В настоящее время российскими нефтяниками для закрепления трещин ГРП применяются проппанты четырех фракций, из которых две основные: 16/20, и 12/18, и две вспомогательные: 16/30 и 20/40. Выбор нужного размера зерен проппанта определяется целым комплексом факторов. Чем крупнее гранулы, тем большей проницаемостью обладает упаковка проппанта в трещине. Однако использование проппанта крупной фракции сопряжено с дополнительными проблемами при его переносе вдоль трещины. Прочность проппанта снижается с увеличением размеров гранул. Кроме того, в слабосцементированных коллекторах предпочтительным оказывается использование проппанта более мелкой фракции, так как за счет выноса из пласта мелкодисперсных частиц упаковка крупнозернистого проппанта постепенно засоряется и ее проницаемость снижается [1].
С размером фракции связан показатель проектирования ГРП – размер перфорационного отверстия. Размер проппанта ГРП должен быть в шесть раз меньше диаметра входного отверстия в обсадной трубе. Если отверстие оказывается недостаточным для прохождения проппанта, происходит закупорка перфораций, поступление проппанта в пласт прекращается, и наблюдается остановка закачки [2].
Проппанты фракций 16/20 и 16/30 имеют одинаковый максимальный размер зерна, поэтому для их применения не требуется изменения размера перфорации, то есть по этому признаку они сопоставимы. У потребителей проппантов имеется устойчивое мнение, что фракция 16/20 обеспечивает большее увеличение дебета, чем 16/30, основанное на геометрическом факторе: крупные гранулы позволят получить большую проницаемость упаковки проппанта в трещине. Такое мнение основано на непозволительном упрощении реальной ситуации.

Проппанты фракций 16/20 и 16/30 имеют одинаковый максимальный размер зерна, поэтому для их применения не требуется изменения размера перфорации, то есть по этому признаку они сопоставимы. У потребителей проппантов имеется устойчивое мнение, что фракция 16/20 обеспечивает большее увеличение дебета, чем 16/30, основанное на геометрическом факторе: крупные гранулы позволят получить большую проницаемость упаковки пропанта в трещине.
Такое мнение основано на непозволительном упрощении реальной ситуации.Как показано в статье [3], сравнение проппантов необходимо производить не по характеристикам ГОСТ Р 51761-2013, а по показателям проводимости (проницаемости) проппантной пачки. Эти показатели наиболее реально отражают эффект от использования проппантов в ГРП. Сравнение проводимости (проницаемости) различных по составу и исполнению проппантов позволяет выделить наиболее подходящий для тех или иных условий эксплуатации. В статье приводятся аргументы, основанные на экспериментально полученных данных, показывающие, что при определенных условиях использование проппантов фракции 16/30 позволяет получить увеличение дебета, сравнимое и даже превышающее, чем при использовании фракции 16/20.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМЫХ ПРОПАНТОВ

Исследования проведены на образцах алюмосиликатных проппантов фракций 16/20, 16/30 и магнезиально-кварцевых проппантов фракции 16/20.

Как видно по результатам тестирования по ГОСТ Р 51761-2013 (табл. 1), основные свойства обоих типов проппантов, такие как прочность (сопротивление раздавливанию), содержание основной фракции, сферичность и округлость сопоставимы.  

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Сравнение проппантов производили путем измерения проводимости проппантой пачки. Измерение проводимости производили по методике ISO 13503-5:2006 на установке, разработанной и изготовленной компанией CorelabInstruments.
Условия проведения измерений проводимости: пластины песчаника из штата Огайо, концентрация проппанта 2 фунта на квадратный фут, температура 121 °С. Для измерения остаточной проводимости проппантов при циклических нагрузках была использована методика, применяемая лабораторией Stim-Lab [4]. Измерения проводили при режиме циклического нагружения 6kpsi – 3kpsi –6kpsi (табл. 2), соответствующие наиболее распространенному уровню давления закрытия для трещин ГРП в России.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Сравнение проводимости. Результаты измерений проводимости проппантной пачки приведены на рис. 1. По полученным результатам выявлены следующие закономерности. С увеличением давления закрытия трещины долговременная проводимостьпроппантой пачки уменьшается. Особенности кроются как в общем изменении проводимости при увеличении давления от 1000 до 10 000 p.s.i.:
• Для алюмосиликатных проппантов фракции 16/20 – 28 643 мД/фут (от 31 520 мД/фут до 2877 мД/фут),
• Для магнезиально-кварцевых проппантов фракции 16/20 – 30 164 мД/фут (от 31 636 мД/фут до 1472 мД/фут),
• Для алюмосиликатных проппантов фракции 16/30 – 21 493 мД/фут (от 25 244 мД/фут до 3751 мД/фут), так и в скорости уменьшения проводимости с ростом давления:
• Для алюмосиликатных проппантов фракции 16/20 – в среднем 3182 мД/фут на каждые 1000 p.s.i.,
• Для магнезиально-кварцевых проппантов фракции 16/20 – 3351 мД/фут на каждые 1000 p.s.i.,
• Для алюмосиликатных проппантов фракции 16/30 – 2388 мД/фут на каждые 1000 p.s.i.
Полифракционный состав алюмосиликатного проппанта 16/30 способствует образованию более плотной упаковки частиц в пачке, за счет чего при малых давлениях (до 4000 p.s.i) 

долговременная проводимость меньше, чем у остальных проппантов. Но этот же полифракционный состав, за счет увеличения числа контактов между частицами, позволяет снизить давление единичных контактов и предотвратить разрушение частиц проппанта при высоких давлениях. (Для монофракционных частиц характерна кубическая укладка с координационным число 8, для полифракционных – гексагональная укладка с координационным числом 12. С изменением типа упаковки чатиц изменяется число частиц, окружающих каждую частицу, а соответственно, и число точечных контактов между ними – рис. 2).
По этой причине, проводимость проппанта фракции 16/30 при давлениях 4000 p.s.i. сначала сравнивается с проводимостью магнезиально-кварцевых проппантов фракции 16/20, а при давлении более 6000 p.s.i. уже превышает по проводимости и алюмосиликатный проппант фракции 16/20.

Таким образом, алюмосиликатный проппант фракции 16/30 по эффективности применения превосходит проппанты фракции 16/20 при следующих условиях:
• Магнезиально-кварцевый проппант – при давлении выше 4000 p.s.i.;
• Алюмосиликатный проппант – при давлении выше 6000 p.s.i.; При давлении 10 000 p.s.i. относительное превосходство алюмосиликатного проппанта фракции 16/30 составляет:
• Над магнезиально-кварцевым проппантом фр.16/20 – в 2,5 раза;
• Над алюмосиликатным проппантом фр.16/20 – в 1,3 раза;

СРАВНЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

В процессе эксплуатации скважины происходит закупоривание (кольматация) призабойной зоны намывами мелких (чаще всего глинистых) частиц, выносимых движением жидкости из продуктивных или водоносных слоев.
Для очистки фильтрационных каналов призабойной зоны и увеличения притока применяются различные методы, приводящие к нестационарным, циклически меняющимся по величине нагрузкам на проппантную пачку. Поэтому изучение устойчивости проппантов к воздействию циклических нагрузок имеет практический интерес. Определение устойчивость проппантов к воздействию циклических нагрузок производили измерением проводимости в условиях многократного циклического изменения давления на проппантную пачку. Измерения проводили при режиме циклического нагружения 6kpsi – 3kpsi – 6kpsi – 15 циклов. Результаты испытаний приведены на графике рис. 3.
При циклических нагрузках с увеличением количества циклов наблюдается снижение остаточной проводимости. Причем в этом процессе можно отметить некоторую общую взаимосвязь с изменением проводимости при увеличении давления:
• Скорость уменьшения проводимости магнезиальнокварцевых проппантов фракции 16/20 с увеличением количества циклов – максимальная (в среднем 291 мД/фут за 1 цикл), для них же наблюдается максимальное снижение проводимости по окончании испытания (38 %).
• Минимальная скорость уменьшения проводимости

с увеличением количества циклов (в среднем 130 мД/ фут за 1 цикл) – у алюмосиликатных проппантов фракции 16/30, у которых наблюдается минимальное снижение проводимости по окончании испытания (9 %).
• Скорость уменьшения проводимости алюмосиликатных проппантов фракции 16/20 с увеличением количества циклов (в среднем 367 мД/фут за 1 цикл) меньше, чем у магнезиально-кварцевых проппантов, но больше, чем у алюмосиликатных проппантов фракции 16/30. а максимальное снижение проводимости по окончании испытания (24 %) (рис. 4, 5).
К окончанию испытаний проводимость алюмосиликатных проппантов фракции 16/30 превышает проводимость алюмосиликатных проппантов фракции 16/20 на 3 %, а магнезиально-кварцевых проппантов фракции 16/20 на 37 %.
Проведенные испытания явились дополнительным подтверждением того, что пониженная долговременная
проводимость магнезиально-кварцевых проппантов 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 [5]. Поэтому, несмотря на керамический способ производства, магнезиальносиликатные проппанты следует отнести к продукту, за нимающему промежуточное положение между керамическими проппантами и песком, и называть их правильнее не керамическими проппантами, а модифицированным песком, тем более что содержание основного компонента SiO₂ в них около 70 %.
Низкая скорость разрушения алюмосиликатного проппанта фракции 16/30 при циклических нагрузках обусловлена их расширенным гранулометрическим составом, за счет которого снижается нагрузка на каждую из гранул и предотвращается их преждевременное разрушение.