CN110343517B - 一种硅灰陶粒支撑剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于煤层气、页岩气压裂施工开采用支撑剂技术领域，为解决在煤层气开采中石英砂存在的不足，提供了一种硅灰陶粒支撑剂，由硅灰和软锰矿混料制备而成，制备方法为：将质量百分比为70～100％的硅灰和0～30％的软锰矿进行混料；加入质量百分比为10～25％的水，在糖衣锅或爱立许强力搅拌机中滚动成球；干燥筛分，最后进行煅烧、保温，冷却后过筛，即得硅灰陶粒支撑剂。本发明使用硅灰为原料，极大地降低了陶粒支撑剂的制备成本，也为硅灰的资源化再利用开辟了一条新途径。本发明制备的硅灰陶粒支撑剂在煤层气开采中可取代石英砂，降低煤层气井开采成本，并能使煤层气增产，本发明制备工艺简单易行，操作方便，容易实现大规模生产。

Description

一种硅灰陶粒支撑剂及其制备方法
技术领域
本发明属于煤层气、页岩气压裂施工开采用支撑剂技术领域，具体涉及一种硅灰陶粒支撑剂及其制备方法。
背景技术
陶粒支撑剂是煤层气、页岩气等非常规能源以及石油、天然气低渗透油气井开采压裂施工过程中的关键材料，是一种具有高附加值特征的产品。目前所使用的支撑剂主要是石英砂和陶粒支撑剂，且石英砂市场占有率在60％以上，但国外根据油气井现状已经逐渐开始使用少量树脂覆膜支撑剂。作为一大类支撑剂，石英砂具有密度相对较低、便于施工泵送、价格低廉的优点，但其存在强度较低、易于破碎、圆球度和表面光洁度低、不利于导油气渗透的缺点，因此，石英砂仅适用于浅井、低闭合压力油气层的水力压裂。但是，对于浅层的煤层气和页岩气来说，则需要圆球度较好的石英砂，无形之中增加了石英砂的成本。
目前未见使用固废硅灰制备陶粒支撑剂的报道，但有一些使用固废煤矸石和粉煤灰制备陶粒支撑剂的报道。例如中国专利(公开号：CN 109626960A) 提出了一种煤矸石陶粒支撑剂的制备方法，该方法以煤矸石和硬质粘土为主要原料，添加烧结助剂和成型剂制得；中国专利(公开号CN105906318A)公开了一种利用煤矸石制备低密度陶粒支撑剂的方法，该方法以煤矸石和砂土为原料，在1100～1200℃烧结制得；中国专利(公开号：CN105885820A)报道了一种煤矸石制备煤层气井用陶粒支撑剂的制备方法，该方法以铝矾土和煤矸石为原料；中国专利(公开号CN102899015A)公开了一种利用粉煤灰制备陶粒支撑剂的方法，该方法以铝矾土、粉煤灰和锰粉为原料；中国专利(公开号CN107267134A)公开了一种用于煤层气开采的低密度压裂支撑剂的制备方法，该方法以低品位铝矾土、粉煤灰和煤矸石为原料；中国专利(公开号 CN102127418A)公开了一种超轻质支撑剂的制备方法，该方法以铝矾土、粉煤灰、煤矸石和粘土为骨料烧结成球。利用或添加硅灰制备陶粒支撑剂的报道未检索到。
硅灰是硅铁合金厂和金属厂冶炼硅铁合金或金属硅时从烟尘中收集的一种工业尘埃，其颗粒超细，比表面积大，具有很高的火山灰活性。硅灰的年产量较大，若不能合理利用，直接排放到环境中，将对环境造成重大污染。目前硅灰通常作为掺合料用于混凝土工业中，一方面可节约水泥熟料，降低混凝土的生产成本，有效减少环境污染，保护环境；另一方面，改善混凝土的性能，延长结构的安全使用期，增加工程的使用寿命。硅灰的主要成分是SiO2，开发硅灰制备的陶粒在煤层气井使用，对促进节能减排、废弃物的资源化利用和保护环境、发展循环经济，以及建设资源节约型、环境友好型社会具有重要的现实意义，其技术、经济、社会效益显著，应用前景广阔。
发明内容
本发明为解决在煤层气开采中石英砂存在的不足，提供了一种硅灰陶粒支撑剂及其制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种硅灰陶粒支撑剂，由硅灰和软锰矿混料制备而成，所述硅灰的质量百分比为70～100％，所述软锰矿的质量百分比为0～30％。
所述硅灰中各成分的质量百分比为：SiO2：85～96％，Al2O3：0.8～1.4％， Fe2O3：0.6～2.3％，MgO：0.6～1.5％，CaO：0.2～1.2％，Na2O：1.0～1.5％。
所述软锰矿中各成分的质量百分比为：MnO2：58～70％，SiO2：12～21％，Al2O3：4～5％，Fe2O3：10～16％，MgO：0.5～1.1％，CaO：1.5～2.2％。
一种硅灰陶粒支撑剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将质量百分比为70～100％的硅灰和0～30％的软锰矿进行混料；
(2)向硅灰和软锰矿的混合料中添加水，然后在糖衣锅或爱立许强力搅拌机中滚动成球；
(3)将步骤(2)中滚动成的球粒置于烘箱中进行干燥，然后筛分，得到半成品；
(4)将步骤(3)中的半成品进行煅烧、保温，自然冷却后过筛，即得硅灰陶粒支撑剂。
步骤(2)中水的添加量为10～25％。
步骤(3)中球粒的干燥温度为75～90℃，干燥时间为6～12小时。
步骤(3)中球粒筛分的粒径为20～40目。
步骤(4)中煅烧温度为700～1000℃，升温速率为5℃/min，保温时间为2～3小时。
本发明的有益效果：
1.本发明采用原料来源丰富且成本低廉的固体废弃物硅灰为主要原料，软锰矿为助剂，低温烧结制备了硅灰陶粒支撑剂，制备工艺简单易行，操作方便，容易实现大规模生产。
2.本发明制备的硅灰陶粒支撑剂具有低的体积密度、低的视密度、较高抗破碎能力及表面光洁度较好等优点，在煤层气开采中可取代石英砂，采用本发明的硅灰陶粒支撑剂能降低煤层气井开采成本，并能使煤层气增产。
3.本发明不仅实现了固废物硅灰的高附加值再生利用，极大地改善了环境污染，且制备的陶粒支撑剂性能符合SY/T5108-2014技术标准。
具体实施方式
一种硅灰陶粒支撑剂，由硅灰和软锰矿混料制备而成，所述硅灰的质量百分比为70～100％，所述软锰矿的质量百分比为0～30％。
所述硅灰中各成分的质量百分比为：SiO2：85～96％，Al2O3：0.8～1.4％， Fe2O3：0.6～2.3％，MgO：0.6～1.5％，CaO：0.2～1.2％，Na2O：1.0～1.5％。
所述软锰矿中各成分的质量百分比为：MnO2：58～70％，SiO2：12～21％， Al2O3：4～5％，Fe2O3：10～16％，MgO：0.5～1.1％，CaO：1.5～2.2％。
硅灰陶粒支撑剂的制备方法为：
(1)将质量百分比为70～100％的硅灰和0～30％的软锰矿进行混料；
(2)加入质量百分比为10～25％的水，在糖衣锅或爱立许强力搅拌机中滚动成球；
(3)将球粒置于烘箱中进行干燥，干燥温度为75～90℃，干燥时间为6～ 12小时，干燥后筛取粒径在20～40目之间的球粒为半成品；
(4)将上述半成品置于硅钼棒箱式炉或回转窑中在700～1000℃进行煅烧，保温2～3小时，升温速率为5℃/min，冷却后取出过筛，即得硅灰陶粒支撑剂。
实施例1
硅灰陶粒支撑剂的制备方法为：
(1)称取质量百分比为100％的硅灰；
(2)加入质量百分比为15％的水，在爱立许强力搅拌机中滚动成球；
(3)将球粒置于烘箱中75℃干燥10小时，筛取粒径在20～40目之间的球粒为半成品；
(4)将上述半成品置于硅钼棒箱式炉中在900℃进行煅烧2小时，升温速率为5℃/min，冷却后取出过筛，即制得硅灰陶粒支撑剂。
实施例2
硅灰陶粒支撑剂的制备方法为：
(1)按质量百分比称取90％的硅灰及10％的软锰矿进行混料；
(2)加入质量百分比为20％的水，在糖衣锅中滚动成球；
(3)将球粒置于烘箱中80℃干燥8小时，筛取粒径在20～40目之间的球粒为半成品；
(4)将上述半成品置于硅钼棒箱式炉中在800℃进行煅烧2.5小时，升温速率为5℃/min，冷却后取出过筛，即制得硅灰陶粒支撑剂。
实施例3
硅灰陶粒支撑剂的制备方法为：
(1)按质量百分比称取80％的硅灰及20％的软锰矿进行混料；
(2)加入质量百分比为12％的水，在爱立许强力搅拌机中滚动成球；
(3)将球粒置于烘箱中90℃干燥6小时，筛取粒径在20～40目之间的球粒为半成品；
(4)将上述半成品置于回转窑中在700℃进行煅烧3小时，升温速率为 5℃/min，冷却后取出过筛，即制得硅灰陶粒支撑剂。
实施例4
硅灰陶粒支撑剂的制备方法为：
(1)按质量百分比称取70％的硅灰及30％的软锰矿进行混料；
(2)加入质量百分比为25％的水，在糖衣锅中滚动成球；
(3)将球粒置于烘箱中85℃干燥12小时，筛取粒径在20～40目之间的球粒为半成品；
(4)将上述半成品置于回转窑中在1000℃进行煅烧2小时，升温速率为 5℃/min，冷却后取出过筛，即制得硅灰陶粒支撑剂。
实施例1-4制得的硅灰陶粒支撑剂与石英砂的性能对比如表1。
表1实施例1-4与石英砂性能对比
Figure BDA0002122323420000061

Claims (4)

1.一种硅灰陶粒支撑剂，其特征在于：由硅灰和软锰矿混料制备而成， 所述硅灰的质量百分比为70～100%，所述软锰矿的质量百分比为0～30%；
所述硅灰中各成分的质量百分比为：SiO2：85～96%，Al2O3：0.8～1.4%，Fe2O3：0.6～2.3%，MgO：0.6～1.5%，CaO：0.2～1.2%，Na2O：1.0～1.5%；
所述软锰矿中各成分的质量百分比为：MnO2：58～70%，SiO2：12～21%，Al2O3：4～5%，Fe2O3：10～16%，MgO：0.5～1.1%，CaO：1.5～2.2%；
具体的制备方法包括以下步骤：
（1）将质量百分比为70～100%的硅灰和0～30%的软锰矿进行混料；
（2）向硅灰和软锰矿的混合料中添加水，然后在糖衣锅或爱立许强力搅拌机中滚动成球；
（3）将步骤（2）中滚动成的球粒置于烘箱中进行干燥，然后筛分，得到半成品；
（4）将步骤（3）中的半成品进行煅烧、保温，自然冷却后过筛，即得硅灰陶粒支撑剂；
所述步骤（4）中煅烧温度为700～1000℃，升温速率为5℃/min，保温时间为2～3小时。
2.根据权利要求1所述的一种硅灰陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中水的添加量为10～25%。
3.根据权利要求1所述的一种硅灰陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：步骤（3）中球粒的干燥温度为75～90℃，干燥时间为6～12小时。
4.根据权利要求1所述的一种硅灰陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：步骤（3）中球粒筛分的粒径为20～40目。
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