CN103421485A - 一种煤层压裂轻质陶粒支撑剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种煤层压裂轻质陶粒支撑剂及其制备方法。煤层压裂轻质陶粒支撑剂所用各原料为：粉煤灰、铝矾土、烧结助剂、成孔剂、分散剂和水。本发明不仅提供了一种适于煤层压裂、成本低廉的轻质陶粒支撑剂，还对保护环境、固体废弃物的资源化利用找到一条很好的出路。
Description
技术领域
本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种煤层压裂轻质陶粒支撑剂及其制备方法。
背景技术
我国煤层气资源储量巨大而丰富，它主要以吸附状态存在于煤层的内表面上，也有部分以游离状态存在于煤层的裂缝和孔隙中。我国煤层气资源的产量约为3.45×1013m3，位于世界第三，与常规天然气储量相当。煤层气又称为“瓦斯”，主要成分为甲烷，是一种清洁高效的能源，不仅可以用于民用燃料，还可以作为工业燃料、化工燃料等。合理并安全地开发煤层气资源可以有效提高煤矿开发的环境安全指数，而且对我国日益紧张的资源供应现状有很好的缓解作用，故实现先采气后采煤、采气采煤一体化的安全生产技术方针，使煤炭和瓦斯协调开发，从根本上解决瓦斯灾害威胁，对煤矿安全生产、低碳发展来说十分必要。要实现瓦斯地面产业化开发，煤层气开发所需煤层压裂专用轻质陶粒支撑剂的研究是该技术发行的基础。
煤层气资源一般具有埋藏浅、温度低、抗压强度低、渗透性差等特点，所以要想实现工业化开采和利用，我们必须人为地对其施加增产措施。目前国内外最常用的增产措施是水力压裂技术，它通过改造井筒与煤层天然裂缝网络之间的连通性，从而在排水降压时合理地分配井孔周围的压降，提供能量和增加气体解吸速率，使煤层气被快速排出地面。压裂液和支撑剂是煤层气井压裂增产的关键材料，决定着压裂增产的最终效果。
在很大程度上，支撑剂在裂缝中的分布决定着裂缝的导流能力，当压裂完成后，裂缝会闭合在填充的支撑剂上，因此支撑剂充当着支撑裂缝并且防止裂缝重新闭合的角色，它是一种固体颗粒，对煤层气的开采率及产量的提高有着重大影响。随着国内外压裂技术的快速发展，支撑剂俨然成为其中不可或缺的因素。目前国内外应用较广泛的支撑剂是石英砂和陶粒支撑剂，而石英砂具有圆球度差、表面光洁度低、导流能力差等缺点，而且石英砂作为支撑剂受嵌入、颗粒运移、堵塞等因素的影响，压裂后裂缝导流能力可降低90%或更低。而目前石油开采用的石油压裂支撑剂，一般用在几千米的深井，是一种以铝矾土为主要原料的球形颗粒，通过粉末制粒烧结而成，一般分为中等强度支撑剂和高等强度支撑剂，具有高密度、低破碎率、高强度、高导流能力等优点，但也存在成本高等特点。而煤层气一般井深1000米左右，国外技术多采用泡沫压裂液、活性水压裂液、活性水-氮气注排等，该压裂系统都要求支撑剂密度小，强度相对较低，因此研究低成本煤层压裂专用轻质陶粒支撑剂可以说是十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤层压裂轻质陶粒支撑剂及其制备方法。
本发明采用以下技术方案：
煤层压裂轻质陶粒支撑剂，所用各原料及其重量比为：粉煤灰：铝矾土：烧结助剂：成孔剂：分散剂：水= 30～52：34～48：2～15：0.3～9：0.1～4：60～150。
所述烧结助剂为高岭土、滑石、长石、叶腊石、白云石、石英、碳酸镁、石灰石中的一种或多种；所述成孔剂为碳酸钙、碳粉或水溶性淀粉；所述分散剂为聚羧酸钠、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸纳、六偏磷酸钠、偏硅酸钠或三聚磷酸钠。
所述粉煤灰中氧化铝的质量百分含量为26～48 %；所述铝矾土中氧化铝的质量百分含量为大于72 %。
煤层压裂轻质陶粒支撑剂的制备方法，包括以下步骤：按比例称取各原料，混入球磨机中湿法球磨、过筛、烘干、打散，而后经成球、烘干、煅烧后制得。
各原料混入球磨机中湿法球磨至D50=1.8～12μm，过40～80目筛后制成浆料，浆料烘干至含水率小于5%，打散；打散后的原料制成20～40目的球体，烘干至含水率小于5%。
煅烧时的过程为：首先以 1.5～3.0℃/min 的升温速度升至100～130℃保温1～2小时，再以 0.5～3℃/min 的升温速度升至 500～650℃保温1～1.5小时，再以2～5℃/min 的升温速度升至1080～1250℃保温1～4小时。
本发明的煤层压裂轻质陶粒支撑剂，由于粉煤灰的漂珠中内部为空心结构，利用粉煤灰中漂珠的原始孔洞，加入成孔剂煅烧后留下的以及颗粒堆积形成的孔隙，在材料内部形成大量细小的闭口气孔，使密度降低。同时因为粉煤灰和铝矾土中都含有氧化铝，高温煅烧后与材料中的二氧化硅形成莫来石，使陶粒支撑剂获得适宜的强度，以满足煤层气开采所用压裂支撑剂的质量要求。本发明不仅提供了一种适于煤层压裂、成本低廉的轻质陶粒支撑剂，还对保护环境、固体废弃物的资源化利用找到一条很好的出路。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为实施例1所用原料粉煤灰的SEM图；
图3为实施例1制得的煤层压裂轻质陶粒支撑剂的SEM图。
具体实施方式
实施例1：
所用原料为：粉煤灰460g、铝矾土420g、高岭土60g、滑石20g、长石30g、石英10g、水溶性淀粉80g、聚丙烯酸铵25g、水1100g。
制备时将以上各原料加入球磨机中球磨至D50=4.5μm，过80目筛，筛下浆料放入烘箱中，于105℃烘干至原料含水率4.3 %，放入粉碎机中打散3分钟，取出；
打散后的原料做成60目球形种子，种子送入滚球机中，在滚球机中不断喷水加料，不断循环，使种子成球（滚球时间1小时），利用20目和40目的标准筛，取20目至40目之间的球体，放入烘箱中，于105℃烘干至原料含水率3.2 %，然后煅烧；
煅烧时首先以 1.5℃/min 的升温速度升至120℃（保温1.0小时），再以1.5℃/min 的升温速度升至 600℃（保温1小时），再以4 ℃/min 的升温速度升至1120℃（保温2小时），即得煤层压裂轻质陶粒支撑剂。
图2为粉煤灰SEM图，粉煤灰中存在着大量具有很高耐火度的球状玻璃微珠（漂珠），由于这些微珠的存在，对降低陶粒砂的密度起到作用。图3为实施例1所制备样品SEM图，样品内部有大量细小气孔，这对降低材料密度，并使材料具有较高的耐压强度。
实施例2：
所用原料为：粉煤灰300g、铝矾土340g、高岭土20g、石灰石10g、碳酸钙10g、偏硅酸钠3g、水1000 mL。
制备时将以上各原料加入球磨机中球磨至D50=7.5μm，过80目筛，筛下浆料放入烘箱中，于70℃烘干至原料含水率3.8 %，放入粉碎机中打散3分钟，取出；
打散后的原料做成60目球形种子，种子送入滚球机中，在滚球机中不断喷水加料，不断循环，使种子成球（滚球时间1.5小时），利用20目和40目的标准筛，取20目至40目之间的球体，放入烘箱中，于70℃烘干至原料含水率4.0 %，然后煅烧；
煅烧时首先以 2 ℃/min 的升温速度升至100℃（保温1.5小时），再以3 ℃/min 的升温速度升至 500℃（保温1.5小时），再以4.5 ℃/min 的升温速度升至1160℃（保温2.5小时），即得煤层压裂轻质陶粒支撑剂。
实施例3：
所用原料为：粉煤灰520g、铝矾土350g、高岭土50g、长石40g、石英40g、水溶性淀粉30g、聚羧酸钠32 g、水1000 mL。
制备时各原料按比例加入球磨机中球磨至D50=7.1μm，过80目筛，筛下浆料放入烘箱中，于110℃烘干至原料含水率4.8 %，放入粉碎机中打散3分钟，取出；
打散后的原料做成60目球形种子，种子送入滚球机中，在滚球机中不断喷水加料，不断循环，使种子成球（滚球时间0.5小时），利用20目和40目的标准筛，取20目至40目之间的球体，放入烘箱中，于110℃烘干至原料含水率5%，然后煅烧；
煅烧时首先以 3℃/min 的升温速度升至130℃（保温2.0小时），再以2.5℃/min 的升温速度升至 650℃（保温1小时），再以3 ℃/min 的升温速度升至1200℃（保温4小时），即得煤层压裂轻质陶粒支撑剂。
对实施例1～3所得煤层压裂轻质陶粒支撑剂，其检测结果如表1。
表1 实施例1-3煤层压裂轻质陶粒支撑剂检测分析结果
杯压强度和酸溶解度按标准SY/T 5108-2006“压裂支撑剂性能指标及测试推荐作法”进行，导流能力按SY/T 6302-2009标准“压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法”进行。
Claims (6)
1.一种煤层压裂轻质陶粒支撑剂，其特征在于，所用各原料及其重量比为：粉煤灰：铝矾土：烧结助剂：成孔剂：分散剂：水= 30～52：34～48：2～15：0.3～9：0.1～4：60～150。
2.如权利要求1所述的煤层压裂轻质陶粒支撑剂，其特征在于：所述烧结助剂为高岭土、滑石、长石、叶腊石、白云石、石英、碳酸镁、石灰石中的一种或多种；所述成孔剂为碳酸钙、碳粉或水溶性淀粉；所述分散剂为聚羧酸钠、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸纳、六偏磷酸钠、偏硅酸钠或三聚磷酸钠。
3.如权利要求1或2所述的煤层压裂轻质陶粒支撑剂，其特征在于：所述粉煤灰中氧化铝的质量百分含量为26～48 %；所述铝矾土中氧化铝的质量百分含量大于72 %。
4.权利要求1-3任一项所述的煤层压裂轻质陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：按比例称取各原料，混入球磨机中湿法球磨、过筛、烘干、打散，而后经成球、烘干、煅烧后制得。
5.如权利要求4所述的煤层压裂轻质陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：各原料混入球磨机中湿法球磨至D50=1.8～12μm，过40～80目筛后制成浆料，浆料烘干至含水率小于5%，打散；打散后的原料制成20～40目的球体，烘干至含水率小于5%。
6.如权利要求4所述的煤层压裂轻质陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：煅烧时的过程为：首先以 1.5～3.0℃/min 的升温速度升至100～130℃保温1～2小时，再以 0.5～3℃/min 的升温速度升至 500～650℃保温1～1.5小时，再以2～5℃/min 的升温速度升至1080～1250℃保温1～4小时。
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