CN102633492A - 利用低品位铝矾土制备陶粒支撑剂的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用低品位铝矾土制备陶粒支撑剂的生产工艺。该工艺是将低品位铝矾土矿石破碎后与辅料配成混合料；然后经二级湿磨至泥浆粒度为5～20微米，陈腐后的泥浆泵入喷雾干燥塔进行干燥造粒形成松散颗粒后打散，进一步喷雾滚制造粒后送入烘干-烧成综合系统中，烘干、烧成；烧成过程中产生的余热引出至喷雾干燥塔利用。本发明采用了低品位的铝矾土矿作为主料，对合理利用资源、降低能源消耗起到了积极作用；采用湿法球磨工艺，能显著改善混合粉料的粒度分布和混合均匀度；对喷雾造粒粉的打散工艺，减少了喷雾造粒粉中“假颗粒”和“空心颗粒”的比例；烘干与烧成过程的设备集成设计减少了半成品粒的破损率。

Description

利用低品位铝矾土制备陶粒支撑剂的生产工艺

技术领域

本发明涉及一种油气井用陶粒支撑剂及其生产工艺，具体是一种利用低品位铝矾土制备陶粒支撑剂的生产工艺。

背景技术

压裂工艺技术在石油、天然气的开发中发挥着重要的作用，而石油支撑剂是压裂技术的关键材料。石油支撑剂经过了金属铝球、玻璃球、石英砂、陶粒支撑剂的发展历程。陶粒支撑剂因其具有的耐高温、耐高压、耐腐蚀、高强度、高导流能力、低破碎率等特点，正逐步取代石英砂等传统支撑剂，得到越来越广泛的应用。

传统的陶粒支撑剂制备技术是采用优质铝矾土(氧化铝含量＞75％)配合其它原料干磨至325-800目左右后，再经滚制成型、烘干、烧制工艺制得成品。随着国内氧化铝产能和质量要求的提高，市场上的优质铝矾土矿藏日益匮乏，开发低品位铝矾土使用技术迫在眉睫。

中国专利CN1223546C公开了一种微细陶粒的制作方法，它以铝矾土为基料，加入粘土等辅料共磨成细粉；再加入水、粘接剂等搅匀成浆料；用泵将浆料通过钻有孔眼的喷枪，射入干燥塔内，干燥后得到坯球，再将坯球送入窑炉烧制后，得成品。该方法生产过程复杂，坯球强度过低，破碎率大，成品稳定性差，质量波动较大。

中国专利CN100368504C公开了一种超强度陶粒支撑剂及其制备方法，原料质量组成为铝矾土10-30％、铝土矿50-70％、高铁铝土矿8-15％、粘土7-20％、锰矿2-5％、钾长石0.5-2.5％、糊精0.1-1.2％。将上述组分分磨磨成细粉，过筛，混合搅拌均匀，在制粒机中经水气雾化滚动成球，然后再加入糊精，过筛，在隧道窑中经高温烧结而成。使用该方法生产的陶粒支撑剂强度较低，产品质量不稳定，不能满足批量生产要求。

中国专利CN1325423C公开了一种高钛型石油压裂支撑剂及其生产方法，它将原料磨细，以喷雾造粒系统制造母球，再将母球加入糖衣机中挤压包裹得到坯球粒，将坯球经过干燥系统干燥后，进入高温窑炉进行烧结，成品降温冷却后进行表面抛光以实现粉尘分离、对成品表面进行有机物处理得到最终成品。该方法直接采用喷雾造粒粉直接制造母球，再制造坯球，改善了坯球强度过低的缺陷，但不能批量生产高强度陶粒支撑剂。

陶粒支撑剂的质量优劣直接关系到油气井压裂后的经济效益，改进支撑剂的生产工艺技术，可以有效地提高支撑剂的质量，创造巨大的经济价值。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供利用低品位铝矾土制备陶粒支撑剂的生产工艺，该工艺过程简单、连贯、生产效率高，能耗低。

本发明的技术方案是：利用低品位铝矾土制备陶粒支撑剂的生产工艺，其特征是，所述陶粒支撑剂的组分及重量百分比为：Al₂O₃45～70％、SiO₂20～50％、TiO₂1.5～4％，还含有K₂O、Na₂O、CaO、MgO，其中，Al₂O₃主要由主料低品位铝矾土矿石(占原料总重的≥70％)引入；SiO₂主要由辅料高岭土和主料低品位铝矾土矿石引入，CaO、MgO主要由辅料碳酸钙、滑石引入，TiO₂主要由辅料钛精矿和主料低品位铝矾土矿石引入，生产低密度陶粒支撑剂时K₂O、Na₂O主要由辅料长石引入，生产高密度陶粒支撑剂时K₂O、Na₂O由低品位铝矾土矿石和高岭土引入；各原料的性能指标如下：

表1 主要原料的性能要求(按重量百分比表示％)：

具体工艺步骤如下：

(1)一级原料破碎：按照上述的陶粒支撑剂的组分及重量百分比要求取上述主料和辅料配料，将低品位铝矾土矿石经过锷式破碎机等设备破碎后，形成1～10mm的矿石颗粒料，然后与辅料配成混合料；

(2)二级湿磨：将步骤(1)所得混合料，以混合料∶研磨介质∶水＝1∶2.0～3.5∶0.45～1.20的重量比混合后，添加混合料质量0.2-1.0％的球磨助剂，置于球磨机中湿磨至泥浆粒度达到5～20微米(球磨5～30小时)，然后放入泥浆池陈腐；

球磨助剂包括但不限于聚乙烯醇、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、木质素等。研磨介质为铝含量60-95％之间的氧化铝球，不同直径的球石组合而成。

(3)喷雾造粒：将步骤(2)陈腐后的泥浆泵入喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到水份含量为1～5％的松散颗粒；所述喷雾干燥塔的进口温度为550～750℃，出口温度为110～135℃；所述喷雾干燥塔为离心式或压力式造粒塔。

(4)粉料打散：使用打散设备将步骤(3)所得的松散颗粒再次打散为湿磨后粒径的粉料。

(5)造粒：将步骤(4)所得粉料入仓后，转入圆盘制粒机中，在制粒机单向匀速转动下，用浓度为0.2～2％(质量百分比)的粘接剂水溶液或水喷雾滚制造粒，颗粒经筛分得到半成品坯球；所述粘接剂包括但不限于聚乙烯醇、木质素、纤维素、纸浆废液等。

(6)连续烘干烧成：将半成品坯球送入烘干-烧成综合系统中，烘干、烧成，烧成温度1100-1450℃，保温时间2～4小时。

所述烘干-烧成综合系统是将烘干与烧成过程的设备进行设备集成，烘干过程的设备出口与烧成过程的设备(回转式窑炉)入口采用中心平行连接或直接法兰连接方式，组成连续式的烘干-烧成生产线，从而缩减了半成品粒的周转流程，大大降低了半成品坯球的破损率。

(7)成品抛光：对成品进行抛光处理，增加支撑剂陶粒的表面光滑度。

本发明进一步的技术方案是：进一步进行热风利用，即烧成过程中产生的余热(热风或烟气，温度300～500℃)通过管道引出至喷雾干燥塔进行造粒烘干以回收利用。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用了低品位的铝矾土矿作为主要原料，不直接加入铁锰等相对贵金属物质，有效利用低品位矿产资源，并且采用了较低的烧成温度范围，可降低支撑剂生产成本，生产低密度的高性能陶粒支撑剂。对合理利用资源、降低能源消耗起到了积极作用。

2、本发明改进了制粉工艺，采用湿法球磨工艺，能显著改善混合粉料的粒度分布和混合均匀度。采用球磨机可将物料研磨至5～20微米，克服了现有干法混料工艺组分分布不均匀和原料的批次差异性问题，可以在较低温度下烧成质量良好的产品，有利于产品质量的稳定性。同时，湿法工艺可减少粉尘污染，有利于环保。

3、对喷雾造粒粉的打散工艺，改进了直接采用混料法制得的配方粉造粒强度低的缺点，相对于直接采用喷雾造粒粉滚球的造粒工艺，直接减少了喷雾造粒粉中“假颗粒”和“空心颗粒”的比例，使半成品坯球成型后强度增加，有利于提高烧成后产品质量。

4、烘干与烧成过程的设备集成设计，克服了传统工艺中在线产品周转效率低和物料污染、浪费问题，减少了半成品粒从高处的烘干窑落入低处的回转窑而产生的半成品坯球的破损率。

5、将烧成工序产生的余热引入喷雾干燥塔使用，进一步节约了资源，提高了能源利用率。

6、成品抛光工艺，与传统支撑剂生产工艺相比，改善了产品的浊度指标。

附图说明

图1为本发明的烘干-烧成综合系统的结构示意图；图2为本发明的余热回收利用结构示意图；

图中：1、烘干设备，2、烧成设备，3、支撑滑轮，4、热风引管，5、喷雾干燥塔，6、燃气燃烧室。

具体实施方式

实施例1：

(1)配料：按照上述陶粒支撑剂的要求配料，取低品位铝矾土矿石(Al₂O₃含量58％，SiO₂含量27％，TiO₂含量1.6％)73份，其它辅料有高岭土(Al₂O₃含量35％、SiO₂含量45％)15份，碳酸钙(CaO含量52％)3份，滑石(SiO₂含量60％，MgO含量31％)4份，长石(SiO₂含量65％，K₂O、Na₂O总含量12.5％)2份，钛精矿(TiO₂含量45％、Fe₂O₃含量28％)3份。

(2)将主料低品位铝矾土矿石采用锷式破碎机破碎为5mm的矿石颗粒料后，与其它辅料混配成混合料。以混合料∶氧化铝球研磨介质∶水＝1∶2.5∶0.9的重量比混合后，添加混合料质量0.6％的六偏磷酸钠球磨助剂，置于球磨机中湿磨18小时成为泥浆，使泥浆粒度达到13微米，放入泥浆池陈腐。陈腐后所得泥浆泵喷雾干燥得到水份为4％的松散颗粒；然后将上述松散颗粒再次打散碎为粒径13微米的粉料；将上述所得粉料入仓后，转入圆盘制粒机中，在制粒机单向匀速转动下，用水喷雾滚制造粒，颗粒经筛分得到半成品坯球；然后将半成品坯球送入烘干-烧成综合系统(如图1所示，所述烘干-烧成综合系统是将烘干设备的出口与烧成过程中的回转式窑炉入口采用中心平行连接)中，于1330℃下保温时间3小时得到成品，对成品进行抛光处理，增加支撑剂陶粒的表面光滑度。如图2所示，烧成过程中产生的余热(热风或烟气，温度300～500℃)通过热风引管引出至喷雾干燥塔进行造粒烘干以回收利用，不足的热量由燃气燃烧室通过热风管道引入喷雾干燥塔进行补充。

按照石油天然气行业标准《压裂支撑剂性能测试推荐方法》SY/T5108-2006对实施例1制作的陶粒支撑剂产品进行测试，主要性能指标如下：

表2实施例1制作的陶粒支撑剂性能指标

检验项	实施例1所制备的产品	行业标准要求
			体积密度(g/cm3)	1.63	≤1.65
视密度(g/cm3)	2.87	≤3.00
			圆度	0.9	0.8
球度	0.9	0.8
			浊度	41NTU	≤100NTU

酸溶解度	4.7％	≤5％
			破碎率(52MPa)	3.1％	≤9％
破碎率(69MPa)	8.2％	/

实施例2：

(1)配料：按照上述陶粒支撑剂的要求配料，低品位铝矾土矿物(Al₂O₃含量64％、SiO₂含量22％、TiO₂含量2.7％)87份，其它辅料有高岭土(Al₂O₃含量33％、SiO₂含量45％)7份，碳酸钙(CaO含量52％)2份，滑石(SiO₂含量57％，MgO含量30％)1份，钛精矿(TiO₂含量52％、Fe₂O₃含量25％)3份。

(2)将主料低品位铝矾土矿石采用锷式破碎机，与其它辅料混配成混合料。以混合料∶氧化铝球研磨介质∶水＝1∶3.0∶1.0的重量比混合后，添加混合料质量比0.6％的六偏磷酸钠球磨助剂，置于球磨机中湿磨22小时成为泥浆，使泥浆粒度达到8微米，放入泥浆池陈腐；将陈腐后所得泥浆泵喷雾干燥得到水份在3％的松散颗粒；然后将上述松散颗粒再次打散碎为粒径8微米的粉料；将上述所得粉料入仓后，转入圆盘制粒机中，在制粒机单向匀速转动下，用浓度为0.5％的纤维素水溶液喷雾滚制造粒，颗粒经筛分得到半成品坯球；然后将半成品坯球送入烘干-烧成综合系统(如图1所示，所述烘干-烧成综合系统是将烘干设备的出口与烧成过程中的回转式窑炉入口采用中心平行连接)中，于1390℃下保温时间4小时得到成品；然后对成品进行抛光处理，增加支撑剂陶粒的表面光滑度。如图2所示，烧成过程中产生的余热(热风或烟气，温度300～500℃)通过热风引管引出至喷雾干燥塔进行造粒烘干以回收利用，不足的热量由燃气燃烧室通过热风管道引入喷雾干燥塔进行补充。

按照石油天然气行业标准《压裂支撑剂性能测试推荐方法》SY/T5108-2006对实施例2制作的陶粒支撑剂产品进行测试，主要性能指标如下：

表3实施例2制作的陶粒支撑剂性能指标

检验项	实施例2所制备的产品	行业标准要求
			体积密度(g/cm3)	1.72	≥1.65、≤1.80
视密度(g/cm3)	3.02	≥3.00、≤3.30
			圆度	0.9	0.8
球度	0.9	0.8
			浊度	43NTU	≤100NTU
酸溶解度	4.9％	≤5％
			破碎率(52MPa)	1.2％	≤5％
破碎率(69MPa)	3.4％	≤9％
			破碎率(86MPa)	8.5％	/

Claims (5)

1.一种利用低品位铝矾土制备陶粒支撑剂的生产工艺，其特征是，所述陶粒支撑剂的组分及重量百分比为：Al₂O₃45～70％、SiO₂20～50％、TiO₂1.5～4％，还含有K₂O、Na₂O、CaO、MgO，其中，Al₂O₃主要由主料低品位铝矾土矿石引入；SiO₂主要由辅料高岭土和主料低品位铝矾土矿石引入，CaO、MgO主要由辅料碳酸钙、滑石引入，TiO₂主要由辅料钛精矿和主料低品位铝矾土矿石引入；具体工艺步骤如下：

(1)一级原料破碎：按照上述的陶粒支撑剂的组分及重量百分比要求取上述主料和辅料配料，将低品位铝矾土矿石破碎后，形成1～10mm的矿石颗粒料，然后与辅料配成混合料；

(2)二级湿磨：将步骤(1)所得混合料，以混合料∶研磨介质∶水＝1∶2.0～3.5∶0.45～1.20的重量比混合后，添加混合料质量0.2-1.0％的球磨助剂，置于球磨机中湿磨至泥浆粒度达到5～20微米，然后放入泥浆池陈腐；

(3)喷雾造粒：将步骤(2)陈腐后的泥浆泵入喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到水份含量为1～5％的松散颗粒；

(4)粉料打散：使用打散设备将步骤(3)所得的松散颗粒再次打散为湿磨后粒径的粉料；

(5)造粒：将步骤(4)所得粉料入仓后，转入圆盘制粒机中，在圆盘制粒机单向匀速转动下，用浓度为0.2～2％的粘接剂水溶液或水喷雾滚制造粒，颗粒经筛分得到半成品坯球；

(6)连续烘干烧成：将半成品坯球送入烘干-烧成综合系统中进行烘干、烧成，烧成温度1100～1450℃，保温时间2～4小时；所述烘干-烧成综合系统是将烘干与烧成过程的设备进行设备集成，烘干过程的设备出口与烧成过程的设备入口采用中心平行连接或直接法兰连接；

(7)成品抛光：对成品进行抛光处理，增加支撑剂陶粒的表面光滑度。

2.如权利要求1所述的生产工艺，其特征是，所述烧成过程中产生的余热通过管道引出至喷雾干燥塔。

3.如权利要求1所述的生产工艺，其特征是，生产低密度陶粒支撑剂时K₂O、Na₂O主要由辅料长石引入，生产高密度陶粒支撑剂时K₂O、Na₂O由低品位铝矾土矿石和高岭土引入；所述长石的K₂O、Na₂O总含量为6-13％。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的生产工艺，其特征是，所述低品位铝矾土矿石的Al₂O₃含量为45-65％，SiO₂含量为15-30％，TiO₂含量为1.5-4％，K₂O、Na₂O总含量为0.2-0.8％；所述高岭土的Al₂O₃含量为30-55％，SiO₂含量为35-45％，K₂O、Na₂O总含量为0.5-3.0％；所述碳酸钙的CaO含量为50-55％；所述滑石的MgO含量为28-35％；钛精矿的TiO₂含量为42-55％。

5.如权利要求4所述的生产工艺，其特征是，所述喷雾干燥塔的进口温度为550～750℃，出口温度为110～135℃。

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