CN110093149A - 一种煤矸石基多孔陶粒支撑剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种煤矸石基多孔陶粒支撑剂的制备方法是将煅烧煤矸石、未煅烧煤矸石、以及原料总重量的碳粉做造孔剂及二氧化锰按比例称量后，进行破碎、筛分、球磨、混料、造粒、烘干和烧结，获得多孔陶粒支撑剂，本方法开发利用煤矸石，变废为宝，解决了环境污染的同时带来了可观的经济效益，且体积密度优于国家石油天然气SY/T 5108‑2014的行业标准。

Description

一种煤矸石基多孔陶粒支撑剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种石油天然气开采工业中所用支撑剂的制备方法，特别是一种适用于浅井低渗透压和煤层气、页岩气等非常规油气藏的煤矸石质低密度陶粒支撑剂的制备方法。
背景技术
随着全球经济的快速发展，煤炭和石油等不可再生能源的日渐枯竭，能源危机和生态环境危机也步步紧逼，获取新型能源和清洁能源的开发已经变成各国摆在面前的迫切问题，随着20世纪90年代美国“页岩气革命”的爆发，在全球范围内引起了专家学者对页岩气等非常规油气藏的关注和研究，我国的煤层气储量丰富，页岩气已探明的储量也位居世界第一，但至今我国的天然气等油气进口量仍位居世界第一位，供需关系的不足制约了我国的能源结构改善和绿色经济的发展，因此有关开发页岩气等非常规油气藏大规模的技术投入对我国的发展意义重大。
周少鹏等人以铝含量为65%的二级铝矾土生料为原料，添加2 wt%镁渣为辅料，通过固相烧结法在1400 ℃下烧结3 h后制备了密度为3.06 g/cm3，抗压强度达到271 MPa，气孔率小于1%的高强度陶粒支撑剂。
刘爱平等人以山西阳泉二级铝矾土为原料研究了烧结温度对莫来石/石英质经济型陶粒性能的影响，在1510 ℃的烧结温度下制备出体密度为1.39 g/cm3，视密度为2.78g/cm3，35 MPa下的破碎率为5.54%陶粒支撑剂。
王勇伟以煤矸石和铝土矿为主要原料，添加菱镁尾矿作为矿化剂，通过常压烧结的方法制备了低密度高强度的陶粒支撑剂。
自20世纪50年代中国开始压裂支撑剂的研究以来，就主要采用的是高铝质优质铝土矿来制备陶粒支撑剂，由铝含量高的铝土矿制备的陶粒支撑剂非常坚固，但密度也很大，难以应用于浅渗透压页岩气和其他非常规油气，在这种情况下，寻求一些具有低氧化铝含量的原料，如固体废弃物煤矸石、粉煤灰等，来制备低密度高强度陶粒支撑剂，已经成为陶粒支撑剂技术发展的新目标。
田玉明等人公开了一种工艺方法专利，以工业固体废弃物煤矸石和砂土制备了一种低密度陶粒支撑剂，采用此工艺制备出来的陶粒支撑剂，在1100-1200 ℃之间烧结后，使用性能符合SY/T5108-2014技术标准。
煤矸石是来源煤炭开采和洗选过程中产生的固体废物，约占煤炭产量的15%，是我国最主要的固体废弃物之一吗，山西作为我国的产煤大省，2018年的煤矸石产生量约2亿吨，综合回收利用率却只有30%左右，这么大量的煤矸石若不处理加以利用，不仅占用宝贵的土地资源，对生态环境和地表水也造成了较大的破坏和污染，煤矸石主要分为三类：硅质煤矸石、灰质煤矸石和泥岩质煤矸石，泥岩质煤矸石由于含碳量比较低，含铝量相对较高，具有广阔的综合利用开发前景，以泥岩质煤矸石为原料制备低密度、高强度的压裂支撑剂，不仅有利于煤矸石的高值利用，还能够降低陶粒支撑剂的生产成本。
发明内容
基于上述现有技术，本发明的目的是提供一种煤矸石基多孔陶粒支撑剂的制备方法，利用高岭石质煤矸石，制备低成本且适用于低渗透压非常规油气藏水力压裂的超低密支撑剂。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。
一种煤矸石基多孔陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法
的原料组成按重量百分含量计为：煅烧煤矸石30-50份、未煅烧煤矸石50-70份，以及原料总重量的5-15%的碳粉做造孔剂，1-3%的二氧化锰；制备方法是将所述煤矸石、碳粉以及二氧化锰按上述含量称量后，进行破碎、筛分、球磨至400目、混料、造粒、烘干和烧结，获得多孔陶粒支撑剂。
进一步地特征在于：所述烧结是根据碳粉高温煅烧下的反应温度和时间设定的烧结工艺为：在0-600 ℃时，升温速率设为5 ℃/min，在600-1000 ℃时，升温速率设为3 ℃/min，温度大于1000 ℃则以5 ℃/min的升温速率升至1350-1400 ℃烧结温度，保温1-4 h冷却后测试性能。
进一步地特征还在于：所述制备方法的原料组成按重量百分含量计为：煅烧煤矸石70份，未煅烧煤矸石30份，总重量10%的碳粉，总重量1.5%的二氧化锰；所述制备方法是将上述原料进行破碎、粉磨至400目，再按照上述比例称取粉磨好的原料，经过混料、造粒、干燥，再根据设定好的烧结工艺烧为1350 ℃，时间为4h，获得煤矸石基多孔陶粒支撑剂；
根据石油压裂支撑剂的检测方法测试，获得样品的体积密度为1.19g/cm3，视密度为2.42 g/cm3，闭合压力为35 MPa时破碎率为6.01%。
实现本发明上述所提供的一种煤矸石基多孔陶粒支撑剂的制备方法，与现有技术相比，本方法制备支撑剂所用的原料价格低廉且成分稳定，主要成分为Al2O3和SiO2，适合作为制备低密度陶粒支撑剂的原料，煤矸石产出量大，来源广，可代替越来越少的优质铝矾土资源，提高了资源利用率。
本方法所制得的低密度支撑剂的体积密度为1.15-1.24 g/cm3，视密度为2.36-2.56 g/cm3，35MPa破碎率小于5.16-8.27%。
本方法采用高岭石质煤矸石为主要原料，添加碳粉做造孔剂所制备的陶粒支撑剂可显著降低体积密度，与现有技术相比，降低了20%以上，很大程度地降低了油气井辅助设备的运行成本（压裂液、砂比等），减少了压裂液的使用，降低了生产成本，采用高岭石质煤矸石制备的陶粒支撑剂能够应用于低渗透非常规油、气藏水力压裂。
本方法开发煤矸石的综合利用途径，变废为宝，解决环境污染的同时带来了可观的经济效益，且体积密度优于国家石油天然气SY/T 5108-2014的行业标准。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容，所实现的效果，结合一下实施方式予以进一步说明如下：
本发明的关键构思在于：降低密度和增加强度通过两个部分来实现，使得制备的支撑剂达到低密度和高强度，将碳粉作为造孔剂加入到原料土中，能够使得支撑剂内部形成多孔结构，从而降低支撑剂的密度；而添加二氧化锰则一方面可以促进烧结，降低烧结温度，另一方面二氧化锰的加入会促进棒状莫来石的大量形成，对支撑剂的强度有利。
实施例1
本实施例的超低密高强度陶瓷压裂支撑剂，由以下重量份的原料制备而成：轻烧煤矸石70份，生料煤矸石30份，总重量10%的碳粉，总重量1.5%的二氧化锰。
本实施例的超低密高强度的压裂支撑剂的制备方法，将上述原料进行破碎、粉磨至400目，再按照上述比例称取粉磨好的原料，经过混料、造粒、干燥，再根据设定好的烧结工艺烧为1350 ℃，时间为4h。
根据石油压裂支撑剂的检测方法测试，得到的样品的体积密度为1.19g/cm3,视密度为2.42 g/cm3，闭合压力为35 MPa时破碎率为6.01%，各项性能均优于国家石油天然气SY/T 5108-2014的行业标准。
实施例2
本实施例的超低密高强度陶瓷压裂支撑剂，由以下重量份的原料制备而成：轻烧煤矸石70份，生料煤矸石30份，总重量10%的碳粉，总重量2%的二氧化锰。
本实施例的超低密高强度的压裂支撑剂的制备方法，将上述原料进行破碎、粉磨至400目，再按照上述比例称取粉磨好的原料，经过混料、造粒、干燥，再根据设定好的烧结工艺烧为1350 ℃，时间为4h。
根据石油压裂支撑剂的检测方法测试，得到的样品的体积密度为1.16g/cm3,视密度为2.45 g/cm3，闭合压力为35 MPa时破碎率为5.18%，各项性能均优于国家石油天然气SY/T 5108-2014的行业标准。
实施例3
本实施例的超低密高强度陶瓷压裂支撑剂，由以下重量份的原料制备而成：轻烧煤矸石50份，生料煤矸石50份，总重量5%的碳粉，1.5%的二氧化锰。
本实施例的超低密高强度的压裂支撑剂的制备方法，将上述原料进行破碎、粉磨至400目，再按照上述比例称取粉磨好的原料，经过混料、造粒、干燥，再根据设定好的烧结工艺烧为1400 ℃，时间为2h。
根据石油压裂支撑剂的检测方法测试，得到的样品的体积密度为1.24g/cm3,视密度为2.55g/cm3，闭合压力为35 MPa时破碎率为7.23%，各项性能均优于国家石油天然气SY/T 5108-2014的行业标准。
实施例4
本实施例的超低密高强度陶瓷压裂支撑剂，由以下重量份的原料制备而成：轻烧煤矸石50份，生料煤矸石50份，总重量10%的碳粉，2%的二氧化锰。
本实施例的超低密高强度的压裂支撑剂的制备方法，将上述原料进行破碎、粉磨至400目，再按照上述比例称取粉磨好的原料，经过混料、造粒、干燥，再根据设定好的烧结工艺烧为1400 ℃，时间为2h。
根据石油压裂支撑剂的检测方法测试，得到的样品的体积密度为1.22g/cm3,视密度为2.47 g/cm3，闭合压力为35 MPa时破碎率为8.04%，各项性能均优于国家石油天然气SY/T 5108-2014的行业标准。
效果分析
1、将上述实施例,1至实施例4所制备的超低密高强度压裂支撑剂分别进行体积密度、视密度的测定，测定结果为，实施例,1至实施例4所制备的超低密高强度的陶瓷压裂支撑剂的体积密度为1.15-1.24g/cm3，视密度为2.36-2.56g/cm3。本方法的超低密高强度压裂支撑剂能够满足煤层气、页岩气等气体能源的增产作业。
2、将上述实施例1至实施例4所制备的超低密高强度压裂支撑剂在35 MPa的闭合压力下，对其20/40目、30/50目大小进行破碎率的测定，测试结果显示，实施例,1至实施例4所制备的超低密高强度的压裂支撑剂的破碎率为：35 MPa闭合压力下，20/40目大小的破碎率≤8%，30/50目大小的破碎率≤6%，本方法的超低密高强度压裂支撑剂具有抗破碎能力高的优点，应用范围广。
综上所述，本发明所提供的超低密高强度压裂支撑剂具有原料来源方便、密度低、导流能力高、抗破碎能力高的有点，本发明的超低密高强度压裂支撑剂的制备方法具有制备工艺简单、烧成温度低、生产成本低的优点，适用于工业化生产。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所做的等同交换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种煤矸石基多孔陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法
的原料组成按重量百分含量计为：煅烧煤矸石30-50份、未煅烧煤矸石50-70份，以及原料总重量的5-15%的碳粉做造孔剂，1-3%的二氧化锰；制备方法是将所述煤矸石、碳粉以及二氧化锰按上述含量称量后，进行破碎、筛分、球磨至400目、混料、造粒、烘干和烧结，获得多孔陶粒支撑剂。
2.如权利要求1所述的煤矸石基多孔陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：所述烧结是根据碳粉高温煅烧下的反应温度和时间设定的烧结工艺为：在0-600 ℃时，升温速率设为5℃/min，在600-1000 ℃时，升温速率设为3 ℃/min，温度大于1000 ℃则以5 ℃/min的升温速率升至1350-1400 ℃烧结温度，保温1-4 h冷却后测试性能。
3.如权利要求1所述的煤矸石基多孔陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：所述制备方法的原料组成按重量百分含量计为：煅烧煤矸石70份，未煅烧煤矸石30份，总重量10%的碳粉，总重量1.5%的二氧化锰；所述制备方法是将上述原料进行破碎、粉磨至400目，再按照上述比例称取粉磨好的原料，经过混料、造粒、干燥，再根据设定好的烧结工艺烧为1350 ℃，时间为4h，获得煤矸石基多孔陶粒支撑剂；
根据石油压裂支撑剂的检测方法测试，获得样品的体积密度为1.19g/cm3，视密度为2.42 g/cm3，闭合压力为35 MPa时破碎率为6.01%。
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