CN104592970A - 超低密度陶粒砂支撑剂及其制备方法 - Google Patents

超低密度陶粒砂支撑剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低密度陶粒砂支撑剂及其制备方法。以重量百分比表示，所述超低密度陶粒砂支撑剂是由紫砂土15～20%、硅石10～15%和生铝矿石65～75%制成。首先将所需原料破碎，然后进行配料磨粉，所得细粉送入制粒机中造粒；造粒后所得生粒筛选，然后进入回转窑煅烧、冷却，最后再次筛选，得到产品。利用本发明制备的陶粒砂支撑剂具有超低体积密度、相对较低视密度、较高抗破碎能力且表面光洁度较好等优点。利用本发明产品陶粒砂支撑剂能降低油田开采成本、并且能够使油田增产。

Description

超低密度陶粒砂支撑剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶粒砂支撑剂及其制备方法，特别是涉及一种超低密度陶粒砂支撑剂。
背景技术
陶粒砂是应用于石油开采水力压裂技术中支撑水力裂缝的高强度支撑剂，是油、气田开发中必不可少的材料之一，其主要原料为铝矾土、锰矿砂、白云石和铁矿石等；随着上述原料资源的不断开采利用，价格逐渐升高且储量逐年减少，原料购进困难且成本较高；目前，石油压裂支撑剂的种类有很多，包括陶粒砂、石英砂和树脂砂，树脂砂价格较高，石英砂强度等级较低，市场上现有的陶粒砂价格适中，但密度一般较高，单位面积水利裂缝所需的砂子数量较大，因此增大了油田开采时的压裂成本。现有陶粒砂通过铝矾土及降温剂锰矿砂和白云石制成，这几种物质混合烧结后，陶粒砂的表面经放大后带有毛刺且表面凸凹不平，堆积后砂子中间的缝隙形成的通道不均匀，相对倒流能力较低，使用此类砂子的油井产量较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术中陶粒砂存在的不足之处，本发明提供一种具有超低体积密度、相对较低视密度、较高抗破碎能力且表面光洁度较好的超低密度陶粒砂支撑剂及其制备方法。利用本发明技术方案制备的陶粒砂支撑剂能降低油田开采成本、并且能够使油田增产。
为了解决上述问题，本发明采取的技术方案为：
    本发明提供一种超低密度陶粒砂支撑剂，以重量百分比表示，所述超低密度陶粒砂支撑剂是由紫砂土15～20%、硅石10～15%和生铝矿石65～75%制成。
根据上述的超低密度陶粒砂支撑剂，所述紫砂土中各种化学元素氧化物含量百分比为AL2O3 15～25%、SiO2 50～60%、Fe2O3 4～8%、TiO2 0.5～1.5%、CaO 1～3%、MgO 0.1～1%和K2O 5～8%。
根据上述的超低密度陶粒砂支撑剂，所述硅石中各种化学元素氧化物含量百分比为AL2O3 5～10%、SiO2 70～80%、Fe2O3 0.1～1%、TiO2 0.5～2%、CaO 0.1～2%、MgO 0.1～0.5%和K2O 0.1～0.5%。
根据上述的超低密度陶粒砂支撑剂，所述生铝矿石中各种化学元素氧化物含量百分比为AL2O3 65～70%、SiO2 10～15%、Fe2O3 0.5～2%、TiO2 2～3.5%、CaO 0.5～2%、MgO 0.1～1.5%和K2O 0.5～1%。
另外，提供一种超低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
a、首先将原料紫砂土、硅石和生铝矿石分别进行破碎，破碎至粒径≤10mm，破碎后的三种原料分别储存在不同的原料仓中；
b、通过配料系统将步骤a破碎后的三种原料按照上述配比比例进行配料，
将配好的物料送入球磨机中磨粉，用选粉机选出400目以细的细粉，选粉机选剩的粗粉返回球磨机中循环研磨，选出的400目以细的细粉用风送装置送入细粉储罐；
c、将步骤b细粉储罐中的细粉风送至制粒机中，将无塔供水器中质量分数为1.5%的磷酸二氢铝溶液通过雾化喷水系统加入制粒机中，开启制粒机旋转60～140分钟，制成含水量为8.5～9.5%的陶粒生粒；
d、将步骤c制成的陶粒生粒（通过皮带输送机）送至筛分机，筛选出所需
规格的陶粒半成品；将筛选剩余的陶粒生粒用破磨机研磨后送入制粒机中重新制粒；
e、将步骤d筛选出的陶粒半成品（通过皮带输送机）送至回转窑中，在回转窑尾段经200～300℃烘干40～60min，在回转窑中后部经400～900℃预热2.5～3小时，最后在回转窑前部高温区经1250～1300℃煅烧1～1.5小时，煅烧后得到陶粒成品；
f、将步骤e煅烧后的陶粒成品送入冷却窑中冷却至室温（使用循环水浇筑冷却窑外壁进行冷却）；
g、将步骤f冷却后的陶粒成品送入筛分机中再次筛选出所需规格的陶粒产品。
根据上述的低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，步骤d和步骤g中所述所需规格均为20/40目、30/50目、16/20目、16/30目或40/70目。
根据上述的低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，步骤g筛选后剩余的粒径不符合陶粒和烧结的结块料返回原料储存区作为铝矾土再次利用。
根据上述的低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，步骤g中所得陶粒产品中各种化学元素氧化物含量百分比为AL2O3 46～48%、SiO2 26～30%、Fe2O3 1.5～1.8%、TiO2 2～2.2%、CaO 0.5～1%、MgO 0.2～1%和K2O 1.2～1.6%。
本发明采用的紫砂土优选河南省巩义市涉村镇北庄村出产的低品位紫砂土，硅石优选河南省巩义市涉村镇西沟村出产的硅石，生铝矿石优选河南省巩义市涉村镇出产的生铝矿石。
本发明的积极有益效果：
1、利用本发明技术方案制备的陶粒砂支撑剂具有超低体积密度、相对较低视密度、较高抗破碎能力且表面光洁度较好等优点。利用本发明技术方案制备的陶粒砂支撑剂能降低油田开采成本、并且能够使油田增产。
2、本发明利用紫砂土中富含的氧化钾和氧化镁作为助熔催化剂，加快煅烧陶粒砂时的化学反应并降低烧结温度，节约燃料；利用紫砂土及硅石中的氧化硅代替氧化铝从而降低陶粒的体积密度及视密度；利用磷酸二氢铝具有的固化作用，增强陶粒半成品的强度，使半成品表面粉质不易脱落，增强陶粒半成品的表面光洁度。
3、本发明采用的原料紫砂土及硅石价格低廉，本地区储量丰富，可作为长期资源使用，从而降低了陶粒砂的生产成本。
4、本发明陶粒砂制备过程中煅烧温度为1250～1300℃，比现有陶粒砂的煅烧温度从1350～1450℃降低了100～150℃，节约能源，降低了生产成本。
5、本发明产品陶粒砂密度较低、单位面积的陶粒砂质量小，用于油田开采过程中，水力压裂时同一裂缝所需陶粒砂的质量减少，从而降低了油田开采石油的成本。
6、本发明产品陶粒砂表面光洁、圆球度好，在油井裂缝中形成的导流通道宽敞稳定，原油通过时的流量明显提高，从而增大了油井的出油速度，使油田增产增收 。
7、本发明采用的原料紫砂土大都是本地生产（河南省巩义市涉村镇北庄村）、储量丰富，现无利用价值，使用此原料后，可增加当地的经济收入。
8、由于本地（河南省巩义市涉村镇）硅石衬板加工厂较多，硅石衬板一般为长方体或正方体，硅石衬板厂购进硅石坯料加工衬板成型后，剩余的边角料较多，硅石边角料堆积成为了固体垃圾，污染环境。现有边角料的处理方式为垫路或填坑。而本发明采用的硅石是从硅石衬板加工厂采购边角料，这些边角料能满足本发明的生产需求，采购硅石边角料不需要购买费用，只需支付运输费用；且购进的硅石边角料粒度较小，减少了本发明陶粒砂生产时的原料破碎成本。由于硅石价格低廉，本地区储量丰富，可作为长期资源使用，从而降低了陶粒砂的生产成本。
具体实施方式：
以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明的内容。       
本发明采用的紫砂土优选河南省巩义市涉村镇北庄村出产的低品位紫砂土，硅石优选河南省巩义市涉村镇西沟村出产的硅石，生铝矿石优选河南省巩义市涉村镇出产的生铝矿石。
本发明采用的紫砂土中各种化学元素氧化物含量百分比为AL2O3 15～25%、SiO2 50～60%、Fe2O3 4～8%、TiO2 0.5～1.5%、CaO 1～3%、MgO 0.1～1%和K2O 5～8%；硅石中各种化学元素氧化物含量百分比为AL2O3 5～10%、SiO2 70～80%、Fe2O3 0.1～1%、TiO2 0.5～2%、CaO 0.1～2%、MgO 0.1～0.5%和K2O 0.1～0.5%；生铝矿石中各种化学元素氧化物含量百分比为AL2O3 65～70%、SiO2 10～15%、Fe2O3 0.5～2%、TiO2 2～3.5%、CaO 0.5～2%、MgO 0.1～1.5%和K2O 0.5～1%。
实施例1：
本发明超低密度陶粒砂支撑剂，以重量百分比表示，所述超低密度陶粒砂支撑剂是由紫砂土18%、硅石12%和生铝矿石70%制成。
实施例2：
本发明超低密度陶粒砂支撑剂，以重量百分比表示，所述超低密度陶粒砂支撑剂是由紫砂土15%、硅石10%和生铝矿石75%制成。
实施例3：
本发明超低密度陶粒砂支撑剂，以重量百分比表示，所述超低密度陶粒砂支撑剂是由紫砂土20%、硅石15%和生铝矿石65%制成。
实施例4：
本发明超低密度陶粒砂支撑剂，以重量百分比表示，所述超低密度陶粒砂支撑剂是由紫砂土18%、硅石14%和生铝矿石68%制成。
实施例5：
本发明超低密度陶粒砂支撑剂，以重量百分比表示，所述超低密度陶粒砂支撑剂是由紫砂土16%、硅石12%和生铝矿石72%制成。
实施例6：
本发明实施例1所述超低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，详细步骤如下：
a、首先将原料紫砂土、硅石和生铝矿石分别进行破碎，破碎至粒径≤10mm，破碎后的三种原料分别储存在不同的原料仓中；
b、通过配料系统将步骤a破碎后的三种原料按照实施例1所述配比比例进
行配料，将配好的物料送入球磨机中磨粉，用选粉机选出400目以细的细粉，选粉机选剩的粗粉返回球磨机中循环研磨，选出的400目以细的细粉用风送装置送入细粉储罐；
c、将步骤b细粉储罐中的细粉风送至制粒机中，将无塔供水器中质量分数为1.5%的磷酸二氢铝溶液通过雾化喷水系统加入制粒机中，开启制粒机旋转120分钟，制成含水量为9.0%的陶粒生粒；
d、将步骤c制成的陶粒生粒通过皮带输送机送至筛分机，筛选出30/50目
规格的陶粒半成品；将筛选剩余的陶粒生粒用破磨机研磨后送入制粒机中重新制粒；
e、将步骤d筛选出的陶粒半成品通过皮带输送机送至回转窑中，在回转窑尾段经200～300℃烘干50min，在回转窑中后部经400～900℃预热3小时，最后在回转窑前部高温区经1250～1300℃煅烧1.5小时，煅烧后得到陶粒成品；
f、将步骤e煅烧后的陶粒成品送入冷却窑中冷却至室温（使用循环水浇筑冷却窑外壁进行冷却）；
g、将步骤f冷却后的陶粒成品送入筛分机中再次筛选出30/50目规格的陶粒产品（筛选后剩余的粒径不符合陶粒和烧结的结块料返回原料储存区作为铝矾土再次利用）。
本实施例制备的30/50目陶粒砂各项性能指标如下：
破碎率（69MPa）：≤7.0%；视密度： ≤2.5g/cm3；体积密度≤1.45g/cm3；圆度≥0.9；球度≥0.9。
实施例7：
本发明实施例2所述超低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，详细步骤如下：
a、首先将原料紫砂土、硅石和生铝矿石分别进行破碎，破碎至粒径≤10mm，破碎后的三种原料分别储存在不同的原料仓中；
b、通过配料系统将步骤a破碎后的三种原料按照实施例2所述配比比例进
行配料，将配好的物料送入球磨机中磨粉，用选粉机选出400目以细的细粉，选粉机选剩的粗粉返回球磨机中循环研磨，选出的400目以细的细粉用风送装置送入细粉储罐；
c、将步骤b细粉储罐中的细粉风送至制粒机中，将无塔供水器中质量分数为1.5%的磷酸二氢铝溶液通过雾化喷水系统加入制粒机中，开启制粒机旋转100分钟，制成含水量为8.5%的陶粒生粒；
d、将步骤c制成的陶粒生粒通过皮带输送机送至筛分机，筛选出20/40目
规格的陶粒半成品；将筛选剩余的陶粒生粒用破磨机研磨后送入制粒机中重新制粒；
e、将步骤d筛选出的陶粒半成品通过皮带输送机送至回转窑中，在回转窑尾段经200～300℃烘干40min，在回转窑中后部经400～900℃预热3小时，最后在回转窑前部高温区经1250～1300℃煅烧1.5小时，煅烧后得到陶粒成品；
f、将步骤e煅烧后的陶粒成品送入冷却窑中冷却至室温（使用循环水浇筑冷却窑外壁进行冷却）；
g、将步骤f冷却后的陶粒成品送入筛分机中再次筛选出20/40目规格的陶粒产品（筛选后剩余的粒径不符合陶粒和烧结的结块料返回原料储存区作为铝矾土再次利用）。
本实施例制备的20/40目陶粒砂各项性能指标如下：
破碎率（52MPa）：≤7.0%；视密度：≤2.5g/cm3；体积密度≤1.5g/cm3；圆度            ≥0.95；球度≥0.95。
实施例8：
本发明实施例3所述超低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，详细步骤如下：
a、首先将原料紫砂土、硅石和生铝矿石分别进行破碎，破碎至粒径≤10mm，破碎后的三种原料分别储存在不同的原料仓中；
b、通过配料系统将步骤a破碎后的三种原料按照实施例3所述配比比例进
行配料，将配好的物料送入球磨机中磨粉，用选粉机选出400目以细的细粉，选粉机选剩的粗粉返回球磨机中循环研磨，选出的400目以细的细粉用风送装置送入细粉储罐；
c、将步骤b细粉储罐中的细粉风送至制粒机中，将无塔供水器中质量分数为1.5%的磷酸二氢铝溶液通过雾化喷水系统加入制粒机中，开启制粒机旋转60分钟，制成含水量为9.5%的陶粒生粒；
d、将步骤c制成的陶粒生粒通过皮带输送机送至筛分机，筛选出16/20目
规格的陶粒半成品；将筛选剩余的陶粒生粒用破磨机研磨后送入制粒机中重新制粒；
e、将步骤d筛选出的陶粒半成品通过皮带输送机送至回转窑中，在回转窑尾段经200～300℃烘干60min，在回转窑中后部经400～900℃预热3小时，最后在回转窑前部高温区经1250～1300℃煅烧1.5小时，煅烧后得到陶粒成品；
f、将步骤e煅烧后的陶粒成品送入冷却窑中冷却至室温（使用循环水浇筑冷却窑外壁进行冷却）；
g、将步骤f冷却后的陶粒成品送入筛分机中再次筛选出16/20目规格的陶粒产品（筛选后剩余的粒径不符合陶粒和烧结的结块料返回原料储存区作为铝矾土再次利用）。
本实施例制备的16/20目陶粒砂各项性能指标如下：
破碎率（69MPa）：≤15.0%；视密度：≤2.45g/cm3；体积密度≤1.5g/cm3；圆度≥0.95；球度≥0.95。
实施例9：
本发明实施例4所述超低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，详细步骤如下：
a、首先将原料紫砂土、硅石和生铝矿石分别进行破碎，破碎至粒径≤10mm，破碎后的三种原料分别储存在不同的原料仓中；
b、通过配料系统将步骤a破碎后的三种原料按照实施例4所述配比比例进
行配料，将配好的物料送入球磨机中磨粉，用选粉机选出400目以细的细粉，选粉机选剩的粗粉返回球磨机中循环研磨，选出的400目以细的细粉用风送装置送入细粉储罐；
c、将步骤b细粉储罐中的细粉风送至制粒机中，将无塔供水器中质量分数为1.5%的磷酸二氢铝溶液通过雾化喷水系统加入制粒机中，开启制粒机旋转80分钟，制成含水量为9.0%的陶粒生粒；
d、将步骤c制成的陶粒生粒通过皮带输送机送至筛分机，筛选出16/30目
规格的陶粒半成品；将筛选剩余的陶粒生粒用破磨机研磨后送入制粒机中重新制粒；
e、将步骤d筛选出的陶粒半成品通过皮带输送机送至回转窑中，在回转窑尾段经200～300℃烘干50min，在回转窑中后部经400～900℃预热3小时，最后在回转窑前部高温区经1250～1300℃煅烧1.5小时，煅烧后得到陶粒成品；
f、将步骤e煅烧后的陶粒成品送入冷却窑中冷却至室温（使用循环水浇筑冷却窑外壁进行冷却）；
g、将步骤f冷却后的陶粒成品送入筛分机中再次筛选出16/30目规格的陶粒产品（筛选后剩余的粒径不符合陶粒和烧结的结块料返回原料储存区作为铝矾土再次利用）。
本实施例制备的16/30目陶粒砂各项性能指标如下：
破碎率（69MPa）：≤12.0%；视密度：≤2.45g/cm3；体积密度≤1.5g/cm3；圆度≥0.95；球度≥0.95。
实施例10：
本发明实施例5所述超低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，详细步骤如下：
a、首先将原料紫砂土、硅石和生铝矿石分别进行破碎，破碎至粒径≤10mm，破碎后的三种原料分别储存在不同的原料仓中；
b、通过配料系统将步骤a破碎后的三种原料按照实施例5所述配比比例进
行配料，将配好的物料送入球磨机中磨粉，用选粉机选出400目以细的细粉，选粉机选剩的粗粉返回球磨机中循环研磨，选出的400目以细的细粉用风送装置送入细粉储罐；
c、将步骤b细粉储罐中的细粉风送至制粒机中，将无塔供水器中质量分数为1.5%的磷酸二氢铝溶液通过雾化喷水系统加入制粒机中，开启制粒机旋转140分钟，制成含水量为8.5%的陶粒生粒；
d、将步骤c制成的陶粒生粒通过皮带输送机送至筛分机，筛选出40/70目
规格的陶粒半成品；将筛选剩余的陶粒生粒用破磨机研磨后送入制粒机中重新制粒；
e、将步骤d筛选出的陶粒半成品通过皮带输送机送至回转窑中，在回转窑尾段经200～300℃烘干40min，在回转窑中后部经400～900℃预热3小时，最后在回转窑前部高温区经1250～1300℃煅烧1.5小时，煅烧后得到陶粒成品；
f、将步骤e煅烧后的陶粒成品送入冷却窑中冷却至室温（使用循环水浇筑冷却窑外壁进行冷却）；
g、将步骤f冷却后的陶粒成品送入筛分机中再次筛选出40/70目规格的陶粒产品（筛选后剩余的粒径不符合陶粒和烧结的结块料返回原料储存区作为铝矾土再次利用）。
本实施例制备的40/70目陶粒砂各项性能指标如下：
破碎率（86MPa）：≤6.0%；视密度：≤2.5g/cm3；体积密度≤1.4g/cm3；圆度≥0.9；球度≥0.9。

Claims (8)

1.一种超低密度陶粒砂支撑剂，其特征在于：以重量百分比表示，所述超低密度陶粒砂支撑剂是由紫砂土15～20%、硅石10～15%和生铝矿石65～75%制成。
2.根据权利要求1所述的超低密度陶粒砂支撑剂，其特征在于：所述紫砂土中各种化学元素氧化物含量百分比为AL2O3 15～25%、SiO2 50～60%、Fe2O3   4～8%、TiO2 0.5～1.5%、CaO 1～3%、MgO 0.1～1%和K2O 5～8%。
3.根据权利要求1所述的超低密度陶粒砂支撑剂，其特征在于：所述硅石中各种化学元素氧化物含量百分比为AL2O3 5～10%、SiO2 70～80%、Fe2O3 0.1～1%、TiO2 0.5～2%、CaO 0.1～2%、MgO 0.1～0.5%和K2O 0.1～0.5%。
4.根据权利要求1所述的超低密度陶粒砂支撑剂，其特征在于：所述生铝矿石中各种化学元素氧化物含量百分比为AL2O3 65～70%、SiO2 10～15%、Fe2O3 0.5～2%、TiO2 2～3.5%、CaO 0.5～2%、MgO 0.1～1.5%和K2O 0.5～1%。
5.一种权利要求1所述超低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
a、首先将原料紫砂土、硅石和生铝矿石分别进行破碎，破碎至粒径≤10mm，破碎后的三种原料分别储存在不同的原料仓中；
b、通过配料系统将步骤a破碎后的三种原料按照权利要求1中所述配比比
例进行配料，将配好的物料送入球磨机中磨粉，用选粉机选出400目以细的细粉，选粉机选剩的粗粉返回球磨机中循环研磨，选出的400目以细的细粉送入细粉储罐；
c、将步骤b细粉储罐中的细粉风送至制粒机中，将无塔供水器中质量分数为1.5%的磷酸二氢铝溶液通过雾化喷水系统加入制粒机中，开启制粒机旋转60～140分钟，制成含水量为8.5～9.5%的陶粒生粒；
d、将步骤c制成的陶粒生粒送至筛分机，筛选出所需规格的陶粒半成品；
将筛选剩余的陶粒生粒用破磨机研磨后送入制粒机中重新制粒；
e、将步骤d筛选出的陶粒半成品送至回转窑中，在回转窑尾段经200～300℃烘干40～60min，在回转窑中后部经400～900℃预热2.5～3小时，最后在回转窑前部高温区经1250～1300℃煅烧1～1.5小时，煅烧后得到陶粒成品；
f、将步骤e煅烧后的陶粒成品送入冷却窑中冷却至室温；
g、将步骤f冷却后的陶粒成品送入筛分机中再次筛选出所需规格的陶粒产品。
6.根据权利要求5所述的低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，其特征在于：步骤d和步骤g中所述所需规格均为20/40目、30/50目、16/20目、16/30目或40/70目。
7.根据权利要求5所述的低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，其特征在于：步骤g筛选后剩余的粒径不符合陶粒和烧结的结块料返回原料储存区作为铝矾土再次利用。
8.根据权利要求5所述的低密度陶粒砂支撑剂的制备方法，其特征在于：步骤g中所得陶粒产品中各种化学元素氧化物含量百分比为AL2O3 46～48%、SiO2 26～30%、Fe2O3 1.5～1.8%、TiO2 2～2.2%、CaO 0.5～1%、MgO 0.2～1%和K2O 1.2～1.6%。
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