Керамический проппант с низкой плотностью и способ его приготовления

Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и может быть использовано для увеличения добычи нефти и газа, в частности с применением технологии гидравлического разрыва. Техническим результатом изобретения является получение керамического проппанта с плотностью менее 2,6 г/см³ и повышение дебита скважины. Керамический проппант с низкой плотностью состоит из легкого агрегата и связующего керамического материала. В качестве легкого агрегата использованы вермикулит, перлит, гидрослюды, природные цеолиты, аглопорит, керамзит. 2 н. и 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и может быть использовано для увеличения добычи нефти и газа, в частности с применением технологии гидравлического разрыва.

Изобретение характеризует керамические гранулы - частицы проппанта, характеризуемые низкой плотностью менее 2,65 г/см³, их состав, а также способ приготовления.

В технологии добычи нефти с использованием метода гидроразрыва для увеличения дебита скважины в сформированные в нефтеносном пласту трещины нагнетают гранулы проппанта, которые фиксируют положение стенок трещин, не давая им сомкнуться. Проппант нагнетают в трещины гидроразрыва путем закачивания содержащего проппант бурового раствора под высоким давлением. Экспериментально установлено, что более низкая кажущаяся плотность обеспечивает более равномерное распределение проппанта и повышает уровень добычи нефти и газа.

Известно (WO, заявка 2006/034298) техническое решение, характеризующее гранулы проппанта в виде частиц с покрытием, выполненных из неорганического материала, представляющего собой смесь кварца и глинозема, взятых в соотношении приблизительно 2,2:5 и имеющего объемную плотность, меньшую или равную приблизительно 1 г/см³. Кроме того, техническое решение характеризует способ обработки подземного пласта, при котором жидкость для гидравлического разрыва закачивают в подземный пласт, причем указанная жидкость для гидравлического разрыва содержит неорганические частицы, состоящие из кварца и глинозема в соотношении приблизительно 2,2:5, а указанный неорганический материал имеет кажущуюся плотность, меньшую или равную приблизительно 1 г/см³.

Известны (US, патент 6,582,819) композитные частицы пониженной плотности, получаемые на основе вяжущего и наполнителя, пригодные для применения в технологии гидроразрыва. Наполнитель может содержать два и более различных материалов. Вяжущее обычно представляет собой полимерный материал и, возможно, добавку цемента. Получаемые композитные частицы обладают объемной плотностью от 0,5 до 1,30 г/см³ и могут быть использованы в качества проппанта в нефтегазодобывающей промышленности, а также для фильтрации воды и получения искусственного дерна для спортивных площадок. Известное техническое решение характеризует также способы получения указанных композитных частиц.

Известны также (US, патент 6,632,527) композитные частицы, получаемые на основе вяжущего вещества и наполнителя, пригодные для использования в технологии гидроразрыва пласта. Наполнитель обычно представляет собой мелкодисперсное минеральное вещество, к которому могут быть добавлены волокнистые материалы. Кроме технологии гидроразрыва, указанные частицы могут быть использованы для фильтрации воды и получения искусственного дерна для спортивных площадок. Также охарактеризованы способы получения указанных композитных частиц.

Согласно экспериментальной проверке известные проппанты не достаточно эффективны в технологии гидравлического разрыва.

Техническая задача, на решение которой направлено разработанное техническое решение, состоит в разработке керамического проппанта с плотностью менее 2,6 г/см³.

Технический результат, получаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в повышении дебита скважины, эксплуатируемой с использованием технологии гидроразрыва.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать проппант в форме сферических и/или угловатых частиц с пониженной кажущейся плотностью менее 2,6 г/см³, состоящих из легкого агрегата, именуемого также наполнителем и связующего материала, именуемого также связкой.

Указанный легкий агрегат представляет собой природный минерал, способный при обжиге образовывать в грануле проппанта новую фазу с изменением удельного объема легкого агрегата (вермикулит, перлит, гидрослюды, природные цеолиты) или уже имеющий пористую структуру (пемза).

На указанный легкий агрегат для улучшения формовочных и конечных свойств материала может быть предварительно нанесено органическое, неорганическое, в том числе и металлическое, покрытие: силикон, декстрин, силикатное стекло, эпоксидные смолы или их композиции.

Могут быть использованы сочетания различных типов легких агрегатов (в частности, по крайней мере один из следующего ряда: вермикулит, аглопорит, керамзит, перлит, искусственные и природные цеолиты) в различных массовых соотношениях, причем на каждый из легких наполнителей может быть предварительно нанесено покрытие. Массовая доля легкого наполнителя в готовом продукте составляет менее 80% (обычно 10-40%) и зависит от физических характеристик самих наполнителей, а также требований к получаемым гранулам проппанта.

Материал связки представляет собой органические, неорганические, металлические порошки, такие как бокситы, каолины, глины, оксид алюминия, металлургические шлаки, фенолформальдегидная смола, алюминий, бронза или их сочетания.

Способ получения разработанных гранул проппанта включает предварительное измельчение и смешении исходных компонентов с их последующей грануляцией, сушкой и рассевом на целевые фракции, причем в качестве исходных компонентов используют, по меньшей мере, керамическую связку и наполнитель, при этом в качестве наполнителя используют, по меньшей мере, один природный минерал, способный при обжиге образовывать в грануле проппанта новую фазу с изменением кажущейся плотности за счет объемных изменений, происходящих при термообработке с наполнителем.

Согласно одному из вариантов реализации способа предварительно термообработанный наполнитель или смесь различных наполнителей вводят вместе с другими компонентами в материал основы, после чего смесь гранулируют и обжигают.

Например, к предварительно вспученному керамзиту с пористостью 75% и средним размером частиц около 40 мкм добавляют 25% смеси, представляющей собой смесь каолина и боксита. Соотношение каолина к бокситу в смеси составляет 80 и 20 мас.% соответственно. Полученную смесь гранулируют в смесителе типа Айрих, добавляя при этом 5% раствор ПВС в количестве 10 об.% от объема гранулируемого материала. Общее время грануляции составляет 4 минуты, в котором время зародышеобразования составляет 1 мин, и время роста гранулы составляет 3 минуты. Полученный гранулят высушивают в сушильном шкафу при температуре 100°С и затем обжигают при температуре 1350°С со скоростью 3 град/мин и выдержкой при конечной температуре 2 часа. Полученный проппант с размером 20/40 имеет плотность 1,75 г/см³ и прочностью 5 мас.% при раздавливании на 5000 пси.

Согласно другому варианту реализации способа, наполнитель, не подвергавшийся предварительной термообработке, вводят вместе с другими компонентами в материал основы, после чего смесь гранулируют и обжигают. Для интенсификации фазообразования и снижения его температуры возможна предварительная обработка данного наполнителя различными веществами, в частности пероксидом водорода, рядом фосфатных связующих: Н₃PO₄, АХФС, АБФС, АБФК, солями, содержащими ионы калия, а также рядом аммонийных и нитратных солей.

Так, сырой порошок вермикулита предварительно покрывают алюмохромфосфатной связкой (АХФС) в соотношении 9 к 1. Полученную массу перемешивают в смесителе в течение 2 мин, после чего к полученной массе добавляют 90% сверх 100% каолиновой глины и производят накатку гранулы. Полученный гранулят высушивают и обжигают при температуре 1350°С с последующим рассевом на целевые фракции. Полученный проппант с размером 20/40 имеет плотность 2,3 г/см³ и прочность 5 мас.% при раздавливании на 7500 пси.

Согласно третьему варианту реализации способа при использовании двух и более добавок один или более наполнителей смешивают с материалом керамической связки вместе с другими компонентами в предварительно термообработанном состоянии, а остальные наполнители вводят в материал связки без термообработки, после чего смесь гранулируют и обжигают.

Так, сырой порошок вермикулита предварительно покрывают алюмохромфосфатной связкой в соотношении 9 к 1. Полученную массу перемешивают в смесителе в течение 2 мин, после чего к полученной массе сверх 100% добавляют 70% каолиновой глины и производят накатку гранулы и 30% вспученного керамзита. Полученный гранулят высушивают и обжигают при температуре 1350°С с последующим рассевом на целевые фракции. Полученный проппант с размером 20/40 имеет плотность 2,0 г/см³ и прочность 6 мас.% при раздавливании на 5000 пси.

1. Керамический проппант с низкой плотностью, состоящий из легкого агрегата и связующего керамического материала, отличающийся тем, что в качестве легкого агрегата использованы вермикулит, перлит, гидрослюды, природные цеолиты, аглопорит, керамзит.

2. Проппант по п.1, отличающийся тем, что массовая доля легкого агрегата в грануле проппанта составляет не более 80%.

3. Проппант по п.1, отличающийся тем, что легкий агрегат покрыт органическим или неорганическим покрытием перед введением в сырьевую смесь.

4. Проппант по п.1, отличающийся тем, что в качестве связующего материала связки использованы глина, каолины, боксит или их композиция.

5. Проппант по п.4, отличающийся тем, что дополнительно к связующему материалу добавлены оксид алюминия, металлургические шлаки, фенолформальдегидная смола, алюминий, бронза или их сочетания.

6. 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 использованы, по меньшей мере, связующий керамический материал и легкий агрегат, причем в качестве легкого агрегата использованы вермикулит, перлит, гидрослюды, природные цеолиты, аглопорит, керамзит.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что до стадии смешения проводят обжиг легкого агрегата, сопровождающийся изменением объема.