一种低密度煤矸石基陶粒支撑剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于石油开采中压裂支撑剂制备技术，特别是涉及一种低密度煤矸石基陶粒支撑剂及其制备方法。该支撑剂以煤矸石、粉煤灰和轻质氧化镁为主要原料，还包括助烧剂和粘结剂，按质量百分比计，其中：煤矸石45％

【技术实现步骤摘要】
一种低密度煤矸石基陶粒支撑剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于石油开采中压裂支撑剂制备
，特别是涉及一种低密度煤矸石基陶粒支撑剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]水力压裂技术是在各种地层油气矿井开采过程中所使用的一种油气增产技术，该方法在二十世纪四五十年代被美国首次提出并投入商业使用，其原理是在油气开采过程中将含支撑剂的压裂液通过高压注入，在储层岩石中形成裂缝，高强度的支撑剂可以有效地提高裂缝张开时间和张开宽度，使得张开的裂缝保持张开的状态以供开采的油气通过而非受到地层的压力闭合，以提高油气井的开采年限和开采量。水力压裂的成果在一定程度上决定了油气井的开采效果，而支撑剂的性能在其中更起到了决定性的作用。降低支撑剂的密度，可以减少支撑剂在压裂过程中的沉降，有效提高裂缝长度，降低施工难度与施工成本，因此低密度陶粒支撑剂的研发具有非常重要的理论意义与实际价值。
[0003]煤矸石是在煤炭生产过程中伴随着煤炭一起产出的一种固体废弃物，约占煤炭产量的15％以上。据国际煤炭网的调查显示，中国煤矸石总存储量已超过60亿吨，形成矸石山1500
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1700座。煤矸石的化学组成以SiO2、Al2O3为主，其它化合物含量依次为有机碳、Fe2O3、CaO和MgO等。以煤矸石作为基体制备陶粒支撑剂，既解决了煤矸石废物堆放污染环境的问题，又为陶粒支撑剂提供了充足的低成本原料，一举两得，具有广泛的现实意义。
[0004]近几年来，科学家们已经对将煤矸石掺入铝矾土、焦宝石等高铝原料中制备低密度陶粒支撑剂进行了广泛的研究。如中国专利(公开号：CN 105925257 A)中报道了一种低密度陶粒支撑剂及其制备方法，该方法以焦宝石60％
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90％、煤矸石10％
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40％为原料，经煅烧、粉磨、混料、成球、干燥、筛分、烧结、过筛等工序在1200℃
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1450℃烧结2.5h
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4h制成支撑剂；中国专利(公开号：CN 113773829 A)中报道了一种低密度石油压裂陶粒支撑剂及其制备方法，该方法以铝矾土51.7％
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60.0％、粉煤灰20％
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32.4％为原料，MnO2为烧结助剂，粘土为粘结剂，在1350℃
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1400℃烧结1.5h
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2h，制得的陶粒支撑剂体密度为1.36g/cm3‑
1.42g/cm3，35MPa下破碎率为4.2％
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8.3％。就目前来看，对于低密度陶粒支撑剂的研究一直局限于在高铝原料(铝矾土，焦宝石等)中添加少量固体废弃物(煤矸石，粉煤灰等)。使用高铝矿物为原料制备陶粒支撑剂成本昂贵，所制成支撑剂的密度虽有所降低，但是仍然较高，在实际压裂时也会出现加速沉降和反吐等现象，对压裂液粘度和流变性都有更高的要求，不利于水力压裂的进行。同时由于人们对于绿色环保理念的深入理解和我国高铝原料的日益枯竭，以固体废弃物制备陶粒支撑剂势在必行。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种以煤矸石和粉煤灰等固体废弃物为主料的低密度陶粒支撑剂及其制备方法。利用本专利技术技术方案制备的低密度煤矸石基陶粒支撑剂可以突破目前高铝陶粒支撑剂成本高的局限性，进一步
降低支撑剂的密度，减少高铝资源的使用，实现煤矸石，粉煤灰等固体废弃物的资源再利用。
[0006]本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
[0007]一种低密度煤矸石基陶粒支撑剂，其原料包括：煤矸石、粉煤灰、轻质氧化镁、助烧剂、粘结剂；其中，主要原料包括煤矸石、粉煤灰、轻质氧化镁，按照质量比百分比来计为：煤矸石45％
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60％、粉煤灰30％
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45％、轻质氧化镁5％
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15％；助烧剂和粘结剂以外加剂来计，助烧剂为主要原料的1.5％
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2.5％，粘结剂为主要原料的10％
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15％；所述支撑剂的主要相成分包括莫来石相和堇青石相。
[0008]按上述方案，所述低密度煤矸石基陶粒支撑剂的体积密度为1.1
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1.3g/cm3，视密度为1.9
‑
2.5g/cm3，35MPa下破碎率为6％
‑
9％。
[0009]按上述方案，所述粘结剂为浓度0.3％
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0.5％的粘结剂溶液，如羧甲基纤维素钠水溶液。其中，所述羧甲基纤维素钠水溶液制备方法为：将羧甲基纤维素钠溶于60
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70℃的蒸馏水后，冷却所得。所述助烧剂为分析纯TiO2。
[0010]上述一种低密度煤矸石基陶粒支撑剂的制备方法，包括如下步骤：
[0011](1)按质量百分比称取各组分，将主要原料煤矸石、粉煤灰、轻质氧化镁和助烧剂进行机械混合后，得到混料；
[0012](2)将步骤(1)所得混料倒入造粒机中，均匀喷洒粘结剂，造粒成球，制得球料；
[0013](3)将步骤(2)所得球料过筛干燥，制得支撑剂生料；
[0014](4)将步骤(3)所得支撑剂生料升至烧结温度1290
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1350℃，保温时间2
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3h，烧结成煤矸石基陶粒支撑剂；
[0015](5)将步骤(4)所得煤矸石基陶粒支撑剂以3
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5℃/min降温至800
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1000℃后随炉降温至室温，之后过筛，制得低密度煤矸石基陶粒支撑剂成品。
[0016]按上述方案，步骤(1)中，所述煤矸石、粉煤灰和轻质氧化镁均为粒径小于325目的粉体；所述机械混合使用卧式罐磨机；混合时间为20
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30min。
[0017]按上述方案，步骤(2)中，所述造粒机的转速为35
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40r/min。
[0018]按上述方案，步骤(3)中，所述过筛的目数为20
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40目；干燥温度为80
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100℃，干燥时间为30
–
40min。
[0019]按上述方案，步骤(4)中，升温速率为3
–
5℃/min。
[0020]按上述方案，步骤(5)中，所述过筛的目数为20
–
40目。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0022](1)本专利技术从原料的选择上，煤矸石，粉煤灰中存在大量的Al2O3和SiO2，它们在高温下会形成棒状的莫来石(3Al2O3·
2SiO2)结构，莫来石相相互穿插形成的三维骨架结构使得支撑剂有较低的破碎率。同时，添加MgO会在体系中反应生成堇青石结构，这也提高了陶粒支撑剂的强度。而且，煤矸石，粉煤灰原料中还存在的大量的有机碳，这些有机碳在烧结中会以气体的形式排出体系，留下气孔，这大幅降低了支撑剂的密度。再者，本专利技术通过助烧剂TiO2的添加可以提高煤矸石陶粒支撑剂的烧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低密度煤矸石基陶粒支撑剂，其特征在于其原料包括：煤矸石、粉煤灰、轻质氧化镁、助烧剂、粘结剂；其中，主要原料包括煤矸石、粉煤灰、轻质氧化镁，按照质量比百分比来计为：煤矸石45％
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60％、粉煤灰30％
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45％、轻质氧化镁5％
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15％；助烧剂和粘结剂以外加剂来计，助烧剂为主要原料的1.5％
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2.5％，粘结剂为主要原料的10％
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15％；所述支撑剂的主要相成分包括莫来石相和堇青石相。2.根据权利要求1所述的一种低密度煤矸石基陶粒支撑剂，其特征在于其体积密度为1.1
‑
1.3g/cm3，视密度为1.9
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2.5g/cm3，35MPa下破碎率为6％
‑
9％。3.根据权利要求1所述的一种低密度煤矸石基陶粒支撑剂，其特征在于所述粘结剂为浓度0.3％
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0.5％的粘结剂溶液；所述助烧剂为TiO2。4.权利要求1
‑
3中任一项所述的一种低密度煤矸石基陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)按质量百分比称取各组分，将主要原料煤矸石、粉煤灰、轻质氧化镁和助烧剂进行机械混合均匀后，得到混料；(2)将步骤(1)所得混料倒入造粒机中，均匀喷洒粘结剂，造粒成球，制得球料；(3)将步骤(2)所得球料过筛干燥，制得支撑剂生料；(4)将步骤(3)所得支撑剂生料升至烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志晓，赵旭，张晓荣，秦身钧，徐东方，李维鹏，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：