Российская нефтяная промышленность является одной из главных бюджетообразующих отраслей народного хозяйства. Увеличение добычи нефти при ухудшении горно-геологических условий возможно только при использовании новых технологий. Гидравлический разрыв пласта (ГРП) является на сегодняшний день наиболее результативным геолого-техническим мероприятием, обеспечивающим кратное увеличение добычи и повышение эффективности разработки низкопроницаемых коллекторов. Рост потребления пропантов, в первую очередь, связан с развитием технологии горизонтального бурения и многократного гидроразрыва пласта (МГРП), что в свою очередь определяется геологическими условиями залегания месторождений углеводородов.
В России производят два типа пропантов: алюмосиликатные (содержание Al2O3 от 50 до 70 % и SiO2 от 15 до 30 %) и магнезиально-кварцевые (содержание MgO от 28 до 48 % и SiO2 от 40 до 60 %). Они различаются по химико-минеральному составу керамической основы, видам используемого минерального сырья, способу его переработки.
При снижении стоимости нефти, когда удельная стоимость расклинивающего агента в себестоимости нефти повышается, конкуренция между различными типами керамических пропантов становится еще более ощутимой.
АО «БКО» изготавливает алюмосиликатные пропанты из природных глинистых минералов и бокситов, что обеспечивает постоянство их минералогического состава, физико-химических и специальных технических характеристик. Бокситы являются ценным металлургическим сырьем, большая часть их используется для получения алюминия. Ценность бокситов определяет более высокую стоимость алюмосиликатных пропантов.
Магнезиально-кварцевые пропанты было бы точнее назвать магнезиальносиликатными. Их изготавливают несколько российских компаний из магнезиально-силикатных природных минералов и техногенных отходов с добавлением кварцевого песка. Применение отходов значительно удешевляет производство и определяет возможность заметного снижения цены магнезиально-кварцевых пропантов. Непостоянство химического и минералогического состава при использовании отходов требует тщательного контроля сырьевой смеси и параметров всего технологического процесса, в противном случае это приведет к ухудшению качества пропантов.
Как показано в статье [1], сравнение пропантов необходимо производить не по характеристикам ГОСТ Р 51761-2013 (краш-тест, насыпная плотность, ситовой анализ), а по показателям долговременных проводимости и проницаемости пропантной пачки. Эти показатели наиболее реально отражают эффект от использования пропантов в ГРП. В настоящей статье приводятся аргументы и расчеты безразмерной проводимости трещины – основного параметра, используемого для характеристики скважины после ГРП. Сведения основаны на экспериментально полученных данных, показывающих, что использование алюмосиликатных пропантов позволяет получить увеличение дебета, превышающее степень увеличения его цены в сравнении с магнезиально-кварцевыми пропантами.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМЫХ ПРОПАНТОВ
Тестирование по основным свойствам проведены на образцах алюмосиликатных и магнезиально-кварцевых пропантов фракций 16/20 и 20/40. Как видно из результатов испытаний (табл.), основные свойства обоих типов пропантов, такие как прочность (сопротивление раздавливанию), содержание основной фракции, сферичность и округлость сопоставимы.
При этом следует отметить, что как указано в [2], с 2007 г. наблюдается существенное снижение насыпной плотности алюмосиликатных пропантов с 1,80 до 1,65 г/см3, что связанно с использованием инновационных технологий и постоянным усовершенствованием процесса производства, в соответствии с запросами нефтяных компаний. В 2019 г. по этому показателю алюмосиликатные и магнезиально-кварцевые пропанты сравнялись.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Сравнение пропантов производили путем измерения долговременной проводимости и проницаемости пропантой пачки. Измерения производили по методике ISO 13503-5:2006 на установке, разработанной и изготовленной компанией CorelabInstruments.
Условия проведения измерений проводимости:
– пластины песчаника из штата Огайо (США);
– концентрация пропанта – 2 фунта на квадратный фут;
– температура – 121 °С.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты измерений долговременной проводимости пропантов при различных давлениях приведены на диаграммах рис. 1–4.
По результатам измерений долговременной проводимости и проницаемости выявлены и подтверждены нижеизложенные закономерности:
• для всех типов и фракций с увеличением давления закрытия трещины долговременная проводимость и проницаемость пропантов пачки уменьшается;
• для всех типов и фракций при всех давлениях закрытия трещины долговременная проводимость и проницаемость алюмосиликатных пропантов выше, чем магнезиально-кварцевых. Если при низком давлении 2000 psi различие проводимости и проницаемоcти не столь существенно, в пределах погрешности эксперимента, то при более высоких давлениях, от 4000 до 10000 psi, с ростом давления она увеличивается;
• для пропантов фракции 16/20 превышение проводимости алюмосиликатных пропантов в сравнении с магнезиально-кварцевыми начинается с 1,42-кратного при давлении 4000 psi, и достигает 3-кратного при давлении 10 000 psi, аналогично увеличивается и проницаемость;
• для пропантов фракции 20/40 превышение проводимости алюмосиликатных пропантов несколько ниже, но тоже существенно: начинается с 1,16-кратного при давлении 4000 psi и достигает 2,3-кратного при давлении 10 000 psi, аналогично увеличивается и проницаемость.
Причины различия проводимости и проницаемости пропантов двух типов были обозначены в публикациях [1, 3, 4]. Пониженная долговременная проводимость и проницаемость магнезиально-кварцевых пропантов обусловлены особенностями их состава и способа производства. За счет накопления множественных внутренних напряжений, вызванных полиминеральным составом керамики, имеющим яркие проявления полиморфизма, механическая прочность гранул в условиях длительного воздействия статических и динамических нагрузок значительно снижается, а разрушение гранул на мелкие частицы приобретает обвальный характер, аналогичный разрушению песков. Поэтому, несмотря на керамический способ производства, магнезиально-силикатные пропанты следует отнести к продукту, занимающему промежуточное положение между керамическими пропантами и кварцевым песком, и называть их правильнее не керамическими пропантами, а модифицированным песком, тем более что содержание основного компонента SiO2 в них около 70 %.
РАСЧЕТЫ БЕЗРАЗМЕРНОЙ ПРОВОДИМОСТИ ТРЕЩИНЫ
Оценку эффективности применения пропантов производили 
по показателю безразмерной проводимости трещины – ключевому
параметру, используемому при оценке характеристики притока к скважине:
где kf × w – произведение проницаемости трещины kf на ее ширину w, т. е. способность трещины проводить жидкость к скважине, так называемая проводимость трещины, k × Xf – произведение проницаемости пласта k на длину трещины Xf , т. е. способность пласта доставлять жидкость к трещине [5].
Безразмерная проводимость трещины связана прямой пропорциональной зависимостью с величиной безразмерного индекса продуктивности скважины.
Расчеты безразмерной проводимости трещины производились по вышеприведенной формуле на основании данных измерений долговременной проводимости и проницаемости пропантов. При этом для расчетов принимали длину трещины равной 100 м, а ее ширину – 10 мм.
Результаты расчетов приведены на графиках (рис. 5, 6) и диаграмме на (рис. 7).
Графики зависимости безразмерной проводимости трещины от давления смыкания на рис. 5 и 6 повторяют тенденции, описанные для измеренных значений долговременной проводимости пропантов различных типов и фракций.
В связи с этим безразмерная проводимость алюмосиликатных пропантов обоих фракций превосходит аналогичный показатель магнезиально-кварцевых пропантов при всех давлениях. Диаграммы на рис. 7 и 8 показывают соотношение между алюмосиликатными и магнезиально-кварцевыми пропантами по безразмерной проводимости. За 100 % принята безразмерная проводимость алюмосиликатных пропантов.
ВЫВОДЫ
Проведенными испытаниями и расчетами показано следующее:
1. Существовавшее ранее преимущество магнезиально-кварцевых пропантов в более низком насыпном весе производителями алюмосиликатных пропантов преодолено. С 2019 г. этот показатель для обоих видов пропантов сравнялся.
2. Использование алюмосиликатных пропантов позволяет получить более высокий дополнительный дебет, чем при использовании магнезиально-кварцевых пропантов.
3. Более высокая продуктивность при использовании алюмосиликатных пропантов определяется их более высокой долговременной проводимостью (проницаемостью).
4. Пониженная долговременная проводимость и проницаемость магнезиально-кварцевых пропантов обусловлены особенностями их состава и способа производства.
