Начинается...

Керамический пропант или песок?

Керамический пропант или песок?

А. В. МОЖЖЕРИН – АО «Боровичский комбинат огнеупоров»
А. Ю. КОРЖАВИН – ООО «Торговый Дом БКО»

В статье рассмотрены перспективы использования керамических пропантов и песков в качестве расклинивающих агентов при выполнении операций гидравлического разрыва пласта. Приведена градация применения различных типов пропантов в зависимости от глубины залегания углеводородов. Произведено сравнение свойств песков и керамических пропантов. Доказана предпочтительность использования алюмосиликатных керамических пропантов перед магнезиально-кварцевыми пропантами и кварцевым песком.

Перспектива применения керамических пропантов и песка в качестве расклинивателей при добыче нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта

Рост потребления пропантов в первую очередь связан с развитием технологии горизонтального бурения и многократного гидроразрыва пласта (ГРП), что в свою очередь определяется геологическими условиями залегания месторождений углеводородов.

При снижении стоимости нефти, когда удельная стоимость расклинивающего агента в себестоимости нефти повышается, конкуренция между керамическими пропантами и кварцевым песком становится еще более ощутимой. Несмотря на очевидные преимущества керамических пропантов, на первый план выходят вопросы сравнения стоимости керамических пропантов и кварцевого песка. Как отмечается в статье [1], стоимость керамических пропантов колеблется в интервале 489–1630$ за тонну. Цена кварцевого песка составляет 100–170$ за тонну. Эти показатели объясняют те огромные проблемы конкурентной способности керамических пропантов на мировом рынке расклинивающих агентов, применяемых при ГРП. Поэтому нельзя не считаться с желанием некоторых компаний получить кратковременный экономический эффект от использования песка вместо керамического пропанта. Например, компания «Газпром нефть» [2] успешно провела кластерный гидроразрыв пласта с использованием кварцевого песка, который в 2–3 раза дешевле керамического пропанта.

Возможность использования песка как закрепляющего материала исследована авторами статьи [3]. В статье приведена зависимость проницаемости песков различных фракций и месторождений от напряжения смыкания трещины. Экспериментально показано, что относительно высокое значение проницаемости закрепленной песком трещины при напряжении смыкания 13,8 МПа свидетельствует о перспективности его использования на глубинах залегания угольных пластов до 600 м. В статье приводятся месторождения кварцевого песка в России, одно из которых находится в поселке Неболочи Новгородской области.

В настоящее время цены на углеводороды стабилизируются в области умеренных значений, что является стимулом для применения керамических пропантов не только в России, но и в мире.

Технология получения керамических пропантов постоянно развивается, и на рынке пропантов возможно появление пропантов [4] из новых материалов, например, из неорганических кремний углеродных полимеров. Экспериментально получены 3М пропанты [5], которые отличаются низкой плотностью и высокой прочностью. Однако, нет информации о массовом промышленном производстве и стоимости этих новых видов пропантов.

В статье [16] приводится следующая, весьма удачная, градация применения различных типов пропантов в зависимости от глубины залегания углеводородов (рис. 1).

Допустимые глубины для использования различных типов расклинивателей

Рис. 1. Допустимые глубины для использования различных типов расклинивателей

В России не менее 70% месторождений имеют трудноизвлекаемые запасы, к которым относятся и сланцевые месторождения, такие как пласты баженовской и Западно-Сибирской свит с глубиной залегания более 2 км. Добыча углеводородов этих месторождений в настоящее время осуществляется, и в обозримом будущем будет осуществляться методом ГРП с использованием керамических пропантов из-за больших пластовых давлений (более 6000 psi). Следовательно, потребление керамических пропантов в России будет расти. Подтверждением этого может служить информация о глубинах залегания наиболее перспективных месторождений углеводородов в России:

В связи с тем, что традиционные запасы углеводородов неглубокого залегания в России находятся в состоянии заканчивающейся выработки, а основные залежи – это трудноизвлекаемые углеводороды, использование в России песка в качестве пропантов малоэффективно и очень ограничено.

Условия добычи углеводородов в Северной Америке другие. Многие сланцевые месторождения, например, пенсильванские пласты, находятся на глубине 200–300 м, где, возможно при низкой стоимости углеводородов, эффективнее использовать в качестве пропантов кварцевый песок. Исследования рынка пропантов, применяемых при добыче нефти и газа в Северной Америке, проведенные аналитической компанией Freedonia [6], показали, что в 2017–2022 годах продолжится рост потребления пропантов (песка и керамических пропантов). Этот рост не будет с двукратным увеличением, каким он был в период с 2002 по 2012 годы, но потребность в пропантах будет расти и достигнет 102,4 млрд фунтов (46,5 млн тонн) в 2017 году. В 2020 году ожидается рост потребления расклинивающих агентов до 90,0 млн тонн в год. При этом, как показано в обзоре [7], в связи с падением цен на нефть доля керамических пропантов в 2016 году снизилась до 1% от общего количества используемых пропантов.

Анализ использования песка в Северной Америке, приведенный в статье [8], показал, что при разработке методом ГРП сланцевой залежи Barnett в США около 15% скважин, пробуренных в 2003 году, уже через 5 лет полностью перестали давать продукцию, при этом уже через год дебит скважины падает на 30% и даже 80%.

Давление пластовых пород на месторождении Bakken Formation в Северной Дакоте составляет 6000–14000 psi, что исключает эффективное использование песка в качестве расклинивающих агентов при ГРП. Аналогичная ситуация на сланцевом месторождении Utica [9], где глубина залегания более 4 км. А на сланцевых месторождениях газа в штатах Пенсильвания, Западная Вирджиния и Огайо, где находится месторождение Marcellus, глубина залегания находится в районе 1,5 км, что допускает относительно эффективное применение песка и песка со смоляным покрытием.

Наиболее подробный и убедительный ответ на вопрос, какие пропанты выгоднее использовать при добыче углеводородов, дан в аналитической статье [10]. Авторы привели результаты анализа применения различных типов пропантов на месторождении Bakken в период 2011–2013 годов. Результаты получены на 72 скважинах в четырех различных областях данного месторождения. Приведены результаты по производительности скважин в течение 90, 180 и 270 дней эксплуатации скважин.

Для обеспечения справедливого сравнения между различными типами пропантов и минимизации влияния побочных факторов скважины выбраны на тех же областях месторождения, гидроразрыв выполнен теми же операторами и в одно и тоже время. Сравнивали производительность скважин с применением различных сочетаний смесей различных видов пропантов. Сделан вывод о том, что использование керамических пропантов дало значительное увеличение производительности скважины, что не только окупает дополнительные расходы на пропанты за короткий промежуток времени, но и обеспечивает высокий доход в долгосрочной перспективе.

Есть ли альтернатива керамическому пропанту?

Песок, используемый при добыче углеводородов методом ГРП должен отвечать всем требованиям, которые предъявляются к расклинивающим агентам. Лучшим по основным показателям считается белый песок Оттава, который находится в районе Великих Озер в верней части среднего западного региона США в штатах Иллинойс, Висконсин и Миннесота. В публикации [11] отмечается, что этот песок окатывался на побережье в течение 500 млн лет под воздействием волн, поэтому у него высокая округлость и сферичность. Это наиболее прочные из известных песков, применяемых при ГРП, которые выпускает компания silict Sands [12]. Однако, и они не способны заменить керамические пропанты, обеспечивая долговременную проводимость скважины. Стоимость искусственно полученных фракционированных песков, например, методом галтовки, значительно выше.

Автор статьи [13] предлагает при выборе расклинивающих агентов для ГРП основываться на такой характеристике, как долговременная проводимость, чтобы точнее предсказать поведение данного вида расклинивающего агента в реальных условиях. Экспериментальные исследования, проведенные в институте ВНИИКРнефть в 1998 году, показали, что кварцевый песок для закрепления трещин ГРП допустимо применять до глубины около 2300 м [14].

На диаграмме рис. 2 приведено сравнение долговременной проводимости упаковки различных типов расклинивателей фракции 20/40 при давлении 6000 psi, наиболее распространенном в России (регион Западная Сибирь) рабочем уровне давления закрытия трещин.

Из диаграммы наглядно видно, что керамические алюмосиликатные пропанты имеют очевидное преимущество перед песками и магнезиально-кварциевыми.

Сравнение долговременной проводимости различных типов пропантов фракции 20/40 при давлении 6000 psi

Рис. 2. Сравнение долговременной проводимости различных типов пропантов фракции 20/40 при давлении 6000 psi

На вопрос «Могут ли керамические пропанты выдержать конкуренцию более дешевого песка?» утвердительно отвечает автор статьи [15], который считает, что в ближайшее время потребность в керамических пропантах возрастет.

Синтетическое покрытие песка не увеличивает их механическую прочность. Песок с синтетическим покрытием отличается от песков без покрытия большей проводимостью, т.к. в начальный период разрушения осколки остаются в полимерной оболочке и не создают дополнительное сопротивление потоку углеводородов. Этот эффект сохраняется на начальной стадии эксплуатации.

Долговременная проводимость песков с синтетическим покрытием приближается к проводимости песков без покрытий. Кроме того, полимерное синтетическое покрытие песков обеспечивает неподвижный контакт между гранулами, препятствуя их обратному выносу. В настоящее время не известны пески с покрытием из промышленно доступных синтетических веществ, полимеризованных смол, которые могли бы заменить керамические пропанты, полученные из спеченных бокситов.

Заключение

Применение песков эффективно только до глубины 2300 м. Полимерное покрытие не увеличивает ни прочности осмоленных песчаных пропантов, ни их долговременной проводимости, а дает положительный эффект в сравнении с керамическими пропантами лишь в начальный период эксплуатации скважин с ГРП.

В силу геологических особенностей, у более чем 70% российских нефтегазовых месторождений глубина залегания продуктивных пластов значительно превышает предельную планку использования песков. Применение песков в России бесперспективно, т.к. может дать эффект увеличения добычи только на короткий период, пока закрепитель не разрушился. Для получения длительного эффекта требуется применение керамических пропантов.

Все наиболее перспективные месторождения углеводородов в России по глубине залегания и пластовому давлению требуют использования только керамических пропантов. Это наиболее доступный материал для закрепления трещин ГРП, выпуск которого ведется в промышленных масштабах. Все новинки: нано-, 3М- пропанты пока не перешагнули порогов лабораторных помещений.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Emma Hughes. Проблемы производства и потребления керамических пропантов. Industrial Minerals. 20.03.2015.
  2. «Газпром нефть» впервые провела кластерный гидроразрыв пласта с использованием кварцевого песка. Пресс служба ПАО «Газпром нефть». 28.10.2015.
  3. Баев М. А., Хямяляйнен В. А. Исследование закрепляющего материала трещин гидроразрыва при извлечении метана из угольных пластов. Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2016. №6.
  4. Land Mark S., Diwanji Ashish, Sherwood Waiter J., Hopkins Andrew, Sandgren Glenn, Mueller Michael J., Tan Yi, Rinzler Charles C., Dukes Douglas. Способ получения полимерных керамических гранул. Заявка США № 20160280607. 29.09.2016.
  5. Применение нового поколения пропантов в гидроразрыве пласта. Журнал Neftegaz.ru, №7.
  6. Пропанты в Северной Америке. Прогноз рынка пропантов на 2017–2022 годы. The Freedonia Group. 2016.
  7. Marc McQuesten. Проппанты и их роль в гидроразрыве пласта. 18.02.2016.
  8. Перспективы разработки месторождений сланцевого газа методами волнового воздействия. Спецвыпуск журнала «Газовая промышленность» – Вузовская наука – нефтегазовой отрасли. 2013.
  9. David Conti. Проблема использования песка при добыче углеводородов методом ГРП на сланцевом месторождении Utica. Business Headlines. Trib Live. 21.02.2016.
  10. Feng Liang, Mohammed Sayed, Ghaithan A.Al-Muntasheri, Frank F. Chang, Leiming Li. A comprehensive review on proppant technologies. ScienceDirect. Petroleum. Volume 2, March 2016, Pages 26–39
  11. Более чем песок – важнейший из пропантов. Shale Gas International. 31.08.2015.
  12. silict Sends Corp. Сайт компании.
  13. Применение расклинивающих агентов при гидроразрывах. Журнал ROGTEC. № 57.
  14. Юрченко А. А., Горлова З. А. Об использовании отечественных кварцевых песков для интенсификации добычи из низкопроницаемых пластов методом гидравлического разрыва пласта. Нефтепромысловое дело. № 1, 1998.
  15. George Wan. Могут ли керамические пропанты выдержать конкуренцию песка. Seeking Alpha. 04.11.2014.
  16. Ceramic Proppants vs Traditional Sands. A Technical Comparison //http://Azulplus.com.

Скачать статью в формате pdf →