операция. Причем механическая дезинтеграция ведет к появлению сколов и раковин на смолянистом слое гранул в местах склейки, что существенно снижает качество покрытия. Для выравнивания покрытия требуется дополнительное нанесение на поверхность смол и их субстанций.
Задачей изобретения является увеличение прочности керамического проппанта и повышение его качества за счет нанесения смолянистого покрытия с введением разделяющей эмульсии.
Способ получения проппанта, включающий получение керамических гранул и их последующее покрытие путем доведения гранул до температуры плавления смолы, последовательного добавления при постоянном перемешивании гранул сухой новолачной смолы и каталитического раствора уротропина и охлаждение гранул, согласно изобретению, после достижения’ температуры гранул 150-160°С вводят новолачную смолу и уротропин двумя равными по разделению масс смолы и уротропина долями, а при достижении температуры каплепадения смолы 95-100°С вводят кремнийорганическую эмульсию при следующем соотношении компонентов, мас.%:
новолачная смола 5,0-8,0
водный 33% раствор уротропина 1,5-3,0
кремнийорганическая эмульсия 0,1-0,3
керамические гранулы остальное
Кремнийорганическая эмульсия готовится в соотношении эмульсия-вода 1:10.
Проппант, содержащий керамические гранулы с покрытием, состоящим из новолачных смол с добавлением в процессе покрытия водного раствора уротропина, согласно изобретению, покрытие дополнительно содержит кремнийорганическую эмульсию, а проппант изготовлен способом по любому из п.1 или 2.
Способ заключается во введении при постоянном перемешивании в два равных захода сухой новолачной смолы и уротропина. В процессе производства проппанта происходит постепенное охлаждение гранул и при достижении температуры каплепадения смолы 95-100°С добавляют кремнийорганическую эмульсию, которая обволакивает гранулы, создавая оболочку. Кремнийорганическая эмульсия готовится в соотношении эмульсия-вода 1:10, что является оптимальным для достижения результата.
Предлагаемое изобретение предусматривает покрытие керамических гранул из спеченного каолина, которые применяются при разработке нефтяных скважин, залегающих на небольших глубинах. Каолиновые гранулы обладают лучшей сферичностью по сравнению со всеми известными видами проппанта, достаточной прочностью и, в сравнении с проппантом из бокситов или глиноземов, меньшей плотностью и стоимостью. Легкий, керамический проппант, обладающий достаточной прочностью, является наиболее предпочтительным материалом для производства проппанта с покрытием.
Применение для покрытия новолачных смол (из группы фенол-формальдегидных смол) увеличивает пятно контакта между частицами, давление при этом распределяется по всей площади контакта, что позволяет проппанту со смолянистым покрытием выдерживать большие нагрузки по сравнению с обычным проппантом, особенно ударные нагрузки, вызванные турбулентностью потоков и пульсацией частиц. Добавление уротропина в качестве каталитического раствора повышает текучесть смолы в расплавленном состоянии и увеличивает связующие свойства покрытия. Кроме того, введение уротропина улучшает взаимодействие смолянистого покрытия с поверхностью керамических гранул. Чтобы избежать склеивания гранул, добавляют кремнийорганическую эмульсию. Эмульсия обволакивает поверхностный смолянистый слой, позволяя смоле равномерно распределиться по поверхности гранул, защищая гранулы от прилипания, во время производства друг к другу, к стенкам и узлам смесительного аппарата.
Применение новолачной смолы меньше заявленного диапазона приводит к уменьшению прочности покрывающей смеси. Повышение содержания смолы в составе смеси (больше 8,0 мас.%) нецелесообразно, так как прочностные свойства в этом случае почти не улучшаются. Увеличение количества уротропина в составе смеси также нецелесообразно, так как это не влияет на связующие и прочностные характеристики, а уменьшение количества уротропина снижает связующие свойства композиции.
Заявляемые пределы кремнийорганической эмульсии являются оптимальными для достижения хорошего эффекта разъединения гранул проппанта.
Вышеперечисленные отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому изобретение соответствует критерию "новизна".
В патентной и научно-технической литературе не обнаружено подобного состава проппанта и способа его получения, следовательно, данное техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники и соответствует критерию "изобретательский уровень".
Компоненты предлагаемого состава проппанта и способ его изготовления являются доступными, следовательно, предлагаемый состав и способ его получения, возможно, осуществить промышленным способом, т.е. он соответствует критерию "промышленная применимость".
Проппант получают по технологии в соответствии с патентом РФ №2166079. Исходным материалом служит каолиновая глина, включающая оксиды алюминия, кремния, железа и титана в определенном соотношении, указанном в патенте. Керамические гранулы получают методом спекания каолиновой глины. Далее гранулы могут пройти стадию охлаждения и поступить на складирование. В этом случае для нанесения покрытия гранулы необходимо нагреть до температуры 200-250°С. В другом случае сразу после этапа обжига они поступают на стадию охлаждения до температуры 200-250°С и далее направляются на этапы нанесения покрытия. Гранулы подаются по транспортеру в лопастной смеситель, снабженный системой подачи воздуха.
Процесс нанесения покрытия делится на четыре основных этапа.
На чертеже представлен график получения покрытия соответственно этапам.
1. На первом этапе прогретые керамические гранулы поступают по шнековому конвейеру в смеситель, постепенно охлаждаясь во время транспортировки. В процессе перемешивания в смесителе и при помощи обдува воздухом гранулы охлаждаются до температуры - 150-160°С, достигая верхней точки диапазона плавления (каплепадения) новолака - 95-160°С. Первый этап, включающий подачу гранул в смеситель, перемешивание с одновременным обдувом, можно назвать этапом охлаждения. Время этапа 10-15 мин.
2. На втором этапе, не прекращая перемешивания, в проппант последовательно добавляются фенол-формальдегидная смола (новолак) и уротропин двумя равными (по разделению масс смолы и уротропина) долями. При этом происходит постепенное остывание гранул. Необходимо, чтобы при вводе смолы температура гранул оставалась в пределах плавления новолака, т.е. не была ниже 95°С. Время этапа - 15-20 мин.
3. На третьем этапе в смесь, находящуюся еще на уровне каплепадения смолы, вводят водную кремнийорганическую разделительную эмульсию. Предварительно раствор готовится в соотношении эмульсия - вода 1:10. Эмульсия обволакивает поверхностный смолянистый слой, позволяя смоле равномерно распределиться по поверхности гранул, защищая гранулы от прилипания друг к другу, стенкам и узлам смесительного аппарата. Время этапа - 5-7 мин.
4. На четвертом этапе производится окончательное охлаждение гранул. Данный процесс может быть ускорен при помощи обдува воздухом. После этапа нанесения покрытия гранулы сушатся в сушилке барабанного типа при температуре 250°С, при которой происходит отверждение (полимеризация смолы), после чего гранулы охлаждаются и просеиваются по фракциям. Возможно проведение дополнительной термообработки при температуре 230°С в течение 10 мин.
Пример конкретного выполнения (см. таблицу).
Пример 1
1. Керамические гранулы - 50 кг.
2. Остальное – 3,9 кг.
| Керамические гранулы диам. 0.5-0.8 мм, насыпная плотность 1.56 гр/см3 | Фенольная смола СФП-010 пульверизованная | 33% р-р уротропина | Кремнийорганическая эмульсия КЭ 10-01 | |
| % | 91.8 | 6 | 2 | 0.2 |
| кг | 50 | 2.9 | 0.9 | 0.1 |
1. Керамические гранулы из каолина, прогретые до Т=180°С, поступают в смеситель.
2. Перемешивание, ввод смеси: СФ-010 - 1.5 кг, уротропин - 0.5 кг, перемешивание 30-40 сек, остывание гранул до Т=120°С.
3. Ввод смеси: СФ-010 - 1.4 кг, уротропин - 0.4 кг, перемешивание 30-40 сек, остывание гранул до Т=90-100°С.
4. Ввод кремнийорганической эмульсии 0.1 кг, перемешивание до достижения температуры гранул Т=50-60°С.
5. Разгрузка смесителя.
Керамические гранулы со смолянистым покрытием с учетом испарения влаги - 53.3 кг.
Пример 2
Компоненты те же, что в Примере 1.
6. Подача гранул в сушильный барабан, дополнительная термообработка при Т=230°С в течение 10 мин.
7. Разгрузка, охлаждение.
Керамические гранулы со смолянистым полимеризованным покрытием - около 53 кг.
Предлагаемый проппант с нанесенным покрытием позволяет значительно улучшить прочностные показатели керамических гранул. Проппант со смолянистым покрытием выдерживает большие нагрузки по сравнению с обычным проппантом, осооснно ударные нагрузки, вызванные турбулентностью потоков и пульсацией частиц. Способ нанесения предлагаемого покрытия достаточно дешев и прост.
1. Способ получения проппанта, включающий получение керамических гранул и их последующее покрытие путем доведения гранул до температуры плавления смолы, последовательного добавления при постоянном перемешивании гранул сухой новолачной смолы и каталитического раствора уротропина и охлаждение гранул, отличающийся тем, что после достижения температуры гранул 150-160оС вводят новолачную смолу и уротропин двумя равными по разделению масс смолы и уротропина долями, а при достижении температуры каплепадения смолы 95-100оС вводят кремнийорганическую эмульсию при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Новолачная смола 5,0-8,0
Водный 33% раствор уротропина 1,5-3,0
Кремнийорганическая эмульсия 0,1-0,3
Керамические гранулы Остальное
2. Способ получения проппанта по п.1, отличающийся тем, что кремнийорганическая эмульсия готовится в соотношении эмульсия:вода 1:10.
3. Проппант, содержащий керамические гранулы с покрытием, состоящим из новолачных смол с добавлением в процессе покрытия водного раствора уротропина, отличающийся тем, что покрытие дополнительно содержит кремнийорганическую эмульсию, а проппант изготовлен способом по любому из п.1 или 2.
