CN103992785B - 陶粒支撑剂组合物和陶粒支撑剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种陶粒支撑剂组合物，其中，该组合物含有铝矾土、氧化锰、氧化镁、氧化铁和烧结添加剂。本发明还公开一种陶粒支撑剂的制备方法，该方法包括：将上述陶粒支撑剂组合物与水进行接触，并进行造粒和烧结。本发明还公开上述方法制得的陶粒支撑剂及其在油井气井压裂中的应用。本发明中，通过所述组合物中的各个组分的协同作用，能够获得在86MPa的闭合压力下具有小于3%的破碎率，且具有大于3.3g/cm3的视密度和大于2.5g/cm3的体密度的，适于用于油井气井压裂中的，具有良好圆球状的超高强度高密度的陶粒支撑剂。

Description

陶粒支撑剂组合物和陶粒支撑剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种陶粒支撑剂组合物，由该组合物制备得到的陶粒支撑剂及其制备方法和应用。
背景技术
支撑剂是油气深井、超深井的压裂工艺中的关键材料，对提高油气产量和延长油、气井的使用寿命有着重要作用。用于压裂工艺的支撑剂主要分为天然支撑剂和人造支撑剂两大类型，天然支撑剂主要以石英砂为代表，人造支撑剂以陶粒和树脂包层砂为代表。由于作为天然支撑剂的石英砂杂质含量较高且抗压强度低，难以满足高闭合压力下的油井开采的要求。而作为人造支撑剂的陶粒支撑剂产品大都采用经过600-1000℃焙烧后的铝矾土作基料，其制作成本高、能源的消耗高、资源的利用率低，并且难以制得满足超高强度高密度的陶粒支撑剂的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的陶粒支撑剂的制备工艺中存在的成本高、耗能大、难以获得超高强度高密度的陶粒支撑剂等缺陷，提供一种能够低成本地、低能耗地获得超高强度高密度的陶粒支撑剂的陶粒支撑剂组合物、陶粒支撑剂及其制备方法。
本发明提供一种陶粒支撑剂组合物，其中，该组合物含有铝矾土、氧化锰、氧化镁、氧化铁和烧结添加剂。
本发明还提供了一种陶粒支撑剂的制备方法，其中，该方法包括：将上述陶粒支撑剂组合物与水进行接触，并进行造粒和烧结。
本发明还提供了由上述制备方法制得的陶粒支撑剂。
本发明还提供了上述陶粒支撑剂在油井气井压裂中的应用。
通过本发明的陶粒支撑剂组合物，无需采用经过高温焙烧的铝钒土作为基料，因此其制备成本较低。并且本发明的陶粒支撑剂在86MPa的闭合压力下具有小于3％的破碎率，且具有大于3.3g/cm3的视密度和大于2.5g/cm3的体密度，其是一种具有良好圆球状的超高强度高密度的陶粒支撑剂，特别适用于油井气井的压裂。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供一种陶粒支撑剂组合物，其中，该组合物含有铝矾土、氧化锰、氧化镁、氧化铁和烧结添加剂。
根据本发明，尽管当所述陶粒支撑剂组合物中含有铝矾土、氧化锰、氧化镁、氧化铁和烧结添加剂即可低成本地、低能耗地获得较高密度、较高强度的陶粒支撑剂，但是优选情况下，以100重量份的所述铝矾土为基准，氧化锰的含量为0.5-7重量份，氧化镁的含量为0.2-2.5重量份，氧化铁的含量为0.1-3.5重量份，所述烧结添加剂的含量为0.5-3重量份。更优选地，以100重量份的所述铝矾土为基准，氧化锰的含量为1-6重量份，氧化镁的含量为0.3-2重量份，氧化铁的含量为0.1-3重量份，所述烧结添加剂的含量为0.8-1.5重量份。更进一步优选地，以100重量份的所述铝矾土为基准，氧化锰的含量为1-2重量份，氧化镁的含量为0.3-1重量份，氧化铁的含量为0.1-0.5重量份，所述烧结添加剂的含量为0.8-1重量份。通过上述的组成可以获得更高强度更高密度的优良的陶粒支撑剂。
根据本发明，所述铝矾土可以为本领域公知的能够用于制备高强度高密度陶粒支撑剂的铝土矿。通常所述铝矾土中含有氧化铝、二氧化硅、氧化钛等，其中，所述铝矾土中含有的氧化铝可以在烧结过程中形成刚玉相、莫来石相等。为了获得高密度高强度的陶粒支撑剂，优选采用氧化铝含量较高的铝矾土，优选地，本发明中采用的铝矾土含有75重量％以上的氧化铝，更优选含有75-85重量％的氧化铝。当所述铝矾土中含有上述含量的氧化铝时，可以在后述制备陶粒支撑剂的烧结过程中获得较多的刚玉相，从而更可以获得高密度和高强度的陶粒支撑剂。
在本发明的一种优选实施方式中，所述铝矾土的组成为：75-85重量％的氧化铝，5-10重量％的二氧化硅，0.5-1.5重量％的氧化钙，1.2-5重量％的三氧化二铁。
根据本发明，所述铝矾土优选为颗粒状，且粒径为0.044mm以下。所述颗粒状的铝矾土可以通过将铝矾土进行研磨而得到。另外，更优选在进行研磨之前对所述铝矾土进行干燥，所述干燥的温度可以为100-200℃。通过将所述铝矾土干燥后，可以去除其中含有的水分，有利于将其研磨为均匀的较细粉末，同时不会因过多的水分而导致结块，还可以使得所述陶粒支撑剂组合物中的各个组分混合得更为均匀。
根据本发明，由于所述陶粒支撑剂组合物中含有氧化锰(MnO)、氧化镁(MgO)和氧化铁(Fe2O3)，因而在后述制备陶粒支撑剂的烧结过程中，所述陶粒支撑剂组合物中锰、镁和铁原子可以与铝原子形成固溶体，其固溶体在高温下填补孔隙，使得陶粒支撑剂致密化，从而与氧化铝形成的刚玉相和莫来石相一起构成了陶粒支撑剂的主体，增大其强度和烧结性能。
根据本发明，所述陶粒支撑剂组合物中含有烧结添加剂。所述烧结添加剂可以是本领域常规的用于烧结陶粒支撑剂的添加剂的一种或多种，优选地，所述烧结添加剂为硅酸盐和/或偏铝酸盐，更优选为硅酸盐和偏铝酸盐。
在本发明中，所述硅酸盐例如可以为硅酸钠、硅酸钾、硅酸钙、硅酸镁、硅酸铝和硅酸锌等中的一种或多种；所述偏铝酸盐例如可以为偏铝酸钠、偏铝酸钾、偏铝酸钙和偏铝酸镁等中的一种或多种。当陶粒支撑剂组合物中添加有烧结添加剂，特别是上述组成的烧结添加剂时，将该陶粒支撑剂组合物用于烧结制备陶粒支撑剂，可以进一步获得增加陶粒支撑剂强度的效果。
根据本发明的一种优选实施方式，所述烧结添加剂含有50-80重量％的硅酸盐和20-50重量％的偏铝酸盐。
根据本发明，所述陶粒支撑剂组合物中还可以添加本领域常规用于陶粒支撑剂中的添加剂，所述添加剂例如可以膨润土、硼化物和白云石等中的一种或多种。
本发明还提供了一种陶粒支撑剂的制备方法，其中，该方法包括：将上述陶粒支撑剂组合物与水进行接触，并进行造粒和烧结。
在本发明中，所采用的铝矾土无需经过高温焙烧(如600-1000℃下的焙烧处理)，而是直接干燥研磨后使用，在与所述陶粒支撑剂组合物中其他组分的协同作用下，可以获得高密度和高强度的陶粒支撑剂，从而降低了成产能耗和生产成本。
根据本发明，优选在将所述陶粒支撑剂组合物与水接触前，将所述陶粒支撑剂组合物中的各个组分混合均匀。所述接触可以在任何容器中进行，优选在成球机中接触，这样便可快速地将与水进行接触的所述陶粒支撑剂组合物进行造粒。优选地，所述水以雾化水汽的形式加入成球机中与所述陶粒支撑剂组合物进行接触。所述水的用量并没有特别地限制，可以根据不同的陶粒支撑剂的球粒粒径进行调整，优选地，以100重量份的所述组合物为基准，所述水的用量为0.5-6重量份，更优选为2-4重量份。
根据本发明，在成球机中与水进行接触的所述陶粒支撑剂组合物可以制备成球粒。在成球机中，优选控制200-500rpm的转速进行造粒，为了达到增加陶粒强度的目的，优选所述造粒所得的球粒的粒径为0.45-0.95mm。当制得的陶粒支撑剂具有该范围的粒径时，可以获得在86MPa压力下，陶粒支撑剂仍可保持低破碎率的压裂支撑的效果。
根据本发明，将上述造粒的后的球粒进行烧结，所述烧结可以在本领域常规的烧结装置中进行，例如砖窑中。所述烧结的条件可以为本领域常规的用于烧结的条件，为了获得优良的陶粒支撑剂，本发明中优选所述烧结的条件包括：温度为1100-1600℃，时间为2-4小时。更优选地，所述烧结的条件包括：温度为1200-1500℃，时间为2-3.5小时。
本发明还提供了由上述制备方法制得的陶粒支撑剂。
根据本发明，所制得的陶粒支撑剂在86MPa的闭合压力下具有小于3％的破碎率，且具有大于3.3g/cm3的视密度和大于2.5g/cm3的体密度，其是一种具有良好圆球状的超高强度高密度的陶粒支撑剂。
本发明还提供了上述陶粒支撑剂在油井气井压裂中的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，成球机为宝鸡中药机械厂制备的YK-60型号的成球机；
破碎率、体积密度、视密度通过中国石油化工集团公司企业标准Q/SH0051-2007进行测量；
圆度和球度根据SY/T5108-2006《压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法》中的方法进行测量；
铝矾土的组成为：83重量％的氧化铝，10重量％的二氧化硅，1重量％的氧化钙，4重量％的三氧化二铁，余量为不可避免的物质。
以下实施例1-5用于说明本发明的陶粒支撑剂组合物和陶粒支撑剂及其制备方法。
实施例1
将100重量份的干燥的铝矾土(由铝矾土生矿在150℃下干燥1h得到)研磨至粒径为0.044mm的粉料，加入1重量份的氧化锰、1重量份的氧化镁、0.5重量份的氧化铁和0.8重量份的烧结添加剂(60重量％的硅酸钠和40重量％的偏铝酸钠)，混合后转入成球机中，在300rpm转速下搅拌，加入2重量份的雾化水汽得到0.67mm粒径的球粒。将该球粒送入砖窑中，在1200℃下烧结2.5小时，得到陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度、体积密度、圆度和球度如表1所示。
实施例2
将100重量份的干燥的铝矾土(由铝矾土生矿在100℃下干燥1.5h得到)研磨至粒径为0.044mm的粉料，加入1.2重量份的氧化锰、0.3重量份的氧化镁、0.2重量份的氧化铁和1.0重量份的烧结添加剂(50重量％的硅酸钠和50重量％的偏铝酸钠)，混合后转入成球机中，在350rpm转速下搅拌，加入2重量份的雾化水汽得到0.61mm粒径的球粒。将该球粒送入砖窑中，在1300℃下烧结2小时，得到陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度、体积密度、圆度和球度如表1所示。
实施例3
将100重量份的干燥的铝矾土(由铝矾土生矿在170℃下干燥1h得到)研磨至粒径为0.043mm的粉料，加入1.3重量份的氧化锰、0.5重量份的氧化镁、0.1重量份的氧化铁和1.0重量份的烧结添加剂(70重量％的硅酸镁和30重量％的偏铝酸钾)，混合后转入成球机中，在350rpm转速下搅拌，加入1.5重量份的雾化水汽得到0.66mm粒径的球粒。将该球粒送入砖窑中，在1400℃下烧结1.5小时，得到陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度、体积密度、圆度和球度如表1所示。
实施例4
将100重量份的干燥的铝矾土(由铝矾土生矿在150℃下干燥1h得到)研磨至粒径为0.044mm的粉料，加入2重量份的氧化锰、0.3重量份的氧化镁、0.1重量份的氧化铁和1.0重量份的烧结添加剂(60重量％的硅酸钠和40重量％的偏铝酸钠)，混合后转入成球机中，在400rpm转速下搅拌，加入3重量份的雾化水汽得到0.70mm粒径的球粒。将该球粒送入砖窑中，在1150℃下烧结3小时，得到陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度、体积密度、圆度和球度如表1所示。
对比例1
根据实施例1的方法，所不同的是，不加入氧化铁，制得陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度、体积密度、圆度和球度如表1所示。
对比例2
根据实施例1的方法，所不同的是，不加入氧化镁，制得陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度、体积密度、圆度和球度如表1所示。
对比例3
根据实施例1的方法，所不同的是，不加入氧化锰，制得陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度、体积密度、圆度和球度如表1所示。
对比例4
根据实施例1的方法，所不同的是，不加入烧结添加剂，制得陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度、体积密度、圆度和球度如表1所示。
表1
从表1可以看出，通过本发明的陶粒组合物可以制得具有在86MPa的闭合压力下的小于3％的破碎率，具有大于3.3g/cm3的视密度和大于2.5g/cm3的体密度，且具有良好圆球度的超高强度高密度的陶粒支撑剂。通过比较实施例和对比例的数据也可以看出，本发明的陶粒支撑剂，是通过所述陶粒组合物中的各个组成的协同作用而得到的，因此，所用的铝矾土在使用前无需焙烧，节约了能耗，降低的生产成本。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种陶粒支撑剂组合物，其特征在于，该组合物含有铝矾土、氧化锰、氧化镁、氧化铁和烧结添加剂；以100重量份的所述铝矾土为基准，氧化锰的含量为0.5-7重量份，氧化镁的含量为0.2-2.5重量份，氧化铁的含量为0.1-3.5重量份，所述烧结添加剂的含量为0.5-3重量份；所述烧结添加剂含有50-80重量％的硅酸盐和20-50重量％的偏铝酸盐。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中，以100重量份的所述铝矾土为基准，氧化锰的含量为1-6重量份，氧化镁的含量为0.3-2重量份，氧化铁的含量为0.1-3重量份，所述烧结添加剂的含量为0.8-1.5重量份。
3.根据权利要求1或2所述的组合物，其中，所述铝矾土含有75重量％以上的氧化铝。
4.根据权利要求3所述的组合物，其中，所述铝矾土含有75-85重量％的氧化铝。
5.根据权利要求3所述的组合物，其中，所述铝矾土为颗粒状，且粒径为0.044mm以下。
6.一种陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于，该方法包括：将权利要求1-5中任意一项所述的陶粒支撑剂组合物与水进行接触，并进行造粒和烧结。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，以100重量份的所述组合物为基准，所述水的用量为0.5-6重量份。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，以100重量份的所述组合物为基准，所述水的用量为2-4重量份。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述造粒所得的球粒的粒径为0.45-0.95mm。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述烧结的条件包括：温度为1100-1600℃，时间为2-4小时。
11.一种由权利要求6-10中任意一项所述的方法制得的陶粒支撑剂。
12.权利要求11所述的陶粒支撑剂在油井气井压裂中的应用。
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