проппант

Формула изобретения

Проппант, содержащий керамические гранулы сферической формы из спеченного сырья - каолиновой глины, включающей оксиды алюминия, кремния, железа и титана, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют обогащенную каолиновую глину следующего состава, мас.%:

Оксид алюминия - 41 - 43

Оксид кремния - 45 - 50

Оксид железа - Не более 1,2

Оксид титана - Не более 0,8

Описание изобретения к патенту

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 помощью гидроразрыва пластов. Для закрепления образуемых трещин осуществляют закачивание смеси жидкости и гранулообразного материала, называемого проппантом. В качестве гранулообразного материала часто используется песок, алюминий и его сплавы, измельченный кокс, стеклянные шарики, глина и т. д. Известны 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 поэтому ограниченно применяется при добыче нефти. В основном песок используют при добыче газа. (Применение геофизических методов в процессе эксплуатации скважин. Моисеев В.Н., Москва, "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 требуются 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 эффективен проппант средней прочности, требующей для своей закачки в трещины жидкости небольшой вязкости и небольшого давления.

Известен легкий расклинивающий наполнитель по патенту США N 5188175, выбранный заявителем в качестве прототипа, содержащий керамические гранулы сферической формы из спеченной каолиновой глины, включающей оксиды алюминия, кремния, железа и титана. Причем оксиды в данных гранулах содержатся 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 наполнитель (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 используется глина, в которой оксиды алюминия и кремния имеют широкий диапазон. 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 стоимости их получения. Кроме того, содержание в данном составе оксидов железа достаточно высоко, что отрицательно сказывается на характеристике получаемого проппанта.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание дешевого проппанта, достаточной прочности и легкости для использования на небольших глубинах (до 3000 м), что достигается использованием природного месторождения глины с содержанием оксидов алюминия и кремния, имеющих узкий диапазон соотношения компонентов.

Проппант, содержащий керамические гранулы сферической формы из спеченного сырья - каолиновой глины, включающей оксиды алюминия, кремния, железа и титана, согласно изобретению, в качестве исходного сырья используют обогащенную каолиновую глину следующего состава, мас.%: оксид алюминия - 41-43, оксид кремния - 45-50, оксид железа - не более 1,2, оксид титана - не более 0,8.

Предлагаемый проппант получают на основе каолиновой глины природного месторождения, имеющей особый химический состав, описанный выше. Вследствие этого, получение проппанта из данной глины недорого, так как не требуется внесения никаких дополнительных добавок для улучшения качества получаемых гранул. Содержание оксида кремния в заявляемом соотношении таково, что в процессе грануляции получаются качественные сферические гранулы необходимого размера. Сферичность получаемых гранул составляет 0,9. Узкий диапазон соотношений оксидов алюминия и кремния всегда приводит к стабильным результатам: получают гранулы необходимой прочности и легкости без дополнительных затрат. Кроме того, наличие в предлагаемой глине оксидов железа и титана не более, чем заявлено, делает гранулы еще более легкими, что и необходимо для данного проппанта. Содержание оксида железа в глине более 1,2 мас.% приводит к утяжелению гранул проппанта и снижению его прочностных характеристик. Повышение содержания оксида титана более, чем заявлено выше, существенно не влияет на улучшение прочностных характеристик керамических гранул. В основном повышенное содержание оксида титана необходимо для вытеснения оксидов железа и других примесей, когда имеется их большое содержание. Улучшение качества гранул достигается и за счет предварительного обогащения глины, т.е. очистки ее от посторонних примесей.

Вышеперечисленные отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому изобретение соответствует критерию "новизна".

Проведенные патентные исследования показали, что в изученном уровне техники отсутствуют аналогичные технические решения, т.е. заявляемое техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники и соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое техническое решение может быть изготовлено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию "промышленная применимость".

Предлагаемый проппант получают следующим образом. В качестве исходного материала используют каолиновую глину Кыштымского месторождения Челябинской области со следующим соотношением компонентов, мас.%: Al₂O₃ - 41-43; SiO₂ - 45-50; TiO₂ - не более 0,8; Fe₂O₃ - не более 1,2. Химический состав соответствует ГОСТ 21286-82.

Исходная глина подвергается обогащению - освобождается от песка и других примесей. Для удаления влаги и органических составляющих, сырье подвергается температурной обработке - кальцинации. Процесс проводят при температуре не более 800^oC, предпочтительно 400-800^oC. При этом уровень полезных составляющих - оксида алюминия и оксида кремния - повышается. После этого производят помол кальцинированной глины в ротационных мельницах стальными мелющими шарами. После помола размер частиц должен составлять 5 мкм. Далее сырье поступает на воздушный классификатор, где происходит отсев фракций, превышающих 5 мкм. Отсеянная масса возвращается снова на стадию помола. Следующая стадия переработки - грануляция, которая производится в миксере Айрика (производство Германии). Миксер состоит из вращающегося котла, образующего смесительную камеру, ориентированную горизонтально или под некоторым углом, и перемешивающей "звездочки". "Звездочка" представляет собой втягивающую турбину со множеством трапециевидных лопастей, расширяющихся к периферии. Диаметр турбины составляет 20-25% от диаметра котла. "Звездочка" вращается в противоположном направлении как параллельно оси котла, так и под углом к нему, и одновременно может перемещаться относительно центра вращения котла. Котел имеет фиксированную скорость вращения, около 45 об/мин. "Звездочка" имеет переменную скорость 700 - 1500 об/мин. В миксер засыпается сухая масса кальцинированного каолина и перемешивается определенное время. Затем добавляется, при необходимости, до 1-2% (от массы сырья) органического пластификатора - натурального крахмала. Смесь продолжает перемешиваться. Затем добавляется 32-40 долей воды при небольшой скорости перемешивания. Подсыпая постепенно сухую кальцинированную массу и управляя скоростью перемешивания, добиваются получения однородных сферических гранул необходимого размера (0,2 - 0,9 мм). Гранулы просушивают, просеивают. Гранулы, отличающиеся от заданного размера, возвращаются на грануляцию. Гранулы, прошедшие промежуточный просев, подвергаются обжигу. Обжиг гранул производят в ротационной газовой печи при температуру 1400^oС. В результате получают проппант с минералогической плотностью не более 2,8 г/см³ и проводимостью, по меньшей мере, 4000 милидарси/фут, измеренной в среде с давлением 56,25 МПа, температурой 130^oС в присутствии 12% раствора соляной кислоты и 3% раствора фтористоводородной кислоты.

В предлагаемой каолиновой глине определяющим является соотношение оксидов алюминия и кремния, как главных элементов, влияющих на характеристику получаемого проппанта. В примерах 1 и 2 рассматриваются граничные соотношения данных компонентов и рассматриваются характеристики получаемых проппантов. В примере 3 приводятся средние оптимальные значения оксидов алюминия и кремния, а также средние значения оксидов железа и титана. Все данные примера 3 сведены в таблицу.

Пример 1

Содержание в исходной глине оксида алюминия - 41% и оксида кремния - 50% (минимальное содержание оксида алюминия и максимальное содержание оксида кремния). Содержания оксидов железа и титана имеют средние значения от заявляемых величин. В результате осуществления вышеперечисленных операций получен проппант, удовлетворяющий всем необходимым требованиям. Гранулы проппанта имеют правильную сферическую форму, разброс гранул по размеру невысокий. Возврат нестандартных гранул после просева на дополнительную переработку минимален. Данное соотношение компонентов обеспечивает получение легкого проппанта, эффективного для применения на небольших глубинах.

Пример 2

Содержание в исходной глине оксида алюминия - 43% и оксида кремния - 45% (максимальное содержание оксида алюминия и минимальное содержание оксида кремния). Содержания оксидов железа и титана также имеют средние значения от заявляемых величин. В результате осуществления вышеперечисленных операций получен проппант, также удовлетворяющий всем необходимым требованиям. Большинство гранул имеет удовлетворительные характеристики по геометрическим размерам и форме. Данное соотношение компонентов обеспечило получение проппанта, прочность которого выше, чем при других соотношениях компонентов. Удельный вес полученного проппанта позволяет избежать при эксплуатации необходимости использования высоковязких жидкостей.

Пример 3

В данном примере рассмотрен оптимальный состав, соответствующий примерно средним значениям содержания каждого компонента. По данному составу были проведены более подробные исследования и результаты приведены в прилагаемой таблице. В таблице приведены данные о химическом составе глины после операции кальцинации. За счет выгорания посторонних компонентов, присутствовавших в обогащенной глине, процентное содержание оксидов алюминия и кремния повысилось. Из кальцинированной массы глины, содержащей 43% оксида алюминия и 55% оксида кремния (данные проценты получены после обогащения глины), получен проппант, насыпная плотность которого составляет всего 1,5 г/см³. Это самый лучший показатель для проппантов такого типа. Прочность полученного проппанта составляет 9,5% при давлении 70 МПа, то есть при гидроразрыве только 9,5% гранул будет разрушено, что вполне нормально для скважин данной глубины. Указанное содержание оксида кремния обеспечивает получение гранул со сферичностью 0,9, что является хорошим показателем для проппантов.

В указанной таблице приведены также данные о химическом составе и физических свойствах проппантов 1 и 2, полученных из каолиновых глин других месторождений. Проппанты 1 и 2, отличающиеся от заявляемого большим содержанием оксида алюминия и меньшим содержанием оксида кремния, а также большим содержанием оксидов железа и титана, как видно из таблицы, характеризуются большой плотностью, то есть они тяжелее. У данных проппантов выше прочность и несколько выше проводимость, но для данного вида проппантов это не является определяющим.

Для производства заявляемого проппанта используется местное месторождение каолиновой глины в Челябинской области - Кыштымское. Производство экологически чистое. Географическое положение месторождения глины очень удобно - близкое расположение к нефтеносным районам.

Данный проппант достаточно легок и прочен и эффективно применяется на глубинах до 3000 м. Получение данного проппанта недорого. Предлагаемый проппант обеспечивает высокую проводимость нефти и газа из разрывов на небольших и средних глубинах нефтяных и газовых скважин и поддерживает высокую продуктивность в течение всей жизни скважин. Получаемый проппант экономичен, так как обладает небольшим весом и не требует применения высоковязких жидкостей, а это в свою очередь требует меньше затрат на проведение гидроразрыва.