RU2646910C1 - Raw batch for magnesian-quartz proppant production - Google Patents

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention relates to the oil and gas industry, namely to the production of ceramic proppants, in particular to the preparation of a raw mixture intended for the production of medium-density and lightweight magnesian-quartz proppants with a bulk density of 1.4–1.65 g/m³. Raw batch for the production of magnesian-quartz proppant contains a mixture of pre-calcined magnesium silicate component with a siliceous component crushed to a fraction of less than 80 microns, has in its composition 17–34 wt% MgO, the siliceous component is the waste of enrichment of sodium-potassium feldspar of Malyshevsky deposit administration with the following average chemical composition, mass% (in terms of calcined substance): SiO₂ – 84, Al₂O₃ – 9, MgO – 0.7, Fe₂O₃ – 0.5, CaO – 0.3, K₂O – 3.5, Na₂O – 2. Invention is developed in a subclaim. Technical result is expansion of the raw materials base for the production of magnesian-quartz proppant with a bulk density of 1.4–1.65 g/cm³.

EFFECT: expansion of the raw materials base for the production of magnesian-quartz proppant.

1 cl, 1 ex, 1 tbl

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к производству керамических проппантов, в частности к подготовке сырьевой смеси, предназначенной для изготовления среднеплотных и легковесных магнезиально-кварцевых проппантов с насыпной плотностью 1,4-1,65 г/см³.The invention relates to the oil and gas industry, in particular to the production of ceramic proppants, in particular to the preparation of a raw material mixture intended for the manufacture of medium-density and lightweight magnesia-quartz proppants with a bulk density of 1.4-1.65 g / cm ³ .

Проппанты - прочные сферические гранулы, удерживающие трещины ГРП от смыкания под большим давлением и обеспечивающие необходимую производительность нефтяных скважин путем создания в пласте проводящего канала. В качестве проппантов (расклинивателей) используются различные органические и неорганические материалы - скорлупа грецких орехов, песок, песок с полимерным покрытием, а также синтетические керамические гранулы. Основными эксплуатационными характеристиками проппантов являются - разрушаемость, сферичность/округлость, устойчивость к воздействию кислот. Применяемые в ГРП керамические проппанты подразделяются на высокоплотные, среднеплотные, легковесные и ультралегковесные. С учетом соотношения цена/качество среднеплотные и легковесные проппанты в настоящее время являются наиболее востребованными. Представленные на российском рынке керамические проппанты производятся из алюмосиликатного или магнийсиликатного сырья. Использование природного магнийсиликатного сырья, являющегося доступным и не требующим значительных затрат на переработку, позволяет получать конкурентный в ценовом отношении продукт. Причем имеется возможность изготовления как плотного проппанта, полностью изготовленного, например, из серпентинитоасбестовой породы, так и облегченного – среднеплотного или легковесного проппанта, изготовленного из смеси термообработанного магнийсиликата с кварцполевошпатным песком, при этом содержание MgO в облегченном продукте составляет 17-34 масс.%, а насыпная плотность находится в пределах 1,4-1,65 г/см³. Следует отметить, что в линейке магнийсодержащих расклинивающих агентов проппанты с насыпной плотностью более 1,65 г/см³ относятся к категории плотных изделий. Proppants - strong spherical granules that hold hydraulic fractures from closing under high pressure and provide the necessary productivity of oil wells by creating a conductive channel in the formation. Various organic and inorganic materials are used as proppants (proppants) - walnut shells, sand, polymer coated sand, as well as synthetic ceramic granules. The main operational characteristics of proppants are destructibility, sphericity / roundness, and resistance to acids. The ceramic proppants used in hydraulic fracturing are divided into high-density, medium-density, lightweight and ultra-lightweight. Given the price / quality ratio, medium-density and lightweight proppants are currently the most popular. Ceramic proppants on the Russian market are made from aluminosilicate or magnesium silicate raw materials. The use of natural magnesium silicate raw materials, which is affordable and does not require significant processing costs, allows you to get a competitive product in price terms. Moreover, it is possible to manufacture both dense proppant, completely made, for example, of serpentinite asbestos rock, and lightweight - medium-dense or lightweight proppant, made from a mixture of heat-treated magnesium silicate with quartz-feldspar sand, while the MgO content in the lightened product is 17-34 wt.%, and bulk density is in the range of 1.4-1.65 g / cm ³ . It should be noted that in the line of magnesium-containing proppants, proppants with a bulk density of more than 1.65 g / cm ³ belong to the category of dense products.

В общих чертах производство керамических магнезиально-кварцевых проппантов включает следующие технологические переделы:In general terms, the production of ceramic magnesia-quartz proppants includes the following process steps:

1) получение сырьевой шихты; 1) obtaining a raw material charge;

2) тонкий помол сырьевой шихты с получением формовочной шихты; 2) fine grinding of the raw material mixture to obtain a molding mixture;

3) грануляция формовочной шихты с получением проппанта-сырца;3) granulation of the molding mixture to obtain a raw proppant;

4) обжиг гранулированного проппанта-сырца и рассев обожженного продукта. 4) firing granular raw proppant and sieving the calcined product.

В настоящее время изготовление сырьевой шихты производится путем смешивания обожженного при температуре 750-1400^°С (предпочтительно 1000-1160^°С) природного магнийсиликата (как правило, серпентинита) и кремнеземсодержащего компонента (кварцполевошпатного песка и/или кварцита) и ее последующего грубого измельчения. Подготовка формовочной шихты осуществляется путем тонкого сухого или мокрого помола сырьевой шихты, как правило, до фракции менее 30 мкм (предпочтительно? менее 10 мкм). Во время тонкого помола производится корректировка химического состава материала, а также введение в материал необходимых спекающих, пластифицирующих и модифицирующих добавок. Полученная формовочная шихта подается на грануляцию. Гранулированный проппант-сырец подвергается высокотемпературному обжигу, который производится для максимального уплотнения керамики и оптимизации ее химического и фазового состава. Currently, the production of a raw material charge is carried out by mixing calcined at a temperature of 750-1400 ^° C (preferably 1000-1160 ^° C) natural magnesium silicate (usually serpentinite) and a silica-containing component (quartz feldspar sand and / or quartzite) and its subsequent coarse grinding. The preparation of the molding mixture is carried out by fine dry or wet grinding of the raw material mixture, as a rule, to a fraction of less than 30 microns (preferably less than 10 microns). During fine grinding, the chemical composition of the material is adjusted, as well as the necessary sintering, plasticizing and modifying additives are introduced into the material. The resulting molding mixture is fed to granulation. Granular raw proppant is subjected to high-temperature firing, which is performed to maximize compaction of ceramics and optimize its chemical and phase composition.

Известны составы шихты на основе смеси термообработанного серпентинита с кварцполевошпатным песком (см. патенты РФ №2446200, №2547033) и способы изготовления из них легковесного проппанта. Указанные технические решения позволяют получать расклиниватели с насыпной плотностью менее 1,4 г/см³. Составы шихты для получения магнийсиликатного проппанта средней плотности на основе природных магнийсиликатов или их смесей с природным кварцполевошпатным песком изложены в патентах РФ № 2463329, № 2588634, Евразийском патенте № 024901. Известна также шихта для изготовления магнийсиликатного проппанта (см. патент РФ № 2563853), содержащая измельченную до фракции менее 8 мкм смесь термообработанного серпентинита и кварцполевошпатного песка. В качестве указанного песка шихта содержит песок Южно-Ильинского месторождения фракции менее 2 мм состава, масс.%: диоксид кремния 90,0-91,0, оксид алюминия 3,3-3,5, оксид кальция 0,9-1,0, оксид железа 1,6-1,8, оксид калия 1,2-1,3, оксид натрия 0,7-0,8, примеси - остальное, при следующем соотношении компонентов шихты, масс.%: указанный серпентинит 61,0-67,0 указанный песок 33,0-39,0. Магнийсиликатный проппант характеризуется тем, что он получен из указанной шихты. Однако в данном техническом решении, так же как и других перечисленных выше известных решениях, в качестве кремнеземистого компонента используют кварцполевошпатный песок и /или кварцит. Known compositions of the mixture based on a mixture of heat-treated serpentinite with quartz feldspar sand (see RF patents No. 2446200, No. 2547033) and methods for making lightweight proppant from them. These technical solutions make it possible to obtain proppants with a bulk density of less than 1.4 g / cm ³ . The compositions of the mixture for producing medium density magnesium silicate proppant based on natural magnesium silicates or mixtures thereof with natural quartz-feldspar sand are described in RF patents No. 2463329, No. 2588634, Eurasian patent No. 024901. There is also known a mixture for the manufacture of magnesium silicate proppant (see) RF patent No. 256 256. containing a mixture of heat-treated serpentinite and quartz-feldspar sand, crushed to a fraction of less than 8 microns. As the specified sand, the mixture contains sand of the Yuzhno-Ilyinsky deposit of a fraction of less than 2 mm of composition, wt.%: Silicon dioxide 90.0-91.0, alumina 3.3-3.5, calcium oxide 0.9-1.0 , iron oxide 1.6-1.8, potassium oxide 1.2-1.3, sodium oxide 0.7-0.8, impurities - the rest, in the following ratio of the components of the mixture, wt.%: the specified serpentinite 61.0 -67.0 indicated sand 33.0-39.0. Magnesium silicate proppant is characterized in that it is obtained from the specified mixture. However, in this technical solution, as well as the other known solutions listed above, quartz-feldspar sand and / or quartzite are used as a siliceous component.

Вместе с тем, остается недостаточно изученным вопрос использования в составе сырьевой шихты для производства проппанта различных техногенных отходов, в частности отходов (хвостов) обогащения натрий-калиевого полевого шпата, представляющих собой кремнеземистый материал, имеющий, по мнению авторов, перспективы применения при изготовлении магнезиально-кварцевого проппанта. At the same time, the issue of using various technogenic wastes as a part of the raw material charge for proppant production, in particular wastes (tailings) of enrichment of sodium-potassium feldspar, which is a siliceous material, which, according to the authors, has prospects for using magnesia quartz proppant.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение сырьевой базы производства магнезиально-кварцевых проппантов с насыпной плотностью 1,4-1,65 г/см³, путем включения в состав сырьевой шихты для их изготовления отходов обогащения натрий-калиевого полевого шпата Малышевского рудоуправления (РФ Свердловская обл.) с получением расклинивающего агента, по основным эксплуатационным характеристикам соответствующего требованиям ГОСТ Р 54571-2011 «Пропанты магнезиально-кварцевые». The technical problem to be solved by the claimed invention is directed is the expansion of the raw material base for the production of magnesia-quartz proppants with a bulk density of 1.4-1.65 g / cm ³ , by including sodium-potassium feldspar enrichment waste in the composition of the raw material charge for their manufacture Malyshevsky Mining Administration (RF, Sverdlovsk Region) with the production of a proppant that, according to the main operational characteristics, meets the requirements of GOST R 54571-2011 “Magnesian-Quartz Propants”.

Указанная задача решается тем, что сырьевая шихта для изготовления магнезиально-кварцевого проппанта, содержащая измельченную до фракции менее 80 мкм смесь предварительно обожженного магнийсиликатного компонента с кремнеземистым компонентом, имеет в своем составе 17-34 масс.% MgO, причем кремнеземистый компонент представляет собой отходы обогащения натрий-калиевого полевого шпата Малышевского рудоуправления со следующим усредненным химическим составом, масс.% в пересчете на прокаленное вещество: SiO₂ – 84, Al₂O₃ – 9, MgO – 0,7, Fe₂O₃ – 0,5, CaO – 0,3, K₂O – 3,5, Na₂O – 2, а магнийсиликатный компонент представляет собой серпентинит, или дунит, или оливинит. This problem is solved in that the raw material mixture for the manufacture of magnesia-quartz proppant, containing a mixture of a pre-calcined magnesium silicate component with a siliceous component, crushed to a fraction of less than 80 microns, has 17-34 wt.% MgO, and the siliceous component is an enrichment waste sodium-potassium feldspar of the Malyshevsky mine administration with the following average chemical composition, wt.% in terms of the calcined substance: SiO ₂ - 84, Al ₂ O ₃ - 9, MgO - 0.7, Fe ₂ O ₃ - 0.5, CaO - 0.3, K ₂ O - 3,5, Na ₂ O - 2, and the magnesium silicate component is serpentinite, or dunite, or olivinite.

Хвосты обогащения полевого шпата являются распространенными, крупнотоннажными и доступными техногенными отходами, следовательно, их вовлечение в масштабное производство керамических расклинивающих агентов представляет большой интерес. Feldspar enrichment tailings are widespread, large-capacity and accessible technogenic wastes, therefore, their involvement in the large-scale production of ceramic proppants is of great interest.

Изучение состава отходов обогащения натрий-калиевого полевого шпата Малышевского рудоуправления показывает, что они представляют собой высококремнеземистое сырье, содержащее заметное количество плавней. Причем оксид алюминия в материале представлен в том числе легкоплавкими алюмосиликатами натрия, калия, хорошо зарекомендовавшими себя в качестве спекающей добавки для магнийсодержащей керамики. Помимо этого в отходах содержатся оксиды железа и кальция, оказывающие упрочняющее и стабилизирующее влияние на стеклофазу, образующуюся в керамическом проппанте в результате высокотемпературного обжига и последующего охлаждения. A study of the composition of the wastes from the enrichment of sodium-potassium feldspar of the Malyshevsky mine administration shows that they are highly siliceous raw materials containing a noticeable amount of fluxes. Moreover, alumina in the material is represented, inter alia, by low-melting aluminosilicates of sodium and potassium, which have well established themselves as sintering additives for magnesium-containing ceramics. In addition, the waste contains iron and calcium oxides, which have a strengthening and stabilizing effect on the glass phase formed in the ceramic proppant as a result of high-temperature firing and subsequent cooling.

Экспериментальным путем авторами установлено, что применение заявляемых отходов обогащения полевого шпата для изготовления среднеплотного и легковесного магнезиально-кварцевого проппанта носит ограниченный характер и определяется преимущественно силикатным модулем – MgO/SiO₂. Однако с учетом того, что серпентинит, дунит, оливинит и отходы обогащения натрий-калиевого полевого шпата Малышевского рудоуправления имеют заметные колебания по химическому составу, контроль соотношения компонентов смеси целесообразно производить по содержанию в ней оксида магния. В частности, при содержании в сырьевой смеси MgO в количестве менее 17 масс.%, проппант, полученный из нее при обжиге, оплавляется и образуется большое количество спеков. Это объясняется возрастанием общего количества легкоплавких компонентов в материале. При увеличении содержания MgO более 34 масс.%, насыпная плотность проппанта превышает 1,65 г/см³.The authors experimentally established that the use of the claimed feldspar enrichment waste for the manufacture of medium-density and lightweight magnesia-quartz proppant is limited and is determined mainly by the silicate module MgO / SiO ₂ . However, taking into account the fact that serpentinite, dunite, olivinite and waste from the enrichment of sodium-potassium feldspar of the Malyshevsky mine administration have noticeable fluctuations in chemical composition, it is advisable to control the ratio of the components of the mixture by the content of magnesium oxide in it. In particular, when the content of MgO in the raw material mixture is less than 17 wt.%, The proppant obtained from it during firing is fused and a large number of cakes are formed. This is due to an increase in the total amount of fusible components in the material. With an increase in MgO content of more than 34 wt.%, The proppant bulk density exceeds 1.65 g / cm ³ .

Пример осуществления изобретенияAn example embodiment of the invention

Сырьевую шихту для проведения экспериментов готовили на площадях ООО «Староцементный завод» (РФ, Свердловская обл., г. Сухой Лог).Raw materials for the experiments were prepared on the premises of Starocementny Zavod LLC (Russian Federation, Sverdlovsk Region, Sukhoi Log).

100 т сырьевой смеси с содержанием MgO - 25 масс.% получали путем сухого совместного помола до фракции менее 80 мкм термообработанного при температуре 1150^°С серпентинитового щебня и отходов обогащения натрий-калиевого полевого шпата Малышевского рудоуправления (РФ, Свердловская обл.) со следующим усредненным химическим составом, масс.% в пересчете на прокаленное вещество: SiO₂ – 84, Al₂O₃ – 9, MgO – 0,7, Fe₂O₃ – 0,5, CaO – 0,3, K₂O – 3,5, Na₂O – 2. Из указанной смеси на площадях ООО «ФОРЭС» (РФ, Свердловская обл., г. Сухой Лог) производили проппант фракции 16/30 меш. Аналогичным образом готовили сырьевые смеси с различным содержанием MgO. Также были подготовлены партии сырьевых шихт с использованием в качестве предварительно обожженного магнийсиликатного компонента дунита и оливинита при различном содержании в материале оксида магния. Полученный проппант тестировали на соответствие по основным эксплуатационным характеристикам требованиям ГОСТ Р 54571-2011: 100 tons of a raw material mixture with a MgO content of 25 wt.% Were obtained by dry joint grinding to a fraction of less than 80 microns of heat treated at 1150 ^° C serpentinite crushed stone and waste from the enrichment of sodium-potassium feldspar of the Malyshevsky mine department (RF, Sverdlovsk region) with the following average chemical composition, wt.% in terms of calcined substance: SiO ₂ - 84, Al ₂ O ₃ - 9, MgO - 0.7, Fe ₂ O ₃ - 0.5, CaO - 0.3, K ₂ O - 3 , 5, Na ₂ O - 2. From the specified mixture, proppant fractions of 16/30 mesh were produced on the premises of FORES LLC (RF, Sverdlovsk Region, Sukhoi Log). In a similar manner, raw mixes with different MgO contents were prepared. Also, batches of raw materials were prepared using dunite and olivinite as a pre-calcined magnesium silicate component with different contents of magnesium oxide in the material. The resulting proppant was tested for compliance with the main operational characteristics of the requirements of GOST R 54571-2011:

- разрушаемость, при давлении 68,9 МПа, масс. % - не более 25,0; - destructible, at a pressure of 68.9 MPa, mass. % - no more than 25.0;

- растворимость в смеси кислот, масс.% - не более 10,0; - solubility in a mixture of acids, wt.% - not more than 10.0;

- сферичность/округлость - не более 0,7/0,7.- sphericity / roundness - not more than 0.7 / 0.7.

Результаты измерений приведены в таблице.  The measurement results are shown in the table.

Анализ данных таблицы показывает, что использование заявляемой сырьевой шихты для изготовления магнезиально-кварцевого проппанта (примеры 2-4, 7-9, 12-14 таблицы) расширяет сырьевую базу производства проппанта и позволяет получать продукт с насыпной плотностью 1,4-1,65 г/см³, по основным техническим характеристикам соответствующий требованиям ГОСТ Р 54571-2011. При этом одновременно решается задача переработки отходов обогащения натрий-калиевого полевого шпата Малышевского рудоуправления. An analysis of the data in the table shows that the use of the inventive feedstock for the manufacture of magnesia-quartz proppant (examples 2-4, 7-9, 12-14 of the table) expands the raw material base of proppant production and allows to obtain a product with a bulk density of 1.4-1.65 g / cm ³ , according to the main technical characteristics corresponding to the requirements of GOST R 54571-2011. At the same time, the problem of processing waste from the enrichment of sodium-potassium feldspar of the Malyshevsky mine administration is simultaneously being solved.

Claims (2)

1. Сырьевая шихта для изготовления магнезиально-кварцевого проппанта, содержащая измельченную до фракции менее 80 мкм смесь предварительно обожженного магнийсиликатного компонента и кремнеземистого компонента и имеющая в своем составе 17-34 масс.% MgO, причем кремнеземистый компонент представляет собой отходы обогащения натрий-калиевого полевого шпата Малышевского рудоуправления со следующим усредненным химическим составом, масс.% в пересчете на прокаленное вещество: SiO₂ - 84, Al₂O₃ - 9, MgO - 0,7, Fe₂O₃ - 0,5, CaO - 0,3, K₂O - 3,5, Na₂O - 2.1. The raw material mixture for the manufacture of magnesia-quartz proppant containing crushed to a fraction of less than 80 microns a mixture of pre-calcined magnesium silicate component and a siliceous component and having in its composition 17-34 wt.% MgO, and the siliceous component is a waste from the enrichment of sodium-potassium field the feldspar of the Malyshevsky mine department with the following average chemical composition, wt.% in terms of calcined substance: SiO ₂ - 84, Al ₂ O ₃ - 9, MgO - 0.7, Fe ₂ O ₃ - 0.5, CaO - 0.3 K ₂ O - 3.5; Na ₂ O - 2. 2. Сырьевая шихта по п.1, отличающаяся тем, что магнийсиликатный компонент представляет собой серпентинит, или дунит, или оливинит. 2. The raw material charge according to claim 1, characterized in that the magnesium silicate component is serpentinite, or dunite, or olivinite.