Проппант на основе алюмосиликатов, способ его получения и способ его применения
Нилл (FR)Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для предотвращения смыкания трещин при проведении гидравлического разрыва продуктивных нефтяных пластов. Технический результат - увеличение производительности трещины. Проппант представляет собой гранулы из спеченного сырья, в качестве исходного сырья использована шихта, содержащая, мас.%: оксид алюминия не менее 60, оксид магния 2,0-10,0, оксид титана 4,0-10,0, оксид кальция 2,0-10,0, оксиды железа 4,8-5,0, оксид марганца 0,01-5,0, оксид кремния - остальное, при этом кажущаяся плотность проппанта составляет от 1,7 до 2,5 г/см3. Способ получения указанного выше проппанта включает предварительное измельчение и смешение исходных компонентов с их последующей грануляцией, сушкой и рассевом на целевые фракции. Указанный проппант применяется при добыче углеводородов. Изобретение развито в зависимых пунктах. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 табл.
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для предотвращения смыкания трещин при проведении гидравлического разрыва продуктивных нефтяных пластов.
Известна интенсификация добычи нефти или газа с использованием гидроразрыва пластов. Для закрепления образуемых трещин осуществляют закачивание смеси жидкости и гранулообразного материала, называемого проппантом. В качестве гранулообразного материала часто используют песок, алюминий и его сплавы, измельченный кокс, стеклянные шарики, глину и т.д. Известны также проппанты из зольных агентов, которые не получили широкого распространения из-за низких потребительских свойств. Широкое практическое применение нашел песок, как натуральное дешевое сырье. Однако песок обладает низкой проводимостью, и это приводит к ограничению его применения при добыче нефти. В основном песок используют при добыче газа. (Моисеев В.Н. Применение геофизических методов в процессе эксплуатации скважин. М., "Недра", 1990 г., с.105).
В состав проппантов обычно входят глинозем (оксид алюминия) и кремнезем (оксид кремния), содержание которых влияет на качественные характеристики гранул. Оксид алюминия придает проппантам прочность, а оксид кремния влияет на эластичность материала, позволяющую сформировать сферичные гранулы для последующего отвердения - муллитизации. Однако большое содержание данных оксидов не всегда дает хороший результат. Например, гранулы, содержащие до 96 мас.% оксида алюминия, получаются хрупкими, так как имеют прочную оболочку и полую сердцевину, что ограничивает их практическое применение. Высокопрочные проппанты в основном применяются на больших глубинах, где основным требованием является прочность гранул. Для закачки в трещины таких проппантов используют высоковязкие жидкости и большие энергетические затраты, что приводит к увеличению стоимости разработки пластов.
Большинство скважин в России (≈83%) имеют небольшую глубину до 3000 м. Для этих скважин наиболее эффективно используют проппант средней прочности, требующей для своей закачки в трещины жидкости небольшой вязкости и небольшого давления.
Известен легкий расклинивающий проппант (US, патент 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. Сферичность гранул составляет 0,7. Сферичность - это отношение минимального и максимального диаметров. Данный расклинивающий проппант наиболее эффективен при разработке нефтяных или газовых пластов, залегающих на небольших и средних глубинах.
Основным недостатком известного проппанта является то, что в качестве сырья используют глину, в которой оксиды алюминия и кремния имеют широкий диапазон соотношений. Из данного диапазона компонентов проппант необходимого качества можно получить при соотношении оксида алюминия 40 мас.% и оксида кремния 50 мас.%. При других соотношениях необходимо вносить различные добавки, чтобы получить гранулы необходимого качества. Это, в свою очередь, увеличивает затраты на производство проппанта. Например, при соотношении оксида алюминия 25 мас.% и оксида кремния 65 мас.% получаются гранулы низкой прочности. Чтобы повысить прочность гранул, применяют высокоалюмистые добавки, например глинозем, что приводит к увеличению себестоимости гранул проппанта. Кроме того, содержание в данном составе оксидов железа достаточно высоко, что отрицательно сказывается на прочностной характеристике получаемого проппанта.
Известны (US, патент 4668645) проппанты из кальцинированного при 1000°С боксита, что улучшает соотношение Al2O3/SiO2, но увеличивает себестоимость проппанта.
Известны также (US, патент 4879181) проппанты на основе смеси боксита и каолина, что придает исходной массе пластичность и, следовательно, сферичность и округлость полученных проппантов при одновременном повышении себестоимости.
Известны также (US, патент 4944905) двухслойные проппанты, 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 проппантов 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 проппантов.
Недостатком известного технического решения следует признать достаточно сложную многоступенчатую технологию производства проппантов с двумя энергоемкими процессами обжига гранул во вращающейся печи. Кроме того, получаемая повышенная кажущаяся плотность гранул более 2,75 г/см3 обуславливает применение жидкостей гидроразрыва с повышенной вязкостью, что, в свою очередь, вызывает абразивный износ породы со снижением ее проницаемости, а также расход химии, требующейся для изготовления жидкости гидроразрыв пласта.
Использование же проппанта с пониженной плотностью поможет решить эти проблемы, а, кроме того, обеспечить эффективный транспорт расклинивающего агента на большую длину трещины и увеличит производительность скважины.
Известен также (US, патент 3929191) проппант, используемый при добыче нефти методом гидравлического разрыва пласта, полученный на основе спеченного алюмосиликатного сырья, или на основе минералов, или из железа, стали, в виде гранул с размерами 6-100, предпочтительно 10-40 меш., со сферичностью и округлостью по Крумбейну не менее 0,8, плотностью 2,6 г/см3 с покрытием из плавкой фенольной смолы.
Недостатком известного технического решения следует признать ограниченную функциональную возможность проппантов - смоляное покрытие обеспечивает лишь увеличение прочности проппантов и образование гидропроницаемого затвора для удерживания проппантов от выноса из скважины. Проппанты, полученные по предлагаемой в прототипе технологии, не способны решить проблему уменьшения водонасыщенности нефтяных скважин после проведения гидродинамического разрыва.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного технического решения, состоит в разработке состава шихты, обеспечивающего получение проппанта, способного эффективно работать при использовании технологии гидроразрыва пласта с применением гравийных фильтров.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в обеспечении возможности за счет использования разработанного проппанта и обусловленной его составом и физическими характеристиками способности увеличить длину трещины за счет снижения скорости его оседания в геле, в котором проппант доставили в трещину, что приводит к увеличению производительности трещины; кроме того, снижение плотности проппанта существенно снижает расход химических реагентов, необходимых для приготовления геля с пониженной вязкостью, предназначенной для транспортировки проппанта в глубь трещины.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать проппант, представляющий собой гранулы из спеченного сырья, причем в качестве исходного сырья использована шихта, содержащая оксид кремния и оксид алюминия при содержании оксида алюминия не менее 60 мас.%, при этом кажущаяся плотность проппанта составляет от 1,7 до 2,75 г/см3. Кроме того, шихта дополнительно может содержать, по меньшей мере, один из следующих компонентов: оксид магния, оксид кальция, оксид титана, оксиды железа, оксиды щелочных и щелочноземельных металлов и оксид марганца при следующем содержании указанных компонентов (мас.%):
| оксид магния | 1,0-10,0 |
| оксид титана | 0,1-10,0 |
| оксид кальция | 0,1-10,0 |
| оксиды железа | 0,1-5,0 |
| оксиды щелочных и | |
| щелочноземельных металлов | 0,01-2,0 |
| оксид марганца | 0,01-5,0 |
Способ получения указанного проппанта включает предварительное измельчение и смешение исходных компонентов с их последующей грануляцией, сушкой и рассевом на целевые фракции, причем в качестве исходных компонентов используют оксид кремния и оксид алюминия, при этом содержание оксида алюминия составляет не менее 60 мас.%. В одном из вариантов реализации способа до стадии смешения проводят предварительный роспуск глинистой составляющей, содержащей оксид алюминия, с последующей ее сушкой до влажности, требуемой для обеспечения оптимальных параметров дальнейших процессов смешения и грануляции. Обычно используют шихту, дополнительно содержащую, по меньшей мере, один из указанных компонентов: оксид магния, оксид кальция, оксиды железа, оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, оксид марганца и оксид титана при следующем содержании указанных компонентов (мас.%):
| оксид магния | 1,0-10,0 |
| оксид титана | 0,1-10,0 |
| оксид кальция | 0,1-10,0 |
| оксиды железа | 0,1-5,0 |
| оксиды щелочных и | |
| щелочноземельных металлов | 0,01-2,0 |
| оксид марганца | 0,01-5,0 |
Разработанный проппант в базовом варианте может быть изготовлен следующим образом.
Исходные компоненты, при необходимости отожженные, измельчают до прохода 90% продукта через сито 63 мкм. При необходимости в исходные материалы добавляют пластификаторы и другие вспомогательные компоненты. Может быть использован как раздельный, так и совместный способ измельчения. Исходные компоненты частично смешивают либо в мельницах (если до этого не был использован метод совместного помола), либо непосредственно в грануляторе. При перемешивании при необходимости добавляют временную технологическую связку в количестве, необходимом для формирования зародышей сферических частиц и их последующего роста до необходимых размеров. Обычно количество временной технологической связки варьируется в пределах от 3 до 20 мас.%, а общее время перемешивания и грануляции составляет от 2 до 10 мин. Связка может быть представлена водой, водными и органическими растворами полимеров, латексами, микровосками, парафинами и т.д. После того, как прошло образование зародышей и рост гранулы до требуемого размера из смеси, введенной в гранулятор ранее, в гранулятор вводят до 12 мас.% исходной измельченной смеси, после чего происходит перемешивание в течение до 3 мин. Подготовленные по такому способу гранулы высушивают и рассевают до размеров, позволяющих скомпенсировать усадку при обжиге. Гранулы, которые не удовлетворяют требованию по размеру, могут быть рециркулированы. Если при смешении и грануляции были использованы органические временные технологические связки, может быть использована стадия предварительного обжига для их выжигания. Высушенные и классифицированные по размерам гранулы подвергают обжигу при температурах и временах выдержки, необходимых для обеспечения кажущейся плотности до 2,75 г/см3. После стадии обжига возможен дополнительный размер на фракции.
Хотя технология применения предлагаемого проппанта не отличается от стандартной технологии, но его использование позволяет за счет используемого качественного и количественного состава проппанта, а также обусловленных указанным составом уникальных физико-химических свойств существенно улучшить транспортные свойства проппанта в глубь трещины за счет уменьшения скорости его оседания в геле, снизить расход химии для замеса жидкости гидроразрыва, поскольку для транспорта проппанта потребуются гели с меньшей вязкостью, что, в свою очередь, позволит снизить абразивный износ породы в трещине и повысит экономическую эффективность работы.
В дальнейшем разработанное техническое решение будет рассмотрено с использованием примеров реализации.
Пример 1. При реализации разработанного технического решения смешали предварительно измельченные до вышеуказанного размера бокситы Боксонского месторождения с Глуховецким каолином и с добавками карбонатов кальция и магния с образованием исходной шихты состава (мас.%):
| оксид алюминия | 67,4 |
| оксид кремния | 27,6 |
| оксид магния | 1,9 |
| оксид кальция | 1,0 |
| оксид титана | 1,0 |
| оксид железа (III) | 0,1 |
| оксид железа (II) | 1,0 |
В табл.1 приведены для сравнения составы исходной шихты, применяемой при изготовлении коммерчески выпускаемых проппантов
| Табл.1 | |||||||
| Мас.% | Al2O3 | SiO2 | MgO | CaO | TiO2 | Fe2O3 | FeO |
| Пример 1 | 67,4 | 27,6 | 1,9 | 1,0 | 1,0 | 0,1 | 1,0 |
| CarboProp (США) | 72 | 13 | 4 | 10 | |||
| CarboLite (США) | |||||||
| 51 | 45 | 2 | 1 | ||||
| EconoProp (США) | |||||||
| 48 | 48 | 2 | 1 |
В табл.2 приведены сравнительные данные параметров, полученных при анализе составов, приведенных в табл.1 проппантов, протестированных в соответствии с API RP 60.
| Табл.2 | |||||
| ПАРАМЕТР | РЕКОМЕНДОВАННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПО API60 | CARBOPROP (США) | CARBOLITE (США) | ECONOPROP (США) | ПРИМЕР 1 |
| Сферичность | >0,7 | 0,9 | 0,9 | 0,9 | 0,9 |
| Округлость | >0,7 | 0,9 | 0,9 | 0,9 | 0,9 |
| Насыпная плотность | - | 1,88 | 1,57 | 1,56 | 1,61±0,00 |
| Кажущаяся плотность | - | 3,27 | 2,71 | 2,70 | 2,74±0,01 |
Пример 2 иллюстрирован табл.3 и 4, в которых приведены составы исходной шихты и параметры полученных проппантов, протестированных в соответствии с API RP 60. При реализации примера 2 смешивают предварительно раздельно измельченные компоненты - бокситы Кия-Шалтырского месторождения, доломит и каолин Положского месторождения.
| Табл.3 | |||||||
| Мас.% | Al2O3 | SiO2 | MgO | CaO | TiO2 | Fe2O3 | FeO |
| Пример 2 | 62,0 | 32,5 | 3,2 | 1,0 | 0,3 | 0,1 | 0,9 |
| EconoProp | |||||||
| (США) | 48 | 48 | 2 | 1 |
| Табл.4 | |||
| ПАРАМЕТР | РЕКОМЕНДОВАННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПО API60 | CARBOECONOPROP 3050(США) | EXAMPLE 2 |
| Сферичность | >0,7 | 0,9 | 0,9 |
| Округлость | >0,7 | 0,9 | 0,9 |
| Насыпная плотность | - | 1,56 | 1,57±0,00 |
| Кажущаяся плотность | - | 2,70 | 2,58±0,01 |
Пример 3 иллюстрирован данными табл.5, содержащей сведения о составе исходной шихты, и табл.6, содержащей сведения о физических свойствах проппантов, протестированных в соответствии с API RP 60. При реализации примера смешивали каолины Полетаевского месторождения и бокситы Татульского месторождения.
| Табл.5 | |||||||
| Мас.% | Al2O3 | SiO2 | MgO | CaO | TiO2 | Fe2O3 | FeO |
| Пример 3 | 65 | 28 | 3,2 | 1,0 | 0,3 | 2,5 | - |
| CarboLite | 51 | 45 | 2 | 1 |
| Табл.6 | |||
| ПАРАМЕТРЫ | РЕКОМЕНДОВАННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПО API60 | CARBOLITE 1620 | ПРИМЕР 3 |
| Сферичность | >0,7 | 0,9 | 0,9 |
| Округлость | >0,7 | 0,9 | 0,9 |
| Насыпная плотность | - | 1,57 | 1,57±0,00 |
| Кажущаяся плотность | - | 2,71 | 2,58±0,01 |
Кажущаяся плотность полученного проппанта в примерах позволяет снизить скорость оседания проппанта в геле, а следовательно, позволит обеспечить транспорт проппанта на большую длину в трещине, что увеличит производительность скважины.
1. Проппант, представляющий собой гранулы из спеченного сырья, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья использована шихта, содержащая оксид кремния, оксид магния, оксид титана, оксид кальция, оксиды железа, оксид марганца и оксид алюминия при содержании, мас.%:
| Оксид алюминия | Не менее 60 |
| Оксид магния | 2,0-10,0 |
| Оксид титана | 4,0-10,0 |
| Оксид кальция | 2,0-10,0 |
| Оксиды железа | 4,8-5,0 |
| Оксид марганца | 0,01-5,0 |
| Оксид кремния | Остальное |
при этом кажущаяся плотность проппанта составляет от 1,7 до 2,5 г/см3.
2. Проппант по п.1, отличающийся тем, что шихта дополнительно содержит оксиды щелочных металлов в количестве 0,01-2,0 мас.%.
3. Способ получения проппанта, включающий предварительное измельчение и смешение исходных компонентов с их последующей грануляцией, сушкой и рассевом на целевые фракции, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов используют шихту, содержащую оксид кремния, оксид магния, оксид титана, оксид кальция, оксиды железа, оксид марганца и оксид алюминия при содержании, мас.%:
| Оксид алюминия | Не менее 60 |
| Оксид магния | 2,0-10,0 |
| Оксид титана | 4,0-10,0 |
| Оксид кальция | 2,0-10,0 |
| Оксиды железа | 4,8-5,0 |
| Оксид марганца | 0,01-5,0 |
| Оксид кремния | Остальное |
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что до стадии смешения проводят предварительный роспуск глинистой составляющей, содержащей оксид алюминия, с последующей ее сушкой до влажности, требуемой для обеспечения оптимальных параметров дальнейших процессов смешения и грануляции.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют шихту, дополнительно содержащую оксиды щелочных металлов в количестве 0,01-2,0 мас.%.
6. Применение проппанта по пп.1 и 2 при добыче углеводородов.
