CN109852369A - 高强度覆膜石英砂、制备工艺及设备 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种高强度覆膜石英砂、制备工艺及设备，包括以下重量份计的原料：石英砂70‑120份、混合树脂10‑50份、超短玻璃纤维粉10‑15份、固化剂5‑10份、有机硅烷1‑10份、润滑剂0.5‑1份。其在制备时先将石英砂进行化学处理，改变其表面粗糙度，进而加入偶联剂通过化学键增强涂覆层与石英砂之间的界面结合强度；采用多种树脂按比例搭配使用，并且结合无碱超短玻璃纤维粉，进一步增强了树脂的强度，进而增强了覆膜砂的强度，润滑剂的使用能够避免砂体之间粘连，保持颗粒之间互不粘连；原料易得成本低、工艺简单，制得的覆膜砂球度好、强度高，易于推广和使用。

Description

高强度覆膜石英砂、制备工艺及设备

技术领域

本发明属于覆膜支撑剂技术领域，具体涉及一种用低成本材料制造高强度覆膜石英砂的制备技术。

背景技术

在石油天然气深层开采时，压裂施工过程中，需要使用支撑剂随同高压溶液进入地层充填在岩石裂缝中，使井筒周围岩石的裂缝继续开启，形成一个具有高层流能力的通道使油气产物可以顺畅通过。随着国内经济的发展，石油天然气的开采技术逐渐成熟，支撑剂的需求量也随之增大，因此压裂支撑剂的产业也逐渐发展起来，但是整体而言，出口量仍小于进口量，而且产品主要集中在附加值较低的中低端产品上。

目前经常使用的石油支撑剂主要有石英砂、铝矾土陶粒砂及树脂包覆的复合颗粒；其中石英砂因其产量高、成本低、密度低且易于泵送的优点被大量使用，但是石英砂的强度低、球度差，降低了裂缝的导流能力，不适合闭合压力高的深井；随之人们逐渐研发出树脂覆膜砂的复合颗粒，但是目前使用的覆膜砂产品保持期短，造价高，很难推广使用。

发明内容

针对现在使用的石英砂强度低导致使用范围小的问题，以及现有覆膜砂产品保持期短且制造成本高的问题，本发明提供一种在降低成本低的情况下仍然能够高强度覆膜石英砂强度的制备工艺。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种高强度覆膜石英砂，包括以下重量份计的原料：石英砂70-120份、混合树脂10-50份、超短玻璃纤维粉10-15份、固化剂5-10份、有机硅烷1-10份和润滑剂0.5-1份。所述混合树脂是由改性酚醛树脂、改性双马来酰亚胺树脂和硅醚树脂按照6.5：2.5:1的比例配制而成的。所述超短玻璃纤维粉为无碱玻璃纤维粉，其粒径为7-11μm。

进一步地，高强度覆膜石英砂按照重量份计优选一下原料：石英砂85-100份、混合树脂20-40份、超短玻璃纤维粉10-12份、固化剂6-8份、有机硅烷2-3份和润滑剂0.5-1份。

其中，所述石英砂的粒度为16-80目，其水分含量小于0.5%。所述固化剂为多异氰酸酯和乌洛托品的一种或两种按1:1混合。所述润滑剂为硬脂酸钙钠、硬脂酸钙和滑石粉的一种或几种。

一种高强度覆膜石英砂的制备工艺，包括以下步骤。

（1）将石英砂原砂经80-16目筛过滤，获得粗砂。

（2）将改性酚醛树脂、硅醚树脂和改性双马来酰亚胺树脂按照6.5：2.5:1的比例配成混合树脂备用。

（3）将步骤（1）中粗砂经过酸洗、清洗和烘干设备处理，获得支撑层石英砂，所述酸洗采用过氧化氢和浓硫酸1:2-3的混合物，清水重复洗涤3-5次，过滤、烘干至水分含量低于0.5%。

（4）将支撑层石英砂加热至200-300℃后倒入混砂机，以600r/min的转速搅拌5min，向混砂机中加入有机硅烷搅拌均匀。

（5）然后向石英砂颗粒中依次加入混合树脂、润滑剂、超短玻璃纤维粉和抗氧化剂，继续搅拌得到均匀的固液混合物；满足以下重量份计的原料：支撑层石英砂70-120份、混合树脂10-50份、超短玻璃纤维粉10-15份、固化剂5-10份、抗氧化剂4-9份、有机硅烷1-10份和润滑剂0.5-1份；超短玻璃纤维粉为无碱玻璃纤维粉，其粒径为7-11μm。

（6）向固液混合物中加入固化剂，继续搅拌至固液混合物充分固化，待温度冷却至60℃以下，破碎，筛分，得到覆膜石英砂。

一种陶粒砂原纱酸洗、清洗和烘干设备，包括沿纵向依次等间距布置的酸洗池、一级清洗池至n级清洗池，n≥3整数、热风烘干室和导料池，在各池或室的上部沿纵向分布有两条上层链轮组合和两条下层链轮组，同一侧的上层链轮组和下层链轮组上环绕啮合有环形链条；两侧环形链条中至少有一对链条轮与驱动机构传动连接；两侧环形链条的部分链条轴为通轴，在通轴的两侧分布套装有吊绳，两侧吊绳的下端连接在滤砂斗的四个顶角；所述滤砂斗为抗酸材质制成的斗状且底层含有漏孔，漏孔密度为80-16目；下层链轮组位于各池或室正上方的链轮为低层链轮，下层链轮组位于各池或室之间区域上方的链轮为高层链轮，高层链轮的高度高于底层链轮高度，满足各滤砂斗经过各池或室时位于底层链轮能够进入池内或室内，经过各池或室之间区域时位于高层链轮能够抬高被抬高，且各滤砂斗运行至上层链轮组末端后能够循环到首端。

进一步地，在所述酸洗池和多级清洗池内安装有支架和气管，气管连接曝气管组，曝气管组等间距沿纵向分布，气管与鼓风机构的出风口连接。

还可以在位于各池或室之间区域的上侧安装有吹风罩，吹风罩与鼓风机构的出风口连接。以及可以在所述导料池内竖向固定有至少一根立柱，立柱的顶端安装有翻料辊，翻料辊的高度略高于导料池内滤砂斗上沿高度。

另外还可以在所述酸洗池的前端还设置有砂池，原砂输料管的出口位于砂池上侧且在滤砂斗靠近是开始输砂向滤砂斗内输砂。

本发明的有益效果：与目前使用的覆膜石英砂相比，本发明的覆膜石英砂在制备时先将石英砂进行化学处理，改变其表面粗糙度，进而加入偶联剂通过化学键增强涂覆层与石英砂之间的界面结合强度；采用多种树脂按比例搭配使用，并且结合无碱超短玻璃纤维粉，进一步增强了树脂的强度，进而增强了覆膜砂的强度，润滑剂的使用能够避免砂体之间粘连，保持颗粒之间互不粘连；原料易得成本低、工艺简单，制得的覆膜砂球度好、强度高，易于推广和使用。

本发明还采用了一体循环是的陶粒砂原纱酸洗、清洗和烘干设备，从而使原砂酸洗的工业化变为可行，而且多个滤砂斗连续循环工作，在酸洗池和各清洗池自动升降进行清洗，达到自动化运行能力，生产效率非常高，有效解决了酸洗费工费时且污染的难题。由于自动化程度高和维护成本低，所以在生产过程中能够显著降低成本。

附图说明

图1是本发明高强度覆膜石英砂的制备工艺流程图。

图2是陶粒砂原纱酸洗、清洗和烘干设备工作流程示意图。

图3是图2中采用环形链条安装通轴链条轴及连接拉绳状态示意图。

图4是本发明覆膜石英砂在高闭合压力条件下的导流能力测试图。

图中标号：1为原砂输料管，2为砂池，3为酸洗池，4为一级清洗池，5为二级清洗池，6为三级清洗池，7为热风烘干室，8为导料池，9为出料斗，10为滤砂斗，11为链轮，12为环形链条，13为吊绳，14为翻料辊，15为支架和气管，16为曝气管组，17为吹风罩，18为链条轴。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术作进一步说明。

实施例1：本实施例的高强度覆膜砂由石英砂12kg、改性酚醛树脂3.25kg、改性双马来酰亚胺树脂1.25kg、硅醚树脂0.5kg、超短玻璃纤维粉1.2kg、抗氧化剂8kg、乌洛托品1kg、有机硅烷1 kg和滑石粉0.1kg组成。

本实施例的高强度覆膜石英砂的制备工艺包括以下步骤。

（1）按重量准确称取上述原料，将改性酚醛树脂、改性双马来酰亚胺树脂和硅醚树脂混合均匀得到混合树脂备用。

（2）然后将将石英砂原砂经80-16目筛过滤，获得粗砂；再粗砂经过酸洗、清洗和烘干设备处理，获得支撑层石英砂，所述酸洗采用过氧化氢和浓硫酸1:2-3的混合物，清水重复洗涤3-5次，过滤、烘干至水分含量低于0.5%。所采用的陶粒砂原纱酸洗、清洗和烘干设备包括了酸洗池、一级清洗池、二级清洗池、三级清洗池、热风烘干室和导料池等。原砂可以在过滤后倒入滤砂斗，再依次经过酸洗、清洗和烘干等步骤。也可以在酸洗池的前端还设置有砂池，原砂输料管的出口位于砂池上侧且在滤砂斗靠近是开始输砂向滤砂斗内输砂。

（3）将石英砂加热至280℃后倒入混砂机，以600r/min的转速搅拌5min，向混砂机中加入有机硅烷搅拌均匀。

（4）然后向石英砂颗粒中加入混合树脂、滑石粉和粒径为7μm的无碱超短玻璃纤维粉，继续搅拌得到均匀的固液混合物。

（5）向固液混合物中加入乌洛托品，继续搅拌至固液混合物充分固化，待温度冷却至60℃以下，粉碎后筛分，得到覆膜石英砂。

实施例2：本实施例的高强度覆膜石英砂，包括以下成分：石英砂10kg、改性酚醛树脂2.6kg、改性双马来酰亚胺树脂1kg、硅醚树脂0.4kg、超短玻璃纤维粉1 kg、多异氰酸酯0.8kg、有机硅烷0.5kg、硬脂酸钙钠0.08kg。

本实施例的高强度覆膜石英砂的制备工艺包括以下步骤。

（1）按重量准确称取上述原料，将改性酚醛树脂、改性双马来酰亚胺树脂和硅醚树脂混合均匀得到混合树脂备用。

（2）粗砂经过酸洗、清洗和烘干设备处理，获得支撑层石英砂，所述酸洗采用过氧化氢和浓硫酸1:2-3的混合物，清水重复洗涤4次，过滤、烘干至水分含量低于0.5%。

（3）将石英砂加热至250℃后倒入混砂机，以600r/min的转速搅拌5min，向混砂机中加入有机硅烷搅拌均匀。

（4）然后向石英砂颗粒中加入混合树脂、硬脂酸钙钠和粒径为10μm的无碱超短玻璃纤维粉，继续搅拌得到均匀的固液混合物。

（5）向固液混合物中加入多异氰酸酯，继续搅拌至固液混合物充分固化，待温度冷却至60℃以下，筛分，得到覆膜石英砂。

实施例3：本实施例的高强度覆膜石英砂，包括以下原料：石英砂7kg、改性酚醛树脂0.65kg、改性双马来酰亚胺树脂0.25kg、硅醚树脂0.1kg、超短玻璃纤维粉1.5 kg、多异氰酸酯0.3kg、乌洛托品0.2kg、有机硅烷KH550 0.5kg、硬脂酸钙0.08kg。

本实施例的高强度覆膜石英砂的制备工艺包括以下步骤。

（1）按重量准确称取上述原料，将改性酚醛树脂、改性双马来酰亚胺树脂和硅醚树脂混合均匀得到混合树脂备用。

（2）然后将石英砂放入玻璃容器中，加入过氧化氢和浓硫酸的混合物，搅拌13min后过滤，重复洗涤5次，过滤、烘干至水分含量低于0.5%。

（3）将石英砂加热至200℃后倒入混砂机，以600r/min的转速搅拌5min，向混砂机中加入有机硅烷KH550搅拌均匀。

（4）然后向石英砂颗粒中加入混合树脂、硬脂酸钙和粒径为10μm的无碱超短玻璃纤维粉，继续搅拌得到均匀的固液混合物。

（5）向固液混合物中加入多异氰酸酯、乌洛托品，继续搅拌至固液混合物充分固化，待温度冷却至60℃以下，筛分，得到覆膜石英砂。

实施例4：本实施例的高强度覆膜石英砂，包括以下原料：石英砂8kg、改性酚醛树脂1.3kg、改性双马来酰亚胺树脂0.5kg、硅醚树脂0.2kg、超短玻璃纤维粉1 kg、多异氰酸酯0.2kg、乌洛托品0.3kg、有机硅烷0.8kg、硬脂酸钙0.05kg、滑石粉0.05kg。

本实施例的高强度覆膜石英砂的制备工艺包括以下步骤。

（1）按重量准确称取上述原料，将改性酚醛树脂、改性双马来酰亚胺树脂和硅醚树脂混合均匀得到混合树脂备用。

（2）粗砂经过酸洗、清洗和烘干设备处理，获得支撑层石英砂，所述酸洗采用过氧化氢和浓硫酸1:2-3的混合物，清水重复洗涤3-5次，过滤、烘干至水分含量低于0.5%。

（3）将石英砂加热至300℃后倒入混砂机，以600r/min的转速搅拌5min，向混砂机中加入有机硅烷搅拌均匀。

（4）然后向石英砂颗粒中加入混合树脂、硬脂酸钙、滑石粉和粒径为7μm的无碱超短玻璃纤维粉，继续搅拌得到均匀的固液混合物。

（5）向固液混合物中加入多异氰酸酯和乌洛托品，继续搅拌至固液混合物充分固化，待温度冷却至60℃以下，筛分，得到覆膜石英砂。

实施例5：本实施例的高强度覆膜石英砂，包括以下原料：石英砂10kg、改性酚醛树脂3.25kg、改性双马来酰亚胺树脂1.25kg、硅醚树脂0.5kg、超短玻璃纤维粉1.2 kg、多异氰酸酯0.5kg、乌洛托品0.3kg、有机硅烷0.8kg、硬脂酸钙0.05kg、硬脂酸钙钠0.03kg、滑石粉0.02kg。

本实施例的高强度覆膜石英砂的制备工艺包括以下步骤。

（1）按重量准确称取上述原料，将改性酚醛树脂、改性双马来酰亚胺树脂和硅醚树脂混合均匀得到混合树脂备用。

（2）然后将石英砂放入玻璃容器中，加入过氧化氢和浓硫酸的混合物，搅拌10min后过滤，重复洗涤3次，过滤、烘干至水分含量低于0.5%。

（3）将石英砂加热至300℃后倒入混砂机，以600r/min的转速搅拌5min，向混砂机中加入有机硅烷搅拌均匀。

（4）然后向石英砂颗粒中加入混合树脂、硬脂酸钙、硬脂酸钙钠、滑石粉和粒径为8μm的无碱超短玻璃纤维粉，继续搅拌得到均匀的固液混合物。

（5）向固液混合物中加入多异氰酸酯和乌洛托品，继续搅拌至固液混合物充分固化，待温度冷却至60℃以下，筛分，得到覆膜石英砂。

实施例6：性能测试。

选取等量样品的实施例1-5所制备的覆膜石英砂和对比例1、对比例2在圆球度、破碎率、热态抗弯强度以及导流能力进行测试，测试结果见表1和图1。其中对比例1为常规石英砂，对比例2为市售覆膜石英砂；测试工艺参见GB/T8583-2008。

由表1和图4可知，本发明的覆膜石英砂与石英原砂和目前存在的覆膜石英砂相比，圆球度、破碎率和热态抗弯轻度均得到了明显的改善；闭合压力条件大于40MPa时，石英原砂几乎不具有导流能力；闭合压力大于70MPa时，市售覆膜砂导流能力趋近于零；而本发明的覆膜石英砂在高闭合压力条件下仍具有一定的导流能力。

实施例7：如图2所示的陶粒砂原纱酸洗、清洗和烘干设备，该机构为高强度覆膜石英砂的制备工艺的实现提供可能。由于上述实施例中采用的制备工艺必须依赖于酸洗工序完成，而酸洗过程在陶粒砂制备领域中并不常见，实现难度大。普通酸洗设备难以满足批量化持续工作需要而变得无法应用。该机构包括了酸洗池、一级清洗池、二级清洗池、三级清洗池、热风烘干室和导料池等。原砂可以在过滤后倒入滤砂斗，再依次经过酸洗、清洗和烘干等步骤。也可以在酸洗池的前端还设置有砂池，原砂输料管的出口位于砂池上侧且在滤砂斗靠近是开始输砂向滤砂斗内输砂。

图2中可见，沿纵向依次等间距布置的在各池或室的上部沿纵向分布有两条上层链轮组合和两条下层链轮组。两侧链轮组中，同一侧的上层链轮组和下层链轮组上环绕啮合有环形链条，从而有两条环形链条。两侧环形链条中至少有一对链条轮与驱动机构传动连接，传动机构采用电机及变速箱传动连接，图中未显示。

同时，两侧环形链条的部分链条轴为通轴，如图3所示，又在通轴的两侧分布套装有吊绳，两侧吊绳的下端连接在滤砂斗的四个顶角。

所采用的滤砂斗为抗酸材质制成的斗状且底层含有漏孔，例如采用聚四氟乙烯，聚四氟乙烯被称作“不粘涂层”或“易清洁物料”。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。滤砂斗的漏孔密度为80-16目。

另外，下层链轮组分为高层链轮和低层链轮，如图2所示，下层链轮组位于各池或室正上方的链轮为低层链轮，下层链轮组位于各池或室之间区域上方的链轮为高层链轮。高层链轮的高度高于底层链轮高度，满足各滤砂斗经过各池或室时位于底层链轮能够进入池内或室内，经过各池或室之间区域时位于高层链轮能够抬高被抬高，且各滤砂斗运行至上层链轮组末端后能够循环到首端，实现循环运动。

在导料池内竖向固定有至少一根立柱，立柱的顶端安装有翻料辊，翻料辊的高度略高于导料池内滤砂斗上沿高度。当各滤砂斗运行至翻料辊位置时被翻料辊阻挡而倾翻，烘干后的砂料倒入导料池，经导料池进入下到混砂机工序。

另外，如图2中又在所述酸洗池和多级清洗池内安装有支架和气管，气管连接曝气管组，曝气管组等间距沿纵向分布，气管与鼓风机构的出风口连接。利用曝气作用提高砂料的酸洗程度和清洗程度。以及在位于各池或室之间区域的上侧安装有吹风罩，吹风罩与鼓风机构的出风口连接。利用相邻池之间的吹风作用，尽量液体避免交错混合。

Claims (10)

1.一种高强度覆膜石英砂，其特征在于，包括以下重量份计的原料：石英砂70-120份、混合树脂10-50份、超短玻璃纤维粉10-15份、固化剂5-10份、抗氧化剂4-9份、有机硅烷1-10份和润滑剂0.5-1份；所述混合树脂是由改性酚醛树脂、改性双马来酰亚胺树脂和硅醚树脂按照6.5：2.5:1的比例配制而成的；所述超短玻璃纤维粉为无碱玻璃纤维粉，其粒径为7-11μm。

2.根据权利要求1所述的一种高强度覆膜石英砂，其特征在于，所述石英砂的粒度为16-80目，其水分含量小于0.5%。

3.根据权利要求1所述的一种高强度覆膜石英砂，其特征在于，所述固化剂为多异氰酸酯和乌洛托品的一种或两种按1:1混合。

4.根据权利要求1所述的一种高强度覆膜石英砂，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸钙钠、硬脂酸钙和滑石粉的一种或几种。

5.一种高强度覆膜石英砂的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

将石英砂原砂经80-16目筛过滤，获得粗砂；

将改性酚醛树脂、硅醚树脂和改性双马来酰亚胺树脂按照6.5：2.5:1的比例配成混合树脂备用；

将步骤（1）中粗砂经过酸洗、清洗和烘干设备处理，获得支撑层石英砂，所述酸洗采用过氧化氢和浓硫酸1:2-3的混合物，清水重复洗涤3-5次，过滤、烘干至水分含量低于0.5%；

将支撑层石英砂加热至200-300℃后倒入混砂机，以600r/min的转速搅拌5min，向混砂机中加入有机硅烷搅拌均匀；

然后向石英砂颗粒中依次加入混合树脂、润滑剂、超短玻璃纤维粉和抗氧化剂，继续搅拌得到均匀的固液混合物；满足以下重量份计的原料：支撑层石英砂70-120份、混合树脂10-50份、超短玻璃纤维粉10-15份、固化剂5-10份、抗氧化剂4-9份、有机硅烷1-10份和润滑剂0.5-1份；超短玻璃纤维粉为无碱玻璃纤维粉，其粒径为7-11μm；

向固液混合物中加入固化剂，继续搅拌至固液混合物充分固化，待温度冷却至60℃以下，破碎，筛分，得到覆膜石英砂。

6.一种陶粒砂原纱酸洗、清洗和烘干设备，其特征在于，包括沿纵向依次等间距布置的酸洗池、一级清洗池至n级清洗池，n≥3整数、热风烘干室和导料池，在各池或室的上部沿纵向分布有两条上层链轮组合和两条下层链轮组，同一侧的上层链轮组和下层链轮组上环绕啮合有环形链条；两侧环形链条中至少有一对链条轮与驱动机构传动连接；两侧环形链条的部分链条轴为通轴，在通轴的两侧分布套装有吊绳，两侧吊绳的下端连接在滤砂斗的四个顶角；所述滤砂斗为抗酸材质制成的斗状且底层含有漏孔，漏孔密度为80-16目；下层链轮组位于各池或室正上方的链轮为低层链轮，下层链轮组位于各池或室之间区域上方的链轮为高层链轮，高层链轮的高度高于底层链轮高度，满足各滤砂斗经过各池或室时位于底层链轮能够进入池内或室内，经过各池或室之间区域时位于高层链轮能够抬高被抬高，且各滤砂斗运行至上层链轮组末端后能够循环到首端。

7.根据权利要求6所述的陶粒砂原纱酸洗、清洗和烘干设备，其特征在于，在所述酸洗池和多级清洗池内安装有支架和气管，气管连接曝气管组，曝气管组等间距沿纵向分布，气管与鼓风机构的出风口连接。

8.根据权利要求6所述的陶粒砂原纱酸洗、清洗和烘干设备，其特征在于，位于各池或室之间区域的上侧安装有吹风罩，吹风罩与鼓风机构的出风口连接。

9.根据权利要求6所述的陶粒砂原纱酸洗、清洗和烘干设备，其特征在于，在所述导料池内竖向固定有至少一根立柱，立柱的顶端安装有翻料辊，翻料辊的高度略高于导料池内滤砂斗上沿高度。

10.根据权利要求6所述的陶粒砂原纱酸洗、清洗和烘干设备，其特征在于，在所述酸洗池的前端还设置有砂池，原砂输料管的出口位于砂池上侧且在滤砂斗靠近是开始输砂向滤砂斗内输砂。