CN106967409A - 压裂支撑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压裂支撑剂及其制备方法，涉及石油天然气开采用材料领域，该压裂支撑剂主要由以下质量百分比的原料制备而成：页岩石60‑75％、铝矾土支撑剂废料10‑25％和钾长石5‑15％。该压裂支撑剂缓解了现有技术中的制备压裂支撑剂所用原料价格昂贵、生产成本高以及性价比较低的技术问题，达到降低原料成本、生产成本和提高性价比的技术效果。

Description

压裂支撑剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及石油天然气开采用材料技术领域，尤其是涉及一种压裂支撑剂及其制备方法。

背景技术

石油压裂支撑剂是在石油天然气开采过程中，用于高闭合压力低渗透性矿床压裂处理，从而使含油气岩层裂开，油气从裂缝形成的通道中汇集而出。压裂支撑剂材料随同高压溶液进入地层填充在岩石裂缝中，起到支撑裂缝不因应力释放而闭合的作用，从而保持油气的高导流能力，使油气畅通，产量增加。压裂支撑剂广泛用于石油天然气的开采中，提高了石油天然气的产量，并且支撑地面不下陷。

目前生产压裂支撑剂的方法有很多种，如CN1393424A公开了一种高强度陶粒支撑剂的制造方法，它是以贵州轻烧铝矾土为基料，其中铝矾土Al₂O₃含量在75％以上，并添加粘土、镧系稀土、氧化锰、氧化镁等，共磨后加水造粒，经1100-1500℃烧成制品。再如CN1686924A公开了一种高强度支撑剂的制造方法，它是以高铝矾土(铝矾土Al₂O₃含量在73％以上)、稀土精矿、可燃物及粘结剂为原料，经磨细工艺，加水造粒，经1200-1500℃烧成制品。

专利CN1393424A和专利CN1686924A中，均采用生铝矾土或轻烧铝矾土为原料，Al₂O₃含量均在73％以上，并添加部分稀土精矿，这两种原料价格较贵，而且储量已接近枯竭，不易购得。在烧成温度方面最高温度都达到了1500℃，也使烧成所需的燃料成本居高不下。采用这两种方法制造的压裂支撑剂性能指标也仅是达到了石油化工行业标准的下限要求，并且生产成本较高，其性价比太低。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种压裂支撑剂，以缓解现有技术中制备压裂支撑剂所用原料价格昂贵、生产成本高、耗能高以及性价比较低的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种压裂支撑剂的制备方法，以缓解现有制备方法中烧结温度高和能耗高的技术问题。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种压裂支撑剂，主要由以下质量百分比的原料制备而成：

页岩石 60-75％

铝矾土支撑剂废料 10-25％

钾长石 5-15％。

进一步的，主要由以下质量百分比的原料制备而成：

页岩石 65-75％

铝矾土支撑剂废料 10-20％

钾长石 7-13％。

进一步的，主要由以下质量百分比的原料制备而成：

页岩石 68-73％

铝矾土支撑剂废料 15-20％

钾长石 10-12％。

进一步的，所述铝矾土支撑剂废料的主要成分为铝矾土。

一种上述压裂支撑剂的制备方法，将页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石一同球磨后、经造粒和烧结得到所述压裂支撑剂。

进一步的，原料经球磨后先将球磨后的粉料过350-450目筛，再进行造粒。

进一步的，在成球机中采用水雾化法进行造粒。

进一步的，造粒后经筛分得到粒径为0.212-0.425mm的球状颗粒。

进一步的，所述烧结过程中的烧结温度为1050-1150℃。

进一步的，所述制备方法包括以下步骤：

步骤a)：球磨：页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石按比例投入球磨机中进行球磨，球磨后过350-450目筛得到粉料；

步骤b)：造粒：过筛后的粉料在成球机中采用水雾化法造粒成型；

步骤c)：烧结：造粒成型后进行烧结处理，烧结温度为1050-1150℃。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的压裂支撑剂，采用页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石为主要原料，用页岩石来代替铝矾土制备压裂支撑剂降低了原料的采购成本。烧结过程中，页岩石与铝矾土支撑剂废料中的氧化铝或其他矿物反应生成陶瓷相，进而起到骨架支撑作用。钾长石在烧结过程中主要生产玻璃相，促进烧结的进行。

本发明中用页岩石用作主体材料来代替铝矾土，使材料成本大幅降低。利用铝矾土支撑剂废料做辅料和页岩石反应生产陶瓷相的骨架结构，使铝矾土支撑剂生产过程中产生的铝矾土支撑剂废料得以重新利用，减少了铝矾土支撑剂废料的再处理过程。同时，通过各原料的科学配比，使制备的压裂支撑剂具备体积密度低、视密度低和破碎率低的优点，提高了产品的性价比。

本发明提供的压裂支撑剂，通过各原料的科学适配可降低烧结温度，进而降低烧结过程中的能耗，从而降低生成成本。

采用本发明提供的制备方法制备的压裂支撑剂，具有体积密度低、视密度低，破碎率低等优点，便于油气开采中的压裂施工。体积密度低便于支撑剂的携带，同时也能降低压裂液的配制成本。另外压裂支撑剂的压裂施工设计用量是按方，体积密度低也减少了支撑剂的单位用量，从而降低了压裂施工的成本。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明的一个方面提供了一种压裂支撑剂，主要由以下质量百分比的原料制备而成：

页岩石 60-75％

铝矾土支撑剂废料 10-25％

钾长石 5-15％。

本发明提供的压裂支撑剂，采用页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石为主要原料，用页岩石来代替铝矾土制备压裂支撑剂降低了原料的采购成本。烧结过程中，页岩石与铝矾土支撑剂废料中的氧化铝或其他矿物反应生成陶瓷相，进而起到骨架支撑作用。钾长石在烧结过程中主要生产玻璃相，促进烧结的进行。

本发明中用页岩石用作主体材料来代替铝矾土，使材料成本大幅降低。利用铝矾土支撑剂废料做辅料和页岩石反应生产陶瓷相的骨架结构，使铝矾土支撑剂生产过程中产生的铝矾土支撑剂废料得以重新利用，减少了铝矾土支撑剂废料的再处理过程。同时，通过各原料的科学配比，使制备的压裂支撑剂具备体积密度低、视密度低和破碎率低的优点，提高了产品的性价比。

页岩是一种沉积岩，成分复杂，主要是由黏土沉积经压力和温度形成的岩石，但其中混杂有石英、长石的碎屑以及其他化学物质。

本发明中，页岩石在烧结后主要形成陶瓷相，从而形成压裂支撑剂的骨架支撑结构。

本发明中，页岩石典型但非限制性的质量百分比例如为：60％、62％、65％、68％、70％、73％或75％。

本发明中的铝矾土支撑剂废料指的是利用铝矾土为原料生产支撑剂的过程中产生的废料。铝矾土支撑剂的生产过程包括将含Al₂O₃的铝矾土与金属氧化物等其他辅料混合后球磨、造粒、筛分和烧结等工序，在烧结后由于烧结温度、烧结时间不合适或颗粒本身在烧结炉内发生滚动、破裂或性能不达标等问题会产生一些废料，此即为本发明中所称的铝矾土支撑剂废料。本发明中利用铝矾土支撑剂废料中的氧化铝和页岩石发生化学反应生产陶瓷相。

本发明中，典型但非限定性的铝矾土支撑剂废料制备过程为：

步骤a)：将Al₂O₃ 75％的铝矾土，在800℃焙烧后粉碎为3mm的颗粒，得A料；

步骤3)：以100重量份A料为基料，在基料中加入以下辅料：膨润土4份、氟碳铈精矿2份、二氧化锰0.6份、氧化镁0.5份；将基、辅料混合后进入磨机共磨成粒径小于0.05mm的微粉粒，得B料；

步骤c)：向B料加水，经松解后在转速为20r/min且与水平面成60度倾角的荸荠型成球机中制成粒径为0.6mm，圆度和球度均大于0.9的球粒，得C料；

步骤d)：将C料进行筛分后装入隧道窑或转窑烧结，烧结温度控制在1500℃，烧结时间为2个小时，然后再经抛光、除尘、筛分得成品。

上述制备方法，步骤d)中经烧结后各向性能指标不合格的铝矾土支撑剂，即为铝矾土支撑剂废料。

本发明中，铝矾土支撑剂废料典型但非限制性的质量百分比例如为：10％、13％、15％、62％、17％、20％、23％或25％。

钾长石属单斜晶系，通常呈肉红黄白等色，密度2.54-2.57g/cm³，比重2.56～2.59，硬度6，其理论成分为：SiO₂ 64.7％、Al₂O₃ 18.4％，K₂O 16.9％。钾长石具有熔点低(1150±20℃)，熔融间隔时间长，熔融粘度高等特点，在烧结过程中可以生成玻璃相，促进烧结的进行。

本发明中，钾长石典型但非限制性的质量百分比例如为：5％、7％、9％、10％、11％、12％、13％或15％。

在本发明优选的实施方式中，压裂支撑剂主要由以下质量百分比的原料制备而成：

页岩石 65-75％

铝矾土支撑剂废料 10-20％

钾长石 7-13％。

在本发明进一步优选的实施方式中，压裂支撑剂主要由以下质量百分比的原料制备而成：

页岩石 68-73％

铝矾土支撑剂废料 15-20％

钾长石 10-12％。

在本发明优选的实施方式中，所述铝矾土支撑剂废料的主要成分为铝矾土。

本发明的另一个方面提供了一种上述压裂支撑剂的制备方法，将页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石一同球磨后、经造粒和烧结得到上述压裂支撑剂。

利用本发明提供的上述制备方法制备压裂支撑剂的过程中，通过各原料的科学适配可降低烧结温度，进而降低烧结过程中的能耗，从而降低生成成本。

采用本发明提供的制备方法制备的压裂支撑剂，具有体积密度低、视密度低，破碎率低等优点，便于油气开采中的压裂施工。体积密度低便于支撑剂的携带，同时也能降低压裂液的配制成本。另外支撑剂的压裂施工设计用量是按方，体积密度低也减少了支撑剂的单位用量，从而降低了压裂施工的成本。

在本发明的优选实施方式中，原料经球磨后先将球磨粉料过350-450目筛，再进行造粒。

在本发明的优选实施方式中，在成球机中采用水雾化法进行造粒。

在本发明的优选实施方式中，造粒后经筛分得到粒径为0.212-0.425mm的球状颗粒。

在本发明的优选实施方式中，所述烧结过程中的烧结温度为1050-1150℃。

在本发明的优选实施方式中，所述制备方法包括以下步骤：

步骤a)：球磨：页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石按比例投入球磨机中进行球磨，球磨后过350-450目筛得到粉料；

步骤b)：造粒：过筛后的粉料在成球机中采用水雾化法造粒成型；

步骤c)：烧结：造粒成型后进行烧结处理，烧结温度为1050-1150℃。

在本发明的优选实施方式中，所述制备方法包括以下步骤：

步骤a)：球磨：页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石按比例投入球磨机中进行球磨，球磨后过400目筛得到粉料；

步骤b)：造粒：过筛后的粉料在成球机中采用水雾化法造粒成型；经筛分得到粒径为0.212-0.425mm的球状颗粒；

步骤c)：烧结：将球状颗粒进行烧结处理，烧结温度为1050-1150℃。

下面将结合实施例1-3和对比例1-4对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

本实施例中的页岩石的各原料的配比为：

页岩石 60％

铝矾土支撑剂废料 25％

钾长石 15％。

上述配比的压裂支撑剂采用以下方法制备得到：

步骤a)：球磨：将页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石经鄂式破碎机破碎成30-50mm的颗粒，分别装入配料仓，按不同的比例设定好各仓的配比，各仓按按设定的比例给料至球磨机进行球磨，球磨后过350目筛得到粉料；

步骤b)：造粒：将过筛后的粉料送至成球机，将水雾化后加入成球机，边加水边加粉料，直至颗粒达到要求的粒径，然后经滚筒筛筛分得到0.212-0.425mm球状颗粒，即可完成成型工序；

步骤c)：成型：成型好的半成品经给料系统送入回转窑进行烧结，烧结温度控制在1100℃，出窑的烧成料经冷却窑冷却后，采用直线振动筛筛分，得到压裂支撑剂。

实施例2

本实施例中的页岩石的各原料的配比为：

页岩石 68％

铝矾土支撑剂废料 20％

钾长石 12％。

上述配比的压裂支撑剂采用以下方法制备得到：

步骤a)：球磨：将页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石经鄂式破碎机破碎成30-50mm的颗粒，分别装入配料仓，按不同的比例设定好各仓的配比，各仓按按设定的比例给料至球磨机进行球磨，球磨后过400目筛得到粉料；

步骤b)：造粒：将过筛后的粉料送至成球机，将水雾化后加入成球机，边加水边加粉料，直至颗粒达到要求的粒径，然后经滚筒筛筛分得到0.212-0.425mm球状颗粒，即可完成成型工序；

步骤c)：成型：成型好的半成品经给料系统送入回转窑进行烧结，烧结温度控制在1060℃，出窑的烧成料经冷却窑冷却后，采用直线振动筛筛分，得到压裂支撑剂。

实施例3

本实施例中的页岩石的各原料的配比为：

页岩石 73％

铝矾土支撑剂废料 15％

钾长石 12％。

上述配比的压裂支撑剂采用以下方法制备得到：

步骤a)：球磨：将页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石经鄂式破碎机破碎成30-50mm的颗粒，分别装入配料仓，按不同的比例设定好各仓的配比，各仓按按设定的比例给料至球磨机进行球磨，球磨后过450目筛得到粉料；

步骤b)：造粒：将过筛后的粉料送至成球机，将水雾化后加入成球机，边加水边加粉料，直至颗粒达到要求的粒径，然后经滚筒筛筛分得到0.212-0.425mm球状颗粒，即可完成成型工序；

步骤c)：成型：成型好的半成品经给料系统送入回转窑进行烧结，烧结温度控制在1120℃，出窑的烧成料经冷却窑冷却后，采用直线振动筛筛分，得到压裂支撑剂。

对比例1

本实施例中的页岩石的各原料的配比为：

页岩石 78％

铝矾土支撑剂废料 10％

钾长石 12％。

上述配比的压裂支撑剂采用以下方法制备得到：

步骤a)：球磨：将页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石经鄂式破碎机破碎成30-50mm的颗粒，分别装入配料仓，按不同的比例设定好各仓的配比，各仓按按设定的比例给料至球磨机进行球磨，球磨后过400目筛得到粉料；

步骤b)：造粒：将过筛后的粉料送至成球机，将水雾化后加入成球机，边加水边加粉料，直至颗粒达到要求的粒径，然后经滚筒筛筛分得到0.212-0.425mm球状颗粒，即可完成成型工序；

步骤c)：成型：成型好的半成品经给料系统送入回转窑进行烧结，烧结温度控制在1150℃，出窑的烧成料经冷却窑冷却后，采用直线振动筛筛分，得到压裂支撑剂。

对比例2

本实施例中的页岩石的各原料的配比为：

页岩石 60％

铝矾土支撑剂废料 25％

钾长石 15％。

上述配比的压裂支撑剂采用以下方法制备得到：

步骤a)：球磨：将页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石经鄂式破碎机破碎成30-50mm的颗粒，分别装入配料仓，按不同的比例设定好各仓的配比，各仓按按设定的比例给料至球磨机进行球磨，球磨后过400目筛得到粉料；

步骤b)：造粒：将过筛后的粉料送至成球机，将水雾化后加入成球机，边加水边加粉料，直至颗粒达到要求的粒径，然后经滚筒筛筛分得到0.212-0.425mm球状颗粒，即可完成成型工序；

步骤c)：成型：成型好的半成品经给料系统送入回转窑进行烧结，烧结温度控制在1300℃，出窑的烧成料经冷却窑冷却后，采用直线振动筛筛分，得到压裂支撑剂。

对比例3

根据公开号为CN1686924A的专利中实施例1提供的制备方法制备得到的支撑剂。

对比例4

根据公开号为CN1393424A的专利中实施例2提供的制备方法制备得到的支撑剂。

性能测试：分别取实施例1-3和对比例1-4中的支撑剂测试其体积密度、视密度、圆度、球度、浊度、酸溶解度和破碎率，其中破碎率分为69MPa和86MPa下测试的破碎率。测试结果列于表1。

表1 各实施例和对比例的测试结果

参照表1，实施例1-3中的体积密度、视密度和破碎率均较低。对比例1中的支撑剂，虽然原料配比在本发明的范围内，但是烧结温度较高，得到的支撑剂的孔隙率较低，体积密度较高。对比例2中的支撑剂，采用的原料配比不在本发明提供的范围内，得到的支撑剂的体积密度和破碎率均较高，说明需同时使用本发明提供的原料配比和烧结温度才能制备出各向性能指标均较好的支撑剂。

对比例3和对比例4中的支撑剂，其体积密度在1.65g/cm³以上，比实施例1-3的体积密度高出了20％以上，因此，本发明提供的压裂支撑剂与对比例3和4中的铝矾土支撑剂相比，具有较低的体积密度和视密度。体积密度的降低能够方便施工中支撑剂的携带，并且能够降低压裂液的配置成本，同时减少了支撑剂的单位用量。

此外，对比例3和4中的支撑剂的破碎率均较高，69MPa下的破碎率均在6.0％以上，而实施例1-3中的压裂支撑剂在69MPa下的破碎率在4.5％以下，在86MPa下的破碎率为6.7％，其抗压性能要远优于对比例3和4，因此，在实施工，本发明提供的压裂支撑剂的后期更换用量会降低，从而降低施工成本。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种压裂支撑剂，其特征在于，主要由以下质量百分比的原料制备而成：

页岩石 60-75％

铝矾土支撑剂废料 10-25％

钾长石 5-15％。

2.根据权利要求1所述的压裂支撑剂，其特征在于，主要由以下质量百分比的原料制备而成：

页岩石 65-75％

铝矾土支撑剂废料 10-20％

钾长石 7-13％。

3.根据权利要求1所述的压裂支撑剂，其特征在于，主要由以下质量百分比的原料制备而成：

页岩石 68-73％

铝矾土支撑剂废料 15-20％

钾长石 10-12％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的压裂支撑剂，其特征在于，所述铝矾土支撑剂废料的主要成分为铝矾土。

5.一种权利要求1-4任一项所述的压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，将页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石一同球磨后、经造粒和烧结得到所述压裂支撑剂。

6.根据权利要求5所述的压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，原料经球磨后先将球磨后的粉料过350-450目筛，再进行造粒。

7.根据权利要求5或6所述的压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，在成球机中采用水雾化法进行造粒。

8.根据权利要求5或6所述的压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，造粒后经筛分得到粒径为0.212-0.425mm的球状颗粒。

9.根据权利要求5或6所述的压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，所述烧结过程中的烧结温度为1050-1150℃。

10.根据权利要求9所述的压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

步骤a)：球磨：页岩石、铝矾土支撑剂废料和钾长石按比例投入球磨机中进行球磨，球磨后过350-450目筛得到粉料；

步骤b)：造粒：过筛后的粉料在成球机中采用水雾化法造粒成型；

步骤c)：烧结：造粒成型后进行烧结处理，烧结温度为1050-1150℃。