一種雙層高強度壓裂支撐劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于采油（氣）助劑技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙層高強度壓裂支撐劑，同時 還涉及一種雙層高強度壓裂支撐劑的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在石油、天然氣的開采過程中，水力壓裂已經(jīng)成為開采的重要手段。特別是我國 石油天然氣的儲存條件具有埋藏深、閉合壓力高、滲透率低等特點；在油氣井深井開采過程 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，形成一個具有高導(dǎo)流能力的通道。為了能保持裂縫開啟，油氣產(chǎn)物能順利產(chǎn)至地面， 將石油支撐劑和高壓溶液一起進入地層填充在巖層裂隙中，支撐劑在裂縫中的分布決定著 裂縫的導(dǎo)流能力，壓裂完成以后，裂縫會閉合在填充的支撐劑上，因此支撐劑扮演著支撐裂 縫和防止裂縫閉合的雙重角色，能夠使裂縫保持高導(dǎo)流能力，使油氣暢通，增加產(chǎn)量。
[0003]目前常用的壓裂支撐劑有石英砂、陶粒及樹脂覆膜的顆粒等。其中，石英砂的價格 最便宜，相對密度低，便于施工栗送，但是石英砂的強度低、圓球度差、破碎率高，從而降低 了裂縫的導(dǎo)流能力，特別不適用于閉合壓力高的深井。石英砂用樹脂覆膜后圓球度有所改 善，抗破碎能力大幅度提高，導(dǎo)流能力比石英砂好，但仍比陶粒低。以錯f凡土為主料制造的 陶粒支撐劑，圓球度、抗破碎能力和導(dǎo)流能力都比石英砂好，廣泛的被深油氣井所采用。但 是陶粒的視密度比石英砂大，對栗送條件及壓裂液的性能都提出了更高的要求，加大了施 工難度；在壓裂過程中容易引起堆積，對導(dǎo)流極其不利，從而影響后期出油效果，同時對栗 送功率要求高，對管道的磨損大。
[0004] 相比之下，低密度支撐劑具有較好的空隙率，攜帶更容易，能大大降低壓裂液的粘 度，減少對管道和栗的傷害，甚至可以實現(xiàn)清潔壓裂，有效降低施工難度和采油成本；另外 低密度支撐劑導(dǎo)流遞減率比較低，能產(chǎn)生好的采油效果。因此低密度支撐劑的開發(fā)成為支 撐劑研究的方向。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中，CN101787270B公開了一種低密度陶粒支撐劑，以鋁礬土和煤矸石 為內(nèi)芯，以鋁礬土和四氧化三錳為外殼，成球燒結(jié)，即得低密度陶粒，所述內(nèi)芯的直徑為 0. 2~0. 3mm，所述球的粒徑為0. 6~0. 95mm，所述內(nèi)芯中錯研^土與煤矸石的重量比為20~ 80:80~20 ;所述外殼中鋁礬土與四氧化三錳的重量比為90~97:10~3。所得陶粒支撐 劑具有強度高、密度低的特點，但是采用四氧化三錳與鋁礬土的混合物形成外殼，對于密度 的降低、強度的提高幅度不大，同時破碎率高、抗腐蝕能力弱，還不能滿足高閉合壓力、低滲 流儲層使用的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種雙層高強度壓裂支撐劑，解決現(xiàn)有壓裂支撐劑抗壓強度 低、破碎率高、視密度高、抗腐蝕能力弱的特點。
[0007] 本發(fā)明的第二個目的是提供一種雙層高強度壓裂支撐劑的制備方法。
[0008] 為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0009] 一種雙層高強度壓裂支撐劑，包括陶瓷內(nèi)芯和包覆在陶瓷內(nèi)芯表面的氮化硅陶瓷 外殼，所述陶瓷內(nèi)芯直徑與氮化硅陶瓷外殼厚度的比例為5~10:1 ;
[0010] 所述陶瓷內(nèi)芯主要由以下質(zhì)量百分比的芯材原料制成：鋁礬土 40%~50%、頁巖 40%~50%、煤奸石0~10% ;
[0011] 所述氮化硅陶瓷外殼主要由以下質(zhì)量百分比的殼材原料制成：氮化硅60%~ 70%、鋁礬土 30%~40%。
[0012] 本發(fā)明的雙層高強度壓裂支撐劑，包括陶瓷內(nèi)芯和包覆在陶瓷內(nèi)芯表面的氮化硅 陶瓷外殼，陶瓷內(nèi)芯主要由鋁礬土、頁巖和煤矸石制成，密度低；氮化硅陶瓷外殼主要由氮 化硅和鋁礬土制成，強度高；所得雙層高強度壓裂支撐劑具有抗壓強度高、破碎率低、視密 度低、抗腐蝕能力強等優(yōu)點，在l〇3Mpa條件下破碎率< 6%，酸溶解度< 2%，特別適用于深 井及超深井油氣田的開發(fā)。
[0013] 所述雙層高強度壓裂支撐劑的粒度為40~70目。
[0014] 優(yōu)選的，所述陶瓷內(nèi)芯主要由以下質(zhì)量百分比的芯材原料制成：鋁礬土 45%~ 50%、頁巖40 %~45%、煤奸石5~10%。
[0015] 所述芯材原料中，所用鋁礬土為低鋁礬土，所述低鋁礬土中氧化鋁的質(zhì)量含量不 高于50%;所述殼材原料中，所用鋁礬土為高鋁礬土，所述高鋁礬土中氧化鋁的質(zhì)量含量不 低于70%。優(yōu)選的，低鋁礬土中氧化鋁的質(zhì)量含量為40%~50% ;所述高鋁礬土中氧化鋁 的質(zhì)量含量為70%~80%。
[0016] 優(yōu)選的，所用各組分原料的規(guī)格要求見表1。
[0017] 表1各組分原料的規(guī)格要求
[0018]
[0020] 所述氮化硅為a氮化硅或0氮化硅。
[0021] 優(yōu)選的，所述陶瓷內(nèi)芯是由粘結(jié)劑和以下質(zhì)量百分比的芯材原料制成：鋁礬土 40%~50%、頁巖40%~50%、煤矸石0~10% ;所述氮化硅陶瓷外殼是由粘結(jié)劑和以下 質(zhì)量百分比的殼材原料制成：氮化娃60 %~70 %、錯研^土 30 %~40 %。制備方法包括：粉 狀的芯材原料加入粘結(jié)劑制粒得內(nèi)芯坯體；粉狀的殼材原料加入粘結(jié)劑，以內(nèi)芯坯體為核 二次制粒在內(nèi)芯坯體表面形成包覆層，后焙燒即得。
[0022] 所述粘結(jié)劑為質(zhì)量濃度為0. 1%~1. 0%的聚丙烯酰胺溶液、羧甲基纖維素溶液 或聚乙二醇溶液。
[0023] 本發(fā)明的雙層高強度壓裂支撐劑，包括低密度的陶瓷內(nèi)芯和高強度的氮化硅陶瓷 外殼，其優(yōu)勢在于：
[0024] 1.氮化硅是一種高強度的陶瓷材料，其具有耐溫、耐壓、耐酸堿等性能，同時其抗 壓強度很高，可以大大提高支撐劑的抗壓強度和降低破碎率；本發(fā)明產(chǎn)品的抗壓強度可以 達到103MPa，破碎率< 6%，特別適用于油氣田深井及超深井的壓裂作業(yè)。
[0025] 2.各原料組分作用機理為：芯材原料采用低鋁礬土、頁巖、煤矸石，在高溫煅燒時 鋁礬土和頁巖中的Al203、Si02生成具有一定強度的棒狀莫來石晶相能夠提高支撐劑的抗壓 強度，同時，煤矸石中的碳可以在高溫煅燒下產(chǎn)生閉氣孔，有效地降低了支撐劑的視密度。 利用氮化硅做殼體材料，利用其本身的高強度及高鋁礬土中A1203、Si02生成更高強度的剛 玉相來提高支撐劑的抗壓強度。同時氮化硅形成的陶瓷殼體具有很強的耐酸堿性，降低支 撐劑的酸溶解度。氮化硅在高溫下形成的殼體材料具有很好的表面光潔度及圓球度，可以 有效地提高支撐劑的導(dǎo)流能力及降低支撐劑的濁度。
[0026] 3.本發(fā)明的雙層高強度壓裂支撐劑，依據(jù)SY/T5108-2014標(biāo)準(zhǔn)要求檢測，40/70目 壓裂支撐劑的體積密度為1. 50g/cm3以下，視密度為2. 50g/cm3以下，在86Mpa、103Mpa壓力 下的破碎率分別為1. 5%、5. 0%，抗壓等級可以達到15K，完全滿足油氣田開采要求，且視 密度遠低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同時，壓裂支撐劑表面光潔度好、球度高，導(dǎo)流能力大幅度提升，更低 的視密度能減少壓裂施工中對胍膠的使用，更易栗送，可以有效降低壓裂成本。
[0027] -種上述的雙層高強度壓裂支撐劑的制備方法，包括下列步驟：
[0028] 1)取配方量的鋁礬土、頁巖、煤矸石粉碎成細粉，混合得芯材原料；取配方量的氮 化硅、鋁礬土粉碎成細粉，混合得殼材原料，備用；
[0029] 2)將步驟1)所得芯材原料加入粘結(jié)劑，制粒得內(nèi)芯坯體；
[0030] 3)將步驟1)所得殼材原料加入粘結(jié)劑，以步驟2)所得內(nèi)芯坯體為核進行制粒，在 內(nèi)芯坯體表面形成包覆層，得半成品；
[0031] 4)取步驟3)所得半成品烘干后進行焙燒，冷卻即得。
[0032] 步驟1)中，所用細粉滿足500目篩余彡3% (質(zhì)量百分比）。所述芯材原料或殼 材原料的制備方法為：先將各組分原料分別破碎至5_以下（優(yōu)選1~5_)，再分別球磨 5~8h后，過500目篩，至粉的細度達到500目篩余彡3% (質(zhì)量百分比）；后按配方量混 合，即得。
[0033] 所述粘結(jié)劑為質(zhì)量濃度為0. 1%~1. 0%的聚丙烯酰胺溶液、羧甲基纖維素溶液