А.В. МОЖЖЕРИН, к.т.н., генеральный директор info@аоЬко.ru, АО «Боровичский комбинат огнеупоров»; А.Ю. КОРЖАВИН, генеральный директор info@аоЬко.ru, ООО «Торговый Дом БКО»

Влияние циклических нагрузок на оcмоленный проводимость алюмосиликатных и магнезиально-кварцевых пропантов 

Исследовано изменение остаточной проводимости пропантной пачки в условиях воздействия нестационарных циклически изменяющихся нагрузок. Выявлены закономерности изменения проводимости при различных уровнях давления, абсолютного изменения давления одного цикла и количества циклов. Установлено практически двукратное преимущество алюмосиликатных пропантов перед магнезиально-кварцевыми по долговременной проводимости в условиях воздействия как стационарных, так и циклически изменяющихся нагрузок, что обеспечивает им столь же кратную повышенную суммарную накопленную дополнительную добычу углеводородов на длительный период. Магнезиально-кварцевые пропанты, вследствие их обвального разрушения на мелкие фрагменты, не рекомендованы к использованию в условиях воздействия циклических нагрузок.

 

В процессе эксплуатации скважины, на которой выполнен ГРП, пропантная пачка может испытывать различного рода нестационарные нагрузки. Однако особое внимание следует обратить на повторные переменные, или циклические, нагрузки. С этой точки зрения представляет интерес изучение влияния циклических нагрузок на изменение проводимости (проницаемости) пропантной пачки с наполнением различными типами пропантов, производимыми в России: алюмосиликатными и магнезиально-кварцевыми. Эти пропанты различаются по химико-минеральному составу керамической основы, видам используемого минерального сырья, способам его переработки [1]. Первичные данные измерений остаточной проводимости пропантов при режиме циклического нагружения 6 крз1 - 3 kpsi - 6 kpsi были опубликованы [2], после чего от специалистов Санкт-Петербургского ООО «Газпромнефть НТЦ» были получены ряд ценных замечаний и предложений по углубленному изучению проблемы. Результаты первичных и дополнительных испытаний рассмотрены в настоящей статье.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМЫХ
ПРОПАНТОВ
Исследования проведены на образцах алюмосиликатных и магнезиально-кварцевых пропантов фракции 16/20. Для более корректного анализа были подобраны пропанты с максимально близкими характеристиками.
Как видно из результатов тестирования по ГОСТ Р 51761-2013 (табл. 1), основные свойства обоих типов пропантов, такие как прочность (сопротивление раздавливанию), содержание основной фракции сферичность и округлость, сопоставимы. 
Справка: АО «БКО» производит алюмосиликатные пропанты на производственной площадке в России с 1998 г. (г. Боровичи, Новгородская область). В 2016 г выпущено 275 000 тонн пропантов, в 2017 г. - 310 000 тонн, в 2018 г вводятся дополнительные мощности для увеличения выпуска алюмосиликатных

пропантов до 400 000 тонн. Алюмосиликтные пропанты производятся из природных бокситов российских месторождений с высоким содержанием оксида.

Описание эксперимента

Измерение проводимости производили по методике 180 13503-5:2006 на установке, разработанной и изготовленной компанией Corelab Instruments (рис. 1). Сравнение пропантов производили путём измерения долговременной проводимости пропантой пачки. Измерение долговременной проводимости производили по методике ISO 13503-5:2006 на установке, разработанной и изготовленной компанией Corelab Instruments (рис. 1) 

 

 



 

Условия проведения измерений проводимости: пластины песчаника из штата Огайо, концентрация пропанта 2 - фунта на квадратный фут, температура - 121 °С. Измерения проводили при режиме циклического нагружения 6 kpsi - 3 kpsi - 6 kpsi и 8 kpsi - 4 kpsi - 8 kpsi (табл. 2), соответствующие наиболее распространенному уровню давления закрытия для трещин ГРП в России. Дополнительно были выполнены измерения проводимости в режиме циклического нагружения 6 kpsi - 3 kpsi - 6 kpsi при количестве циклов, равном 92, для выявления закономерности изменения проводимости/проницаемости при количестве испытаний, приближающемся к бесконечности. По окончании испытаний на установке проводимости/проницаемости ячейки с пропантами были разобраны, сделаны фото процесса разборки, пропантов после испытания при увеличении 1,5 крат на пластинах песчаника и пропантов после сушки при температуре 50 °С в сушильном шкафу. После сушки был выполнен ситовой анализ гранул до и после измерения проводимости при циклических нагрузках для оценки степени разрушения гранул (по количеству разрушенных) после циклического воздействия высокого давления.
В процессе эксплуатации скважины, на которой выполнен ГРП, пропантная пачка может испытывать различного рода нестационарные нагрузки, реднако особое внимание следует обратить на повторные переменные или циклические, нагрузки. С этой точки зрения представляет интерес изучение влияния циклических нагрузок на изменение проводимости (проницаемости) пропантной пачки с наполнением различными типами пропантов,  роизводимыми в России: алюмосиликатными и магнезиальнокварцевыми.

Результаты и их обсуждение
Результаты измерений проводимости пропантной пачки при циклическом нагружении в режиме 6 kpsi - 3 kpsi - 6 kpsi (15 циклов) приведены на диаграмме рис. 2, в режиме 8 kpsi - 4 kpsi - 8 kpsi (15 циклов) - на диаграмме рис. 3. По полученным результатам выявлены следующие закономерности. С увеличением давления закрытия долговременная проводимость пропантой пачки уменьшается, но при всех уровнях давления, начиная от 2 kpsi и выше, долговременная проводимость алюмосиликатных пропантов выше, чем у магнезиально-кварцевых пропантов, хотя их прочность (сопротивление раздавливанию при давлении 10 kpsi) практически одинакова. При давлении 6 kpsi превышение составляет 1,56 раза, а после 15 циклов переменных нагрузок увеличивается до 1,74 раза, при давлении 8 kpsi превышение составляет 2,2 раза, а после 15 циклов переменных нагрузок увеличивается до 2,4 раза. Эта же тенденция отмечалась в статье [1], что подтверждает тезис о закономерности выявленной ранее зависимости: снижение проводимости обусловлено повышенной интенсивностью разрушения магнезиально-кварцевых пропантов при долговременной нагрузке по сравнению с алюмосиликатными.

Таким образом, синтетическое покрытие песка не увеличивает механическую прочность осмоленных песков. 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.
Начиная с давления 4 000 p.s.i. (27,5 МПа) проводимость керамических пропантов увеличивается в ряду FORERCP – FOREPROP – FOREESP – BORPROP – BORPROP SSP. При давлении 4 000 p.s.i. внутри групп каждого из производителей отличается незначительно, но показатели проводимости алюмосиликатных пропантов BORPROP и BORPROP SSP выше на 25%, в сравнении с манезиально-кварцевыми FORERCP – FOREPROP – FOREESP: проводимость маг не зи аль но-квар це вых пропантов находится в районе 4 400 миллидарси на фут, а алюмосиликатных пропантов — в районе 5 000 миллидарси на фут. А при давлении 10 000 p.s.i. (68,9 МПа) показатели проводимости алюмосиликатных пропантов выше уже в 2,4 раза.
Обращает на себя внимание, что проводимость осмоленных алюмосиликатных пропантов BORPROP SSP во всём ряду давлений незначительно, на 2–4 %, выше, чем у не осмоленных пропантов BORPROP, в то время как у магнезиально-кварцевых пропантов проводимость осмоленных пропантов торговой марки FOREESP при давлениях 6 000 и 8 000 p.s.i. (41,3 и 55,1 МПа) превышает проводимость неосмоленных пропантов FOREPROP и осмоленных пропантов FORERCP на 34 %.
Проведёнными испытаниями явились подтверждением, что пониженная долговременная проводимость керамических магнезиально-кварцевых пропантов как осмоленных, так и неосмоленных, обусловлена 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, маг не зи аль но-си ли кат ные проппанты следует отнести к продукту, занимающему промежуточное положение между керамическими пропантами и песком, и называть их правильнее не керамическими пропантами, а модифицированным песком, тем более что содержание основного компонента Si O2 в них около 70%.

 

Рассмотрим результаты изменения проницаемости при циклических нагрузках за первые 15 циклов (графики на рис. 4 и 5): с увеличением количества циклов наблюдается снижение остаточной проводимости, причем в этом процессе можно выделить два периода: период с высокой скоростью падения проводимости (с 1го по 5-й цикл) и период с малой скоростью падения проводимости (с 5-го по конечный цикл).

Проведенные испытания явились подтверждением того, что пониженная долговременная проводимость магнезиальнокварцевых пропантов и значительно более высокая скорость падения остаточной проводимости при
длительных и циклических нагрузках обусловлены особенностями их состава и способа производства.

 

При испытании в режиме 6 kpsi - 3 kpsi - 6 kpsi в первый период скоростью падения проницаемости алюмосиликатных пропантов в среднем 16 дарси за 1 цикл, магнезиально-силикатных - 9 дарси за 1 цикл, во второй период скорость падения проницаемости кратно снижается: у алюмосиликатных пропантов в среднем, до 8 дарси за 1 цикл, магнезиально-силикатных - до 4 дарси за 1 цикл. В целом падение проницаемости у vагнезиально-кварцевых пропантов при любом из режимов циклического нагружения
в 1,7 раза превышает аналогичный показатель алюмосиликатных
пропантов. 
При испытании в режиме 8 kpsi - 4 kpsi - 8 kpsi в первый период скоростью падения проницаемости алюмосиликатных пропантов в среднем, 12 дарси за 1 цикл, магнезиально-силикатных - 8 дарси за 1 цикл; во второй период скорость падения проницаемости кратно снижается: у алюмосиликатных пропантов в среднем, до 7 дарси за 1 цикл, магнезиально-силикатных - до 3 дарси за 1 цикл. В целом падение проницаемости у магнезиально-кварцевых пропантов при любом из режимов циклического нагружения в 2,4 раза превышает аналогичный показатель алюмосиликатных пропантов.
Измерения проницаемости пропантов в режиме циклического нагружения 6 kpsi - З kpsi - 6 kpsi при количестве циклов, равном 92 (количестве испытаний, приближающемся к бесконечности - рис. 6), выявили следующую закономерность: независимо от типа пропанта по мере увеличения количества циклов скорость снижения проницаемости уменьшается, а график изменения проницаемости представляет собой асимптотическую кривую с горизонтальной асимптотой, соответствующей предельному значению проводимости при заданном режиме испытаний. Таким образом, при увеличении количества циклов нагружения во время проведения испытаний пропант", вне зависимости от типа, разрушается не полностью, а до определенной степени. Очевидно, что предельное значение проводимости пропантов при бесконечном увеличении циклов нагружения зависит от:
• Условий проведения испытаний: максимального и минимального давления цикла,
• Типа пропанта, с которым связаны его механические характеристики, такие как долговременная прочность (способность противостоять длительным и переменным нагрузкам).
Испытаниями установлено, что алюмосиликатные пропанты достигают предельного значения проводимости 330 Дарси уже через 77 циклов, а магнезиально-кварцевые пропанты - 195 Дарси только через 85 циклов. В целом, предельное значение проводимости алюмосиликатных пропантов в 1,7 раза выше, чем магнезиально-кварцевых. Те. чем прочнее пропанты, тем быстрее достигается равновесное состояние при данных условиях испытаний.
Испытания показали, что стандартные методы испытаний пропантов по ISO 13503-2:2006, ГОСТ Р 51761-2013, ГОСТ Р 54571-2011 не полностью отражают их служебные (эксплуатационные) характеристики. Более объективно его можно оценить по измерению показателей проводимости/проницаемости как при стационарных, так и при циклически изменяющихся нагрузках.
Для подтверждения гипотезы о том, что причиной снижения проводимости магнезиально-кварцевых пропантов является повышенная интенсивность разрушения при циклических нагрузках по сравнению с алюмосиликатными, был выполнен ситовой анализ обоих типов пропантов после испытания в сравнении с исходными (табл. 3). После проведения испытаний на проводимость при циклических нагрузках на пропантах магнезиально-кварцевого состава отмечено разрушение гранул значительно в большей степени и перераспределение размеров гранул пропантов в сторону мелких фракций, чем на пропантах алюмосиликатного состава.
Уменьшение долговременной проводимости пропантной пачки всегда является следствием увеличения доли разрушившихся гранул. Продукты разрушения не выносятся из пачки, а заполняют пространство (поры) между гранулами, снижая размер проницаемых пор. Это хорошо видно на фото пропантов после окончания испытания на измерение остаточной проводимости при циклических нагрузках. Здесь следует обратить внимание на степень увеличения тонких фракций. По данным ситового анализа и на фотографиях видно, что если алюмосиликатные пропанты (рис. 7 Б, Г Е, 3, К) разрушаются на две-три практические равные по объему частицы, то для магнезиально-силикатных пропантов присуще разрушение на множество мелких частиц (рис. 7 А, В, Д, Ж, И), больше характерное для песков.
Проведенные испытания явились подтверждением того, что пониженная долговременная проводимость магнезиально-кварцевых пропантов и значительно более высокая скорость падения остаточной проводимости при длительных и циклических нагрузках 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-кварцевые пропанты следует отнести к продукту, занимающему промежуточное положение между керамическими пропантами и песком, и называть их правильнее не керамическими пропантами, а модифицированным песком, тем более что содержание основного компонента SiO2 в них около 70 %.
Известно, что нагрузки, циклически изменяющиеся во времени по величине или по величине и по знаку, могут привести к разрушению конструкции при напряжениях, существенно меньших, чем предел текучести (или предел прочности). Такое разрушение принято называть «усталостным». Материал «устает» под действием многократных периодических нагрузок. Циклические нагрузки ускоряют процесс разрушения магнезиально-кварцевых пропантов, делая их непригодными к применению в данных условиях.

Выводы
Проведенные испытания подтвердили необходимость проведения испытаний на долговременную проводимость/проницаемость при оценке преимуществ/недостатков пропантов того или иного типа. Результаты испытаний подтвердили практически двукратное преимущество по этому показателю алюмосиликатных пропантов перед магнезиально-кварцевыми, что обеспечивают им столь же кратную повышенную суммарную накопленную дополнительную добычу углеводородов на длительный временной период.
В условиях нестационарных циклически изменяющихся нагрузок проводимость/проницаемость пропантов дополнительно снижается вдвое, но соотношение проводимости алюмосиликатных и магнезиально-кварцевых пропантов при одинаковых условиях испытаний остается неизменным при любом количестве циклов.
На основании полученных результатов можно сделать заключение, что применение магнезиально-кварцевых пропантов при давлениях закрытия более 5000 раз а также в условиях циклически изменяющихся нагрузок нецелесообразно, по причине обвальной неконтролируемой потери проводимости и проницаемости из-за ускоренного разрушения гранул.

Литература
1. Можжерин А.В., Коржавин А.Ю. Краш-тест или проводимость? Оценка качества алюмосиликатных и магнезиально-кварцевых пропантов // Нефтегазовая вертикаль. 2016. N° 17. С. 76-78.
2. Можжерин А.В. и др. Исследования остаточной проводимости алюмосиликатных и магнезиально-кварцевых пропантов при циклических нагрузках // Бурение и нефть. 2017. N° 5. С. 42-45.