CC BY
30
УДК 622.276.66: 622.245.542 Миклашов Д.Г., Спиридонов Ю.А.
СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРОППАНТ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ
Миклашов Дмитрий Геннадьевич: студент 1 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: mdgmono@gmail.com:
Спиридонов Юрий Алексеевич: к.т.н., доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия.
В данной статье описано исследование по получению проппантов из отходов металлургического производства в лабораторных условиях. Были определены такие эксплуатационные характеристики, как насыпная плотность, округлость, сферичность.
Ключевые слова: проппант, расклинивающие агенты, гидравлический разрыв пласта, отходы металлургического производства.
GLASS-CRYSTALLINE PROPPANT BASED ON METALLURGICAL SLAG
Miklashov D.G., Spiridonov Y.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
This article investigates the production of proppants from metallurgical waste in laboratory conditions. Performance characteristics such as bulk density, roundness, sphericity were determined.
Keywords: proppant, propping agents, hydraulic fracture, metallurgical waste.
Введение
Проппант - гранулообразный материал с размерами частиц от 0,5 до 1,2 мм, который используют в нефтедобывающей промышленности для повышения эффективности отдачи скважин путем применения технологии гидравлического разрыва пласта (ГРП) [1]. Она заключается в закачивании жидкости с расклинивающим агентом в скважину, приводящей к возникновению трещин в пласте. В результате проппант попадает в трещины, тем самым предотвращая её смыкание вследствие горного давления. Нефтепродукты, находящиеся в разломе, свободно попадают в скважину, откуда производят их добычу.
В настоящий момент расклинивающими агентами являются: керамический проппант и кварцевый песок. [2]. Керамический проппант изготавливают из синтезированного боксита, каолина, силиката магния. Иногда, для повышения химической стойкости на его гранулы наносят различные полимерные пленки. Кроме того, перспективным направлением производства расклинивающих агентов является получение облегченных проппантов, внутри гранул которых находятся поры. По сравнению с плотноспеченными керамическими образцами они обладают меньшим удельным весом. Это позволяет использовать при закачке проппантов в скважины жидкости малой вязкости, что делает процесс ГРП экономически эффективным.
Для расклинивающих агентов в число важных эксплуатационных характеристик входят насыпная плотность, сферичность, округлость. Данные показатели измеряли в соответствии с ГОСТ Р
51761-2013 «Проплаты алюмосиликатные. Технические условия»
В настоящее время наибольшее распространение получили керамические проппанты. Они хорошо зарекомендовали себя при нефтедобыче. Однако такие проппанты являются достаточно дорогими при производстве, кроме того высокая плотность затрудняет процесс их закачки в скважины. Получение облегченных керамических проппантов является сложным трудоемким процессом, что еще больше удорожает этот материал.
В связи с этим сейчас стоит проблема по получению проппантов из дешевых сырьевых материалов по простой технологии, которая может позволить получение облегченных пористых частиц, что, в свою очередь, даст возможность использовать жидкости гидроразрыва с низкой вязкостью (например, воду).
Учитывая все это, актуальность настоящей работы заключается в использовании металлургических шлаков в качестве сырья для получения проппантов. Одновременно это также позволит частично решить проблему утилизации отходов металлургических производств.
Целью настоящей работы является изучения возможности получения облегченного
стеклокристаллического проппанта на основе доменного шлака.
Экспериментальная часть Методика эксперимента. В работе по получению облегченных проппантов использовали печь фирмы ^егтосегатю. На подложку, в виде огнеупорного кирпича наносили слой гипса или глинозема для предотвращения слипания частиц в
процессе термообработки. В исследовании использовали частицы фракции 16/20, для их выделения применяли сита с размерами ячеек 1,180 -0,850 мм. Для рассева частиц использовали вибратор марки MLШ 40000012765.
Шлак термообрабатывали в диапазоне температур от 825 - 11500С. Время выдержки при максимальной температуре составляло 30 минут. После термообработки проппант отсеивали на вибраторе в течение 10 минут.
Определение сферичности и округлости. Сферичность и округлость гранул проппантов определяли визуально сравнением внешнего вида частиц с табличными значениями на диаграмме Крумбьена-Шлосса.
Определение насыпной плотности. Для определения значения насыпной плотности расчет производили по формуле:
Рнсп = (шс.п - Шс)/Уп (1)
где: тс.п - масса сосуда, заполненного проппантами без встряхивания и трамбования, г;
тс - масса сосуда, г;
Уп - объем проппантов в сосуде, равный 100 см.
Определение пористости. Для определения открытой пористости использовали метод водопоглощения [3]. Он подразумевает насыщение пористого тела жидкостью в процессе кипячения и определения увеличения массы тела вследствие этого.
Общую пористость расчитывали как отношение разницы в объемах пористого (прошедшего термообработку) и плотного (нетермообработанного) образца к объему пористого.
Закрытую пористость рассчитывали как разность между общей и открытой пористостью.
Плотность материала определяли на исходных (непористых) образцах шлака методом гидростатического взвешивания.
Результаты и их обсуждение
Рентгенофазовый анализ показал, что при термообработке в исследованном интервале температур в частицах шлака выделяются две кристаллические фазы мелилит (2Са0-М§0-28Ю2) и псевдоволластонит (Са0-БЮ2). Максимальные значения пиков обеих фаз достигают при температурах 1050-1100оС. На рисунке 1 изображена зависимость интенсивности пиков фаз от режима термообработки шлака.
Помимо частичной кристаллизации в результате термообработки происходит округление и сфероидизации частиц шлака, изображенного на рисунке 2.
Интенсивность, отн. ед. 1200 -1
11001000 900 800700600 500 400-
■ Мелилит ▲ Псевдоволластонит
Температура термообработки, С
Рис.1. Интенсивность пиков РФА термообработанного
А
Б
Рис.2. Фотография частиц исходного шлака (А) и
термообработанного при температуре 1050°С (Б).
Еще одним следствием термообработки является возникновение пористой структуры у частиц шлака. Пористость материала образуется за счет газов, растворенных в шлаке, которые в процессе нагревания выделяются в виде пор. При использовании в качестве подложки гипса общая и открытая пористость выше, чем при использовании глинозема. Это вызвано, по-видимому, тем, что частицы гипса могут вплавляться в поверхностные слои шлаковых зерен, а при дальнейшем нагревании разлагаться с выделением паров воды.
В таблице 1 представлены результаты по измерению насыпной плотности, сферичности, округлости и пористости полученных образцов.
950
1000
1050
1200
Таблица 1. Свойства полученных проппантов на основе доменного шлака.
Материал подложки Температура термообработки, °С Насыпная плотность, г/см3 Пористость (открытая), % Сферичность, доля Округлость, доля
Гипс 850 1,19 0,2 0,5 0,5
900 0,91 12 0,7 0,7
950 1,09 27 0,9 0,7
1050 1,01 24 0,9 0,9
Глинозем 850 1,06 0,9 0,5 0,5
900 0,82 7 0,7 0,7
950 0,83 17 0,9 0,7
1050 0,84 20 0,9 0,9
Выводы
Доменные металлургические шлаки могут выступать в качестве недорогого и недефицитного сырья для получения облегченных
стеклокристаллических проппантов.
Термообработка мелких гранул доменного шлака в интервале температур от 850 до 12000С приводит к постепенному округлению и сфероидизации гранул до значений 0,9 и 0,9 соответственно, а также частичной кристаллизации материала. Основными кристаллическими фазами, выделяющимися при термообработке, являются мелилит и псевдоволластонит.
В процессе термообработки параллельно с округлением и кристаллизацией гранул в них происходит образование пузырей. Пористость материала достигает 20%, это позволяет снизить насыпную плотность материала до значений 1,085 г/см3, что сопоставимо со стандартными показателями этого свойства у образцов облегченного проппанта в настоящее время.
Оптимальной температурой термообработки, обеспечивающей образование сферичных округлых пористых стеклокристаллических частиц является 10500С.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России (грант FSSM-2020-0003).
Список литературы
1. Арбузов В. Н. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин. — Томский политехнический университет., 2011. - 271 с.
2. Feng, L. Sayed, M. et al. A comprehensive review on proppant technologies / L. Feng, M. Sayed, G. A. Al-Muntasheri, F.F.Chang // Petrolium - 2015 -№11 - P. 1-14
3. Практикум по технологии керамики [Текст] : учеб. пособие для вузов / Н. Т. Андрианов [и др.] ; ред. И. Я. Гузман. - М. : ООО РИФ Стройматериалы, 2005. - 334 с. - Б. ц.
