CN105885820A - 一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种利用煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂及其制备方法，属于陶瓷材料和煤层气压裂施工开采用支撑剂技术领域，它包括煤矸石和铝矾土，其特征是：陶粒支撑剂原料组成及其重量百分比含量为：煤矸石80~90%，铝矾土10~20%，将煤矸石、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于325目标准筛的筛孔尺寸，得到初始粉料；将初始粉料均匀混合，得到混合粉料；混合粉料添加临时粘结剂后置于造粒机中造粒；将球形颗粒坯体烘干，然后依次通过18目、40目筛得到球形颗粒坯体；将筛分出的坯体烧结，随炉冷却至室温后，坯体依次通过20目、40目筛，即获得20目~40目粒径的陶粒支撑剂。本发制备的陶粒支撑剂，降低煤层气开采成本，实现煤矸石固废物的资源化利用，减少固废物堆积及环境污染。

Description

一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种利用煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂及其制备方法，属于陶瓷材料和煤层气压裂施工开采用支撑剂技术领域。

背景技术

煤矸石是在采煤和洗煤过程中产生的一种固体废弃物，是在成煤过程中由煤矿、泥土和砂岩形成的一种坚硬的、含碳量较低的黑色混合物岩石，其主要成分是Al₂O₃与SiO₂，以及Fe₂O₃、K₂O等。据统计山西省煤矸石排放量约15亿吨，居全国首位，煤矸石山约1540座，占地约26万公顷，年均排放量约1亿吨。固体废弃物的堆积与排放不仅占用了大量的土地，污染水资源与土地资源，而且产生的固体粉尘也对生态环境造成了严重危害，同时也导致了Al₂O₃资源的浪费。

陶粒支撑剂是煤层气井压裂与能源开采过程中的关键材料。水力压裂过程中，支撑剂随着压裂液一起注入到煤层裂缝中；撤去压力后，支撑剂留在压裂产生的裂缝中支撑裂缝，使得煤层裂缝保持张开状态，为煤层气的逸出提供了一条具有高导流能力的通道，使得煤层气由煤层深处不断向外逸出，最终实现提高煤层气开采量与采收率的目的。

目前，国内外大多采用高品位铝矾土或高岭土为原料制备刚玉质陶粒支撑剂，但随着陶粒支撑剂的快速发展和大量需求，高品位铝矾土和高岭土的原料价位不断飙升，致使陶粒支撑剂的生产成本普遍高涨，间接加大了油气开采压裂施工的成本。

与石油开采相比，煤层气储藏较浅，煤层质地较软，使得煤层气开采对支撑剂破碎率的要求较低（35MPa闭合压力下破碎率低于10%），因此煤层气井用支撑剂没有必要选用价格相对昂贵的高等级铝矾土，而是选用一些Al₂O₃含量较低的矿物原料，降低生产成本，避免材料高档低用，这样也使得Al₂O₃含量较低的煤矸石固废物制备煤层气井用支撑剂成为可能。

发明内容

本发明目的在于充分利用煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂，降低陶粒支撑剂成本的同时满足生产实际的需求，提供一种利用煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂及其制备方法。

本发明通过以下技术方案予以实现。

一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂，它包括煤矸石和铝矾土，其特征是：

所述煤矸石原料组成及其重量百分比含量为：Al₂O₃含量为20~25%，SiO₂含量为60~65%，K₂O含量为1~5%，Fe₂O₃含量为3~5%，其他不可避免的杂质含量为0.5~2%；

所述铝矾土原料组成及其重量百分比含量为：Al₂O₃含量为58~65%，SiO₂含量为15~26%，Fe₂O₃含量为5~10%，TiO₂含量为2~5%，其他不可避免的杂质含量为0.5~1%；

所述陶粒支撑剂原料组成及其重量百分比含量为：煤矸石80~90%，铝矾土10~20%。

所述陶粒支撑剂中各相成分及重量百分比含量为：石英相含量为24.0~32.7%，莫来石相含量为34.9~49.1%，其余为非晶态玻璃相。

所述陶粒支撑剂体积密度为0.9~1.2g/cm³，35Mpa闭合压力下破碎率为5.6~8.5%。

一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂的制备方法，其特征是制备过程如下：

1）、将煤矸石、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于325目标准筛的筛孔尺寸，得到初始粉料；

2）、将前步1）制得的初始粉料按煤矸石：铝矾土重量百分比含量为80~90% ：10~20%配料，并将初始粉料均匀混合，得到混合粉料；

3）、将前步2）制得的混合粉料置于造粒机中，添加临时粘结剂后进行造粒，所述临时粘结剂为浓度为5g/mL的聚乙烯醇稀溶液，添加的所述临时粘结剂含量为混合粉料质量的10~15%；

4）、将前步3）制得的球形颗粒坯体置于干燥箱中烘干，坯体烘干后依次通过18目筛、40目筛，得到18目~40目粒径的球形颗粒坯体；

5）、将前步4）制得的18目~40目粒径的球形颗粒坯体置于烧结炉中，以5℃/min的升温速度升温至1200~1300℃，保温1~2h后随炉冷却至室温，最后将球形颗粒依次通过20目筛、40目筛筛分，即获得20目~40目粒径陶粒支撑剂。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

通过本发明提供的制备方法所制备的陶粒支撑剂，能够满足煤层气井的使用要求（35MPa闭合压力下破碎率低于10%，体积密度低于1.56g/cm³）。所制备的陶粒支撑剂既能降低煤层气开采成本，又能实现煤矸石固废物的资源化利用，减少固废物堆积及环境污染，具有显著的经济效益和环境效益。

附图说明

图1为本发明在1200℃烧结温度下陶粒支撑剂的SEM照片。

图2为本发明在1250℃烧结温度下陶粒支撑剂的SEM照片。

图3为本发明在1300℃烧结温度下陶粒支撑剂的SEM照片。

图4为实施例一制备的陶粒支撑剂的X射线衍射图谱。

具体实施方式

下面结合实施实例对本发明做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的原料为：阳泉煤业（集团）有限责任公司周边排放的煤矸石矿与阳泉市长青石油压裂支撑剂有限公司提供的铝矾土矿。

实施例一

如图1和图4所示，一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂，它包括煤矸石和铝矾土，其特征是：

所述煤矸石原料组成及其重量百分比含量为：Al₂O₃含量为23.3%，SiO₂含量为65%，K₂O含量为5%，Fe₂O₃含量为5%，其他不可避免的杂质含量为1.7%；

所述铝矾土原料组成及其重量百分比含量为：Al₂O₃含量为64.8%，SiO₂含量为20%，Fe₂O₃含量为10%，TiO₂含量为5%，其他不可避免的杂质含量为0.2%；

所述陶粒支撑剂原料组成及其重量百分比含量为：煤矸石90%，铝矾土10%。

所述陶粒支撑剂中各相成分及重量百分比含量为：石英相含量为31.2%，莫来石相含量为39.5%，非晶态玻璃相含量为29.3%。

一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂的制备方法，其特征是制备过程如下：

1）、将煤矸石、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于325目标准筛的筛孔尺寸，得到初始粉料；

2）、将前步1）制得的初始粉料按煤矸石：铝矾土重量百分比含量为90% ：10%配料，并将初始粉料均匀混合，得到混合粉料；

3）、将前步2）制得的混合粉料置于R0型爱立许造粒机中，添加临时粘结剂后进行造粒，所述临时粘结剂为浓度为5g/mL的聚乙烯醇稀溶液，添加的所述临时粘结剂含量为混合粉料质量的15%；

4）、将前步3）制得的球形颗粒坯体置于鼓风式干燥箱中烘干，然后依次通过18目筛、40目筛，得到18目~40目粒径的球形颗粒坯体；

5）、将前步4）制得的18目~40目粒径的球形颗粒坯体置于KF1700型箱式烧结炉中，以5℃/min的升温速度升温至1200℃，保温1h后随炉冷却至室温，最后将球形颗粒依次通过20目筛、40目筛筛分，即获得20目~40目粒径陶粒支撑剂。

制备的陶粒支撑剂，主要晶相是石英和莫来石，1200℃下烧成的陶粒支撑剂的体积密度为0.98 g/cm³，35MPa闭合压力下的破碎率分别为9.6%，满足煤层气井使用要求。

实施例二

如图2所示，一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂，它包括煤矸石和铝矾土，其特征是：

所述煤矸石原料组成及其重量百分比含量为：Al₂O₃含量为25%，SiO₂含量为65%，K₂O含量为5%，Fe₂O₃含量为4.5%，其他不可避免的杂质含量为0.5%；

所述铝矾土原料组成及其重量百分比含量为：Al₂O₃含量为58%，SiO₂含量为20%，Fe₂O₃含量为10%，TiO₂含量为5%，其他不可避免的杂质含量为1%；

所述陶粒支撑剂原料组成及其重量百分比含量为：煤矸石87%，铝矾土13%。

陶粒支撑剂重量百分比含量为：石英含量为32.7%，莫来石含量为42.5%，非晶态玻璃相含量为24.8%。

一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂的制备方法，其特征是制备过程如下：

1）、将煤矸石、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于325目标准筛的筛孔尺寸，得到初始粉料；

2）、将前步1）制得的初始粉料按煤矸石：铝矾土重量百分比含量为87% ：13%配料，并将初始粉料均匀混合，得到混合粉料；

3）、将前步2）制得的混合粉料置于R0型爱立许造粒机中，添加临时粘结剂后进行造粒，所述临时粘结剂为浓度为5g/mL的聚乙烯醇稀溶液，添加的所述临时粘结剂含量为混合粉料质量的12%；

4）、将前步3）制得的球形颗粒坯体置于鼓风式干燥箱中烘干，然后依次通过18目筛、40目筛，得到18目~40目粒径的球形颗粒坯体；

5）、将前步4）制得的18目~40目粒径的球形颗粒坯体置于KF1700型箱式烧结炉中，以5℃/min的升温速度升温至1250℃，保温1.5h后随炉冷却至室温，最后将球形颗粒依次通过20目筛、40目筛筛分，即获得20目~40目粒径陶粒支撑剂。

制备的陶粒支撑剂，主要晶相是石英和莫来石，1250℃下烧成的陶粒支撑剂的体积密度为1.01g/cm³，35MPa闭合压力下的破碎率分别为7.2%，满足煤层气井使用要求。

实施例三

如图3所示，一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂，它包括煤矸石和铝矾土，其特征是：

所述煤矸石原料组成及其重量百分比含量为：Al₂O₃含量为20%，SiO₂含量为70%，K₂O含量为4%，Fe₂O₃含量为1%，其他不可避免的杂质含量为1%；

所述铝矾土原料组成及其重量百分比含量为：Al₂O₃含量为58%，SiO₂含量为26%，Fe₂O₃含量为10%，TiO₂含量为5%，其他不可避免的杂质含量为1%；

所述陶粒支撑剂原料组成及其重量百分比含量为：煤矸石80%，铝矾土20%。

陶粒支撑剂重量百分比含量为：石英含量为29.3%，莫来石含量为49.1%，非晶态玻璃相含量为21.6%。

一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂的制备方法，其特征是制备过程如下：

1）、将煤矸石、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于325目标准筛的筛孔尺寸，得到初始粉料；

2）、将前步1）制得的初始粉料按煤矸石：铝矾土重量百分比含量为80%：20%配料，并将初始粉料均匀混合，得到混合粉料；

3）、将前步2）制得的混合粉料置于R0型爱立许造粒机中，添加临时粘结剂后进行造粒，所述临时粘结剂为浓度为5g/mL的聚乙烯醇稀溶液，添加的所述临时粘结剂含量为混合粉料质量的10%；

4）、将前步3）制得的球形颗粒坯体置于鼓风式干燥箱中烘干，然后依次通过18目筛、40目筛，得到18目~40目粒径的球形颗粒坯体；

5）、将前步4）制得的18目~40目粒径的球形颗粒坯体置于KF1700型箱式烧结炉中，以5℃/min的升温速度升温至1300℃，保温2h后随炉冷却至室温，最后将球形颗粒依次通过20目筛、40目筛筛分，即获得20目~40目粒径陶粒支撑剂。

制备的陶粒支撑剂，主要晶相是石英和莫来石，1300℃下烧成的陶粒支撑剂的体积密度为1.26g/cm³，35MPa闭合压力下的破碎率分别为5.8%，满足煤层气井使用要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂，它包括煤矸石和铝矾土，其特征是：

所述煤矸石原料组成及其重量百分比含量为：Al₂O₃含量为20~25%，SiO₂含量为60~65%，K₂O含量为1~5%，Fe₂O₃含量为3~5%，其他不可避免的杂质含量为0.5~2%；

所述铝矾土原料组成及其重量百分比含量为：Al₂O₃含量为58~65%，SiO₂含量为15~26%，Fe₂O₃含量为5~10%，TiO₂含量为2~5%，其他不可避免的杂质含量为0.5~1%；

所述陶粒支撑剂原料组成及其重量百分比含量为：煤矸石80~90%，铝矾土10~20%。

2.根据权利要求1所述的一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂，其特征是：所述陶粒支撑剂中各相成分及重量百分比含量为：石英相含量为24.0~32.7%，莫来石相含量为34.9~49.1%，其余为非晶态玻璃相。

3.根据权利要求1或2所述的一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂，其特征是：陶粒支撑剂体积密度为0.9~1.2g/cm³，35Mpa闭合压力下破碎率为5.6~8.5%。

4.一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂的制备方法，其特征是制备过程如下：

1）、将煤矸石、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于325目标准筛的筛孔尺寸，得到初始粉料；

2）、将前步1）制得的初始粉料按煤矸石：铝矾土重量百分比含量为80~90% ：10~20%配料，并将初始粉料均匀混合，得到混合粉料；

3）、将前步2）制得的混合粉料置于造粒机中，添加临时粘结剂后进行造粒，所述临时粘结剂为浓度为5g/mL的聚乙烯醇稀溶液，添加的所述临时粘结剂含量为混合粉料质量的10~15%；

4）、将前步3）制得的球形颗粒坯体置于干燥箱中烘干，坯体烘干后依次通过18目筛、40目筛，得到18目~40目粒径的球形颗粒坯体；

5）、将前步4）制得的18目~40目粒径的球形颗粒坯体置于烧结炉中，以5℃/min的升温速度升温至1200~1300℃，保温1~2h后随炉冷却至室温，最后将球形颗粒依次通过20目筛、40目筛筛分，即获得20目~40目粒径陶粒支撑剂。