RU2814680C1 - Method of producing proppant for hydraulic fracturing - Google Patents

Abstract

FIELD: oil industry.

SUBSTANCE: invention relates to production of proppants—proppant granules used in oil and gas production by hydraulic fracturing. Proposed method comprises grinding initial stock, drying, pelletizing, roasting, cooling and grading into fractions. Starting material used is the following combined composition: pre-calcined low-melting clay 60%, thermomechanically activated natural zeolite 10%, ash-slag mixture 30%. This composition is thoroughly crushed, dried at temperature of 200 °C, mixed and granulated to fraction of 2.0 mm. Water is used as binding agent in granulation. Granulated material is fired in a rotary furnace at temperature of 1,100 °C.

EFFECT: obtaining light high-strength ceramic proppants based on low-melting clay material.

1 cl

Description

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к производству пропантов, расклинивающих гранул, применяемых при добыче нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта.The invention relates to the oil industry, in particular to the production of proppants and propping granules used in oil and gas production using hydraulic fracturing.

Из уровня техники, патент № 2203248 с приоритетом от 14.06.2002 г. известен способ получения легковесных высокопрочных керамических пропантов включает термическую обработку исходного алюмосиликатного сырья, в качестве которого используют каолин, помол обработанного сырья, отсев фракций, имеющих размеры, отличные от заданных, с последующим их возвратом на стадию помола, гранулирование термически обработанного алюмосиликатного сырья при постоянном перемешивании массы и ее увлажнении, сушку и предварительный рассев полученных гранул с возвратом на помол гранул, отличающихся от заданного размера, окончательный обжиг гранул и рассев обожженных гранул. При этом перед гранулированием термически обработанного алюмосиликатного сырья в него вводят минерализатор в количестве от 2 до 5% и дисперсностью 10 мкм следующего химического состава: TiO₂ в форме рутила 31; FeO 27; SiO₂ 13; MnO 3,8; Cr₂O_з 1,7; MgO 1,1, а термическую обработку исходного сырья проводят при температуре от 1025 до 1145°С, обеспечивающей эндотермический эффект, связанный с полным разложением каолинита, началом образования кристаллов муллита и выделением и модификационными превращениями стеклофазы.From the prior art, patent No. 2203248 with priority dated June 14, 2002, a known method for producing lightweight high-strength ceramic proppants includes heat treatment of the initial aluminosilicate raw material, which is used as kaolin, grinding of the processed raw material, screening out fractions having sizes different from the specified ones, with their subsequent return to the grinding stage, granulation of thermally treated aluminosilicate raw materials with constant mixing of the mass and its moistening, drying and preliminary sifting of the resulting granules with return for grinding of granules that differ from the specified size, final firing of the granules and sieving of the fired granules. In this case, before granulating the thermally treated aluminosilicate raw material, a mineralizer is introduced into it in an amount of 2 to 5% and a dispersion of 10 microns of the following chemical composition: TiO ₂ in the form of rutile 31; FeO 27; SiO ₂ 13; MnO 3.8; Cr ₂ O ₃ 1.7; MgO 1.1, and the heat treatment of the feedstock is carried out at a temperature from 1025 to 1145°C, which provides an endothermic effect associated with the complete decomposition of kaolinite, the beginning of the formation of mullite crystals and the release and modification transformations of the glass phase.

Но данным способом невозможно получение легковесных высокопрочных керамических пропантов, на основе легкоплавкого глинистого сырья.But with this method it is impossible to obtain lightweight, high-strength ceramic proppants based on low-melting clay raw materials.

Самым близким по своей технической сущности является способ производства проппанта для проведения гидроразрыва пласта описанный в патенте № 2261847 с приоритетом от 16.04.2004 г., включающем размол, гидратацию, формование, сушку и обжиг исходного сырья, в качестве исходного сырья используют природную бентонитовую глину с содержанием монтморрилонита свыше 90%, для формовки сферических гранул проппанта размером от 200 до 400 мкм и от 420 до 850 мкм используют метод распылительной сушки, а формование гранул размером более 850 мкм осуществляют методом закатки, обжиг проводят при температуре 600-650°С. Техническим результатом является снижение стоимости при проведении ГРП при свойствах проппанта, удовлетворяющих нормам на искусственные проппанты для ГРП.The closest in its technical essence is the method of producing proppant for hydraulic fracturing described in patent No. 2261847 with priority dated April 16, 2004, including grinding, hydration, molding, drying and firing of the feedstock, natural bentonite clay with a montmorrilonite content of over 90% is used as the feedstock, the spray drying method is used to form spherical proppant granules ranging in size from 200 to 400 microns and from 420 to 850 microns, and the molding of granules with a size of more than 850 microns is carried out by rolling, firing is carried out at a temperature of 600-650°C. The technical result is a reduction in the cost of hydraulic fracturing with proppant properties that meet the standards for artificial proppants for hydraulic fracturing.

В данном способе производства проппанта используется природная бентонитовая глина, доставка которой к месту изготовления проппанта приводит к временным и финансовым затратам, и так же к трудозатратам.This method of producing proppant uses natural bentonite clay, the delivery of which to the place of proppant production leads to time and financial costs, as well as labor costs.

На данный момент наблюдается истощение запасов высококачественного глинистого сырья, в связи с чем возникает необходимость расширения отечественной базы керамического сырья за счет вовлечения в производство местных низкосортных глинистых пород. Однако относительно невысокая прочность после обжига образцов из таких глин обусловливает необходимость подбора упрочняющих добавок.At the moment, there is a depletion of reserves of high-quality clay raw materials, and therefore there is a need to expand the domestic base of ceramic raw materials by involving local low-grade clay rocks in production. However, the relatively low strength after firing of samples from such clays necessitates the selection of strengthening additives.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение легковесных высокопрочных керамических пропантов на основе легкоплавкого глинистого сырья.The technical result of the claimed invention is the production of lightweight, high-strength ceramic proppants based on low-melting clay raw materials.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ производства пропанта для проведения гидроразрыва пласта включает размол исходного сырья, его сушку, гранулирование, обжиг, охлаждение и классификацию по фракциям, при этом в качестве исходного сырья используют следующий комбинированный состав: легкоплавкая глина 60%, цеолит природный структурированный термомеханически активированный 10%, золошлаковая смесь (ЗШС) 30%, в качестве связующего вещества используют воду, данный состав тщательно измельчают, производят сушку при температуре 200°С, смешивают и в последствии гранулируют до фракции 0,5-2,0 мм, далее гранулированный фракционированный материал проходит обжиг во вращающейся печи при температуре 1100°С. Легкоплавкие глины представляют собой полиминеральное глинистое сырьё, имеющее железисто-монтмориллонитовый и гидрослюдистый состав, в них часто присутствуют примеси песка и органических веществ. Показатель огнеупорности легкоплавких глин менее 1350°С.The claimed technical result is achieved due to the fact that the method for producing proppant for hydraulic fracturing includes grinding the feedstock, drying it, granulating it, roasting it, cooling it and classifying it into fractions, while the following combined composition is used as the starting raw material: low-melting clay 60%, natural structured thermomechanically activated zeolite 10%, ash and slag mixture (ASM) 30%, water is used as a binder, this composition is thoroughly crushed, dried at a temperature of 200°C, mixed and subsequently granulated to a fraction of 0.5-2.0 mm, then the granulated fractionated material is fired in a rotating kiln at a temperature of 1100°C. Low-melting clays are polymineral clay raw materials having an iron-montmorillonite and hydromica composition; they often contain admixtures of sand and organic substances. The fire resistance of low-melting clays is less than 1350°C.

Заявленный способ получения алюмосиликатных пропантов на основе комбинаций легкоплавкого глинистого сырья с добавками прошел лабораторные испытания. Полученные результаты свидетельствуют, о том, что процедура предварительного обжига легкоплавкой глины необходима, так как прочность пропантов на основе прокаленных глин в среднем в 1,4 - 3 раза выше, чем у расклинивающего агента на основе сырых глин. Введение в легкоплавкое глинистое сырье добавок при температурах обжига выше температуры собственного плавления, добавки играют роль плавней, а при температурах обжига ниже температур их плавления играют упрочняющую роль поставщика дополнительного количества кристаллической фазы. Температура спекающего обжига гранул до 1100°С обеспечивает получение пропантов с еще более высокими характеристиками: насыпная плотность гранул 1,39-1,43 г/см3, доля разрушенных гранул фракцией 16/20 - 14,2%; фракцией 20/40 - 6,3% при разрушающем давлении 34,5 МПа. Таким образом, введение добавок в состав легкоплавких глин позволяет достичь максимальных прочностных показателей при температуре спекающего обжига 1100°С за счет повышения суммарного содержания кристаллической фазы в составе обожженного материала. The claimed method for producing aluminosilicate proppants based on combinations of low-melting clay raw materials with additives has passed laboratory tests. The results obtained indicate that the procedure of pre-firing of low-melting clay is necessary, since the strength of proppants based on calcined clays is on average 1.4 - 3 times higher than that of a proppant based on raw clays. The introduction of additives into low-melting clay raw materials at firing temperatures above their own melting temperature, the additives play the role of a smoother, and at firing temperatures below their melting temperatures they play a strengthening role as a supplier of an additional amount of the crystalline phase. The sintering temperature of granules up to 1100°C ensures the production of proppants with even higher characteristics: bulk density of granules 1.39-1.43 g/cm3, the proportion of destroyed granules with a fraction of 16/20 is 14.2%; fraction 20/40 - 6.3% at a destruction pressure of 34.5 MPa. Thus, the introduction of additives into the composition of low-melting clays makes it possible to achieve maximum strength indicators at a sintering temperature of 1100°C by increasing the total content of the crystalline phase in the composition of the fired material.

Способ производства проппанта для проведения гидроразрыва пласта осуществляется следующим образом. Производят дробление исходного кускового алюмосиликатного сырья, после чего все сушат при температуре 100-200°С в зависимости от исходной карьерной влажности. Далее производят дробление и тонкий помол до размера частиц менее 63 мкм, которые призваны обеспечить плотную упаковку частиц в грануле и способствовать интенсификации процесса спекания керамического изделия. Грануляция полученного тонкодисперсного порошка проводится в грануляторах интенсивного или тарельчатого типа с использованием воды в качестве связующего компонента. Вода вводится в гранулятор-смеситель и тарельчатый гранулятор. Количество вводимой воды устанавливается конечным размером гранул. Далее производится обжиг гранул при температуре 1100°С и их рассев на целевые фракции.The method for producing proppant for hydraulic fracturing is carried out as follows. The initial lump aluminosilicate raw material is crushed, after which everything is dried at a temperature of 100-200°C, depending on the initial quarry humidity. Next, crushing and fine grinding are carried out to a particle size of less than 63 microns, which are designed to ensure dense packing of particles in the granule and help intensify the sintering process of the ceramic product. Granulation of the resulting fine powder is carried out in intensive or plate-type granulators using water as a binding component. Water is introduced into the mixer granulator and the disc granulator. The amount of water introduced is determined by the final size of the granules . Next, the granules are fired at a temperature of 1100°C and sieved into target fractions.

Claims (3)

Способ производства проппанта для проведения гидроразрыва пласта, включающий дробление исходного сырья, его сушку, помол, гранулирование, обжиг, охлаждение и классификацию по фракциям, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют следующий комбинированный состав:A method for producing proppant for hydraulic fracturing, including crushing the feedstock, drying, grinding, granulating, roasting, cooling and classification into fractions, characterized in that The following combined composition is used as the starting raw material: предварительно прокаленная легкоплавкая глинаpre-calcined low-melting clay 60% 60% цеолит природный активированныйnatural activated zeolite 10% 10% золошлаковая смесь (ЗШС)ash and slag mixture (ASM) 30%, thirty%, предварительно раздробленное и высушенное исходное сырьё измельчают до размера частиц менее 63 мкм, затем смешивают и в грануляторах интенсивного или тарельчатого типа с использованием воды в качестве связующего компонента производят грануляцию тонкодисперсного порошка до фракции 0,5-2,0 мм, далее гранулированный материал проходит обжиг во вращающейся печи при температуре 1100°С, после чего производят охлаждение и далее производят рассев гранул на целевые фракции.pre-crushed and dried raw materials are crushed to a particle size of less than 63 microns, then mixed and in intensive or plate-type granulators using water as a binding component, fine powder is granulated to a fraction of 0.5-2.0 mm, then the granulated material is fired in a rotating kiln at a temperature of 1100°C, after which cooling is carried out and then the granules are sieved into target fractions.