CN103288430A - 一种利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法，将低碳煤矸石球磨过筛，取过筛后的煤矸石和焦炭、硅微粉、锰矿渣放入球磨机中湿磨形成混合泥浆，将混合泥浆采用喷雾干燥塔干燥，再经打散，以煤矸石母粒为种子，在糖衣机造粒中密实成球，后经焦炭粉包裹成型，成型颗粒放入坩锅中，并置于电炉内以自蔓延方式超低温烧结并自然冷却后取出，即得页岩气专用压裂支撑剂。本发明有助于节约优质的天然矿物资源，降低烧成温度，缩短烧成周期，节约能源，提高了产品的综合性能；采用二次成球工艺成型，发挥自蔓延烧结的优势，大大降低了能耗，操作更加方便易控，有利于工业化大生产；制备的支撑剂密度低，强度高，具有耐高温、耐腐蚀等优良特性。

Description

一种利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法

技术领域

本发明属于新材料领域，涉及一种制备支撑剂的方法，特别涉及一种利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法。

背景技术

煤矸石是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比较坚硬的深色岩石，是不可多得的二次资源。煤炭开采过程中，必然会产生大量的煤矸石。目前，煤矸石己经成为我国累计存量和占用场地最多的工业废弃物。煤矸石大多露天堆放，会产生大量扬尘，经雨水淋蚀后，产生酸性水，污染周围的水体和土地。当煤矸石堆放不合理时，易发生边坡失稳，导致煤矸石堆的崩塌、滑移，尤其是在暴雨比较多的季节，易造成滑坡、泥石流，从而使大量的农田受到损失，人员安全受到威胁。因此，合理利用煤矸石，改善生态环境、变废为宝、节约资源，具有显著的社会效益、环境效益、经济效益，寻求有效的煤矸石综合利用方法成为必然趋势。

我国多数地区的煤矸石含碳量一般仅有30％左右，发热量在1600kJ/kg～6000kJ/kg，可用来发电或供热，而非自燃煤矸石的含碳量为2.5％～7.5％，热卡值低，利用率不高。低碳煤矸石的主要成分是Al₂O₃和SiO₂，二者含量大于70％，化学组成为：Al₂O₃16%～42%，SiO₂51%～60%，TiO₂1%～4%，CaO0.4%～2.3%，MgO0.4%～2.4%，K₂O+Na₂O1.5%～4%。

压裂技术是开发低孔、低渗透页岩气藏增产增效的有效武器。页岩气与常规储层气藏不同，页岩既是天然气生成的源岩，也是聚集和保存天然气的储层和盖层。页岩气储集层渗透率低，开采难度较大，页岩气藏的储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征，气流的阻力比常规天然气大，因此页岩气的最终采收率依赖于有效的压裂措施。在压裂工艺中，压裂液给地层造出裂缝，为页岩气的运移打开通道，为防止在地层闭合压力条件下，裂缝慢慢闭合，阻挡页岩气运移，需使用压裂支撑剂，压裂支撑剂随压裂液进入地层，在压裂液造缝后停留在长缝里，阻挡裂缝闭合，形成一个高导流能力的支撑带，保证页岩气成功运移。因此，压裂支撑剂是影响压裂工艺的至关因素。由于支撑剂需要停留在几千米的地下，且地层闭合压力大，压裂支撑剂不仅需要有良好的耐温性，也要有足够的抗压能力。目前在油气增产市场上广泛使用的支撑剂有天然石英砂、中等强度低密度的硅酸铝支撑剂、人造的中等强度高密度的氧化铝和硅酸盐支撑剂、高强度的铝矾土和高强度的硅酸锆支撑剂、以及涂敷预固化涂层和可固化涂层树脂的天然砂或人造支撑剂。

中国专利201010235988.1公开了一种利用煤矸石和油泥为原料生产砖的方法，其组分及含量为：油田油泥10%～20%，煤矸石10%～30%，粘土40%～65%，水5%～20%，改性添加剂0.5%～3%，将上述组分在搅拌设备中搅拌均匀，制成半成品砖坯，将砖坯进行干燥和焙烧，形成砖的成品；中国专利200910023599.X公开了一种加煤矸石的石油支撑剂，采用废弃的煤矸石5%～30％，铝矾土50%～90％、铁矿粉0～10％、锰矿粉3%～8％、钾长石0～15％、玻璃粉0～10％、铅锌矿0～10％，经原料的破碎、球磨、烧成制得支撑剂。他们的共同特点是：利用的煤矸石为主料进行生产，并未完全考虑利用低碳煤矸石中的碳热量降低能耗，提高热效率。

近年来，随着煤炭工业和电力工业的高速发展，越来越多的大型机组投入使用，有关利用高碳煤矸石发电或开发利用的报道颇多，但对低碳煤矸石中碳热量综合利用的研究较少。目前，低碳煤矸石的利用主要以筑路、灌浆材料、回填材料、生产水泥、墙体材料和化工原料为主，其开发利用具有粗圹加工，热效率不高，高能耗生产的特点，特别是在制备烧结材料时，普通的加热方式热损耗高达50％以上，燃料占总生产成本的一半以上。迄今为止，未见利用低碳煤矸石以自蔓延的方式开发研制低密度、高强度压裂支撑剂的报道或专利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法，该方法原料来源广泛，而且烧成温度低，能耗小、低碳环保，生产过程简单易控，产品质量稳定。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1）将低碳煤矸石放入球磨机中干磨，然后过120目筛，得到煤矸石粉，未通过120目筛的低碳煤矸石过48目～70目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为煤矸石母粒，将焦炭放入球磨机中干磨，然后过180目筛，得到焦炭粉；

2）按质量百分比，将68%～78%的煤矸石粉、15%～25%的锰矿渣、5%～10%的硅微粉、0.5%～1%的焦炭混合，得混合料；然后将混合料放入球磨机中湿磨混匀形成混合泥浆；将混合泥浆干燥，制成粉料颗粒；

3）将粉料颗粒打散成微粉，得造粒粉料；

4）以煤矸石母粒为种子，以造粒粉料为成长剂，采用糖衣机造粒，造粒过程中喷洒雾化水，造粒形成的颗粒过18目～30目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为成型颗粒；

5）以成型颗粒为种子，以焦炭粉为成长剂，采用糖衣机造粒，造粒过程中喷洒雾化水，造粒形成的颗粒过10目～14目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为待烧颗粒；

6）将待烧颗粒放入坩埚中，并置于电炉内，以3℃/min～5℃/min的加热速度自室温升至150℃，保温5min～10min，以5℃/min～15℃/min的加热速度升至750℃～850℃，保温1h～2h，随炉自然冷却后取出，过20目～40目筛，即得页岩气专用压裂支撑剂。

所述的步骤1）中在干磨低碳煤矸石时，控制磨球和低碳煤矸石的质量比为(2～3):1，研磨时间为0.5h～2h；在干磨焦炭时，控制磨球和焦炭的质量比为(2～3):1，研磨时间为0.5h～2h。

所述的步骤1）中的低碳煤矸石为碳质量分数在2.5％～7.5％的非自燃煤矸石，所述的步骤1）～2）中的焦炭采用工业焦炭，工业焦炭的质量指标要求为：固定炭的质量分数大于等于83％，硫的质量分数小于等于0.5％，挥发分的质量分数小于等于1.5％，灰分的质量分数小于等于15％。

所述的步骤2）中在湿磨混合料时，控制磨球、混合料和水的质量比为(2～3):1:(0.5～0.7)，研磨时间为0.5h～3h。

所述的步骤2）中的硅微粉为工业级，粒度＜5μm，纯度＞95％；锰矿渣的粒度＜5mm，MnO₂的质量分数小于等于5％。

所述的步骤2）的干燥是采用在压力式喷雾干燥塔实现的，且压力式喷雾干燥塔的进风温度为270℃～300℃，热风炉温度为400℃～500℃，排风温度为100℃～115℃，混合泥浆压力为330Pa～350Pa。

所述的步骤3）中的粉料颗粒采用粉体解聚打散机打散。

所述的步骤5）中喷洒雾化水的过程是间歇式的。

所述的步骤6）中坩埚采用氧化铝坩埚，电炉采用硅碳棒电阻炉。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明在支撑剂烧成方法上采用“自蔓延烧结”工艺，以焦炭作为发热源，以电炉为加热体，当炉温达到750℃～850℃时，引燃焦炭，只需待烧颗粒中焦炭产生的热量和煤矸石本身的碳热量即可使支撑剂处于1280℃～1330℃的烧成区域，达到瓷体烧结的目的。本发明采用“自蔓延合成”工艺，具有超低温烧成（750℃～850℃）的特点，大大降低了能耗和生产成本，低碳生产，而且增加了产量、质量，操作更加方便易控，有利于工业化大生产。

2、本发明在支撑剂的制备中引入了锰矿渣和超细粉体－硅微粉，降低了支撑剂的烧成温度，优化了瓷体微结构。锰矿渣和硅微粉可与物料中的其他组分形成更低的共融点，导致瓷体的烧成温度明显降低，达到1280℃～1330℃，降温幅度比传统的烧结温度（1400℃～1450℃）低70℃～170℃，同时可缩短烧成周期，提高产品产量。另一方面，硅微粉中具有高活性的SiO₂粒子，高活性的SiO₂粒子能够与煤矸石中的Al₂O₃粒子发生固相反应形成3Al₂O₃·2SiO₂莫莱石，莫莱石弥散在刚玉、方石英、钙长石颗粒之间，形成纤维/颗粒弥散结构，增强了各相之间的应力相容性和润湿性，有效的改善了瓷体的微结构，使本发明制得的支撑剂的综合力学性能有了明显的提高。

3、本发明利用低碳煤矸石和工业废弃物－锰矿渣为主料制备压裂支撑剂，不仅有助于节约优质的天然资源，降低生产成本，减少能耗，低碳环保，而且原料来源广泛，有利于环境保护。

4、按本发明制备方法制成的产品（粒度20目～40目）性能为：体积密度≤1.50g/cm³；视密度≤2.72g/cm³；52MPa闭合压力破碎率3.3％～6％；69MPa闭合压力破碎率5.5％～9.5％；耐酸性≤5％，具有低密、高强、耐高温、耐腐蚀等特性，可作为中、深层页岩气专用压裂支撑剂。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的页岩气专用压裂支撑剂的SEM照片。

具体实施方式

实施例1：

1）将低碳煤矸石放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨0.5h，然后过120目筛，得到煤矸石粉，未通过120目筛的低碳煤矸石过48目～70目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为煤矸石母粒；将工业焦炭放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨0.5h，然后过180目筛，得到焦炭粉；其中，在干磨低碳煤矸石时，控制氧化铝球石和低碳煤矸石的质量比为3:1，在干磨工业焦炭时，控制氧化铝球石和工业焦炭的质量比为3:1；

2）按质量百分比，将68%的煤矸石粉、25%的锰矿渣、6.5%的硅微粉、0.5%的工业焦炭混合，得混合料；然后将混合料放入球磨机中以氧化铝球石为磨球加水湿磨混匀0.5h，形成混合泥浆，混合泥浆过320目筛；将过筛后的混合泥浆在压力式喷雾干燥塔中干燥，干燥形成的颗粒过8目～10目筛，制成实心的粉料颗粒；其中，在湿磨混合料时，控制氧化铝球石、混合料和水的质量比为2:1:0.7；压力式喷雾干燥塔的进风温度为270℃，热风炉温度为400℃，排风温度为100℃，过筛后的混合泥浆压力为330Pa；

3）将粉料颗粒用粉体解聚打散机打散成微粉，微粉过200目筛，得到造粒粉料；

4）以煤矸石母粒为种子，以造粒粉料为成长剂，采用糖衣机造粒，造粒过程中喷洒雾化水，造粒形成的颗粒过18目～30目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为成型颗粒；

5）将成型颗粒移入另一糖衣机内再次造粒，且以成型颗粒为种子，以焦炭粉为成长剂，造粒过程中间歇式喷洒雾化水，形成的颗粒过10目～14目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为待烧颗粒；

6）将待烧颗粒放入氧化铝坩埚中，并置于硅碳棒电阻炉内，以3℃/min加热速度自室温升温至150℃，保温5min，以10℃/min的加热速度升温至750℃，保温2h，随炉自然冷却后取出，过20目～40目筛，即得页岩气专用压裂支撑剂。

由图1可以看出：页岩气专用压裂支撑剂的材料基体相由粒状莫莱石和粒状方石英晶相、玻璃相及少量的气孔相组成，增强相为柱状、针状莫莱石（粒径：1.5-3.0μm×12-15μm）、粒状Al₂O₃相（粒径：1.5-2.5μm×3.0-5.5μm）。该材料呈纤维状－细晶结构，一定量的玻璃相粘结着莫莱石纤维，气孔内充满着莫莱石纤维，粒状Al₂O₃相和粒状方石英相较均匀弥撒在莫莱石纤维的周围，彼此以晶界接触，构成纤维/粒状的复合增强结构。

实施例2：

1）将低碳煤矸石放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨0.8h，然后过120目筛，得到煤矸石粉，未通过120目筛的低碳煤矸石过48目～70目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为煤矸石母粒；将工业焦炭放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨0.8h，然后过180目筛，得到焦炭粉；其中，在干磨低碳煤矸石时，控制氧化铝球石和低碳煤矸石的质量比为2.8:1，在干磨工业焦炭时，控制氧化铝球石和工业焦炭的质量比为2.8:1；

2）按质量百分比，将70%的煤矸石粉、22%的锰矿渣、7.3%的硅微粉、0.7%的工业焦炭混合，得混合料；然后将混合料放入球磨机中以氧化铝球石为磨球加水湿磨混匀1h，形成混合泥浆，混合泥浆过320目筛；将过筛后的混合泥浆在压力式喷雾干燥塔中干燥，干燥形成的颗粒过8目～10目筛，制成实心的粉料颗粒；其中，在湿磨混合料时，控制氧化铝球石、混合料和水的质量比为2.2:1:0.6；压力式喷雾干燥塔的进风温度为280℃，热风炉温度为460℃，排风温度为105℃，过筛后的混合泥浆压力为335Pa；

3）将粉料颗粒用粉体解聚打散机打散成微粉，微粉过200目筛，得到造粒粉料；

4）以煤矸石母粒为种子，以造粒粉料为成长剂，采用糖衣机造粒，造粒过程中喷洒雾化水，造粒形成的颗粒过18目～30目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为成型颗粒；

5）将成型颗粒移入另一糖衣机内再次造粒，且以成型颗粒为种子，以焦炭粉为成长剂，造粒过程中间歇式喷洒雾化水，形成的颗粒过10目～14目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为待烧颗粒；

6）将待烧颗粒放入氧化铝坩埚中，并置于硅碳棒电阻炉内，以3℃/min加热速度自室温升温至150℃，保温6min，以12℃/min的加热速度升温至780℃，保温1.8h，随炉自然冷却后取出，过20目～40目筛，即得页岩气专用压裂支撑剂。

实施例3：

1）将低碳煤矸石放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨1h，然后过120目筛，得到煤矸石粉，未通过120目筛的低碳煤矸石过48目～70目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为煤矸石母粒；将工业焦炭放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨1h，然后过180目筛，得到焦炭粉；其中，在干磨低碳煤矸石时，控制氧化铝球石和低碳煤矸石的质量比为2.5:1，在干磨工业焦炭时，控制氧化铝球石和工业焦炭的质量比为2.5:1；

2）按质量百分比，将73%的煤矸石粉、16.1%的锰矿渣、10%的硅微粉、0.9%的工业焦炭混合，得混合料；然后将混合料放入球磨机中以氧化铝球石为磨球加水湿磨混匀2h，形成混合泥浆，混合泥浆过320目筛；将过筛后的混合泥浆在压力式喷雾干燥塔中干燥，干燥形成的颗粒过8目～10目筛，制成实心的粉料颗粒；其中，在湿磨混合料时，控制氧化铝球石、混合料和水的质量比为2.4:1:0.6；压力式喷雾干燥塔的进风温度为290℃，热风炉温度为480℃，排风温度为108℃，过筛后的混合泥浆压力为340Pa；

3）将粉料颗粒用粉体解聚打散机打散成微粉，微粉过200目筛，得到造粒粉料；

4）以煤矸石母粒为种子，以造粒粉料为成长剂，采用糖衣机造粒，造粒过程中喷洒雾化水，造粒形成的颗粒过18目～30目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为成型颗粒；

5）将成型颗粒移入另一糖衣机内再次造粒，且以成型颗粒为种子，以焦炭粉为成长剂，造粒过程中间歇式喷洒雾化水，形成的颗粒过10目～14目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为待烧颗粒；

6）将待烧颗粒放入氧化铝坩埚中，并置于硅碳棒电阻炉内，以4℃/min加热速度自室温升温至150℃，保温7min，以13℃/min的加热速度升温至800℃，保温1.5h，随炉自然冷却后取出，过20目～40目筛，即得页岩气专用压裂支撑剂。

实施例4：

1）将低碳煤矸石放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨1.5h，然后过120目筛，得到煤矸石粉，未通过120目筛的低碳煤矸石过48目～70目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为煤矸石母粒；将工业焦炭放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨1.5h，然后过180目筛，得到焦炭粉；其中，在干磨低碳煤矸石时，控制氧化铝球石和低碳煤矸石的质量比为2.3:1，在干磨工业焦炭时，控制氧化铝球石和工业焦炭的质量比为2.3:1；

2）按质量百分比，将75%的煤矸石粉、19.2%的锰矿渣、5%的硅微粉、0.8%的工业焦炭混合，得混合料；然后将混合料放入球磨机中以氧化铝球石为磨球加水湿磨混匀2.5h，形成混合泥浆，混合泥浆过320目筛；将过筛后的混合泥浆在压力式喷雾干燥塔中干燥，干燥形成的颗粒过8目～10目筛，制成实心的粉料颗粒；其中，在湿磨混合料时，控制氧化铝球石、混合料和水的质量比为2.6:1:0.5；压力式喷雾干燥塔的进风温度为295℃，热风炉温度为490℃，排风温度为110℃，过筛后的混合泥浆压力为345Pa；

3）将粉料颗粒用粉体解聚打散机打散成微粉，微粉过200目筛，得到造粒粉料；

4）以煤矸石母粒为种子，以造粒粉料为成长剂，采用糖衣机造粒，造粒过程中喷洒雾化水，造粒形成的颗粒过18目～30目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为成型颗粒；

5）将成型颗粒移入另一糖衣机内再次造粒，且以成型颗粒为种子，以焦炭粉为成长剂，造粒过程中间歇式喷洒雾化水，形成的颗粒过10目～14目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为待烧颗粒；

6）将待烧颗粒放入氧化铝坩埚中，并置于硅碳棒电阻炉内，以4℃/min加热速度自室温升温至150℃，保温9min，以14℃/min的加热速度升温至830℃，保温1.3h，随炉自然冷却后取出，过20目～40目筛，即得页岩气专用压裂支撑剂。

实施例5：

1）将低碳煤矸石放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨2h，然后过120目筛，得到煤矸石粉，未通过120目筛的低碳煤矸石过48目～70目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为煤矸石母粒；将工业焦炭放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨2h，然后过180目筛，得到焦炭粉；其中，在干磨低碳煤矸石时，控制氧化铝球石和低碳煤矸石的质量比为2:1，在干磨工业焦炭时，控制氧化铝球石和工业焦炭的质量比为2:1；

2）按质量百分比，将78%的煤矸石粉、15%的锰矿渣、6%的硅微粉、1%的工业焦炭混合，得混合料；然后将混合料放入球磨机中以氧化铝球石为磨球加水湿磨混匀3h，形成混合泥浆，混合泥浆过320目筛；将过筛后的混合泥浆在压力式喷雾干燥塔中干燥，干燥形成的颗粒过8目～10目筛，制成实心的粉料颗粒；其中，在湿磨混合料时，控制氧化铝球石、混合料和水的质量比为3:1:0.5；压力式喷雾干燥塔的进风温度为300℃，热风炉温度为500℃，排风温度为115℃，过筛后的混合泥浆压力为350Pa；

3）将粉料颗粒用粉体解聚打散机打散成微粉，微粉过200目筛，得到造粒粉料；

4）以煤矸石母粒为种子，以造粒粉料为成长剂，采用糖衣机造粒，造粒过程中喷洒雾化水，造粒形成的颗粒过18目～30目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为成型颗粒；

5）将成型颗粒移入另一糖衣机内再次造粒，且以成型颗粒为种子，以焦炭粉为成长剂，造粒过程中间歇式喷洒雾化水，形成的颗粒过10目～14目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为待烧颗粒；

6）将待烧颗粒放入氧化铝坩埚中，并置于硅碳棒电阻炉内，以5℃/min加热速度自室温升温至150℃，保温10min，以15℃/min的加热速度升温至850℃，保温1h，随炉自然冷却后取出，过20目～40目筛，即得页岩气专用压裂支撑剂。

本发明对以上实施例1-5所制得的页岩气专用压裂支撑剂的性能指标依据SY/T5108-2006,“压裂支撑剂性能测试推荐方法”进行了测试，测试结果如表1所示：

表1实施例1-5制备的页岩气专用压裂支撑剂（20～40目筛）的性能指标

实施例6：

1）将低碳煤矸石放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨1.5h，然后过120目筛，得到煤矸石粉，未通过120目筛的低碳煤矸石过48目～70目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为煤矸石母粒；将工业焦炭放入球磨机中以氧化铝球石为磨球干磨1.5h，然后过180目筛，得到焦炭粉；其中，在干磨低碳煤矸石时，控制氧化铝球石和低碳煤矸石的质量比为2.3:1，在干磨工业焦炭时，控制氧化铝球石和工业焦炭的质量比为2.3:1；

2）按质量百分比，将75%的煤矸石粉、19.2%的锰矿渣、5%的硅微粉、0.8%的工业焦炭混合，得混合料；然后将混合料放入球磨机中以氧化铝球石为磨球加水湿磨混匀2.5h，形成混合泥浆，混合泥浆过320目筛；将过筛后的混合泥浆在压力式喷雾干燥塔中干燥，干燥形成的颗粒过8目～10目筛，制成实心的粉料颗粒；其中，在湿磨混合料时，控制氧化铝球石、混合料和水的质量比为2.6:1:0.5；压力式喷雾干燥塔的进风温度为300℃，热风炉温度为485℃，排风温度为112℃，过筛后的混合泥浆压力为347Pa；

3）将粉料颗粒用粉体解聚打散机打散成微粉，微粉过200目筛，得到造粒粉料；

4）以煤矸石母粒为种子，以造粒粉料为成长剂，采用糖衣机造粒，造粒过程中喷洒雾化水，造粒形成的颗粒过18目～30目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为成型颗粒；

5）将成型颗粒移入另一糖衣机内再次造粒，且以成型颗粒为种子，以焦炭粉为成长剂，造粒过程中间歇式喷洒雾化水，形成的颗粒过10目～14目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为待烧颗粒；

6）将待烧颗粒放入氧化铝坩埚中，并置于硅碳棒电阻炉内，以4℃/min加热速度自室温升温至150℃，保温9min，以5℃/min的加热速度升温至830℃，保温1.3h，随炉自然冷却后取出，过20目～40目筛，即得页岩气专用压裂支撑剂。

以上实施例1～6中的低碳煤矸石为碳质量含量在2.5％～7.5％的非自燃煤矸石，工业焦炭指标要求为：固定炭的质量分数大于等于83％，硫的质量分数小于等于0.5％，挥发分的质量分数小于等于1.5％，灰分的质量分数小于等于15％。硅微粉为工业级，粒度＜5μm，纯度＞95％；锰矿渣的粒度＜5mm，MnO₂的质量分数小于等于5％。

本发明提供了一种利用低碳煤矸石，优化支撑剂成型和烧成方式，添加少量工业焦炭，以自蔓延烧结的方式制备页岩气专用压裂支撑剂的方法。此方法利用低碳煤矸石和工业废弃物－锰矿渣为主料，添加微米级硅微粉，采用干法－湿法球磨和糖衣机二次造粒工艺，经过制浆、成球、超低温自蔓延烧结而成。该方法不仅开发利用了低碳煤矸石和锰矿废渣资源，原料来源广泛，而且合理的利用了煤矸石中的碳热量，烧成温度低，能耗小、低碳环保，生产过程简单易控，产品质量稳定，可生产低密度高强度石油压裂支撑剂，为中、深层页岩气田提供性能较好的压裂材料。

Claims (9)

1.一种利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将低碳煤矸石放入球磨机中干磨，然后过120目筛，得到煤矸石粉，未通过120目筛的低碳煤矸石过48目～70目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为煤矸石母粒，将焦炭放入球磨机中干磨，然后过180目筛，得到焦炭粉；

2）按质量百分比，将68%～78%的煤矸石粉、15%～25%的锰矿渣、5%～10%的硅微粉、0.5%～1%的焦炭混合，得混合料；然后将混合料放入球磨机中湿磨混匀形成混合泥浆；将混合泥浆干燥，制成粉料颗粒；

3）将粉料颗粒打散成微粉，得造粒粉料；

4）以煤矸石母粒为种子，以造粒粉料为成长剂，采用糖衣机造粒，造粒过程中喷洒雾化水，造粒形成的颗粒过18目～30目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为成型颗粒；

5）以成型颗粒为种子，以焦炭粉为成长剂，采用糖衣机造粒，造粒过程中喷洒雾化水，造粒形成的颗粒过10目～14目筛，将两筛之间的筛余物颗粒收集成为待烧颗粒；

6）将待烧颗粒放入坩埚中，并置于电炉内，以3℃/min～5℃/min的加热速度自室温升至150℃，保温5min～10min，以5℃/min～15℃/min的加热速度升至750℃～850℃，保温1h～2h，随炉自然冷却后取出，过20目～40目筛，即得页岩气专用压裂支撑剂。

2.根据权利要求1所述的利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法，其特征在于：所述的步骤1）中在干磨低碳煤矸石时，控制磨球和低碳煤矸石的质量比为(2～3):1，研磨时间为0.5h～2h；在干磨焦炭时，控制磨球和焦炭的质量比为(2～3):1，研磨时间为0.5h～2h。

3.根据权利要求1所述的利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法，其特征在于：所述的步骤1）中的低碳煤矸石为碳质量分数在2.5％～7.5％的非自燃煤矸石，所述的步骤1）～2）中的焦炭采用工业焦炭，工业焦炭的质量指标要求为：固定炭质量分数大于等于83％，硫的质量分数小于等于0.5％，挥发分的质量分数小于等于1.5％，灰分的质量分数小于等于15％。

4.根据权利要求1所述的利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法，其特征在于：所述的步骤2）中在湿磨混合料时，控制磨球、混合料和水的质量比为(2～3):1:(0.5～0.7)，研磨时间为0.5h～3h。

5.根据权利要求1所述的利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法，其特征在于：所述的步骤2）中的硅微粉为工业级，粒度＜5μm，纯度＞95％；锰矿渣的粒度＜5mm，MnO₂的质量分数小于等于5％。

6.根据权利要求1所述的利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法，其特征在于：所述的步骤2）的干燥是采用在压力式喷雾干燥塔实现的，且压力式喷雾干燥塔的进风温度为270℃～300℃，热风炉温度为400℃～500℃，排风温度为100℃～115℃，混合泥浆压力为330Pa～350Pa。

7.根据权利要求1所述的利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法，其特征在于：所述的步骤3）中的粉料颗粒采用粉体解聚打散机打散。

8.根据权利要求1所述的利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法，其特征在于：所述的步骤5）中喷洒雾化水的过程是间歇式的。

9.根据权利要求1所述的利用低碳煤矸石制备页岩气专用压裂支撑剂的方法，其特征在于：所述的步骤6）中坩埚采用氧化铝坩埚，电炉采用硅碳棒电阻炉。