Получение расклинивающего материала (пропанта) для нефтедобывающей промышленности из металлургических шлаков

Использование пропантов – гранулообразного материала, применяемого в нефтедобывающей промышленности в качестве расклинивающего элемента для повышения эффективности отдачи скважин при использовании технологии гидроразрыва пластов, непрерывно увеличивается. Применяемая в настоящее время многуступенчатая технология производства керамических пропантов предусматривает использование специального сырья, в том числе импортируемого боксита, каолина, высоких затрат энергии, сложного импортного оборудования. В связи с этим актуальным является разработка технологии производства пропантов из дешевого и доступного сырья с использованием простого и эффективного оборудования.

Цель работы – разработка состава и технологии пропантов для нефтяных скважин на основе шлаковых отходов металлургического производства.

Процесс получения пропантов включает плавление шлака, корректировку его состава, центробежное распыление на гранулы требуемого размера, термическую обработку, сепарацию. В случае использования шлака непосредственно после металлургической печи, что более предпочтительно, перед распылением расплав сливается в миксер, куда подаются добавки. В качестве сырья можно использовать шлаки химического состава, изменяющегося в широком диапазоне, однако предпочтительным является сырье с минимальным содержанием оксидов железа и преобладанием кремнезема.

На разработанном экспериментальном оборудовании из доменных шлаков получены образцы пропантов, по основным показателям, соответствующие требованиям ГОСТ

Р 54571–2011 «Пропанты магнезиально-кварцевые».

Экспериментальная часть

В качестве исходного материала использовали складированные отвальные доменные шлаки. Состав шлака по результатам определения в 3 пробах приведён в табл. 1.

Шихта для пропантов представляла из себя смесь доменного шлака (45 % масс.), кварцита (45 %), магнезита (10 %). Предварительно на лабораторном оборудовании произвели измельчение шихтовых материалов. Полученную шихту сушили для удаления влаги. Далее в индукционной печи в графитовом тигле шихту расплавили, а расплав подвергли грануляции на специально сконструированной и изготовленной центрифуге. Полученный материал разделяли на фракции 0,2…0,63 мм, 0,63…1,0 мм, 1,0…1,6 мм, 1,6…2,5 мм и 2,5…4 мм, 12…18 мм, 8…12 мм и 5…8 мм. Далее проводили термообработку.

Полученные пропанты проверяли на соответствие стандарту по нескольким параметрам:

• 1)    подвергали химическому и структурному анализу;

• 2)    определяли водопоглащение и сопротивление раздавливанию;

• 3)    определяли кислотостойкость.

Для проведения химического состава и структурного анализа пропанты заливали эпоксидной смолой, изготавливали микрошлифы, которые изучали на электронном микроскопе JeolJSM-7001F. Вид пропантов на шлифе и результаты определения химического состава показаны на рис. 1.

Сведения о микроструктуре пропантов разного состава представляет рис. 2. Видно, что с повышением содержания магнезии структура пропантов становится более мелкой. Размер зерен при содержании 11 % MgO около 1 мкм, а при 16 % MgO около 0,5 мкм.

Водопоглощение – это отношение массы воды, поглощенной пористым телом при его полном насыщении, к массе сухого образца. Определение проводили по методике согласно ГОСТ 2409–84 с использованием кипячения образцов в воде и последующего взвешивания. Оно показало полное отсутствие водо-поглощения, что свидетельствует об отсутствии открытой пористости [1].

Сопротивление раздавливанию пропантов – это массовая доля гранул, разрушенных под воздействием заданной сжимающей нагрузки. Эта эксплуатационная характеристика зависит от нескольких факторов: структуры кристаллической решетки материала, наличия в ней дефектов, размера и распределения фаз после термической обработки. Испытания

Таблица 1

Состав доменного шлака, % масс.

	Na 2 O	MgO	Al2O3	SiO 2	K 2 O	CaO
1	0,6	14	13	39	1,0	32
2	0,7	4	9	45	1,3	40
3	0,6	9	12	42	1,1	35

Электронное изображение 1

Рис. 1. Вид пропантов в разрезе на шлифе и их состав, % масс:

Na 2 O  MgO  Al 2 O 3   SiO 2   K 2 O  CaO  FeO

2,1     11      11      56     1,0     18     1,1

а)                                            б )                                            в )

Рис. 2. Структура пропантов с разным содержанием MgO, % масс.: а – 6, б – 11, в – 16

проводили на гидравлической машине для испытаний на сжатие. Она обеспечивает постепенное и плавное увеличение усилия и оборудована системой измерения приложенного усилия с погрешностью не более 2 % [1–3].

Пробу пропантов просеивали на лабораторном вибраторе в течение 10 мин через набор сит номеров 12 и 20 для фракции 12…20; 16 и 20 (фракция 16…20); 16 и 30 (фракция 16…30); 20 и 40 (фракция 20…40); 40 и 70 (фракция 40…70). Пропанты, оставшиеся на верхнем сите и прошедшие через нижнее сито, отбрасывали, а остальные использовали для испытания. Серию испытаний проводили на восьми навесках: по две параллельные навески при удельных давлениях 51,7; 68,9; 86,1 и 103,3 Н/мм2.

Просеянные пропанты взвешивали с точностью до 0,1 г и засыпали в приспособление для раздавливания, перемещая точку истечения пропантов для обеспечения максимального удельного давления, которое необходимо поддерживать в течение 2 мин. Затем приспособление снимали с испытательной машины и с помощью кисточки его содержимое переносили на набор сит. После рассева в течение

• 10 мин на вибраторе взвешивали раздавленные гранулы пропантов из поддона с точностью до 0,1 г и определяли долю разрушенных ровной поверхности. Для этого поверхность загруженных пропантов выравнивали поворотом пуансона на 180° без применения усилия. Затем, не встряхивая, помещали приспособление для раздавливания в машину для испытания на сжатие. Образец равномерно нагружали в течение 1 мин до заданного для гранул усилия и рассчитывали количество разрушенных гранул по формуле

N = (m1/ m2)·100 %, где m1 – масса разрушенных гранул; m2 – масса гранул до испытания.

За результат испытаний принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных определений при заданном удельном давлении. Результаты показаны в табл. 2

Сферичность и округлость гранул пропантов определяли по стандартной методике. Метод основан на визуальной оценке формы гранул, увеличенных с помощью микроскопа, путем сравнивания с диаграммой Крумбьена – Шлосса [4]. Для определения сферичности и округлости пропанты насыпают на лист белой

Сопротивление раздавливанию пропантов

Таблица 2

При давлении, МПа	Фракция, мм	Допустимое количество разрушенных зерен по ГОСТ 51761–2005, %	Фактическое количество разрушенных зерен, %
34,5	0,63…1,0	10	3
	1,0…1,6	15	4
51,7	0,63…1,0	15	10
	1,0…1,6	20	11
68,9	0,63…1,0	20	9
	1,0…1,6	25	19
86,1	0,63…1,0		20

Рис. 3. Пропанты фракции 0,63^1 мм ( х 25) и диаграмма Крумбьена - Шлосса для визуального определения сферичности и округлости

бумаги, который помещают на предметный столик микроскопа. При соответствующем увеличении микроскопа определяют сферичность, а затем округлость каждой гранулы, сравнивая ее с диаграммой (рис. 3). За результат испытаний принимают средний арифметический результат. Согласно диаграмме Крумбьена – Шлосса коэффициент сферичности и округлости полученных пропантов составляет 0,9/0,9.

Испытания пропантов на кислото-стойкость проводили в Российском государственном университете (НИУ) им. И.М. Губкина и получили следующие результаты. Исследовали пропанты фракции 1,0…1,6 мм (условно 12/18) в смеси соляной и фторной кислот в концентрации 4:1 по методике стандарта ГОСТ Р 54571–2011. Согласно ГОСТ Р 54571–2011 температура теста 65 °С (±1 °С), навеска пропанта 5 г, объём смеси кислот – 100 мл, выдержка 30 мин. Расхождение на двух параллельных пробах должно быть не более 1 %. Растворимость полученных нами пропантов составила 14,8 и 19,4 %, что, согласно ГОСТ Р 54571–2011, выше максимально допустимого значения (не более 10 %) для магнезиально-кварцевых пропантов «Пропанты магнезиально-кварцевые. Технические условия».

Таким образом, результаты теста на ки-слотостойкость оказались неудовлетворительными, что, по-видимому, обусловлено относительно высоким содержанием в пропантах оксидов кальция.

Заключение

Разработаны состав и технология получения пропантов на основе металлургических шлаков. Пропанты на основе доменного шлака удовлетворяют требованиям стандарта по всем показателям за исключением химической стойкости. Поэтому они не могут использоваться в скважинах с кислотной средой. Использование полученных пропантов в скважинах с иными условиями эксплуатации требует дополнительного изучения. Для повышения кислотостойкости пропантов необходимо корректировать химический состав материала.