CN103756665A - 一种以焦宝石为原料的低密度支撑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以焦宝石为原料的低密度支撑剂及其制备方法。该支撑剂采用焦宝石生料、欠烧焦宝石、易磨砂岩三种原料简单复配另加少量助剂，经湿法球磨、陈腐、干燥、造粒、烘干烧成和抛光制成。本发明干燥采用底部进物料及干燥热风，外加内部粉碎装置的干燥工艺，省去了喷雾干燥及打粉机，节约投资，净化工作环境。本发明利用焦宝石生、熟料复配，发挥各自优势。利用焦宝石生料容易球磨，其烧失成份形成气孔，降低支撑剂密度；利用欠烧焦宝石尾矿里已形成的莫来石，分散开玻璃相和起增强作用；利用砂岩带入SiO₂，与焦宝石生料中的氧化铝反应生产玻璃相，既有利于提高对莫来石相的粘结能力，又有利于将焦宝石烧失形成的气孔封闭住。

Description

一种以焦宝石为原料的低密度支撑剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石油、天然气、页岩气开采用低密度支撑剂及其制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

支撑剂是水力压裂开采石油、天然气的核心材料。它随压力液一起经高压注入油气井的地下岩层，当岩层在高压下被压裂后，支撑剂填充于岩层缝隙中，从而对压裂形成的油气通道在压裂过程终止后仍保持通畅状态，以获得高的导流能力和保持油气井的连续高产、稳产和延长油气井的开采寿命。支撑剂的抗破碎能力或强度是其重要性能指标之一。此外，支撑剂的密度对压裂技术非常重要。在填充空隙体积相同的情况下，低密度支撑剂的使用可减少支撑剂的用量；另一方面，为保证支撑剂在压裂液中处于悬浮分散状态，采用低密度支撑剂时，可使用低密度的压裂液，从而可降低压裂液的原料及压裂成本，并提高压裂效率。

为满足压裂支撑剂的强度要求，传统压裂支撑剂主要是采用铝矾土为原料制备的高铝组成体系，其中氧化铝含量高达70%以上。由于优质铝矾土资源日益匮乏，寻找其它含铝原料已成为陶粒支撑剂行业的当务之急。专利CN201210116790.0公开了利用低品位铝矾土制备陶粒支撑剂的方法；专利20091005979.9公开了利用陶瓷辊棒废料、赤泥及粉煤灰为原料制备适合中深井的压裂支撑剂；专利200910016599.7公开了利用废氧化铝吸附剂为原料制备高密度超高强度支撑剂的方法；这些方法扩大了陶粒支撑剂的原料来源。

焦宝石是我国淄博地区出产的一种优质硬质耐火粘土，其氧化铝含量在38%左右，煅烧后可达44%。从组成上看，焦宝石有替代铝矾土制备陶粒支撑剂的可能。通常使用都是焦宝石熟料，如申请号为201310452362.X、201310439049.2、201080042431.4及201010157346.4等专利所述。但焦宝石质地很硬，焦宝石熟料干法难以磨细，湿法研磨时，由于粘土粘性增加，焦宝石熟料内核难以磨到，常需要研磨很长研磨时间和/或需要加入分散剂、助磨剂等，这既增加能耗，又增加成本。此外，焦宝石熟料中以莫来石为主晶相，其密度高达3.11-3.26，这对制备低密度支撑剂是极其不利的。

为利用焦宝石制备陶粒支撑剂，必须首先解决焦宝石熟料在支撑剂生产过程中研磨难等问题。本发明以焦宝石生料为主（焦宝石生料含量大于50%），可提高研磨效率，同时结合添加易磨砂岩，使二组分同时磨细，从而降低焦宝石湿法磨细后的粘性，提高浆料分散性和研磨效率。 此外，焦宝石生料具有高的烧失，有助于在支撑剂中形成气孔，并且由于砂岩引入的二氧化硅能与焦宝石生料引入的氧化铝生成玻璃相，有利于降低支撑剂的密度。为在降低密度的同时，提高支撑剂的强度，在焦宝石生料与易磨砂岩的复合体系中，添加少量欠烧的焦宝石熟料，利用其生成的少量活性莫来石为形核，促进支撑剂烧成时莫来石的形成，并起到分散和增强玻璃相的作用，从而省去支撑剂表面涂布或添加钛精矿、锆英砂、氧化铝等矿物成份作为强度添加剂等措施。

目前陶粒支撑剂主要采用烧结法生产。其主要工艺过程包括：原料预处理—配料—制粉—制球—烧结。其中，制粉环节对于后续的支撑剂球坯的滚制成型极为重要。传统的制粉工艺主要有三种。一种是干磨工艺，采用球磨机、雷蒙磨等球磨设备，此法所得粉体较粗，且由于不同原料耐磨性不同，粉体的粒度分布宽；此外，干磨球磨能耗高，设备磨损大。第二种工艺是湿法球磨工艺，此法所得粉体粒度细，粉体较均匀。目前，此工艺占主导地位。但也存在一些缺点，即湿法球磨后泥浆需经进一步的喷雾干燥，传统的喷雾干燥都是上部进干燥用热风，中部进泥浆，或上部同时进热风及泥浆，此时形成的粉体颗粒粒径大、空心颗粒多，不利于支撑剂滚制成球所要求的粒度，为此，在喷雾干燥后，尚需经过高速粉碎机打粉工序。这既增加设备、厂房投资，又增加能耗，并给车间增加粉尘污染。

发明内容

本发明提供了一种低密度支撑剂及其制备方法。该支撑剂采用焦宝石生料、欠烧焦宝石、易磨砂岩三种原料简单复配配方另加少量助剂，经湿磨、干燥、制球、烘干烧成和抛光制成。实现低投资、简单化生产同时具有低密度和高强度的陶粒支撑剂。

本发明的技术方案是：一种以焦宝石为原料的低密度支撑剂，其特征是，由下述重量比的原料制成：焦宝石生料 52~65%，欠烧焦宝石 2~16%，易磨砂岩 32~46%，所述焦宝石生料、欠烧焦宝石和易磨砂岩的总量为100%；在此基础上另外加入0.5~3%的熔剂；所述熔剂为白云石、石灰石、碱式碳酸镁中的一种或多种。

焦宝石生料的化学组成（重量比）：Al₂O₃ 37.5-39.0%，SiO₂ 44-45%，Fe₂O₃ 0.8-0.9%，TiO₂ 0.5-0.8%；烧失 13-15%。

欠烧焦宝石是由焦宝石生料煅烧而成，煅烧温度 1200~1450℃，煅烧时间0.5~1小时；其化学组成（重量比）：Al₂O₃ 45-48%，SiO₂ 47-50%，Fe₂O₃ 1.0-1.2%，TiO₂ 0.6-0.9%；烧失 0.3-0.6%。

易磨砂岩，可以是风化的砂岩、河海沉积砂、砂岩矿粉磨后的细粉料（≦0.1mm），含SiO₂ 92~98%。

制备方法：将上述主料和熔剂复配后，经粉料湿法球磨、湿磨泥浆池陈腐、干燥、造粒、烘干烧成和抛光步骤制成，其特征是，所述干燥在干燥塔中进行，所述干燥塔的底部加装有粉碎装置，所述热风进口和物料进口设置于干燥塔底部的相对两侧，且物料进口的设置位置高于热风进口。热风从干燥塔的塔体底部鼓入，浆料从另一侧物料进口喷入，热风将浆料干燥，经干燥塔干燥后的颗粒落入粉碎设备打碎，然后随热风上升至粉料出口被带出并被收集。从而可以将专利CN201210116790.0中的喷雾干燥和粉料打散工序合二为一。

上述湿法球磨、湿磨泥浆池陈腐、造粒、烘干烧成和抛光步骤的具体方法可以采用专利CN201210116790.0公开的方法进行。

进一步地，上述粉碎装置包括粉碎转盘、底筛板、传动皮带和电动机依次相连，在电动机作用下，传动皮带带动粉碎转盘转动，将底筛板内的物料粉碎。

进一步地，干燥塔热风进口温度200~400 ℃，出口温度 60~130℃。

进一步地，湿磨泥浆从干燥塔底部泵入干燥塔，泵送压力0.3~06 MPa。

本发明的有益效果是：

（1）焦宝石生、熟料复配，发挥各自优势。利用焦宝石生料的烧失成份形成气孔，降低支撑剂密度；此外使用较多焦宝石生料，有利于物料研磨；利用欠烧焦宝石尾矿里已形成的莫来石，分散开玻璃相和起增强作用；

（2）利用砂岩带入SiO₂，与焦宝石生料中的氧化铝反应生产玻璃相，既有利于提高对莫来石相的粘结能力，又有利于提高粘度，将焦宝石烧失形成的气孔封闭住；

（3）易磨砂岩和焦宝石生料容易球磨，具有极佳的节能效果；

（4）采用底部进物料及干燥热风，外加内部粉碎装置的干燥工艺，可提高粉体干燥效率，减小粉体粒径，同时省去了喷雾干燥及打粉机，节约投资，净化工作环境。

附图说明

图1为本发明的干燥塔结构示意图；

附图标记：1、塔体，2、粉碎转盘，3、底筛板，4、传动皮带，5、电动机，6、热风进口，7、粉料出口，8、物料进口。

具体实施方式

如图1所示，本发明干燥塔包括塔体1，所述的塔体1底部设置有粉碎装置，所述粉碎装置包括粉碎转盘2、底筛板3、传动皮带4和电动机5依次相连，在电动机5作用下，传动皮带4带动粉碎转盘2转动，将底筛板3内的物料粉碎；所述塔体一侧底筛板3的下部设置有热风进口6；所述塔体另一侧粉碎转盘2的顶部设置有物料进口8；所述塔体1的顶部一侧设置有物料出口7。

热风从干燥塔的塔体1底部鼓入，浆料从另一侧物料进口8喷入，热风将浆料干燥，经干燥塔干燥后的颗粒落入粉碎底盘2被打碎，然后随热风上升至粉料出口7被带出并被收集。从而可以将专利CN201210116790.0中的喷雾干燥和粉料打散工序合二为一。

实施例1

（1）主料（重量比）：焦宝石生料 54%，轻烧焦宝石 8%，易磨砂岩 38%；

其中焦宝石生料的化学组成（重量比）：Al₂O₃ 38.5%，SiO₂ 44.5%，Fe₂O₃ 0.89%，K₂O 0.1%，Na₂O 0.12%，CaO 0.12%，MgO 0.18%，TiO₂ 0.6%；烧失 14.2%；

欠烧焦宝石组成（重量比）：由焦宝石生料煅烧而成；煅烧温度 1200~1450℃，煅烧时间0.5~1小时；其化学成分组成为：Al₂O₃ 46.52%，SiO₂ 48.9%，Fe₂O₃ 1.1%，K₂O 0.15%，Na₂O 0.17，CaO 0.31%，MgO 0.31%，TiO₂ 0.75%；烧失 0.5%； 

易磨砂岩（重量比）：砂岩矿粉磨后的细粉料，含SiO₂ 95%。

熔剂（重量比）：石灰石2%。

将主料与熔剂混合形成混合料。

（2）混合料：氧化铝球研磨介质：水=1：2.0~3.52：0.45~1.2的重量比混合后，置于球磨机中湿磨5~30小时成为泥浆，使泥浆粒度达到5~20微米，放入泥浆池陈腐；

（3）陈腐后所得泥浆从干燥塔底部泵入干燥塔，泵送压力0.3~06 MPa，经干燥得到水份为0.5~4%的颗粒。干燥塔热风进口温度200~400 ℃，出口温度 60~130℃。 

（4）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（CN201210116790.0的图1所示）中，于1200~1450℃下保温时间2~4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。所得产品的性能指标如表1所示。

实施例2

（1）主料（重量比）：焦宝石生料 52%，轻烧焦宝石 14%，易磨砂岩 34%，各原料的组成成分同实施例1。

熔剂（重量比）：碱式碳酸镁0.5%。

（2）制备方法同实施例1。所得产品的性能指标如表1所示。

实施例3

（1）主料（重量比）：焦宝石生料 53%，轻烧焦宝石 2%，易磨砂岩 45%，各原料的组成成分同实施例1。

熔剂（重量比）：白云石 1.5%。

（2）制备方法同实施例1。所得产品的性能指标如表1所示。

实施例4

  （1）主料（重量比）：焦宝石生料 65%，轻烧焦宝石 2%，易磨砂岩 33%，各原料的组成成分同实施例1。

熔剂：石灰石2%、白云石 0.5%。

（2）制备方法同实施例1。所得产品的性能指标如表1所示。

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1-4制作的陶粒支撑剂产品进行测试，主要性能指标如下。

Claims (9)

1.一种以焦宝石为原料的低密度支撑剂，其特征是，由下述重量比的原料制成：焦宝石生料 52~65%，欠烧焦宝石 2~16%，易磨砂岩 32~46%，所述焦宝石生料、欠烧焦宝石和易磨砂岩的总量为100%；在此基础上另外加入0.5~3%的熔剂；所述熔剂为白云石、石灰石、碱式碳酸镁中的一种或多种。

2.如权利要求1所述的一种以焦宝石为原料的低密度支撑剂，其特征是，所述焦宝石生料的化学组成按重量比如下：Al₂O₃ 37.5-39.0%，SiO₂ 44-45%，Fe₂O₃ 0.8-0.9%，TiO₂ 0.5-0.8%；烧失 13-15%。

3.如权利要求1所述的一种以焦宝石为原料的低密度支撑剂，其特征是，所述欠烧焦宝石是由焦宝石生料煅烧而成，煅烧温度 1200~1450℃，煅烧时间0.5~1小时。

4.如权利要求3所述的一种以焦宝石为原料的低密度支撑剂，其特征是，所述欠烧焦宝石的化学组成按重量比如下：Al₂O₃ 45-48%，SiO₂ 47-50%，Fe₂O₃ 1.0-1.2%，TiO₂ 0.6-0.9%；烧失 0.3-0.6%。

5.如权利要求1所述的一种以焦宝石为原料的低密度支撑剂，其特征是，所述易磨砂岩为风化的砂岩、河海沉积砂或砂岩矿粉磨后的细粉料，含SiO₂ 92~98%。

6.一种制备权利要求1-5中任意一项所述的低密度支撑剂的方法，经复配、粉料湿法球磨、湿磨泥浆池陈腐、干燥、造粒、烘干烧成和抛光步骤制成低密度支撑剂，其特征是，所述干燥在干燥塔中进行，所述干燥塔的底部加装有粉碎装置，所述热风进口和物料进口设置于干燥塔底部的相对两侧，且物料进口的设置位置高于热风进口；热风从干燥塔的塔体底部鼓入，陈腐后的湿磨泥浆从另一侧物料进口喷入，热风将湿磨泥浆干燥，经干燥塔干燥后的颗粒落入粉碎设备打碎，然后随热风上升至粉料出口被带出并被收集。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征是，所述粉碎装置包括粉碎转盘、底筛板、传动皮带和电动机依次相连，在电动机作用下，传动皮带带动粉碎转盘转动，将底筛板内的物料粉碎。

8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征是，所述干燥塔热风进口温度200~400 ℃，出口温度 60~130℃。

9.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征是，所述湿磨泥浆进干燥塔的泵送压力为0.3~06 MPa。

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