Проппант и способ повышения производительности скважины

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для предотвращения смыкания трещин применением расклинивающих гранул - проппантов при проведении гидравлического разрыва продуктивных нефтяных пластов. Проппант представляет собой гранулы из спеченного керамического сырья и выполнен в форме сферы при отклонении от полной сферичности не более 0,05% от величины радиуса сферы. В способе повышения производительности скважины, включающем использование проппантов, используют керамические проппанты, выполненные в форме сферы при отклонении от полной сферичности не более 0,05% от величины радиуса сферы. Технический результат - повышение дебета скважины. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для предотвращения смыкания трещин применением расклинивающих гранул - проппантов при проведении гидравлического разрыва продуктивных нефтяных пластов.

Гидравлический разрыв пласта - наиболее прогрессивный способ добычи нефти и газа, позволяющий значительно увеличить производительность скважин. Сущность метода гидравлического разрыва пласта состоит в закачивании под большим давлением вязкой жидкости в нефте- и газоносные пласты, что приводит к образованию в пласте трещин, в которые проникает жидкость. Для сохранения трещин в разомкнутом состоянии в закачиваемую жидкость добавляют сферические гранулы (проппанты), которые, проникая с жидкостью в трещину и заполняя ее, создают прочный расклинивающий каркас, проницаемый для нефти и газа. Проппанты выполнены с возможностью выдерживания высокого пластового давления и противостояния действию агрессивной среды (кислые газы, солевые растворы) при высоких температурах. В качестве исходных материалов для производства проппантов в зависимости от условий их применения используют кварцевый песок, бокситы, каолины, оксиды алюминия, различные алюмосиликатные виды сырья.

Важными свойствами проппантов является сферичность и круглость частиц, а также гомогеничность - однородность по размеру и форме. Указанные свойства оказывают решающее влияние на проницаемость проппантовых сред в трещине в пласту и, следовательно, на проводимость углеводородных флюидов через разрывы.

Все известные на сегодняшний день проппанты имеют (за исключением стеклянных шариков) не сферическую, а сфероподобную форму. Это утверждение косвенно подтверждает и применяемая в данной области техники шкала Крумбайна и Слосса, характеризующая совершенство гранул проппанта, в которой даже не предусмотрена величина 1, соответствующая идеальной сферической форме гранулы проппанта.

Известно (RU, патент 2098618) возможное применение в качестве проппанта тел, имеющих идеальную сферическую форму - стеклянных шариков. Но их практическое применение не известно из-за их малой механической прочности.

Известен (US, патент №4879181) проппант, полученный из смеси боксита и каолина. Исходная масса для формования проппантов достаточно пластична, что улучшает сферичность и округлость (до 0,7 по шкале Крумбейна) полученных проппантов.

Недостатком известно проппанта следует признать недостаточную сферичность, приводящую к уменьшению каналов между гранулами проппанта, и, следовательно, уменьшению потока флюида через указанные каналы.

Известен расклинивающий проппант (US, патент 5188175), представляющий собой керамические гранулы сфероподобной 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 полученных гранул составляет 0,7. Данный расклинивающий проппант наиболее эффективен при разработке нефтяных или газовых пластов, залегающих на небольших и средних глубинах.

Недостатком известно проппанта также следует признать недостаточную сферичность, приводящую к уменьшению каналов между гранулами проппанта, и, следовательно, уменьшению потока флюида через указанные каналы.

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 известно проппанта также следует признать недостаточную сферичность, приводящую к уменьшению каналов между гранулами проппанта и, следовательно, уменьшению потока флюида через указанные каналы.

В качестве ближайшего аналога можно использовать проппант (US, патент 3929191), используемый при добыче нефти методом гидравлического разрыва пласта, полученный на основе спеченного алюмосиликатного сырья 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 известно проппанта также следует признать недостаточную сферичность, приводящую к уменьшению каналов между гранулами проппанта и, следовательно, уменьшению потока флюида через указанные каналы.

Техническая задача, решаемая посредством разработанного технического решения, состоит в разработке проппанта, способного эффективно работать при использовании технологии гидроразрыва пласта.

Технический результат, получаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в повышении отдачи пластом флюида за счет оптимизации формы проппанта, что приводит к увеличению размеров каналов в слоях проппанта и, следовательно, уменьшению сопротивления течению выделяемого пластом флюида.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать проппант, представляющий собой гранулы из спеченного керамического сырья, выполненные в форме сферы (отклонения от полной сферичности должно составлять не более 0,05% от величины радиуса сферы). Полученная гранула проппанта имеет разброс по величине радиуса не свыше, чем у дражжированных лекарств в фармации. В качестве исходного сырья предпочтительно использована шихта, содержащая оксид кремния и оксид алюминия с добавлениями оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, а также оксидов металлов группы железа и оксида марганца. Для некоторого увеличения указанного технического результата желательно провести фракционирование готового проппанта, что позволит максимально увеличить величину общего сечения каналов, образованных гранулами проппанта. При этом желательно, чтобы соотношение максимального диаметра сферы у гранул проппанта, входящих во фракцию, к минимальному диаметру сферы у гранул проппанта, входящих во фракцию, составляло не более 2.

Технология получения проппанта с формой, приближающейся к идеальной сфере, практически тождественна технологии получения обычного проппанта, за исключением использования тарельчатых грануляторов или других приспособлений, гарантирующих действительно сферическую форму полуфабриката после формования гранул, а также использования туннельных печей или системы отжига в псевдокипящем слое гранул. При использовании указанного оборудования отжига вместо вращающихся печей сохраняется исходная сферическая форма полуфабриката.

Использование при закачке идеальных сфер, предпочтительно, с монофракционным распределением сфер по размерам, с последующим размещением их в пласте, с созданием равномерной поровой структуры позволяет существенно снизить эффекты, связанные с турбулизацией потока на неоднородностях структуры и описываемые уравнением Форсгеймера (1). В результате повышения скоростей потока существенно возрастает перепад давления и, как следствие, снижается проницаемость проппантовой упаковки. Коэффициент, связывающий перепад давления и линейную скорость потока в данном уравнении и называемый «бета-фактор», представляет собой характеристику извилистости пути потока флюида в проппантовой упаковке.

где:

ΔР - перепад давления;

ΔL - расстояние между портами замера давления;

μ - вязкость жидкости;

v - скорость жидкости, v=q/s, где q - скорость закачки, s - площадь поперечного сечения проппантовой упаковки;

β - бета-фактор;

k - проницаемость;

ρ - плотность жидкости.

Исходя из вышеописанного, можно ожидать, что при изготовлении проппанта (из одного и того же материала) бета-фактор упаковки идеальных сфер будет ниже, чем бета-фактор упаковки, образуемой сфероподобными частицами.

Использование керамики в качестве материала для изготовления сфер для расклинивающих агентов позволяет значительно увеличить их прочность по сравнению со стеклом за счет того, что в фазовом составе материала керамики присутствуют кристаллические фазы, обладающие большей прочностью по сравнению со стекловидными аморфными фазами. Кроме того, присутствие в материале кристаллических фаз обуславливает меньшую деформацию материала при воздействии высоких температур по сравнению со стекловидной и, следовательно, лучшую способность керамических материалов сохранять форму в обжиге по сравнению со стеклом.

Предпочтительный способ получения указанного проппанта истинно сферической формы включает предварительное измельчение и смешение исходных компонентов с их последующей грануляцией на тарельчатом грануляторе, обжигом в туннельный печах на подложке или в тигле, где толщина слоя проппанта предпочтительно не превышает соотношения диаметра тигля к его высоте 1/0,7, и рассевом на целевые фракции. Обычно используют шихту, содержащую оксид алюминия и оксид кремния, а также, по меньшей мере, один из указанных компонентов: оксид магния, оксид кальция, оксиды железа, оксиды щелочных и остальных щелочноземельных металлов, оксид марганца и оксид титана. Содержание компонентов в шихте зависит от предполагаемого использования проппанта.

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 в непосредственно в тарельчатом безлопастном грануляторе. Отсутствие лопасти в данной конструкции предотвращает дополнительную деформацию гранулы в аппарате, и происходит только накатка сферы. При перемешивании в шихту 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 варьируют 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 в засыпке в капселях или тиглях в туннельных печах. Данный способ обжига обеспечивает отсутствие деформации материала в обжиге. Время выдержки и температуру выбирают таким образом, чтобы обеспечить необходимую степень спекания материала для достижения им необходимых прочностных характеристик. После стадии обжига возможно проведение рассеивания на фракции.

Хотя технология применения предлагаемого проппанта не отличается от стандартной технологии, но ее использование позволяет за счет используемого именно сферического проппанта существенно улучшить условия выделения флюида из пласта и транспортировку его в скважину.

В дальнейшем разработанное техническое решение будет рассмотрено с использованием примеров реализации.

Эксперимент был проведен на кусте скважин, т.е. в тождественных условиях.

1. При использовании в технологии гидроразрыва в районе Западной Сибири на глубине 3500 м производительность скважины в день составила 110 м³/день при использовании керамического проппанта со сферичностью 0,7 в типовых условиях применения при ожидаемой производительности 100-160 м³/день.

2. При использовании в тех же условиях проппанта того же состава, но со сферичностью 0,85, дебит скважины ставил 157 м³/день при ожидаемой производительности 100-160 м³/день.

3. При использовании в тех же условиях проппанта того же состава, но в форме идеальной сферы (с отклонением не свыше 2% величины радиуса сферы) дебит скважины составил 201 м³/день.

Использование проппанта в форме идеальной сферы вместо проппанта со сферичностью 0,9 позволяет повысить дебит скважины примерно на 25% при использовании в тех же условиях.

1. Проппант, представляющий собой гранулы из спеченного керамического сырья, отличающийся тем, что он выполнен в форме сферы при отклонении от полной сферичности не более 0,05% от величины радиуса сферы.

2. Проппант по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья использована шихта, содержащая оксид кремния, оксид алюминия, оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, оксиды металлов группы железа и оксид марганца.

3. Проппант по п.1, отличающийся тем, что он фракционирован.

4. Проппант по п.3, отличающийся тем, что соотношение максимального диаметра сферы у гранул проппанта, входящих во фракцию, к минимальному диаметру сферы у гранул проппанта, входящих во фракцию, составляет не более 2.

5. Способ повышения производительности скважины, включающий использование проппантов, отличающийся тем, что используют керамические проппанты, выполненные в форме сферы при отклонении от полной сферичности не более 0,05% от величины радиуса сферы.