CN110668796B - 一种轻质高强压裂支撑剂及其制备方法 - Google Patents

一种轻质高强压裂支撑剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质高强压裂支撑剂，由以下重量份数的组分制成：低品位铝矾土50‑80份、黏土5‑10份、钢渣5‑10份、K2TiF6 1‑2份、Sb2O3 0.5‑1份、硅烷偶联剂1‑2份、可溶性聚酰亚胺3‑5份、烷基苯磺酸钠0.5‑1份。此外，本发明还提供了一种轻质高强压裂支撑剂的制备方法。本发明制备出的轻质高强压裂支撑剂质轻、强度高，使用过程中破碎率低，可有效保持压裂液的导流率，适用于深井压裂，有广阔的市场前景。

Description

一种轻质高强压裂支撑剂及其制备方法
技术领域
本发明属于油田化工技术领域，具体涉及一种轻质高强压裂支撑剂及其制备方法。
背景技术
压裂支撑剂是填充并支撑水力压裂裂缝，使之不再重新闭合而具有一定圆度和球度的固体颗粒。在水力压裂过程中，利用地面的高压泵组等压裂设备通过井筒不断地向油层注入超出其吸收能力的、具有高粘度的压裂液而使得油层上形成较高的压力，随着压裂液的不断注入，压力也不断升高，当此压力高于井壁附近地层压力和地层岩石扩张强度时，油层就会被压裂开而形成大小不一，长短不同的裂缝，而支撑剂的作用就是当形成裂缝后由携砂液输送至裂缝中支撑裂缝，使得油层与井筒之间形成一条流体通道，达到增产的效果。
现有的支撑剂主要有三类：石英砂、陶粒和树脂包砂。石英砂强度低，破裂后的碎屑会堵塞裂缝，从而降低导流率；树脂包砂能够解决石英砂强度低的问题，但其生产成本高，工艺复杂；陶粒虽然具有较高的强度，但是目前制备出的陶粒支撑剂的相对密度高达2.7-3.6g/cm3，这对压裂液的黏度、流变性等性能以及设备功率、排量等泵送条件都提出了较高的要求。
目前，国内大量的研究主要集中在提高陶粒支撑剂的强度方面，忽视了视密度的大小，使支撑剂在应用中容易产生较短的支撑带，堆积在裂缝的端口处，对导流极其不利。因此，很有必要研制开发轻质高强压裂支撑剂，以解决上述问题。
发明内容
本发明提供了一种轻质高强压裂支撑剂，解决了现有技术中存在的陶粒支撑剂视密度大，导致其在应用中容易产生较短的支撑带，堆积在裂缝的端口处，对导流极其不利的问题。
本发明的第一个目的是提供一种轻质高强压裂支撑剂，由以下重量份数的组分制成：低品位铝矾土50-80份、黏土5-10份、钢渣5-10份、K2TiF6 1-2份、Sb2O3 0.5-1份、硅烷偶联剂1-2份、可溶性聚酰亚胺3-5份、烷基苯磺酸钠0.5-1份。
优选的，所述轻质高强压裂支撑剂由以下重量份数的组分制成：低品位铝矾土60份、黏土8份、钢渣8份、K2TiF6 1.5份、Sb2O3 0.5份、硅烷偶联剂1.5份、可溶性聚酰亚胺4份、烷基苯磺酸钠1份。
优选的，所述低品位铝矾土中Al2O3质量含量为50-55％。
优选的，所述钢渣中各化学组分的质量百分含量为：CaO：40.08％、SiO2：15.22％、Fe2O3：26.51％、MgO：10.10％、Al2O3：6.38％、P2O5：0.88％、Na2O：0.31％、TiO2：0.52％。
优选的，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷。
本发明的第二个目的是提供上述轻质高强压裂支撑剂的制备方法，包括以下步骤：
S1，按重量份称取低品位铝矾土50-80份、黏土5-10份、钢渣5-10份、K2TiF6 1-2份、Sb2O3 0.5-1份、硅烷偶联剂1-2份、可溶性聚酰亚胺3-5份、烷基苯磺酸钠0.5-1份；
S2，将S1中称取的低品位铝矾土、黏土、钢渣混合后粉碎，得到混合料A；
S3，将S1中称取的硅烷偶联剂与DMF按照1:5的质量比混合分散，得到偶联剂溶液，往偶联剂溶液中加入S1中称取的可溶性聚酰亚胺，混合均匀在50℃下反应0.5-1h，得到有机混合液；
S4，往有机混合液中加入S1中称取的K2TiF6、Sb2O3、烷基苯磺酸钠以及S2中的混合料A，混合均匀，得到混合物B；
S5，将混合物B制粒，得到生料球；
S6，将生料球在氮气氛围下，于400-500℃预焙烧30min，预焙烧完毕后再于600-750℃下一次焙烧30-60min，然后升温至1000-1100℃进行二次焙烧，焙烧时间为20-30min，焙烧完毕冷却至室温，得到陶粒，即为所述轻质高强压裂支撑剂。
优选的，S2中低品位铝矾土、黏土、钢渣混合后粉碎后过400目筛。
优选的，S6中得到的陶粒粒径为0.4-0.8mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明选用低品位铝矾土作为主料，钢渣中含有一定量的Al2O3，能够补充主料中Al2O3，此外，钢渣中还含有一定量的Fe2O3和MgO，其作为强的溶剂性氧化物，有助于配料体系在较低的温度下产生液相，最终进入玻璃相，降低支撑剂的烧结温度；烷基苯磺酸钠是一种引气剂，低温焙烧时能在生料球内形成众多微孔；黏土具有良好的塑形，便于造粒；K2TiF6能够促使β-Al2O3、γ-Al2O3快速向α-Al2O3刚玉相转变，使样品的主晶相为莫来石或刚玉石，从而提高其强度，同时，其还能降低烧结温度；可溶性聚酰亚胺是一种高分子材料，能够控制各物料之间团聚作用的影响，使原料分散性能更好，有利于发挥各原料组分的特性；此外，可溶性聚酰亚胺的熔点在300℃以上，热分解温度在600℃以上，在400-500℃预焙烧时其熔化，在600-750℃下一次焙烧时热分解挥发，进一步在陶粒内部形成微小气孔；在1000℃以上的温度下，Sb2O3能对陶粒内部气孔大小进行调节，使气孔数量变多，尺寸变小，从而更有利于保持陶粒的力学强度，同时保持其轻质的特性。
2)本发明制备出的轻质高强压裂支撑剂质轻、强度高，使用过程中破碎率低，可有效保持压裂液的导流率，适用于深井压裂，有广阔的市场前景。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述实施例中，钢渣中各化学组分的质量百分含量为：CaO：40.08％、SiO2：15.22％、Fe2O3：26.51％、MgO：10.10％、Al2O3：6.38％、P2O5：0.88％、Na2O：0.31％、TiO2：0.52％；可溶性聚酰亚胺购买自湖北万得化工有限公司，CAS编号：26023-21-2。
下述各实施例中所述实验方法如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
实施例1
一种轻质高强压裂支撑剂，由以下重量的组分制成：低品位铝矾土60份、黏土8份、钢渣8份、K2TiF6 1.5份、Sb2O3 0.5份、硅烷偶联剂1.5份、可溶性聚酰亚胺4份、烷基苯磺酸钠1份，其中，低品位铝矾土中Al2O3含量为50％；
具体制备方法如下：
S1，按重量份称取低品位铝矾土60份、黏土8份、钢渣8份、K2TiF6 1.5份、Sb2O3 0.5份、硅烷偶联剂1.5份、可溶性聚酰亚胺4份、烷基苯磺酸钠1份；
S2，将S1中称取的低品位铝矾土、黏土、钢渣混合后粉碎过400目筛，得到混合料A；
S3，将S1中称取的硅烷偶联剂与DMF按照1:5的质量比混合后得到偶联剂溶液，往偶联剂溶液中加入S1中称取的可溶性聚酰亚胺，混合均匀在50℃下反应1h，得到有机混合液；
S4，往有机混合液中加入S1中称取的K2TiF6、Sb2O3、烷基苯磺酸钠以及S2中的混合料A，混合均匀，得到混合物B；
S5，将混合物B制粒，得到生料球；
S6，将生料球在氮气氛围下，于400℃预焙烧30min，预焙烧完毕后再于600℃下一次焙烧60min，然后升温至1050℃进行二次焙烧，焙烧时间为25min，焙烧完毕冷却至室温，得到粒径为0.4mm的陶粒，即为轻质高强压裂支撑剂。
实施例2
一种轻质高强压裂支撑剂，由以下重量份数的组分制成：低品位铝矾土50份、黏土10份、钢渣5份、K2TiF6 1份、Sb2O3 1份、硅烷偶联剂2份、可溶性聚酰亚胺3份、烷基苯磺酸钠0.5份，其中，低品位铝矾土中Al2O3含量为55％；
具体制备方法如下：
S1，按重量份称取低品位铝矾土50份、黏土10份、钢渣5份、K2TiF6 1份、Sb2O3 1份、硅烷偶联剂2份、可溶性聚酰亚胺3份、烷基苯磺酸钠0.5份；
S2，将S1中称取的低品位铝矾土、黏土、钢渣混合后粉碎过400目筛，得到混合料A；
S3，将S1中称取的硅烷偶联剂与DMF按照1:5的质量比混合后得到偶联剂溶液，往偶联剂溶液中加入S1中称取的可溶性聚酰亚胺，混合均匀在50℃下反应0.5h，得到有机混合液；
S4，往有机混合液中加入S1中称取的K2TiF6、Sb2O3、烷基苯磺酸钠以及S2中的混合料A，混合均匀，得到混合物B；
S5，将混合物B制粒，得到生料球；
S6，将生料球在氮气氛围下，于450℃预焙烧30min，预焙烧完毕后再于700℃下一次焙烧40min，然后升温至1100℃进行二次焙烧，焙烧时间为20min，焙烧完毕冷却至室温，得到粒径为0.6mm的陶粒，即为轻质高强压裂支撑剂。
实施例3
一种轻质高强压裂支撑剂，由以下重量份数的组分制成：低品位铝矾土80份、黏土5份、钢渣10份、K2TiF6 2份、Sb2O3 0.5份、硅烷偶联剂1份、可溶性聚酰亚胺5份、烷基苯磺酸钠0.5份，其中，低品位铝矾土中Al2O3含量为50％；
具体制备方法如下：
S1，按重量份称取低品位铝矾土80份、黏土5份、钢渣10份、K2TiF6 2份、Sb2O3 0.5份、硅烷偶联剂1份、可溶性聚酰亚胺5份、烷基苯磺酸钠0.5份；
S2，将S1中称取的低品位铝矾土、黏土、钢渣混合后粉碎过400目筛，得到混合料A；
S3，将S1中称取的硅烷偶联剂与DMF按照1:5的质量比混合后得到偶联剂溶液，往偶联剂溶液中加入S1中称取的可溶性聚酰亚胺，混合均匀在50℃下反应1h，得到有机混合液；
S4，往有机混合液中加入S1中称取的K2TiF6、Sb2O3、烷基苯磺酸钠以及S2中的混合料A，混合均匀，得到混合物B；
S5，将混合物B制粒，得到生料球；
S6，将生料球在氮气氛围下，于500℃预焙烧30min，预焙烧完毕后再于750℃下一次焙烧30min，然后升温至1000℃进行二次焙烧，焙烧时间为30min，焙烧完毕冷却至室温，得到粒径为0.8mm的陶粒，即为轻质高强压裂支撑剂。
为了进一步说明本发明的效果，本发明还设置了对比例，具体如下。
对比例1
一种轻质高强压裂支撑剂，其组分配方同实施例1，不同之处在于对比例1中没有添加钢渣。
具体制备方法同实施例1，不同之处在于对比例1的S2中，混合料A中不包括钢渣。
对比例2
一种轻质高强压裂支撑剂，其组分配方同实施例1，不同之处在于对比例2中没有添加K2TiF6。
具体制备方法同实施例1，不同之处在于对比例2的S4中，有机混合液中不加入K2TiF6。
对比例3
一种轻质高强压裂支撑剂，其组分配方同实施例1，不同之处在于对比例3中没有添加Sb2O3。
具体制备方法同实施例1，不同之处在于对比例3的S4中，有机混合液中不加Sb2O3。
对比例4
一种轻质高强压裂支撑剂，其组分配方同实施例1，不同之处在于对比例4中没有添加K2TiF6和Sb2O3。
具体制备方法同实施例1，不同之处在于对比例4的S4中，有机混合液中不加K2TiF6和Sb2O3。
对比例5
一种轻质高强压裂支撑剂，由以下重量的组分制成：低品位铝矾土60份、黏土8份、钢渣8份、K2TiF6 1.5份、Sb2O3 0.5份、烷基苯磺酸钠1份，其中，低品位铝矾土中Al2O3含量为50％；
具体制备方法如下：
S1，按重量份称取低品位铝矾土60份、黏土8份、钢渣8份、K2TiF6 1.5份、Sb2O3 0.5份、烷基苯磺酸钠1份；
S2，将S1中称取的低品位铝矾土、黏土、钢渣混合后粉碎过400目筛，得到混合料A；
S3，往混合料A中加入S1中称取的K2TiF6、Sb2O3以及烷基苯磺酸钠，混合均匀，得到混合物B；
S4，将混合物B制粒，得到生料球；
S5，将生料球在氮气氛围下，于400℃预焙烧30min，预焙烧完毕后再于600℃下一次焙烧60min，然后升温至1050℃进行二次焙烧，焙烧时间为25min，焙烧完毕冷却至室温，得到粒径为0.4mm的陶粒，即为轻质高强压裂支撑剂。
实施例1-3和对比例1-5均制备出了轻质高强压裂支撑剂，按照中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5108-2006《压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法》检测，性能参数详见下表1。
表1实施例1-3和对比例1-3的压裂支撑剂的性能指标
Figure BDA0002250478200000091
Figure BDA0002250478200000101
由表1可看出，实施例1-3制备出的高强压裂支撑剂的体积密度、视密度均较小，且有足够高的强度，性能优越，有利于压裂增产。
对比例1中没有添加钢渣，因此制备出的产品中Al2O3含量低，转化成α-Al2O3刚玉相的Al2O3少，影响产品强度，此外，钢渣中还含有一定量的Fe2O3和MgO，其能够作为强的溶剂性氧化物，有助于配料体系在较低的温度下产生液相，所以，在没有添加钢渣且制备温度和实施例1相同的条件下，对比例1制备出的产品性能不及实施例1-3的好；
对比例2中没有添加K2TiF6，由β-Al2O3、γ-Al2O3向α-Al2O3刚玉相转变的Al2O3少，影响产品强度，同时，K2TiF6能降低烧结温度，因此，制备温度和实施例1相同的条件下，对比例2制备出的产品性能不及实施例1-3的好；
对比例3中没有添加Sb2O3，因此制备出的产品内部气孔较实施例1-3的大，且气孔数量不及实施例1-3的多，从而使产品强度受到影响，更为重要的是影响到产品的体积密度和视密度；
对比例4中没有添加K2TiF6和Sb2O3，制备出的产品强度较实施例1-3的低，体积密度和视密度较实施例1-3的大；
对比例5中由于没有添加可溶性聚酰亚胺，各物料之间容易团聚，且结合力差，此外，由于没有添加可溶性聚酰亚胺，产品内部孔隙少，从而使制备出的产品的体积密度和视密度大。
本发明的描述了优选的实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种轻质高强压裂支撑剂，其特征在于，由以下重量份数的组分制成：低品位铝矾土50-80份、黏土5-10份、钢渣5-10份、K2TiF6 1-2份、Sb2O3 0.5-1份、硅烷偶联剂1-2份、可溶性聚酰亚胺3-5份、烷基苯磺酸钠0.5-1份；
所述的轻质高强压裂支撑剂的制备方法，包括以下步骤：
S1，按重量份称取低品位铝矾土50-80份、黏土5-10份、钢渣5-10份、K2TiF6 1-2份、Sb2O30.5-1份、硅烷偶联剂1-2份、可溶性聚酰亚胺3-5份、烷基苯磺酸钠0.5-1份；
S2，将S1中称取的低品位铝矾土、黏土、钢渣混合后粉碎，得到混合料A；
S3，将S1中称取的硅烷偶联剂与DMF按照1:5的质量比混合分散，得到偶联剂溶液，往偶联剂溶液中加入S1中称取的可溶性聚酰亚胺，混合均匀后在50℃下反应0.5-1h，得到有机混合液；
S4，往有机混合液中加入S1中称取的K2TiF6、Sb2O3、烷基苯磺酸钠以及S2中的混合料A，混合均匀，得到混合物B；
S5，将混合物B制粒，得到生料球；
S6，将生料球在氮气氛围下，于400-500℃预焙烧30min，预焙烧完毕后再于600-750℃下一次焙烧30-60min，然后升温至1000-1100℃进行二次焙烧，焙烧时间为20-30min，焙烧完毕冷却至室温，得到陶粒，即为所述轻质高强压裂支撑剂。
2.根据权利要求1所述的轻质高强压裂支撑剂，其特征在于，由以下重量份数的组分制成：低品位铝矾土60份、黏土8份、钢渣8份、K2TiF6 1.5份、Sb2O3 0.5份、硅烷偶联剂1.5份、可溶性聚酰亚胺4份、烷基苯磺酸钠1份。
3.根据权利要求1或2所述的轻质高强压裂支撑剂，其特征在于，所述低品位铝矾土中Al2O3质量含量为50-55％。
4.根据权利要求1或2所述的轻质高强压裂支撑剂，其特征在于，所述钢渣中各化学组分的质量百分含量为：CaO：40.08％、SiO2：15.22％、Fe2O3：26.51％、MgO：10.10％、Al2O3：6.38％、P2O5：0.88％、Na2O：0.31％、TiO2：0.52％。
5.根据权利要求1或2所述的轻质高强压裂支撑剂，其特征在于，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷。
6.根据权利要求1所述的轻质高强压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，S2中低品位铝矾土、黏土、钢渣混合后粉碎后过400目筛。
7.根据权利要求1所述的轻质高强压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，S6中得到的陶粒粒径为0.4-0.8mm。
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