СТОЙКИЙ К ИСТИРАНИЮ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРОПАНТ И ЕГО КОМПОНЕНТЫ Российский патент 2019 года по МПК C09K8/80 

Данная заявка основывается на следующей заявке и испрашивает ее приоритет: Заявка на патент США номер 61/971995, поданная 28 марта 2014 г.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится, вообще, к композиционному пропанту, более конкретно, помимо прочего, к стойкому к истиранию композиционному пропанту, предназначенному для использования при гидроразрыве.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Гидроразрыв широко применяется при нефте- и газодобыче для того, чтобы получить доступ к углеводородам, удерживаемым в непроницаемых геологических формациях. Эта технология включает закачивание в скважину под высоким давлением текучей среды, обычно, содержащей воду или другой носитель, химикаты и пропанты, что вызывает растрескивание нижележащих пород. Присутствующие в текучей среде пропанты затем остаются в трещинах породы и удерживают трещины открытыми, благодаря чему глубинные углеводороды притекают через трещины в скважину, откуда их откачивают.

Такие пропанты, как кварцевый песок, песок, покрытый смолой, керамика и такие материалы, как боксит, применяемые для изготовления, например, керамики, в настоящее время широко используются в операциях гидроразрыва для увеличения добычи нефти и газа из подземных пластов. Однако, для всех этих пропантов характерно образование пыли/мелких частиц во время транспортировки и других манипуляций до того, как их закачивают в скважину для гидроразрыва. Например, когда для гидроразрыва применяется кварцевый песок, во время его транспортировки на участок проведения гидроразрыва происходит истирание и соударение кварцевых частиц друг с другом и со стенками контейнера. Интенсивность истирания и соударения существенно увеличивается во время перемещения и разгрузки материала. Пыль/мелкие частицы образуются во время загрузки бункеров, на ленточном конвейере, при загрузке смесительной установки, как отходы пескосортировки, отходы со стрингеров, выброс пыли из открытых загрузочных отверстий и во время других работ, создавая потенциальную угрозу для здоровья и окружающей среды. В частности, большое количество пыли/мелких частиц образуется при пневматической разгрузке.

Пыль/мелкие частицы представляют собой микроскопические твердые частицы, которые могут находиться во взвешенном состоянии в воздухе. Такой материал в форме твердых частиц может быть природного происхождения, а также являться результатом деятельности человека. Настоящее изобретение направлено на ограничение количества образующейся пыли/мелких частиц посредством использования пропанта, устойчивого к истиранию во время транспортировки, для гидроразрыва и в других вариантах применения. Вдыхаемые частицы являются причиной особого беспокойства за здоровье и безопасность рабочих и другого персонала, контактирующего с пылью/мелкими частицами. Эти переносимые по воздуху частицы представляют потенциальную опасность из-за их способности проникать глубоко в альвеолы легких. В частности, доказано, что хроническое или избыточное воздействие вдыхаемых частиц кристаллического оксида кремния, такого как кварц, вызывает пневмокониоз, более известный как силикоз.

В рамках класса пыли/мелких частиц вдыхаемыми частицами считаются те, что достаточно малы для проникновения в альвеолы легких, как правило, это частицы диаметром 10 микрометров (или микрон) или менее. Когда размер частицы становится менее 10 микрон, вероятность задерживания частиц в альвеолах увеличивается. Хотя настоящее изобретение направлено на подавление образование пыли/мелких частиц диаметром 10 микрон или менее (включая мелкие частицы диаметром 2,5 микрона или менее), изобретение также применимо для подавления образования других, более крупных или субмикронных взвешенных частиц. По мере повышения осведомленности о медицинских и экологических последствиях воздействия вдыхаемых взвешенных частиц, настоящее изобретение будет оставаться применимым с целью подавления образования пыли/мелких частиц при гидроразрыве и других операциях в той мере, в какой эти термины могут пониматься в будущей практике или нормативных документах.

Что касается современного нормативного регулирования, Управление охраны труда (Occupational Safety and Hazard Administration - (OSHA)) Министерства труда США уполномочено обеспечить безопасные и гигиеничные условия труда путем разработки и приведения в жизнь стандартов, определяющих условия на рабочем месте. В документе 29 CFR 1910.1000 OSHA определяет допустимые уровни воздействия (Permissible Exposure Limits - PEL) для множества химических веществ. Текущие общепромышленные PEL, установленные OSHA, для вдыхаемой пыли оксида кремния опубликованы в 29 CFR 1910.1000, Таблица Z-3, и в OSHA Technical Manual (OTM) Section II: Chapter 1, Appendix J, Sample Calculations for Crystalline Silica, в том числе, следующее уравнение 6 из Section III.K.2, Appendix J:

PEL (мг/м³)=(10 мг/м³)/(2+% вдыхаемого кварца)

Таким образом, для пыли, содержащей 100% кварца, PEL составляет 10/(100+2) или около 0,1 мг/м³. Термин «вдыхаемый кварц» охватывает пыль, содержащую более одного процента кварца с таким малым размером частиц, что они могут достигать пространства альвеол в легких, или менее 10 мкм аэродинамического диаметра. Воздействие пыли выражают либо как концентрацию частиц (например, миллионов частиц на кубический фут воздуха, mppcf), либо как гравиметрическую концентрацию (единиц массы частиц на единицу объема воздуха, например, мг/м³). Регламентирующий орган OSHA является субъектом административного нормотворчества, которое включает разъяснительную работу с общественностью и экспертизу. Этот административный и политический процесс может приводить к появлению новых или пересмотренных стандартов, после чего потребуются годы для их доработки, утверждения и введения в действие в качестве действующего стандарта. Деятельность работодателей по поддержанию степени воздействия оксида кремния на уровне, не превышающем PEL, на что направлено настоящее изобретение, усложнится, если OSHA снизит PEL до 0,05 миллиграммов вдыхаемого кристаллического оксида кремния на кубический метр воздуха (0,05 мг/м³), как указано в Предлагаемом нормативе OSHA для Федерального регистра от 12 сентября 2013 г.

В OSHA признают, что многие PEL устарели, и что пересмотр существующих PEL - долгий и сложный процесс. По этой причине OSHA рекомендует работодателям принимать во внимание альтернативные пределы воздействия на рабочем месте (то есть, рекомендованные пределы воздействия (recommended exposure limit - REL) Национального института по охране труда и промышленной гигиене (National Institute of Occupational Safety and Health - NIOSH) и предельно допустимые концентрации (threshold limit value - TLV) Американской Конференции государственных и промышленных специалистов по гигиене (American Conference of Governmental and Industrial Hygienists - ACGIH)). Рассматривая передовой опыт охраны труда в лучших отраслях промышленности, ACGIH является членской организацией, ориентированный на решение задач в области охраны труда, профессиональной гигиены и техники безопасности. Ежегодно ACGIH публикует Руководство по пределам воздействия на рабочем месте, которое считается в США источником стандартов по пределам воздействия на рабочем месте. Публикуемая ACGIH TLV по временному среднему (time weighted average - TWA) восьмичасовой рабочей смены для вдыхаемого кристаллического оксида кремния (см. 2015 Guide to Occupational Exposure Values и цитируемую в документе OSHA 29 CFR 1910.1200 аннотированную Таблицу Z-3 Mineral Dusts) составляет 0,025 мг/м³ для α-кварца. NIOSH является частью Центра по контролю за заболеваниями (Center for Disease Control and Prevention - CDC) Министерства здравоохранения и социального обеспечения США. Среди прочего, NIOSH отвечает за проведение исследований и выработку рекомендаций по предотвращению производственных травм и заболеваний на основе новейших научных данных. Опубликованный NIOSH на настоящее время REL по TWA десятичасового рабочего дня в течение 40-часовой рабочей недели составляет 0,05 мг/м³ для кристаллического оксида кремния в качестве вдыхаемой пыли. Помимо этих учреждений в США, в других странах также разрабатываются стандарты и рекомендации для производственных помещений, в том числе, в Научном комитете по пределам воздействия на рабочем месте (Scientific Committee on Occupational Exposure Limits - SCOEL) и Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA), которые консультируют Комиссию Европейского союза в отношении пределов воздействия химикатов на рабочем месте и Стандартов воздействия на рабочем месте загрязняющих веществ, переносимых по воздуху, опубликованных совместно с Австралийским Законом о гигиене и безопасности труда на рабочем месте. Настоящее изобретение направлено на достижение соответствия всем этим многочисленным стандартам и рекомендациям, а также добровольно задаваемым для себя стандартам, которые могут превосходить эти требования.

Мелкие частицы пропанта также могут вызывать проблемы во время добычи нефти и газа. Размер мелких частиц меньше, чем у пропанта в целом, поэтому они менее эффективны в отношении расклинивания трещин, открытых для притока нефти и газа. Кроме того, они могут закупоривать трещины, препятствуя потоку углеводородов и снижая продуктивность скважины.

При разработке известных пропантов с покрытием стремились, прежде всего, повысить прочность пропанта на раздавливание, при этом, контроль запыленности рассматривали только как вторичный положительный эффект. Увеличения прочности на раздавливание можно достичь путем нанесения на пропант покрытия из смолы. Однако, это очень дорогое и, следовательно, нежелательное решение для увеличения устойчивости к истиранию. Другие покрытия предназначаются для контроля запыленности путем агломерации небольших частиц пыли, а не предотвращения, прежде всего, образования пыли.

Ввиду изложенного выше, желательно наличие пропанта с низким содержанием пыли/мелких частиц после транспортировки и перемещения, особенно, при пневматической разгрузке.

Кроме того, желательно, чтобы такой пропант представлял собой новый тип пропанта для производства гидроразрыва.

Кроме того, желательно, чтобы такой пропант предоставлял пользователям возможность удовлетворения требований OSHA PEL, NIOSH REL и аналогичных требований после транспортировки и перемещения и при пневматической разгрузке, что обеспечивало бы лучшую защиту рабочих и предотвращало бы нежелательное запыление, которое может взволновать местную общественность в окрестностях смесеприготовительной установки, перегрузочных площадок или участка проведения гидроразрыва.

Также желательно, чтобы такой пропант облегчал удовлетворение более жестких норм OSHA PEL, NIOSH REL и аналогичных требований, если это потребуется в будущем.

Кроме того, желательно, чтобы производство такого пропанта было более дешевым, чем производство пропанта с покрытием из смолы.

Кроме того, желательно, чтобы такой пропант предотвращал образование пыли, нежели просто агломерировал имеющуюся пыль.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вообще, в первом аспекте, изобретение относится к пропанту с модифицированной поверхностью, включающему пропант и химическое покрытие, по меньшей мере, частично покрывающее пропант. Химическое покрытие может иметь ненефтяную основу, быть основанным на глицерине, пропиленгликоле или их сочетании. Кроме того или дополнительно, пропант с модифицированной поверхностью может характеризоваться коэффициентом снижения мутности, превышающим, примерно, 40% и коэффициентом снижения количества вдыхаемой пыли, превышающим, примерно, 70%. Кроме того или дополнительно, химическое покрытие может не быть термоотверждаемым полимером, не быть ионогенным полимером, не быть термопластичным эластомером и не быть гидрогелем. Покрытие может увеличивать устойчивость пропанта к истиранию. Кроме того или дополнительно, покрытие может снижать образование пыли/мелких частиц пропанта при транспортировке, манипулировании, пневматической разгрузке или их сочетании.

До нанесения покрытия пропант может, по существу, не содержать пыли и может представлять собой исходный субстрат, включая песок, керамику или композиционный материал, минералы, размолотый ракушечник, пропант с покрытием из смолы или их сочетание. Покрытие может быть нетоксичным. Покрытие может не быть ионогенным полимером. Покрытие может составлять менее 2% вес. пропанта с модифицированной поверхностью, менее 1% вес. пропанта с модифицированной поверхностью, или от 0,05 до 0,20% вес. пропанта с модифицированной поверхностью. Покрытие может представлять собой покрытие на основе глицерина, покрытие на основе растительного масла/воска, покрытие на основе смолы таллового масла, покрытие на основе сложного алкилового эфира или их сочетание. Если покрытие является покрытием на основе сложного алкилового эфира, основу покрытия могут составлять сложные эфиры низших алкилов, в частности, метиловый и этиловый сложные эфиры.

Химическое покрытие может быть нанесено на пропант путем распыления, механического смешивания, немеханического смешивания или с использованием их сочетания. Покрытие может включать множество покрытий, эти покрытия могут быть нанесены на пропант последовательно или одновременно. Множество покрытий может включать первое покрытие и второе покрытие; первое покрытие может иметь иной химический состав, нежели второе покрытие. В качестве альтернативы, химический состав первого покрытия может быть такой же, как химический состав второго покрытия. Покрытие может быть нанесено на пропант до использования пропанта. Покрытие может включать толстый слой покрытия, тонкий слой покрытия или частичный слой покрытия.

Пропант с модифицированной поверхностью может дополнительно включать химический маркер, такой как пигмент, УФ краситель, вещество, повышающее электропроводность, или их сочетание. Дополнительно или в качестве альтернативы, пропант с модифицированной поверхностью может дополнительно включать сшивающий агент - замедлитель гидроразрыва, который может представлять собой бетаин, глюконат, полигликоль или их сочетание. Покрытие может не нуждаться в отверждении или сушке.

Во втором аспекте, изобретение относится к способу производства пропанта с модифицированной поверхностью, при этом, способ включает наделение пропанта химическим покрытием, при этом, химическое покрытие не является термоотверждаемым полимером, не является ионогенным полимером, не является термопластичным эластомером и не является гидрогелем или, более конкретно, имеет ненефтяную основу, основано на глицерине, пропиленгликоле или их сочетании; и смешивание покрытия и пропанта или распыление покрытия на пропант без перемешивания с целью производства пропанта с модифицированной поверхностью. Покрытие может не являться ионогенным полимером. Покрытие может составлять менее 2% вес. пропанта с модифицированной поверхностью, менее 1% вес. пропанта с модифицированной поверхностью, или от 0,05 до 0,20% вес. пропанта с модифицированной поверхностью. Смешивание может осуществляться в механическом смесителе непрерывного действия с силовым приводом, механическом смесителе периодического действия с силовым приводом, статическом смесителе или с использованием их сочетания. Этот способ может дополнительно включать наделение пропанта с модифицированной поверхностью вторым химическим покрытием и смешивание второго химического покрытия и пропанта с модифицированной поверхностью.

В третьем аспекте, изобретение относится к способу уменьшения истирания пропанта на всем протяжении цепочки его доставки, при этом, способ включает использование пропанта с модифицированной поверхностью. Пропант с модифицированной поверхностью может включать пропант и химическое покрытие, по меньшей мере, частично покрывающее пропант, при этом, химическое покрытие не является термоотверждаемым полимером, не является ионогенным полимером, не является термопластичным эластомером и не является гидрогелем или, более конкретно, имеет ненефтяную основу, основано на глицерине, пропиленгликоле или их сочетании.

Пропант может представлять собой исходный субстрат, в том числе, песок, керамику или композиционный материал, комбинированные материалы, минералы, размолотый ракушечник, пропант с покрытием из смолы или их сочетание. Химическое покрытие может представлять собой покрытие на основе глицерина, покрытие на основе растительного масла/воска, покрытие на основе смолы таллового масла, покрытие на основе сложного алкилового эфира или их сочетание. Покрытие может не быть ионогенным полимером. Покрытие может составлять менее 2% вес. пропанта с модифицированной поверхностью, менее 1% вес. пропанта с модифицированной поверхностью, или от 0,05 до 0,20% вес. пропанта с модифицированной поверхностью.

Химическое покрытие может быть нанесено на пропант путем механического смешивания, распыления, немеханического смешивания или с использованием их сочетания. Покрытие может включать множество покрытий, эти покрытия могут быть нанесены на пропант последовательно или одновременно. Множество покрытий может включать первое покрытие и второе покрытие; первое покрытие может иметь иной химический состав, нежели второе покрытие, или химический состав первого покрытия может быть такой же, как химический состав второго покрытия. Покрытие может быть нанесено на пропант до использования пропанта.

Пропант с модифицированной поверхностью может дополнительно включать химический маркер, такой как пигмент, УФ краситель, вещество, повышающее электропроводность, или их сочетание. Пропант с модифицированной поверхностью может дополнительно включать сшивающий агент - замедлитель гидроразрыва, который может представлять собой бетаин, глюконат, полигликоль или их сочетание.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 показано поперечное сечение пропанта с модифицированной поверхностью, предназначенного для использования при гидроразрыве, при этом, пропант с модифицированной поверхностью снабжен толстым покрытием;

На фиг. 2 показано поперечное сечение пропанта с модифицированной поверхностью, предназначенного для использования при гидроразрыве, при этом, пропант с модифицированной поверхностью снабжен тонким покрытием;

На фиг. 3 показано поперечное сечение пропанта с модифицированной поверхностью, предназначенного для использования при гидроразрыве, при этом, пропант с модифицированной поверхностью снабжен частичным покрытием;

Фиг. 4 представляет собой схему способа производства пропанта с модифицированной поверхностью в масштабе;

Фиг. 5 представляет собой диаграмму использования пропанта с модифицированной поверхностью при гидроразрыве;

Фиг. 5а представляет собой изображение в увеличенном масштабе части диаграммы фиг. 5;

Фиг. 6 представляет собой график снижения образования пыли/мелких частиц при износе/истирании, измеренного по мутности, пропантов с модифицированной поверхностью, описанных в примерах 1-12 и 16-21;

Фиг. 7 представляет собой график снижения образования пыли/мелких частиц при износе/истирании, измеренного по мутности, после 12,5-часового испытания на абразивное истирание в шаровой мельнице;

Фиг. 8 представляет собой график количества вдыхаемой кварцевой пыли, образующейся при пневматической разгрузке песка гидроразрыва без покрытия и песка гидроразрыва с покрытием;

Фиг. 9 представляет собой график снижения образования пыли/мелких частиц, измеренного по мутности, пропантов с модифицированной поверхностью, описанных в примерах 22-26;

Фиг. 10 представляет собой график гранулометрического состава систем, описанных в примере 28;

Фиг. 11 представляет собой график снижения образования пыли/мелких частиц, измеренного по мутности, пропантов с модифицированной поверхностью, описанных в примерах 28-30;

Фиг. 12 представляет собой график общего снижения количества вдыхаемой пыли, измеренного в процентах, пропантов с модифицированной поверхностью, описанных в примерах 1 и 4 и испытанных в примере 15, и примерах 33 и 34; и

Фиг. 13 представляет собой график общего коэффициента снижения мутности для множества образцов, описанных в примерах 1-14, 16-25 и 28-30.

Другие преимущества и отличительные особенности станут ясны из нижеследующего описания и формулы изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описываемые в данном разделе устройства и способы являются лишь иллюстрацией того, как реализуется и используется настоящее изобретение, и не должны рассматриваться как ограничивающие его объем.

Хотя устройства и способы описаны с определенной степенью конкретности, следует отметить, что возможны многочисленные модификации деталей конструкции и расположения устройств и компонентов, не выходящие за рамки существа и объема настоящего описания. Подразумевается, что устройства и способы не ограничиваются вариантами их осуществления, описанными в настоящем документе для примера.

Вообще, в первом аспекте, изобретение относится к стойкому к истиранию композиционному пропанту и составляющим его материалам. В ходе испытаний толстый слой, тонкий слой или частичный слой покрытия на основе глицерина, покрытия на основе растительного масла или покрытия на основе смолы таллового масла неожиданно оказался пригодным для увеличения стойкости к истиранию/соударению частиц пропанта с модифицированной поверхностью и для существенного снижения количества вдыхаемой пыли/мелких частиц при пневматической разгрузке такого композиционного пропанта с модифицированной поверхностью. Это открытие является значительным с точки зрения охраны здоровья рабочих, подвергающихся воздействию пыли пропанта. Экологичная и сбалансированная природа таких химических покрытий также может внести вклад в охрану окружающей среды и водных ресурсов.

Помимо вопросов безопасности персонала, связанных с выполнением требований OSHA и NIOSH в отношении переносимых по воздуху частиц, композиционный пропант может быть использован в скважине в контексте проведения гидроразрыва. Этот материал также может быть использован, что более подробно описано ниже, как песок, применяемый в качестве промышленного сырья, для строительства или игровых площадок и в аналогичных контекстах. Важна экологичная и сбалансированная природа химического покрытия, благодаря чему исключается загрязнение воды как наземных водосборных площадей (таких как пруды, ручьи или стоки с производственных площадок), так и грунтовых вод. Возможно, что помимо OSHA и NIOSH, Агентство по охране окружающей среды (ЕРА) США или другие агентства введут нормативные акты, поощряющие или предписывающие использование биологически и экологически безопасных материалов, подобных пропантам с модифицированной поверхностью, описываемым в настоящем документе.

Пропан может представлять собой пропант с модифицированной поверхностью, предназначенный для использования при гидроразрыве. Поперечное сечение частицы пропанта показано на фиг. 1, 2 и 3. Данный модифицированный пропант 100 характеризуется образованием малого количества пыли/мелких частиц при транспортировке и манипулировании и при пневматической разгрузке на участке проведения гидроразрыва. Для модификации пропанта могут быть использованы экологически безопасные химические покрытия 120, такие как состав на основе глицерина, состав на основе растительного масла или состав на основе смолы таллового масла. Пропант 110 может представлять собой песок, такой как кварцевый песок, кварцевый песок с покрытием из смолы, морской песок, песок площадок для игры в гольф, коралловый песок, вулканический пепел, стекольный песок, гипсовый песок, ооидовый песок, кремнистый песок, магнетитовый песок, глауконитовый песок, песок пустыни, литический песок, биогенный песок, гранатовый песок, оливиновый песок, песок тяжелых минералов, континентальный песок, кварцевый песок или другие типы песка; либо керамику, материалы, используемые для производства керамики, такие как боксит, облегченную керамику или керамику с покрытием из смолы, обычно используемую при гидроразрыве, либо другие пригодные материалы в форме частиц, такие как размолотый кварц, размолотый ракушечник и т.д. Модифицирующая поверхность и подавляющая образование пыли композиционная система также может быть нанесена на другие пылеобразующие материалы в форме частиц, такие как тальк, полевой шпат, диатомит, каолин, размолотый кварц, морской песок, песок для игровых площадок, пирогенный кремнезем, песок площадок для игры в гольф и т.д. Пропант 110 показан на фиг. 1, 2 и 3 как круглые или сферические частицы, однако они могут иметь любую геометрическую форму, что не выходит за рамки настоящего изобретения.

Химическое покрытие 120 может не быть термоотверждаемым полимером, ионогенным полимером, термопластичным эластомером или гидрогелем. Химическое покрытие 120 может иметь ненефтяную основу, быть основанным на глицерине, пропиленгликоле или их сочетании. Более конкретно, химическое покрытие может представлять собой покрытие на основе глицерина, на основе растительного масла, на основе смолы таллового масла, на основе сложного метилового и/или этилового эфира или их сочетания либо может представлять собой минеральное масло или другое надлежащее покрытие. Покрытие может не быть ионогенным полимером, при этом, ионогенные полимеры включают полианионные и поликатионные полимеры, в том числе, синтетические полимеры, биополимеры или модифицированные биополимеры, содержащие карбокси-, сульфо-, сульфато-, фосфоно- или фосфатные группы или их смеси или их соли или первичные, вторичные или третичные амины или группы четвертичного аммония или их надлежащие соли в основной цепи или в качестве заместителей. Химическое покрытие может быть экологически безопасным и нетоксичным для человека и/или животных. Для покрытия может не требоваться отверждение или сушка. Покрытие 120 может не быть добавкой или вторичным покрытием, используемым в сочетании с различными покрытиями в различных целях, напротив, может быть использовано индивидуально в качестве первичного покрытия.

Покрытия или способы обработки на основе нефти могут снижать экологичность и повышать токсичность модифицирующей поверхность пропанта системы, в том числе, переносимых по воздуху пыли/мелких частиц при манипуляциях с материалом до закачивания его в скважину, а также отражаться на остаточном экологическом загрязнении после внесения в скважину. В качестве неполного перечня исключений, пропант 100 с модифицированной поверхностью может не содержать покрытие на нефтяной основе, отличной от глицерина или пропиленгликоля, поверхностный слой гидрогеля, слой синтетического полимера, слой силанового функционального агента, слой синтетической смолы, термопластичый эластомер или другое покрытие, основанное на нефтяной фракции, или полимер, изготовленный из мономера нефтяной фракции. Другими покрытиями, исключаемыми из объема настоящего изобретения, являются повышающие клейкость агенты, содержащие полиамиды и поликислоты, органические покрытия из различных термопластичных эластомеров или термоотверждаемых полимеров, полиуретан, отвержденные изоцианатные функциональные компоненты, глицериновый эфир канифоли или пентаэритритоловый эфир канифоли, новолачный фенолоформальдегидный полимер, поликарбодиимид, эпоксидная смола или вязкоупругие поверхностно-активные вещества. Такие дополнительные или альтернативные покрытия иногда используют для диспергирования пропанта в буровом растворе, введения пропанта в трещину, повышения проницаемости (как характеристики потока углеводородов, а не электропроводности), способности выдерживать давление (т.е., прочности на раздавливание) или в других технологических целях. Возможно использование пропанта 100 с модифицированной поверхностью настоящего изобретения в сочетании с этими иными материальными системами для решения многочисленных конкурирующих задач, возникающих при проведении гидроразрыва или связанных с ним, или в других целях (например, для снижения обратного потока пропанта).

Покрытие может быть нанесено до использования пропанта, Так, покрытие может быть нанесено на новый, по существу, не содержащий пыли пропант. Как таковое, покрытие может, в первую очередь, предотвращать образование пыли путем уменьшения истирания пропанта, а не воздействовать лишь на существующую пыль. При условии, что пропант имеет определенный размер частиц, пропант без покрытия может разрушаться во время транспортировки, манипуляций и иного использования. Размер частиц пропанта с покрытием может оставаться неизменным, так как покрытие предохраняет частицы пропанта от разрушения. Такой пропант с покрытием отличен от случая, когда покрытие наносится на скопление пыли с целью агломерации существующей пыли и предотвращения перенесения существующей пыли по воздуху. Пропант может рассматриваться как, по существу, не содержащий пыли, если он характеризуется мутностью менее 200, предпочтительно, менее 150, более предпочтительно, менее 100, наиболее предпочтительно, менее 50. Мутность представляет собой степень непрозрачности или затуманенности жидкости, вызванной взвешенными твердыми частицами, которые могут быть невидимы для невооруженного глаза. Пыль/мелкие частицы, взвешенные в воде, имеют тот же размер, что и вдыхаемые частицы пыли, которые могут представлять угрозу для здоровья при вдыхании. По существу, не содержащий пыли пропант может представлять собой пропант, произведенный на песчаном карьере, где песок промывают, сушат, сортируют и, необязательно, хранят в бункере. Мутность пропанта может зависеть от гранулометрического состава. Например, образцы фракций 40/70 и №100 могут характеризоваться большей мутностью, чем образцы фракций 20/40 И 16/30, даже если все образцы, по существу, не содержат пыли.

На лабораторной установке покрытие может быть нанесено путем покапельного добавления покрытия к 200 г выбранного материала в форме частиц при комнатной температуре. Покрытие и пропант могут быть перемешаны вручную при помощи нержавеющего шпателя в течении пяти минут, пока покрытие не будет полностью распределено по пропанту. В качестве альтернативы, перемешивание может быть выполнено любым другим из хорошо известных способом механического перемешивания.

Фиг. 4 представляет собой схему способа производства пропанта с модифицированной поверхностью в масштабе. Осуществление этого способа может начинаться с исходного материала, пропанта 110, на стадии 210. Первый слой химического покрытия 120 может быть нанесен на стадии 220. В промышленном масштабе покрытие может быть нанесено путем распыления, при помощи механического смесителя непрерывного действия с силовым приводом, механического смесителя периодического действия с силовым приводом, статического смесителя или их сочетания либо, если нужно, с использованием других способов смешивания или нанесения. После нанесения химическое покрытие может составлять менее 2% вес. пропанта 100 с модифицированной поверхностью, менее 1% вес. пропанта 100 с модифицированной поверхностью или, наиболее предпочтительно, от 0,05 до 0,20% вес. пропанта 100 с модифицированной поверхностью.

Когда на стадии 220 используют механический смеситель непрерывного действия с силовым приводом, этот механический смеситель непрерывного действия с силовым приводом может включать закрепленные на валу вращающиеся лопасти, стержни, ленту или ленты или любое их сочетание и может приводиться в действие электродвигателем, двигателем внутреннего сгорания или другой приводной системой. Дополнительно или в качестве альтернативы, может быть использован вращающийся барабан или иной резервуар, который может содержать винты (шнековые), ковши, перегородки и т.д. Покрытие может быть нанесено на пропант по технологическому потоку до механического смесителя непрерывного действия с силовым приводом или одновременно с подачей пропанта в механический смеситель непрерывного действия с силовым приводом или сразу же после того, как пропант подан в механический смеситель непрерывного действия с силовым приводом. Точка нанесения покрытия может быть организована в виде падающей завесы потока пропанта, на который наносится покрытие, с целью более эффективного распределения наносимого покрытия. В качестве альтернативы или дополнительно, для более эффективного распределения наносимого покрытия может быть использована система распылительных форсунок. Вращающиеся лопасти, стержни и/или ленты могут облегчать перемешивание пропанта и покрытия и могут перемещать пропант с покрытием к разгрузочному концу механического смесителя непрерывного действия с силовым приводом. Механический смеситель непрерывного действия с силовым приводом может включать один вращающийся вал или два и более вращающихся валов. Таким образом, может быть организован процесс непрерывного перемешивания, упрощающий распределение покрытия по пропанту. В качестве альтернативы, адекватное, если не оптимальное, перемешивание с покрытием могут обеспечить транспортерные ленты, перепад высот и конвейерный транспорт смесеприготовительной установки или транспортно-перегрузочного пункта или любой другой производственной площадки, где происходит конвейерное перемещение песка.

Механический смеситель периодического действия с силовым приводом может приводиться в действие электродвигателем, двигателем внутреннего сгорания или другим силовым приводом с целью облегчения перемешивания пропанта и покрытия. Покрытие может быть нанесено на пропант по потоку до механического смесителя периодического действия с силовым приводом или одновременно с подачей пропанта в механический смеситель периодического действия с силовым приводом или сразу же после подачи пропанта в механический смеситель периодического действия с силовым приводом. Точка нанесения покрытия может быть расположена и сконструирована так, чтобы поток пропанта, на который наносится покрытие, имел форму падающей завесы с целью более эффективного распределения наносимого покрытия. В качестве альтернативы или дополнительно, для более эффективного распределения наносимого покрытия может быть использована система распылительных форсунок. Вращающиеся лопасти, стержни и/или ленты могут облегчать перемешивание пропанта и покрытия. Механический смеситель периодического действия с силовым приводом может включать один вращающийся вал или два и более вращающихся валов. После смешивания пропант с покрытием может быть выгружен из механического смесителя периодического действия с силовым приводом, и процесс многократно повторен. Таким образом, в ходе периодического перемешивания облегчается распределение покрытия по пропанту.

В статическом смесителе для смешивания пропанта с покрытием могут использоваться бесприводные средства. Покрытие может быть нанесено на пропант по технологическому потоку до статического смесителя или одновременно с подачей пропанта в статический смеситель или сразу же после подачи пропанта в статический смеситель. Точка нанесения покрытия может быть расположена и сконструирована так, чтобы поток пропанта имел форму падающей завесы по технологическому потоку до статического смесителя, на загрузочной стороне статического смесителя или сразу же после поступления пропанта в статический смеситель с целью более эффективного распределения наносимого покрытия. В качестве альтернативы или дополнительно, для более эффективного распределения наносимого покрытия может быть использована система распылительных форсунок. Внутри статического смесителя могут быть установлены перегородки, отклоняющие устройства, ступенчатые перекладины и т.д., облегчающие перемешивание пропанта и покрытия. Таким образом, может быть организован непрерывный процесс смешивания, облегчающий распределение покрытия по пропанту.

На стадии 230 может быть достигнута точка принятия решения в отношении нанесения, если нужно, дополнительных слоев покрытия. Каждое покрытие может быть нанесено на массив последовательно. Каждое из множества покрытий может представлять собой слой покрытия того же типа, либо каждый слой может быть образован покрытием иного типа, либо сочетанием того и другого. Каждый слой покрытия может быть нанесен с использованием любого одного или нескольких способов нанесения, описанных выше в отношении стадии 220.

На стадии 240 может быть достигнута точка принятия решения в отношении одной или нескольких дополнительных химических модификаций пропанта с модифицированной поверхностью. Химические маркеры, такие как пигменты, УФ красители и повышающие электропроводность химикаты, и/или биологические маркеры, такие как ДНК, также могут быть нанесены на композиционный пропант для обеспечения простоты идентификации, отслеживания или с другими целями. Кроме того или дополнительно, может быть нанесен сшивающий агент - замедлитель гидроразрыва, такой как бетаин, глюконат, полигликоль или их сочетание. Эти химикаты также могут быть нанесены в смеси с препятствующим истиранию покрытием на стадии 220 и/или 230.

На стадии 250 полученный в ходе описанных выше стадий пропант с модифицированной поверхностью может быть направлен на хранение, а затем перевезен к месту использования для гидроразрыва. Кроме того, описанные стадии могут быть осуществлены на месте или на любом участке цепочки его доставки, даже по мере необходимости на участке проведения гидроразрыва. Впрочем, данная материальная система обеспечивает существенно улучшенный контроль запыленности и придает устойчивость к истиранию как необработанным пропантам, так и пропантам, обработанным альтернативными химическими системами.

Фиг. 5 представляет собой диаграмму использования пропанта с модифицированной поверхностью при гидроразрыве. Гидроразрыв широко применяется в нефте- и газодобыче для максимального повышения продуктивности скважины 310. Этот процесс включает закачивание под высоким давлением жидкости гидроразрыва 320, обычно содержащей воду, химикаты и пропанты, в скважину 310, что вызывает появление трещин в подземных породах. Затем пропанты, присутствующие в жидкости гидроразрыва, остаются в трещинах 340 породы и удерживают их открытыми. Гидроразрыв часто используют в сочетании с горизонтальным бурением 330. Путем создания трещин 340 и заполнения их различными материалами (включая пропант с модифицированной поверхностью настоящего изобретения), чтобы трещины оставались открытыми, вызывают приток углеводородов через трещины в ствол скважины, откуда их выкачивают. Возвращаясь к стадии 220 способа производства пропанта с модифицированной поверхностью, химическое покрытие 120 не препятствует потоку пропанта 100 с модифицированной поверхностью, являющегося частью жидкости гидроразрыва 320, закачиваемой под высоким давлением. Химическое покрытие 120 и полученный с его использованием пропант 100 с модифицированной поверхностью совместимы с жидкостью гидроразрыва 320 с высоким давлением.

Хотя данный композиционный продукт особенно хорошо подходит для использования в качестве пропанта при гидроразрыве, он также может быть использован в других вариантах применения, где желательно снижение образования пыли/мелких частиц. Например, такое покрытие может быть нанесено с целью создания характеризующихся пониженным образованием пыли, стойких к истиранию композиций для песка, применяемого в качестве промышленного сырья (например, при производстве стекла, в литейном деле, для производства краски, в строительстве), в сфере развлечений (например, для игровых площадок, площадок для гольфа), или для других минералов или порошков.

Описанные в настоящем документе варианты осуществления изобретения предназначены лишь для иллюстрации базовых химических составов, которые могут быть использованы для производства стойкого к истиранию композиционного пропанта, характеризующегося образованием малого количества пыли/мелких частиц пропанта и вдыхаемой пыли/мелких частиц пропанта при транспортировке и манипулировании, особенно при пневматической разгрузке такого композиционного пропанта на участке проведения гидроразрыва и/или при использовании другого оборудования для конвейерной транспортировки, хранения или перегрузки порошков. Химические составы, применяемые в соответствии с настоящим изобретением, включают химикаты, которые могут быть безопасны для человека и для водных организмов. Кроме того, эти безопасные химикаты, применяемые в соответствии с изобретением, также, в основном, природные и экологичные.

В следующих далее примерах, имеющих пояснительный, а не ограничительный характер, описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения.

Пример 1

Обычный северный белый кварцевый песок для гидроразрыва (20/40) обработали смолой таллового масла в количестве 0,1% вес. относительно веса песка. Температура поверхности песка для гидроразрыва составляла 70°С, температура смолы таллового масла составляла 70°С или выше. Песок для гидроразрыва и покрытие из смолы таллового масла подвергли тщательному механическому перемешиванию, чтобы смола таллового масла равномерно покрывала частицы песка для гидроразрыва. Готовый продукт - композиционный песок для гидроразрыва, в котором смола таллового масла покрывает поверхность частиц песка для гидроразрыва - затем поместили в шаровую мельницу для размола в течение шести часов при комнатной температуре с целью моделирования реальных условий, типичных для транспортировки песка. Затем измерили мутность размолотого продукта в соответствии с ISO 13503-2:2006Е Section 9. Мутность, 2 NTU (нефелометрическая единица мутности), на фиг. 6 обозначена А. Песок для гидроразрыва без покрытия также подвергли размолу, как описано в данном примере, его мутность после размола определяли по тому же протоколу ISO 13503-2:2006Е Section 9. Его мутность, 130 NTU, обозначенная на фиг. 6 В, приведена в качестве контрольного значения.

Пример 2

Для обработки песка гидроразрыва, как описано в примере 1, использовали смесь смолы таллового масла и желтого жира (50/50) в количестве 0,1% вес. относительно веса песка. После шестичасового размола мутность составила 32 NTU и на фиг. 6 обозначена С.

Пример 3

Для обработки песка гидроразрыва, как описано в примере 1, использовали глицерин в количестве 0,15% вес. относительно веса песка. Температура и песка для гидроразрыва, и глицерина была комнатной. После шестичасового размола мутность составила 32 NTU и на фиг. 6 обозначена D.

Также было проведено шестичасовое испытание на абразивное истирание, продемонстрировавшее значительное различие мутности для песка без покрытия и песка с покрытием. Чтобы убедиться, что отмеченное различие мутности не было привнесено протоколом испытания, провели дополнительное испытание. Это испытание было призвано продемонстрировать, что наблюдаемое снижение количества мелких частиц является результатом меньшего истирания, а не внедрения мелких частиц в покрытие.

В ходе этого испытания измеряли количество глицерина, присутствующее в водной пробе, используемой для измерения мутности. Результаты испытания показали, что покрытие из 0,15% вес. глицерина полностью удаляется с поверхности песка с покрытием. Следовательно, снижение мутности происходит благодаря уменьшению истирания, а не захватыванию пыли/мелких частиц покрытием.

Провели дополнительное испытание, чтобы показать, что сам глицерин не уменьшает мутность, например, путем агломерации мелких частиц. При этом, также провели испытание, в ходе которого намеренно добавили глицерин в водную фазу в количестве, типичном для покрытия, и проверили, изменилась ли мутность песка гидроразрыва без покрытия после шестичасового испытания на абразивное истирание вследствие присутствия глицерина. Испытание показало, что добавление глицерина в водную фазу в типичном для покрытия количества на величину мутности не влияет. Точно так же, это указывает на то, что покрытие из глицерина повышает стойкость пропанта к истиранию.

Пример 4

Для обработки песка гидроразрыва, как описано в примере 3, использовали смесь глицерин/вода (67/33) в количестве 0,15% вес. относительно веса песка. После шестичасового размола мутность составила 32 NTU и на фиг. 6 обозначена Е.

Пример 5

Для обработки песка гидроразрыва, как описано в примере 3, использовали смесь глицерин/вода (50/50) в количестве 0,15% вес. относительно веса песка. После шестичасового размола мутность составила 62 NTU и на фиг. 6 обозначена F.

Пример 6

Для обработки песка гидроразрыва, как описано в примере 3, использовали смесь глицерин технического сорта/вода (67/33) в количестве 0,15% вес. относительно веса песка. После шестичасового размола мутность составила 28 NTU и на фиг. 6 обозначена G.

Пример 7

Для обработки песка гидроразрыва, как описано в примере 3, использовали смесь сырой глицерин/вода (67/33) в количестве 0,15% вес. относительно веса песка. После шестичасового размола мутность составила 32 NTU и на фиг. 6 обозначена Н.

Пример 8

Для обработки песка гидроразрыва, как описано в примере 3, использовали смесь глицерин/вода/пропиленгликоль (60/30/10) в количестве 0,15% вес. относительно веса песка. После шестичасового размола мутность составила 32 NTU и на фиг. 6 обозначена I.

Пример 9

Для обработки песка гидроразрыва, как описано в примере 3, использовали смесь глицерин/вода/этиленгликоль (60/30/10) в количестве 0,15% вес. относительно веса песка. После шестичасового размола мутность составила 26 NTU и на фиг. 6 обозначена J.

Пример 10

Для обработки песка гидроразрыва, как описано в примере 3, использовали смесь глицерин/вода/бетаин (60/30/10) в количестве 0,15% вес. относительно веса песка. После шестичасового размола мутность составила 26 NTU и на фиг. 6 обозначена К.

Пример 11

Для обработки песка гидроразрыва, как описано в примере 3, использовали смесь пропиленгликоль/вода (67/33) в количестве 0,15% вес. относительно веса песка. После шестичасового размола мутность составила 26 NTU и на фиг. 6 обозначена L.

Пример 12

Для обработки песка гидроразрыва, как описано в примере 3, использовали смесь глицерин/вода/пропиленгликоль/этиленгликоль/бетаин (60/30/4/3/3) в количестве 0,15% вес. относительно веса песка. После шестичасового размола мутность составила 24 NTU и на фиг. 6 обозначена М.

Пример 13

На песок для гидроразрыва (20/40) с новолачным покрытием нанесли смолу таллового масла в количестве 0,15% вес. Температура и субстрата, и покрытия составляла 70°С. После охлаждения песок для гидроразрыва со смолой с покрытием и песок для гидроразрыва со смолой без покрытия подвергли обработке в шаровой мельнице в течение 12,5 часов. Величины мутности обоих пропантов после размола приведены на фиг. 7. Песок для гидроразрыва, покрытый смолой, с покрытием из смолы таллового масла характеризовался значительно меньшей мутностью относительно песка для гидроразрыва, покрытого смолой: мутность уменьшилась с 480 NTU до 76 NTU. После такого же размола в течение 12,5 часов отмечена аналогичная степень снижения мутности для покрытого смолой таллового масла северного белого песка (20/40; 0,15% вес.): с 870 NTU до 50 NTU, как показано на фиг. 7.

Пример 14

Керамический пропант средней плотности (оксид алюминия) обработали смолой таллового масла в количестве 0,15% вес. Температура и субстрата, и покрытия составляла 70°С. После охлаждения пропант с покрытием и пропант без покрытия подвергли обработке в шаровой мельнице в течение 12,5 часов. Величины мутности для обоих пропантов после размола приведены на фиг. 7. Благодаря покрытию из смолы таллового масла мутность керамического пропанта уменьшилась с 233 NTU до, примерно, 2 NTU.

Пример 15

Песок для гидроразрыва без покрытия и песок для гидроразрыва с покрытием, как описано в примере 1 и примере 4, использовали в испытании, в уменьшенном масштабе моделировавшем пневматическую разгрузку. Испытания в уменьшенном масштабе проводили при скорости подачи песка, примерно, 12,5 фунтов/мин (5,7 кг/мин) при 15 psi (103 кПа) в замкнутой прямоточной камере. Образцы отбирали из середины восходящего потока пыли при помощи трехэлементной кассеты фильтра из ПВХ размером 37 мм для комбинированного гравиметрического и рентгенодифракционного анализа. Для сбора частиц вдыхаемой фракции использовали циклон. Отобранные образцы анализировали на наличие вдыхаемых частиц кварца, включая кварц и тридимит, и дополнительные вдыхаемые частицы (не только фракции оксида кремния) на основании способов, изложенных в модифицированном NIOSH 0600/7500 и OSHA ID-142. Количество вдыхаемой кварцевой пыли приведено на фиг. 8. Песок для гидроразрыва без покрытия характеризовался очень большим количеством образующейся вдыхаемой кварцевой пыли, тогда как песок для гидроразрыва с покрытием настоящего изобретения образовывал, по меньшей мере, на 94% меньше вдыхаемой кварцевой пыли, чем песок для гидроразрыва без покрытия. Это испытание в замкнутой прямоточной камере было очень жестким по сравнению с реальной ситуацией на производственном участке, где вдыхаемая кварцевая пыль, прежде чем достигает рабочих, обычно, намного сильнее рассеивается в воздухе.

Пример 16

Как описано в примере 1, обычный северный белый кварцевый песок гидроразрыва (№100 или 70/140) обработали смолой таллового масла в количестве 0,15% вес. относительно веса песка. Температура и песка для гидроразрыва, и покрытия из смолы таллового масла составляла 100°С. Песок для гидроразрыва и покрытие из смолы таллового масла подвергли тщательному механическому перемешиванию, чтобы смола таллового масла равномерно покрывала частицы песка для гидроразрыва. Готовый продукт - композиционный песок для гидроразрыва, в котором смола таллового масла покрывает поверхность частиц песка для гидроразрыва - затем поместили в шаровую мельницу для размола в течение шести часов при комнатной температуре. Песок для гидроразрыва (№100 или 70/140) без покрытия также подвергли размолу в шаровой мельнице в течение шести часов. Мутность этих размолотых образцов составила 2 NTU и 170 NTU, соответственно, эти величины на фиг. 6 обозначены N и О.

Пример 17

Как описано в примере 1, обычный северный белый кварцевый песок гидроразрыва (20/40) обработали смолой таллового масла в количестве 0,1% вес. относительно веса песка. Температура и песка для гидроразрыва, и покрытия из смолы таллового масла составляла 70°С. Песок для гидроразрыва и покрытие из смолы таллового масла подвергли тщательному механическому перемешиванию, чтобы смола таллового масла равномерно покрывала частицы песка для гидроразрыва. На готовый продукт, в котором смола таллового масла покрывает поверхность частиц песка для гидроразрыва, нанесли дополнительное покрытие на основе глицерина (смесь 67/33 глицерин/вода) в количестве 0,025% вес. и подвергли механическому перемешиванию при 70°С. Готовый продукт затем поместили в шаровую мельницу для размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 42 NTU, на фиг. 6 обозначена Р.

Пример 18

Как описано в примере 17, обычный северный белый кварцевый песок гидроразрыва (20/40) обработали смолой таллового масла в количестве 0,50% вес. относительно веса песка. Температура и песка для гидроразрыва, и покрытия из смолы таллового масла составляла 70°С. Песок для гидроразрыва и покрытие из смолы таллового масла подвергли тщательному механическому перемешиванию, чтобы смола таллового масла равномерно покрывала частицы песка для гидроразрыва. На готовый продукт, композиционный песок гидроразрыва, в котором смола таллового масла покрывает поверхность частиц песка для гидроразрыва, нанесли дополнительное покрытие на основе глицерина (смесь 67/33 глицерин/вода) в количестве 0,025% вес. и подвергли механическому перемешиванию при 70°С. Готовый продукт затем поместили в шаровую мельницу для размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 68 NTU, на фиг. 6 обозначена Q.

Пример 19

Обычный северный белый кварцевый песок гидроразрыва (20/40) обработали смесью нерафинированное соевое масло/соевый воск (80/20) в количестве 0,50% вес. относительно веса песка для гидроразрыва. Песок для гидроразрыва и покрытие из смеси нерафинированное соевое масло/соевый воск подвергли тщательному механическому перемешиванию при 70°С до достижения равномерного распределения покрытия из смеси нерафинированное соевое масло/соевый воск на частицах песка для гидроразрыва. На этот продукт затем нанесли дополнительное покрытие из смеси глицерин/вода (67/33) в количестве 0,025% вес. и тщательно механически перемешивали при 70°С. Готовый продукт - композиционный песок гидроразрыва с покрытием, нанесенным на поверхность частиц песка для гидроразрыва - затем поместили в шаровую мельницу с целью размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 2 NTU, на фиг. 6 обозначена R.

Пример 20

На обычный северный белый кварцевый песок гидроразрыва (70/140) нанесли покрытие из смолы таллового масла в количестве 0,10% вес. относительно веса песка для гидроразрыва. Песок для гидроразрыва и покрытие из подвергли тщательному механическому перемешиванию при 70°С до достижения равномерного распределения покрытия на частицах песка для гидроразрыва. На этот продукт затем нанесли дополнительное покрытие из смеси глицерин/вода (67/33) в количестве 0,025% вес. и тщательно механически перемешивали при 70°С. Готовый продукт - композиционный песок гидроразрыва с покрытием, нанесенным на поверхность частиц песка для гидроразрыва - затем поместили в шаровую мельницу с целью размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 2 NTU, на фиг. 6 обозначена S.

Пример 21

На обычный северный белый кварцевый песок гидроразрыва (20/40) нанесли покрытие из метилолеата в количестве 0,10% вес. относительно веса песка для гидроразрыва. Песок для гидроразрыва и покрытие подвергли тщательному механическому перемешиванию при комнатной температуре. Готовый продукт затем поместили в шаровую мельницу с целью размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 12 NTU, на фиг. 6 обозначена Т.

Пример 22

Обычный северный белый кварцевый песок гидроразрыва (40/70) нагрели до 100°С и обработали смесью глицерин/вода (67/33, предварительно смешанные) в количестве 0,125% вес. относительно веса песка гидроразрыва. Продукт затем подвергли механическому перемешиванию и поместили в шаровую мельницу с целью размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца на фиг. 9 обозначена А.

Пример 23

Как описано в примере 22, горячий песок 40/70 обработали одновременно добавляемыми независимо друг от друга глицерином в количестве 0,084% вес. и водой в количестве 0,041% относительно веса песка гидроразрыва. После механического перемешивания готовый продукт поместили в шаровую мельницу с целью размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 09 NTU, на фиг. 9 обозначена В.

Пример 24

Как описано в примере 22, горячий песок 40/70 обработали глицерином в количестве 0,084% вес. относительно веса песка гидроразрыва. После механического перемешивания систему дополнительно обработали водой в количестве 0,041% относительно веса песка гидроразрыва. После механического перемешивания готовый продукт поместили в шаровую мельницу с целью размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 66 NTU, на фиг. 9 обозначена С.

Пример 25

Как описано в примере 22, горячий песок 40/70 обработали водой в количестве 0,041% вес. относительно веса песка гидроразрыва. После механического перемешивания систему дополнительно обработали глицерином в количестве 0,084% относительно веса песка гидроразрыва. После механического перемешивания готовый продукт поместили в шаровую мельницу с целью размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 62 NTU, на фиг. 9 обозначена D.

Пример 26

Как описано в примере 22, горячий песок 40/70 без какой-либо химической обработки поместили в шаровую мельницу с целью размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 178 NTU, на фиг. 9 обозначена Е.

Пример 27

Как описано в примере 22, предварительно смешанный горячий (100°С) песок гидроразрыва (45% вес. 20/40, 45% вес. 40/70 и 10% вес. 70/140) обработали покрытием из смеси глицерин/вода (67/33) в количестве 0,13% вес. После охлаждения обработанный песок гидроразрыва просеяли и установили величину весового процента каждой фракции. Провели испытания при двух объемах загрузки: 200 г предварительно смешанного песка гидроразрыва и 10 фунтов (4,5 кг) предварительно смешанного песка гидроразрыва. Предварительно смешанный песок гидроразрыва (без покрытия) и предварительно смешанный песок гидроразрыва (снабженный покрытием перед смешиванием) также просеяли, чтобы получить фоновые данные о гранулометрическом составе. Гранулометрический состав этих четырех систем приведен на фиг. 10.

Пример 28

Обычный северный белый кварцевый песок гидроразрыва (30/50) обработали смесью глицерин/вода/KCl (66,4/32,7/0,9; предварительно смешанные) в количестве 0,125% вес. относительно веса песка для гидроразрыва при комнатной температуре. Затем продукт подвергли механическому перемешиванию и поместили в шаровую мельницу для размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 68 NTU, на фиг. 11 обозначена А. KCl к покрытию добавили в качестве маркера, увеличивающего электропроводность смываемой с песка для гидроразрыва с покрытием жидкости. Обычный северный белый кварцевый песок гидроразрыва (30/50) без покрытия поместили в шаровую мельницу для размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составили 167 NTU.

Пример 29

Как описано в примере 28, песок 30/50 обработали смесью глицерин/вода/родамин WT (67,00/32,99/0,01; предварительно смешанные) в количестве 0,125% вес. относительно веса песка для гидроразрыва при комнатной температуре. Затем продукт подвергли механическому перемешиванию и поместили в шаровую мельницу для размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 57 NTU, на фиг. 11 обозначена В. Родамин добавили к покрытию в качестве УФ маркера композиционного пропанта.

Пример 30

Как описано в примере 28, песок 30/50 обработали смесью глицерин/вода/Ecosphere 300 (Clariant) WT (66,77/32,32/2,91; предварительно смешанные) в количестве 0,125% вес. относительно веса песка для гидроразрыва при комнатной температуре. Затем продукт подвергли механическому перемешиванию и поместили в шаровую мельницу для размола в течение шести часов при комнатной температуре. Мутность размолотого образца составила 52 NTU, на фиг. 11 обозначена С. Ecosphere 300 добавили к покрытию в качестве цветного маркера композиционного пропанта.

Пример 31

Как описано в примере 1, лабораторную дистиллированную воду использовали для обработки песка для гидроразрыва в количестве 1,0% вес. относительно веса песка для гидроразрыва при комнатной температуре. Мутность после размола в течение 12,5 часов при комнатной температуре составила более 800 NTU, что выходит за пределы графика. Несомненно, вода способствует пылеподавлению, но не способна повысить стойкость песка для гидроразрыва к истиранию. Песок для гидроразрыва также обработали смесью смола таллового масла/желтый жир (50/50) в количестве 0,10% вес. при комнатной температуре; после размола в течение 12,5 часов мутность составила 13 NTU.

Пример 32

Выпускаемый серийно северный белый песок (20/40), покрытый поперечносшитым фенол-формальдегидным полимером подвергли размолу в течение 12,5 часов, после размола мутность составила 480 NTU.

Пример 33

Выпускаемый серийно северный белый песок (40/70), покрытый смесью пропиленгликоль/вода (67/33) в количестве 0,125% вес. относительно веса песка для гидроразрыва использовали в испытании, в уменьшенном масштабе моделировавшем пневматическую разгрузку, как описано в примере 15. Песок для гидроразрыва с покрытием, подготовленный, как описано в примере 1 (северный белый песок (20/40), покрытый смолой таллового масла в количестве 0,10% вес.), и песок для гидроразрыва с покрытием, подготовленный, как описано в примере 7 (северный белый песок (20/40), покрытый смесью глицерин/вода (67/33) в количестве 0,15% вес.), подвергли такому же испытанию по пневматической разгрузке.

Пример 34

На обычный северный белый песок (70/140) сначала нанесли покрытие, содержащее смолу таллового масла (смола таллового масла/соевое масло (80/20)) в количестве 0,125% вес., затем нанесли второе покрытие, содержащее глицерин (глицерин/вода (67/33)) в количестве 0,005% вес. После этого песок для гидроразрыва с покрытием подвергли испытанию для пневматическую разгрузку, как описано в примере 33.

Сокращение общего количества вдыхаемой пыли относительно песка для гидроразрыва без покрытия (70/140) составило, примерно, 94%. Мутность песка для гидроразрыва с покрытием составила около 2 NTU, что означает, примерно, 98% сокращение относительно песка без покрытия.

Сокращение общего количества вдыхаемой пыли (с частицами размером 10 мкм) относительно песка для гидроразрыва без покрытия для каждого покрытия показано на фиг. 12. Для каждого образца песка для гидроразрыва с покрытием отмечено более, чем 90%-ное сокращение общего количества образовавшейся пыли. Это результат непосредственных измерений, подтверждающий улучшение, обеспечиваемое настоящим изобретением, по сравнению с обычным песком для гидроразрыва без покрытия. Уменьшение общего количества вдыхаемой пыли означает уменьшение вреда для здоровья рабочих, занимающихся перегрузкой материала, и других людей, находящихся вблизи производственного участка, а также повышение экологической безопасности с точки зрения растений, диких животных и водных систем, находящихся вблизи производственного участка.

Дополнительные преимущества связаны с использованием данного материала в скважине. В соответствии с литературными данными (SPE-171604-MS и Proppant Brief from FairmountSantrol), наличие пыли/мелких частиц в набивке песком гидроразрыва в подземных пластах вызывает снижение проводимости пласта вокруг скважины. Например, авторами указанных источников было обнаружено, что наличие всего 5% мелких частиц может снизить скорость притока углеводородов на величину вплоть до 60%. Halliburton опубликовал аналогичные данные и сделал вывод, что регулирование количества мелких частиц оказывается наиболее существенным мероприятием с точки зрения сохранения проницаемости. Внедрение мелких частиц в набивку пропантом может уменьшить ее проницаемость и стать причиной недостаточного дебита скважины и преждевременного снижения ее продуктивности.

На фиг. 13 представлен график общего коэффициента снижения мутности для множества образцов, описанных в примерах. Коэффициент снижения мутности (Turbidity Reduction Factor - TRF) может быть выражен как разность мутности размолотого образца без покрытия и мутности размолотого образца с покрытием, деленная на мутность размолотого образца без покрытия и умноженная на 100%, при этом, мутность может быть измерена в обычных единицах, таких как NTU. TRF указывает на степень улучшения, достигнутую в пропанте с модифицированной поверхностью по сравнению со стандартным пропантом без покрытия, включая стойкость материала к образованию пыли/мелких частиц. Было обнаружено, что подавление образования пыли/мелких частиц и другие преимущества достигаются, когда TRF составляет, по меньшей мере, 40%, предпочтительно, более 60%, наиболее предпочтительно, более 70%.

Коэффициент снижения количества вдыхаемой пыли (Respirable Dust Reduction Factor - RDRF) является еще одним показателем усовершенствования пропанта с модифицированной поверхностью по сравнению со стандартным пропантом без покрытия. RDRF может быть выражен в процентах как разность количества вдыхаемой пыли пропанта без покрытия и количества вдыхаемой пыли пропанта с покрытием, деленная на количества вдыхаемой пыли пропанта без покрытия и умноженная на 100%, при этом количество вдыхаемой пыли может быть измерено в обычных единицах. Было обнаружено, что подавление образования пыли/мелких частиц и другие преимущества достигаются, когда RDRF составляет более, примерно, 70%.

Принимая во внимание, что устройства и способы описаны в связи с чертежами и формулой изобретения, следует понимать, что возможны другие, дополнительные модификации помимо продемонстрированных или предлагаемых в настоящем документе, которые не выходят за рамки существа и объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к проппанту, предназначенному для гидроразрыва подземного пласта. Пропант с модифицированной поверхностью, включающий пропант и химическое покрытие, по меньшей мере, частично покрывающее пропант, представляющее собой главным образом пропилен гликоль, главным образом содержащее комбинацию пропилен гликоля и глицерина, или представляющее собой главным образом глицерин и составляющее менее чем 2 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью. Пропант с модифицированной поверхностью, включающий пропант и химическое покрытие, по меньшей мере, частично покрывающее пропант, представляющее собой главным образом пропилен гликоль, главным образом содержащее комбинацию пропилен гликоля и глицерина, или представляющее собой главным образом глицерин и составляяющее менее чем 2 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью, где пропант с модифицированной поверхностью характеризуется коэффициентом снижения мутности более примерно 40% и коэффициентом снижения количества вдыхаемой пыли более примерно 70%. Пропант с модифицированной поверхностью, включающий пропант и химическое покрытие, по меньшей мере, частично покрывающее пропант, представляющее собой главным образом пропилен гликоль, главным образом содержащее комбинацию пропилен гликоля и глицерина, или представляющее собой главным образом глицерин и составляет менее чем 2 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью. Пропант с модифицированной поверхностью, включающий пропант и химическое покрытие, по меньшей мере, частично покрывающее пропант, состочщее, по существу, из покрытия на основе смолы таллового масла. Материал для создания покрытия на пропанте, предназначенном для использования при гидроразрыве, включающий глицерин, смолу таллового масла, сложный алкиловый эфир или их сочетание и составляющий менее 2% вес. пропанта, на который наносится этот материал. .Способ производства указанного выше проппанта, где существляют обеспечение пропанта указвнным химическим покрытием и смешивание их или распыление покрытия на пропант. Способ уменьшения истирания пропанта на всем протяжении цепочки его доставки, где используют указанный выше проппант. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы. Технический результат – снижение количества образуемой пропантом пыли/мелких частиц вследствие истирания и соударений при транспортировке и перемещении. 7 н. и 48 з.п. ф-лы, 34 пр., 13 ил.

1. Пропант с модифицированной поверхностью, включающий:

пропант и

химическое покрытие, по меньшей мере, частично покрывающее пропант, при этом химическое покрытие:

представляет собой главным образом пропилен гликоль;

главным образом содержит комбинацию пропилен гликоля и глицерина; или

представляет собой главным образом глицерин и составляет менее чем 2 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью.

2. Пропант с модифицированной поверхностью, включающий:

пропант и

химическое покрытие, по меньшей мере, частично покрывающее пропант, при этом химическое покрытие:

представляет собой главным образом пропилен гликоль;

главным образом содержит комбинацию пропилен гликоля и глицерина; или

представляет собой главным образом глицерин и составляет менее чем 2 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью,

при этом пропант с модифицированной поверхностью характеризуется коэффициентом снижения мутности более, примерно, 40% и коэффициентом снижения количества вдыхаемой пыли более, примерно, 70%.

3. Пропант с модифицированной поверхностью, включающий:

пропант и

химическое покрытие, по меньшей мере, частично покрывающее пропант, при этом химическое покрытие:

представляет собой главным образом пропилен гликоль;

главным образом содержит комбинацию пропилен гликоля и глицерина; или

представляет собой главным образом глицерин и составляет менее чем 2 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью; и

не является термоотверждаемым полимером, не является ионогенным полимером, не является термопластичным эластомером и не является гидрогелем.

4. Пропант с модифицированной поверхностью, включающий:

пропант и

химическое покрытие, по меньшей мере, частично покрывающее пропант, при этом химическое покрытие состоит, по существу, из покрытия на основе смолы таллового масла.

5. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, в котором покрытие повышает стойкость пропанта к истиранию.

6. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, в котором покрытие снижает количество образуемой пропантом пыли/мелких частиц при транспортировке, манипулировании, пневматической разгрузке или их сочетании.

7. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, в котором покрытие не является токсичным для людей.

8. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, в котором покрытие не является ионогенным полимером.

9. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, в котором покрытие составляет менее 2 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью.

10. Пропант с модифицированной поверхностью по п. 9, в котором покрытие составляет менее 1 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью.

11. Пропант с модифицированной поверхностью по п. 10, в котором покрытие составляет от 0,05 до 0,20 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью.

12. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, при этом пропант, по существу, не содержит пыль.

13. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, при этом пропант включает исходный субстрат, в том числе, песок, керамический или композиционный материал, комбинированные материалы, минералы, размолотый ракушечник, пропанты с покрытием из смолы или их сочетания.

14. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, при этом химическое покрытие нанесено на пропант путем распыления, механического смешивания, немеханического смешивания или с использованием их сочетания.

15. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, при этом покрытие снижает истирание пропанта при транспортировке, манипулировании и/или пневматической разгрузке по сравнению с пропантом без покрытия.

16. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, в котором покрытие включает множество покрытий, при этом, эти покрытия нанесены на пропант одновременно.

17. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, в котором покрытие включает множество покрытий, при этом эти покрытия нанесены на пропант последовательно.

18. Пропант с модифицированной поверхностью по п. 17, в котором множество покрытий включает первое покрытие и второе покрытие, при этом первое покрытие имеет иной химический состав, нежели второе покрытие.

19. Пропант с модифицированной поверхностью по п. 17, в котором множество покрытий включает первое покрытие и второе покрытие, при этом первое покрытие имеет некоторый химический состав, второе покрытие имеет некоторый химический состав, и химический состав первого покрытия такой же, как химический состав второго покрытия.

20. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, в котором покрытие нанесено на пропант до использования пропанта.

21. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, дополнительно включающий химический маркер.

22. Пропант с модифицированной поверхностью по п. 21, в котором химический маркер представляет собой пигмент, УФ краситель, вещество, повышающее электропроводность, или их сочетание.

23. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, в котором покрытие включает толстый слой покрытия, тонкий слой покрытия или частичный слой покрытия.

24. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, дополнительно включающий сшивающий агент - замедлитель гидроразрыва.

25. Пропант с модифицированной поверхностью по п. 24, в котором сшивающий агент - замедлитель гидроразрыва представляет собой бетаин, глюконат, полигликоль или их сочетание.

26. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, в котором покрытие не нуждается в отверждении или сушке.

27. Пропант с модифицированной поверхностью по любому из пп. 1-4, в котором химическое покрытие не является термоотверждаемым полимером, не является ионогенным полимером, не является термопластичным эластомером и не является гидрогелем.

28. Материал для создания покрытия на пропанте, предназначенном для использования при гидроразрыве, при этом материал включает глицерин, смолу таллового масла, сложный алкиловый эфир или их сочетание и составляет менее 2 вес.% пропанта, на который наносится этот материал.

29. Материал по п. 28, в котором покрытие повышает стойкость пропанта к истиранию.

30. Материал по п. 28, в котором покрытие снижает количество образуемой пропантом пыли/мелких частиц при транспортировке, манипулировании, пневматической разгрузке или их сочетании.

31. Материал по п. 28, который не является токсичным для людей.

32. Материал по п. 28, составляющий менее 1 вес.% пропанта, на который наносится этот материал.

33. Материал по п. 28, составляющий от 0,05 до 0,20 вес.% пропанта, на который наносится этот материал.

34. Материал по п. 28, дополнительно включающий химический маркер.

35. Материал по п. 34, в котором химический маркер представляет собой пигмент, УФ краситель, вещество, повышающее электропроводность, или их сочетание.

36. Материал по п. 28, дополнительно включающий сшивающий агент - замедлитель гидроразрыва.

37. Материал по п. 36, в котором сшивающий агент - замедлитель гидроразрыва представляет собой бетаин, глюконат, полигликоль или их сочетание.

38. Способ производства пропанта с модифицированной поверхностью, в котором осуществляют:

обеспечение пропанта химическим покрытием, при этом химическое покрытие:

представляет собой главным образом пропилен гликоль;

главным образом содержит комбинацию пропилен гликоля и глицерина; или

представляет собой главным образом глицерин и составляет менее чем 2 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью; и

не является термоотверждаемым полимером, не является ионогенным полимером, не является термопластичным эластомером и не является гидрогелем и

смешивание покрытия и пропанта или распыление покрытия на пропант с получением пропанта с модифицированной поверхностью.

39. Способ по п. 38, в котором дополнительно осуществляют:

наделение пропанта с модифицированной поверхностью вторым химическим покрытием и

смешивание второго химического покрытия и пропанта с модифицированной поверхностью.

40. Способ уменьшения истирания пропанта на всем протяжении цепочки его доставки, в котором используют пропант с модифицированной поверхностью, при этом пропант с модифицированной поверхностью может включает:

пропант и

химическое покрытие, по меньшей мере, частично покрывающее пропант, при этом химическое покрытие:

представляет собой главным образом пропилен гликоль;

главным образом содержит комбинацию пропилен гликоля и глицерина; или

представляет собой главным образом глицерин и менее чем 2 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью; и

не является термоотверждаемым полимером, не является ионогенным полимером, не является термопластичным эластомером и не является гидрогелем.

41. Способ по п. 38 или 40, в котором покрытие составляет менее 2 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью.

42. Способ по п. 41, в котором покрытие составляет менее 1 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью.

43. Способ по п. 42, в котором покрытие составляет от 0,05 до 0,20 вес.% пропанта с модифицированной поверхностью.

44. Способ по п. 38 или 40, в котором смешивание осуществляют в механическом смесителе непрерывного действия с силовым приводом, механическом смесителе периодического действия с силовым приводом, статическом смесителе или с использованием их сочетания.

45. Способ по п. 38 или 40, в котором покрытие выполнено без отверждения или сушки.

46. Способ по п. 38 или 40, в котором пропант включает исходный субстрат, в том числе песок, керамический или композиционный материал, комбинированные материалы, минералы, размолотый ракушечник, пропант с покрытием из смолы или их сочетания.

47. Способ по п. 40, в котором химическое покрытие нанесено на пропант путем механического смешивания, распыления, немеханического смешивания или с использованием их сочетания.

48. Способ по п. 40, в котором покрытие включает множество покрытий, при этом множество покрытий нанесено на пропант одновременно или последовательно.

49. Способ по п. 48, в котором множество покрытий включает первое покрытие и второе покрытие, при этом первое покрытие имеет иной химический состав, нежели второе покрытие.

50. Способ по п. 48, в котором множество покрытий включает первое покрытие и второе покрытие, при этом первое покрытие имеет некоторый химический состав, второе покрытие имеет некоторый химический состав, и химический состав первого покрытия такой же, как химический состав второго покрытия.

51. Способ по п. 40, в котором покрытие нанесено на пропант до использования пропанта.

52. Способ по п. 40, в котором пропант с модифицированной поверхностью дополнительно включает химический маркер.

53. Способ по п. 52, в котором химический маркер представляет собой пигмент, УФ краситель, вещество, повышающее электропроводность, или их сочетание.

54. Способ по п. 40, в котором пропант с модифицированной поверхностью дополнительно включает сшивающий агент - замедлитель гидроразрыва.

55. Способ по п. 54, в котором сшивающий агент - замедлитель гидроразрыва представляет собой бетаин, глюконат, полигликоль или их сочетание.