ПРОППАНТЫ И СПОСОБ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК E21B43/267 

Группа изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, относится к получению расклинивающих агентов-проппантов, применяемых для закрепления трещин, образуемых при гидроразрыве нефтеносных пластов.

Известны керамические гранулы-проппанты, полученные из техногенного сырья - зол от сжигания бурых и каменных углей с введением различных спекающих добавок (патент РФ 2098618, Е 21 В 43/267, 1997 г.). Однако данное изобретение не учитывает использование других видов техногенного сырья, которые целесообразно применять для производства проппантов с целью повышения экологической безопасности.

Наиболее близкими к патентуемому изобретению по количеству существенных признаков следует считать проппанты, которые получают из керамической массы, включающей бокситы (корундосодержащие материалы), подвергнутые кальцинированному обжигу, размолотые до двух видов фракций и увлажненные водным раствором органического связующего или водным раствором суспензии глины (глинистый компонент) - патент РФ 2133716, Е 21 В 43/267, 1999 г.

Использование природного исходного сырья - бокситов, подвергнутых кальцинированному обжигу, удорожает производство проппантов.

Кроме того, полученные проппанты имеют недостаточно высокую прочность.

Известны способы получения проппантов, например, патент РФ 2098618, Е 21 В 43/267, 1997 г.; патент РФ 2133716, Е 21 В 43/267, 1999 г. и др. Наиболее близким к патентуемому способу является способ изготовления проппантов по патенту РФ 2133716, Е 21 В 43/267, 1999 г. Он заключается в том, что получают керамическую массу путем измельчения предварительно кальцинированных (обожженных) бокситов до двух видов фракций (крупной и мелкой), загрузки сначала крупной фракции в гранулятор, увлажнения ее органическим связующим или глинистым компонентом, подачи в гранулятор тонкой фракции, их гранулирование и обжиг во вращающейся печи при высоких температурах 1550-1570^oС.

Использование природного исходного сырья - бокситов, подвергнутых предварительному кальцинированию, и применение высокотемпературного обжига удорожает производство проппантов; полученные проппанты имеют недостаточно высокую прочность.

Патентуемые изобретения направлены на расширение сырьевой базы для производства проппантов из техногенных материалов и получения из них проппантов с высокими эксплуатационными свойствами, а также на повышение экологической безопасности за счет утилизации техногенных материалов.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретений, состоит в удешевлении производства проппантов и повышении их механической прочности.

Для достижения этого проппанты получены из керамической массы следующего состава, мас.%:
Корундосодержащий материал - 20-80
Циклонная пыль абразивного производства - 10-40
Глинистый компонент - 10-40
Связующее (сверх 100%) - 10-30
В качестве корундосодержащего материала используют материал с относительно невысоким содержание Аl₂О₃, например отходы корундового производства. Циклонная пыль также является техногенным сырьем - отходом абразивного производства. При этом глинистый компонент, имеющий огнеупорность 1100-1500^oС, включает, мас.%:
Красная глина - 20-80
Каолин - 20-80
Такой глинистый компонент обуславливает получение высокопластичной плотной керамической массы и снижение температуры ее спекания, что приводит к получению проппантов с высокой механической прочностью.

Нами установлено, что в этой композиции введение в качестве связующего водного раствора карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) способствует получению наиболее плотных и прочных проппантов.

Механизм получения проппантов заключается в формировании плотной и прочной структуры гранул вследствие использования мелкодисперсных техногенных компонентов, связанных указанным глинистым компонентом при использовании водного раствора КМЦ.

При содержании в керамической массе циклонной пыли и глинистого компонента менее 10% соответственно не происходит формирование прочных гранул вследствие слабого связывания частиц корундосодержащего материала и его затвердения. При содержании в керамической массе этих компонентов более 40% каждого также не получаются прочные гранулы ввиду их пластической деформации под воздействием собственного веса.

Использование глинистого компонента с огнеупорностью 1100-1500^oС обуславливает низкотемпературное спекание проппантов и их удешевление. Такая низкая огнеупорность глинистого компонента достигается указанным сочетанием красной глины и каолина. При ином их соотношении (более высоком содержании каолина) повышается огнеупорность глинистого компонента, что приводит к слабому спеканию проппантов; при повышенном содержании красной глины - к оплавлению и деформации гранул.

В соответствии с п.5 формулы изобретения проппанты дополнительно содержат железооксидообразующий компонент при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Корундосодержащий материал - 20-78
Циклонная пыль абразивного производства - 10-35
Глинистый компонент - 10-30
Железооксидообразующий компонент - 2-15
Связующее (сверх 100%) - 10-30
В качестве железооксидообразующего компонента возможно использовать различные техногенные материалы: железную окалину, циклонную пыль чугуно- и сталеплавильного производства, отходы прокатного производства и др. Наиболее предпочтительно использовать в патентуемой композиции железную окалину.

Наличие железооксидообразующего компонента способствует образованию железистосиликатной жидкой фазы, которая способствует лучшему спеканию частиц корундосодержащего компонента и повышению тем самым прочности проппантов.

При содержании железооксидообразующего компонента менее 2% не достигается повышение прочности проппантов ввиду их слабого спекания.

При содержании железооксидообразующего компонента более 15% гранулы деформируются под воздействием повышенного содержания железистосиликатной жидкой фазы.

Указанный технический результат в способе изготовления проппантов достигается тем, что получают керамическую массу путем совместного измельчения корундосодержащего материала, циклонной пыли абразивного производства и глинистого компонента, затем увлажнения смеси связующим, гранулирования массы и обжига гранул. Введение указанных компонентов при их совместном измельчении приводит к гомогенизации смеси, увлажнение которой приводит к формированию стабильных и прочных гранул.

Согласно п. 8 формулы изобретения, в процессе совместного измельчения корундосодержащего материала, циклонной пыли абразивного производства и глинистого компонента вводят железооксидообразующий компонент. Наличие железооксидообразующего компонента способствует лучшему спеканию гранул и улучшению гомогенизации массы.

Дополнительное отличие способа состоит в том, что обжиг гранул ведут при температурах 1200-1400^oС, что приводит к оптимальному содержанию в гранулах жидкой фазы, сохранению ими округлой формы и высокой прочности. Пониженные температуры обжига проппантов по сравнению с прототипом удешевляют их производство за счет экономии топлива.

Патентуемые изобретения поясняются следующими примерами.

В качестве исходных компонентов использованы следующие техногенные и природные материалы:
Корундосодержащий материал - корундосодержащие отходы абразивного производства ОАО "Юргинский абразивный завод" с содержанием Аl₂O₃ около 85% и размером частиц менее 50 мкм.

Циклонная пыль абразивного производства ОАО "Юргинский абразивный завод" с содержанием Аl₂O₃ около 82% и размером частиц менее 10 мкм.

Красная глина с содержанием СаО ≤2,5 мас.%, находящаяся вблизи Юргинского абразивного завода.

Тисульский каолин с содержанием Аl₂О₃ около 30,7 мас.%, Кемеровская обл.

Железная окалина ОАО "Юргинский машиностроительный завод".

Карбоксилметилцеллюлоза марки КМЦ-Н.

Технология производства проппантов следующая.

Корундосодержащий материал, циклонную пыль, Тисульский каолин, железную окалину и красную глину совместно размалывали в шаровой мельнице до получения гомогенной тонкомолотой смеси, затем гранулировали с увлажнением водным раствором КМЦ-Н пл. 1,05 г/см³ до влажности 10-30% (сверх 100%), получали округлые гранулы со средним размером 1 мм, их обжигали при температуре 1300-1350^oС с выдержкой 0,5-1,5 ч.

После обжига определяли предел прочности при сжатии проппантов по стандартной методике определения этого показателя у огнеупоров - одну гранулу раздавливали на гидравлическом прессе. Определяли средний предел прочности при сжатии (σ_сж) проппантов из 8-10 определений.

Составы проппантов и их прочность приведены в таблице.

Как видно из этой таблицы, прочность проппантов по предлагаемому изобретению выше, чем прочность проппантов по прототипу.

Преимущества предлагаемого изобретения следующие:
1. Расширяются составы дешевых техногенных сырьевых материалов для производства достаточно прочных проппантов.

2. Улучшается экологическая безопасность окружающей среды за счет использования отходов.

3. Технология производства проппантов является простой; проппанты изготовляют на обычном типовом оборудовании.

4. Полученные проппанты являются дешевыми за счет использования местных техногенных материалов и пониженной температуре обжига проппантов.

Использование: получение расклинивающих агентов - проппантов (П) для закрепления трещин при гидроразрыве нефтеносных пластов. Технический результат - получение П с высокой механической прочностью при использовании недорогого сырья - техногенных материалов, что удешевляет их производство. Этому способствует также снижение температуры обжига гранул П. П получены из керамической массы состава, мас.%: корундосодержащий материал 20-80, циклонная пыль абразивного производства 10-40, глинистый компонент 10-40 с огнеупорностью 1100-1500^oС (в частности, красная глина 20-80 и каолин 20-80) и связующее 10-30 (сверх 100%, в частности водный раствор карбоксиметилцеллюлозы); возможно дополнительное включение железооксидообразующего компонентов 2-15, например железной окалины. П изготовляют из керамической массы, содержащей совместно измельченные указанные исходные компоненты, путем гранулирования массы и обжига гранул, предпочтительно при 1200-1400^oС. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Проппанты, характеризующиеся тем, что они получены из керамической массы следующего состава, мас. %:
Корундосодержащий материал - 20-80
Циклонная пыль абразивного производства - 10-40
Глинистый компонент - 10-40
Связующее (сверх 100%) - 10-30
2. Проппанты по п. 1, характеризующиеся тем, что глинистый компонент имеет огнеупорность 1100-1500^oС. 3. Проппанты по п. 2, характеризующиеся тем, что глинистый компонент представлен соотношением следующих компонентов, мас. %:
Красная глина - 20-80
Каолин - 20-80
4. Проппанты по п. 1 или 2, характеризующиеся тем, что связующее представлено водным раствором карбоксиметилцеллюлозы. 5. Проппанты по любому из пп. 1-4, характеризующиеся тем, что керамическая масса дополнительно содержит железооксидообразующий компонент при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Корундосодержащий материал - 20-78
Циклонная пыль абразивного производства - 10-35
Глинистый компонент - 10-30
Железооксидообразующий компонент - 2-15
Связующее (сверх 100%) - 10-30
6. Проппанты по п. 5, характеризующиеся тем, что железооксидообразующий компонент представлен железной окалиной. 7. Способ изготовления проппантов, характеризующийся тем, что получают керамическую массу путем совместного измельчения корундосодержащего материала, циклонной пыли абразивного производства и глинистого компонента, затем увлажнения смеси связующим, гранулирования массы и обжига гранул. 8. Способ по п. 7, характеризующийся тем, что в процессе совместного измельчения корундосодержащего материала, циклонной пыли абразивного производства и глинистого компонента вводят железооксидообразующий компонент. 9. Способ по п. 7 или 8, характеризующийся тем, что обжиг гранул ведут при 1200-1400^oС.