本發(fā)明屬于石油壓裂支撐劑技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種陶粒砂石油壓裂支撐劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
石油壓裂支撐劑是石油開采行業(yè)中壓裂作業(yè)的重要材料。油氣開采中，高閉合壓力低滲透性礦床經(jīng)壓裂處理后使含油氣巖層裂開，油氣從裂縫形成的通道中匯集而出，此時需要流體注入巖石基層，以超過地層破裂強度的壓力，使井筒周圍巖層產(chǎn)生裂縫，形成一個具有高層流能力的通道。支撐劑的使用是為了保持壓裂后形成的裂縫開啟，使油氣產(chǎn)物能順暢通過，達到增加石油天然氣產(chǎn)量的目的。在支撐劑發(fā)展過程中，石英砂和陶粒砂是壓裂操作過程中常用的兩種壓裂支撐劑。石英砂支撐劑存在易破碎、導(dǎo)流能力差和圓球度低等缺陷，在深層油氣井壓裂開采中難以得到應(yīng)用。而陶粒砂具備強度高、圓球度好、酸溶解度低的優(yōu)點，目前在石油壓裂支撐劑領(lǐng)域獲得了較大的發(fā)展。
近年來，大量研究者對石油壓裂支撐劑進行了探索，開發(fā)出以鋁礬土為原料通過燒結(jié)制成的陶粒砂支撐劑。該方法以鋁礬土為主要原料，配以氧化鎂、氧化錳等熔劑，通過成球、燒結(jié)、篩分等步驟制備而得。如“一種低密度陶粒支撐劑及其制備方法”（cn201210238884.5）專利技術(shù)，采用鋁礬土并配入適量粘土、石英、白云石、軟錳礦等，經(jīng)造粒和焙燒，獲得視密度為2.53g/cm3、體積密度為1.35g/cm3和40mpa條件下破碎率為7%的陶粒砂支撐劑。但是該方法提供的支撐劑的制備原料要求一級鋁礬土和mno2含量高于50%的軟錳礦等優(yōu)質(zhì)高等級原料，制備過程中原料的成本較高。
高海利等（高海利,天才,吳洪祥,婁元濤．高強石油壓裂支撐劑的研制[j]．陶瓷，2006，(10)）以鋁礬土、高鈦爐渣等為原料，經(jīng)研磨、成球和熱處理等工序，制成了高強度石油壓裂支撐劑，其成品在69mpa條件下破碎率為1.61％；該方法是鋁礬土利用率大、焙燒溫度在1400以上，存在較大的資源浪費和能源消耗。此外鋁礬土是制備鋁的重要資源，市場上優(yōu)質(zhì)鋁礬土日益匱乏，因此利用其他廉價資源制備高性能陶粒砂支撐劑已經(jīng)迫在眉睫。
目前，亦有用高鋁粉煤灰來制備支撐劑的，如“一種以高鋁粉煤灰為原料制備低密度陶粒支撐劑的方法”（cn201310252422.3）專利技術(shù)，將高鋁粉煤灰破碎、還原焙燒后磁選除鐵，再與其他輔助原料充分粉碎與混勻，經(jīng)過造粒、燒結(jié)得到視密度為2.73g/cm3、體積密度為1.51g/cm3和52mpa條件下破碎率為4.7%的支撐劑；此技術(shù)要求粉煤灰必須是al2o3高于37%的高鋁粉煤灰，僅有山西平朔、內(nèi)蒙古準格爾等部分煤田才能生產(chǎn)出這樣的高鋁粉煤灰，全國大部分地區(qū)的粉煤灰的al2o3含量難以達到該方法的要求，并且該制備方法流程復(fù)雜，運用范圍受限制。
粉煤灰是是從燃煤電廠燒煤后的煙氣中收捕下來的細灰，是我國當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一。我國現(xiàn)階段粉煤灰排放量逐年增加，大量的粉煤灰不加處理，就會產(chǎn)生揚塵，污染大氣；若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會對人體和生物造成危害。給生態(tài)環(huán)境造成了巨大的破壞。當(dāng)前對粉煤灰進行了開發(fā)利用，最長見的是用其代替粘土生產(chǎn)水泥或者制成粉煤灰磚用做建材等，但是這些利用途徑的經(jīng)濟附加值低，利用技術(shù)水平低。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷，目的在于提供一種資源化利用、工藝簡單、生產(chǎn)成本低和環(huán)境友好的陶粒砂石油壓裂支撐劑的制備方法，用該方法制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑具有低密度的特性。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟是：
步驟一、按粉煤灰為40~45wt%、鋁礬土為45~50wt%、鎂砂為5~10wt%、生石灰為2~4wt%和膨潤土為1~3wt%，將所述粉煤灰、鋁礬土、鎂砂、生石灰和膨潤土混合均勻，即得混合料。
步驟二、將所述混合料送入圓盤造球機，噴加霧狀水滾動造球，水的噴加量為所述混合料的12~15wt%；成球后篩分，得到粒徑為0.45~1.4mm的小球。
步驟三、將所述小球養(yǎng)護，干燥，焙燒，冷卻，篩分，得到粒徑為1.18~0.85mm和粒徑小于0.85mm且大于等于0.425mm的陶粒砂石油壓裂支撐劑。
所述焙燒是：先以10~15℃/min的速率升溫至600~620℃，再以8~11℃/min的速率升溫至1000~1050℃，保溫0.5~1.0小時，然后以3~5℃/min的速率升溫至1325℃~1350℃，保溫1.0~1.5小時。
所述粉煤灰的主要成分是：al2o3含量大于20wt%，sio2含量大于40wt%，tfe小于7wt%；所述粉煤灰的粒徑小于0.074mm。
所述鋁礬土的al2o3含量大于72wt%，sio2含量大于5wt%；所述鋁礬土的粒徑小于0.074mm。
所述鎂砂的mgo含量大于80wt%，粒徑小于0.074mm。
所述生石灰的cao含量大于48wt%，粒徑小于0.074mm。
所述養(yǎng)護是在密閉條件下保濕20~28小時，保濕期間小球的含水量為7~9wt%。
所述干燥是在105~150℃條件下保溫2~3小時。
所述冷卻為自然冷卻或鼓風(fēng)冷卻，所述鼓風(fēng)冷卻的降溫速率為40~50℃/min。
由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果：
1、本發(fā)明將粉煤灰進行資源化利用，不僅將工業(yè)廢棄物-粉煤灰變廢為寶，還提高了粉煤灰的利用價值、擴大了粉煤灰的利用范圍，同時也解決了粉煤灰對環(huán)境的污染。故原料來源廣泛、成本低和環(huán)保效益顯著。
2、本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所用粉煤灰（al2o3含量大于20%）受地域限制小，大多數(shù)地區(qū)的粉煤灰均可以達到這個要求，鋁礬土的用量可以降低至45%，用粉煤灰代替鋁礬土、高嶺土等原料，實現(xiàn)廢棄物的二次利用，減少了對不可再生資源的消耗。
3、本發(fā)明采用的粉煤灰是一種低密度材料，含有al2o3和sio2。焙燒過程中，粉煤灰中含有的na2o、fe2o3等物質(zhì)與鋁、硅等作用以形成三元或更復(fù)雜的低溫共熔物，使得支撐劑內(nèi)液相量增多，加快了支撐劑內(nèi)部的體積擴散，促使晶粒發(fā)生了不連續(xù)的生長，由此而在顆粒內(nèi)部生成部分密閉的氣孔，使得支撐劑的體積密度降低。粉煤灰中殘留的玻璃相有助于陶粒砂的焙燒，焙燒中部分殘留的原始晶相和玻璃相的再結(jié)晶有助于提高支撐劑的強度。
4、本發(fā)明所制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑經(jīng)檢測：視密度為2.36~2.42g/cm3；體積密度為1.39~1.45g/cm3；酸溶解度為4.5~5.2%；濁度為40~48ntu；圓度為0.9；球度為0.9；在52mpa條件下的破碎率為7~9%。檢測結(jié)果可以看出，制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑具有低密度的特性，各項性能均符合中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準（sy-t5108-2014）。
因此，本發(fā)明具有資源化利用、工藝簡單、生產(chǎn)成本低和環(huán)境友好的特點，制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑密度低。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進一步的描述，并非對其保護范圍的限制：
本具體實施方式中：
所述粉煤灰的主要成分是：al2o3含量大于20wt%，sio2含量大于40wt%，tfe小于7wt%；所述粉煤灰的粒徑小于0.074mm。
所述鋁礬土的al2o3含量大于72wt%，sio2含量大于5wt%；所述鋁礬土的粒徑小于0.074mm。
所述鎂砂的mgo含量大于80wt%，粒徑小于0.074mm。
所述生石灰的cao含量大于48wt%，粒徑小于0.074mm。
所述養(yǎng)護是在密閉條件下保濕20~28小時，保濕期間小球的含水量為7~9wt%。
所述干燥是在105~150℃條件下保溫2~3小時。
所述冷卻為自然冷卻或鼓風(fēng)冷卻，所述鼓風(fēng)冷卻的降溫速率為40~50℃/min。
實施例中不再贅述。
實施例1
一種陶粒砂石油壓裂支撐劑及其制備方法。本實施例所述制備方法的步驟是：
步驟一、按粉煤灰為40~43wt%、鋁礬土為47~50wt%、鎂砂為5~8wt%、生石灰為3~4wt%和膨潤土為2~3wt%，將所述粉煤灰、鋁礬土、鎂砂、生石灰和膨潤土混合均勻，即得混合料。
步驟二、將所述混合料送入圓盤造球機，噴加霧狀水滾動造球，水的噴加量為所述混合料的12~15wt%；成球后篩分，得到粒徑為0.45~1.4mm的小球。
步驟三、將所述小球養(yǎng)護，干燥，焙燒，冷卻，篩分，得到粒徑為1.18~0.85mm和粒徑小于0.85mm且大于等于0.425mm的陶粒砂石油壓裂支撐劑。
所述焙燒是：先以10~15℃/min的速率升溫至600~620℃，再以8~11℃/min的速率升溫至1000~1050℃，保溫0.5~1.0小時，然后以3~5℃/min的速率升溫至1335℃~1350℃，保溫1.0~1.5小時。
本實施例制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑經(jīng)檢測：視密度為2.38~2.42g/cm3；體積密度為1.41~1.45g/cm3；酸溶解度為4.5~5.0%；濁度為40~46ntu；圓度為0.9；球度為0.9；在52mpa條件下的破碎率為7~8%。檢測結(jié)果可以看出，制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑具有低密度的特性，各項性能均符合中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準（sy-t5108-2014）。
實施例2
一種陶粒砂石油壓裂支撐劑及其制備方法。本實施例所述制備方法的步驟是：
步驟一、按粉煤灰為41~44wt%、鋁礬土為46~49wt%、鎂砂為6~9wt%、生石灰為2.5~3.5wt%和膨潤土為1.5~2.5wt%，將所述粉煤灰、鋁礬土、鎂砂、生石灰和膨潤土混合均勻，即得混合料。
步驟二、將所述混合料送入圓盤造球機，噴加霧狀水滾動造球，水的噴加量為所述混合料的12~15wt%；成球后篩分，得到粒徑為0.45~1.4mm的小球。
步驟三、將所述小球養(yǎng)護，干燥，焙燒，冷卻，篩分，得到粒徑為1.18~0.85mm和粒徑小于0.85mm且大于等于0.425mm的陶粒砂石油壓裂支撐劑。
所述焙燒是：先以10~15℃/min的速率升溫至600~620℃，再以8~11℃/min的速率升溫至1000~1050℃，保溫0.5~1.0小時，然后以3~5℃/min的速率升溫至1330℃~1345℃，保溫1.0~1.5小時。
本實施例制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑經(jīng)檢測：視密度為2.37~2.41g/cm3；體積密度為1.40~1.41g/cm3；酸溶解度為4.6~5.1%；濁度為41~47ntu；圓度為0.9；球度為0.9；在52mpa條件下的破碎率為7.5~8.5%。檢測結(jié)果可以看出，制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑具有低密度的特性，各項性能均符合中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準（sy-t5108-2014）。
實施例3
一種陶粒砂石油壓裂支撐劑及其制備方法。本實施例所述制備方法的步驟是：
步驟一、按粉煤灰為42~45wt%、鋁礬土為45~48wt%、鎂砂為7~10wt%、生石灰為2~3wt%和膨潤土為1~2wt%，將所述粉煤灰、鋁礬土、鎂砂、生石灰和膨潤土混合均勻，即得混合料。
步驟二、將所述混合料送入圓盤造球機，噴加霧狀水滾動造球，水的噴加量為所述混合料的12~15wt%；成球后篩分，得到粒徑為0.45~1.4mm的小球。
步驟三、將所述小球養(yǎng)護，干燥，焙燒，冷卻，篩分，得到粒徑為1.18~0.85mm和粒徑小于0.85mm且大于等于0.425mm的陶粒砂石油壓裂支撐劑。
所述焙燒是：先以10~15℃/min的速率升溫至600~620℃，再以8~11℃/min的速率升溫至1000~1050℃，保溫0.5~1.0小時，然后以3~5℃/min的速率升溫至1325℃~1340℃，保溫1.0~1.5小時。
本實施例制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑經(jīng)檢測：視密度為2.36~2.40g/cm3；體積密度為1.39~1.43g/cm3；酸溶解度為4.7~5.2%；濁度為42~48ntu；圓度為0.9；球度為0.9；在52mpa條件下的破碎率為8~9%。檢測結(jié)果可以看出，制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑具有低密度的特性，各項性能均符合中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準（sy-t5108-2014）。
本具體實施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果：
1、本具體實施方式將粉煤灰進行資源化利用，不僅將工業(yè)廢棄物-粉煤灰變廢為寶，還提高了粉煤灰的利用價值、擴大了粉煤灰的利用范圍，同時也解決了粉煤灰對環(huán)境的污染。故原料來源廣泛、成本低和環(huán)保效益顯著。
2、本具體實施方式和現(xiàn)有技術(shù)相比，本具體實施方式所用粉煤灰（al2o3含量大于20%）受地域限制小，大多數(shù)地區(qū)的粉煤灰均可以達到這個要求，鋁礬土的用量可以降低至45%，用粉煤灰代替鋁礬土、高嶺土等原料，實現(xiàn)廢棄物的二次利用，減少了對不可再生資源的消耗。
3、本具體實施方式采用的粉煤灰是一種低密度材料，含有al2o3和sio2。焙燒過程中，粉煤灰中含有的na2o、fe2o3等物質(zhì)與鋁、硅等作用以形成三元或更復(fù)雜的低溫共熔物，使得支撐劑內(nèi)液相量增多，加快了支撐劑內(nèi)部的體積擴散，促使晶粒發(fā)生了不連續(xù)的生長，由此而在顆粒內(nèi)部生成部分密閉的氣孔，使得支撐劑的體積密度降低。粉煤灰中殘留的玻璃相有助于陶粒砂的焙燒，焙燒中部分殘留的原始晶相和玻璃相的再結(jié)晶有助于提高支撐劑的強度。
4、本具體實施方式所制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑經(jīng)檢測：視密度為2.36~2.42g/cm3；體積密度為1.39~1.45g/cm3；酸溶解度為4.5~5.2%；濁度為40~48ntu；圓度為0.9；球度為0.9；在52mpa條件下的破碎率為7~9%。檢測結(jié)果可以看出，制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑具有低密度的特性，各項性能均符合中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準（sy-t5108-2014）。
因此，本具體實施方式具有資源化利用、工藝簡單、生產(chǎn)成本低和環(huán)境友好的特點，制備的陶粒砂石油壓裂支撐劑密度低。