一种低密度高强度陶粒支撑剂的制备方法技术

  本发明专利技术涉及一种低密度高强度陶粒支撑剂的制备方法，属于支撑剂技术领域。本发明专利技术利用固废陶粒砂作为陶粒支撑剂的原料，固废陶粒砂中所包含的化学成分主要有Al2O3、SiO2、Fe2O3及TiO2，由于固废陶粒砂中大块体含量较高，使得单位量的固废陶粒砂中Fe2O3含量偏高，同时，固废陶粒砂经过高温烧结之后，Al2O3含量较铝矾土生料中的高，收缩性也比生料小；本发明专利技术采用酚醛树脂和碳纤维包覆陶粒支撑剂，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，热线胀系数小且具有各向异性，抵抗腐蚀能力好；酚醛树脂包覆具有低密度、高强度等优点，也可作为密度调节剂，包覆的陶粒支撑剂密度低且强度高。

  陶粒支撑剂是石油、天然气工业水力压裂过程中，随压裂液一起泵入到地层裂缝中起支撑裂缝、增大油气导流率的专用材料。在水力压裂总成本中，压裂支撑剂费用占整个作业费用的比例较大，不仅代表着油气井初期耗资的一大部分，而且决定着油气井或油田的经济寿命；水力压裂效果的成败，有效期的长短主要根据支撑剂的质量。目前支撑剂主要有三类：陶粒、石英砂和树脂包砂。石英砂强度低并且破裂后的碎屑会堵塞裂缝，降低导流率，不能够满足深井开采的要求，大多数都用在浅层油气井；各种树脂包砂解决了石英砂强度低的难题，但生产所带来的成本高，工艺复杂，所以很少使用；烧结陶粒因强度高、化学稳定性高、优越的性价比已被慢慢的变多的油田广泛采用，大多数都用在深层油气井，但密度偏高，容易对压裂设备造成损害。80年代早期出现了莫来石与刚玉质中密度陶粒，内部晶须状的莫来石晶粒能起到补强增韧的效果，其具有相对密度较低和输送性能好的优点，填补了低强度石英砂和高强度烧结陶粒之间的空白。低密度陶粒由于密度适中，不易沉淀，便于泵送，降低了对压裂液粘度的要求，减少了对泵的伤害，有效地降低了施工难度和成本，所以研制低密陶粒支撑剂是十分必要的。通常人们习惯把体积密度和视密度分别是1.65g/cm3以下和3.0g/cm3以下的支撑剂称为低密度支撑剂。随着油气井压裂作业的持续不断的发展，对油气压裂支撑剂的需求也在不断地发生明显的变化。目前国内能用作压裂支撑剂的天然石英砂性能要求基本满足14MPa和28MPa，但对于35MPa闭合压力下，其性能指标较差，尤其是破碎率不达标。使用高强度陶粒砂代替天然石英砂用于35MPa闭合压力下作业会造成材料浪费而增加成本，而且高强度陶粒砂密度较高需要使用偏贵的压裂携带液进行作业，从而又增加了实施工程的成本。中国专利（公开号：CN104592970A）提出了一种制备超低密度陶粒砂支撑剂的方法，该方法由紫砂土15～20%、硅石10～15%和生铝矿石65～75%为原料，经混合研磨、造粒、在回转窑1250～1300℃煅烧1～1.5小时制得，其体积密度小于1.5g/cm3；中国专利（公开号：CN104099082A）公开了一种新型低密度高强度陶粒压裂支撑剂的制备方法，该方法使用铝矾土、滑石、莫来石、偏高岭土、钾长石、钛白粉、锰粉、纳米碳酸钙就、三氧化二铁及原硅酸镁为原料制得，其体积密度为0.89～1.07g/cm3；中国专利（公开号：CN103992786A）提出了一种超低密度空心陶粒支撑剂的制备方法，该方法由35～45%的铝矾土、0.05～0.15%的锰粉、5～15%的煤粉经喷雾造粒、在1100～1500℃下烧结2～4小时制得，其体积密度为1.2g/cm3左右；中国专利（公开号：CN102899017A）公开了一种超低密度陶粒支撑剂的制备方法，该方法选用生矾土、硅藻土、轻质氧化镁和粘土为原料制得，其体积密度为1.52g/cm3左右；中国专利（公开号：CN102899015A）公开了一种利用粉煤灰制备低密度陶粒支撑剂的方法，该方法以铝矾土、粉煤灰和锰粉为原料制得，其体积密度在1.45～1.59g/cm3之间。开发深层油、气井，提高产量，压裂工艺被广泛采用。为确保地下深层压裂缝的有效撑开，合适的支撑剂是必须的，它可增加地层的导流能力，提高油或气的产量，是压裂工艺应用好坏的一个主要的因素。目前国内常用的压裂支撑剂为石英砂和陶粒。其中石英砂的价格实惠公道，相对密度低，便于施工泵送，但是石英砂的强度低、圆球度差、破碎率高，以此来降低了裂缝的导流能力，特别不适用于闭合压力高的深井。烧结陶粒由于强度高，圆球度好，为人们优先选择的压裂支撑剂，一直受到格外的重视。但是陶粒的密度比石英砂大，对泵送条件及压裂液的性能都提出了更高的要求，加大了施工难度；陶粒生产由于原材料组分多，工艺不易控制，造成质量不稳定，破碎率偏高(7～10％左右)，同时能耗较高。在应用中容易堆积在裂缝的端口处，对导流极其不利，进而影响后期出油效果。相比之下，低密度支撑剂由于密度小，携带更容易，能大幅度的降低压裂液的粘度，减少对地层和泵的伤害，还可以实现清洁压裂，大大降低施工难度和采油成本；另外低密度支撑剂导流递减率比较低，能产生好的采油效果。因此低密度支撑剂的开发成为支撑剂研究的方向。

  本专利技术所要解决的技术问题：针对现有人造支撑剂资源的利用率低、强度低的问题，提供了一种低密度高强度陶粒支撑剂的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：（1）将固废陶粒砂、紫砂土和刚玉分别破碎、研磨并过300～400目筛，即得固废陶粒砂粉、紫砂土粉和刚玉粉，将固废陶粒砂粉、紫砂土粉和刚玉粉混合，并进行搅拌处理，即得混合粉体；（2）将混合粉体和烧结助剂混合，进行搅拌处理，即得基料，将基料投入爱立许R02强力混合机进行湿法制粒，即得坯体，将坯体置于烘箱中进行干燥处理，即得半成品颗粒；将半成品颗粒置于马弗炉中，进行保温烧结处理，随炉冷却，即得陶粒支撑剂；（3）取陶粒支撑剂、酚醛树脂、碳纤维、六次甲基四胺、乙烯基双硬脂酰胺，将陶粒支撑剂、酚醛树脂、碳纤维和乙烯基双硬脂酰胺混合，搅拌处理，即得共混物，在共混物中加入六次甲基四胺搅拌过筛处理，即得低密度高强度陶粒支撑剂。步骤（1）所述的将固废陶粒砂粉、紫砂土粉和刚玉粉混合，并进行搅拌处理步骤为：将固废陶粒砂粉、紫砂土粉和刚玉粉按质量比3∶1∶1混合，在搅拌速度为400～500r/min下均匀搅拌。步骤（2）所述的烧结助剂的制备步骤为：将锰矿粉和钾长石分别破碎、研磨并过300～400目筛，并按质量比1∶1混合均匀，即得烧结助剂。步骤（2）所述的将混合粉体和烧结助剂混合，进行搅拌处理步骤为：按质量比5∶1将混合粉体和烧结助剂混合，在搅拌速度为600～800r/min下搅拌30～50min。步骤（2）所述的将基料投入爱立许R02强力混合机进行湿法制粒步骤为：将基料投入爱立许R02强力混合机进行湿法制粒，喷入去离子水，使基料形成球状生料颗粒，并过20～40目筛。步骤（2）所述的将坯体置于烘箱中进行干燥处理步骤为：将坯体置于温度为100～105℃的烘箱中干燥至恒重。步骤（2）所述的将半成品颗粒置于马弗炉中，进行保温烧结处理步骤为：将半成品颗粒置于马弗炉中，以5℃/min升温到1450～1550℃后保温2～3h。步骤（3）所述的陶粒支撑剂、酚醛树脂、碳纤维、六次甲基四胺、乙烯基双硬脂酰胺之间的占比分别是：按重量份数计，分别称取10～20份陶粒支撑剂、15～30份酚醛树脂、1～10份碳纤维、1～3份六次甲基四胺、1～5份乙烯基双硬脂酰胺。步骤（3）所述的将陶粒支撑剂、酚醛树脂、碳纤维和乙烯基双硬脂酰胺混合，搅拌处理步骤为：将陶粒支撑剂、酚醛树脂、碳纤维和乙烯基双硬脂酰胺混合，在温度为180～200℃，搅拌速度为200～400r/min下搅拌5～10min。步骤（3）所述的在共混物中加入六次甲基四胺搅拌过筛处理步骤为：在共混物中加入六次甲基四胺，继续搅拌2～3min，冷却至室温，研磨并过20～40目筛。本专利技术与其他方法相比，有益技术效果是：（1）本专利技术利用固废陶粒砂作为陶粒支撑剂的原料，固废陶粒砂中所

  1.一种低密度高强度陶粒支撑剂的制备方法，其特征是具体制备步骤为：（1）将固废陶粒砂、紫砂土和刚玉分别破碎、研磨并过300～400目筛，即得固废陶粒砂粉、紫砂土粉和刚玉粉，将固废陶粒砂粉、紫砂土粉和刚玉粉混合，并进行搅拌处理，即得混合粉体；（2）将混合粉体和烧结助剂混合，进行搅拌处理，即得基料，将基料投入爱立许R02强力混合机进行湿法制粒，即得坯体，将坯体置于烘箱中进行干燥处理，即得半成品颗粒；将半成品颗粒置于马弗炉中，进行保温烧结处理，随炉冷却，即得陶粒支撑剂；（3）取陶粒支撑剂、酚醛树脂、碳纤维、六次甲基四胺、乙烯基双硬脂酰胺，将陶粒支撑剂、酚醛树脂、碳纤维和乙烯基双硬脂酰胺混合，搅拌处理，即得共混物，在共混物中加入六次甲基四胺搅拌过筛处理，即得低密度高强度陶粒支撑剂。

  1.一种低密度高强度陶粒支撑剂的制备方法，其特征是具体制备步骤为：（1）将固废陶粒砂、紫砂土和刚玉分别破碎、研磨并过300～400目筛，即得固废陶粒砂粉、紫砂土粉和刚玉粉，将固废陶粒砂粉、紫砂土粉和刚玉粉混合，并进行搅拌处理，即得混合粉体；（2）将混合粉体和烧结助剂混合，进行搅拌处理，即得基料，将基料投入爱立许R02强力混合机进行湿法制粒，即得坯体，将坯体置于烘箱中进行干燥处理，即得半成品颗粒；将半成品颗粒置于马弗炉中，进行保温烧结处理，随炉冷却，即得陶粒支撑剂；（3）取陶粒支撑剂、酚醛树脂、碳纤维、六次甲基四胺、乙烯基双硬脂酰胺，将陶粒支撑剂、酚醛树脂、碳纤维和乙烯基双硬脂酰胺混合，搅拌处理，即得共混物，在共混物中加入六次甲基四胺搅拌过筛处理，即得低密度高强度陶粒支撑剂。2.依据权利要求1所述的一种低密度高强度陶粒支撑剂的制备方法，其特征是：步骤（1）所述的将固废陶粒砂粉、紫砂土粉和刚玉粉混合，并进行搅拌处理步骤为：将固废陶粒砂粉、紫砂土粉和刚玉粉按质量比3∶1∶1混合，在搅拌速度为400～500r/min下均匀搅拌。3.依据权利要求1所述的一种低密度高强度陶粒支撑剂的制备方法，其特征是：步骤（2）所述的烧结助剂的制备步骤为：将锰矿粉和钾长石分别破碎、研磨并过300～400目筛，并按质量比1∶1混合均匀，即得烧结助剂。4.依据权利要求1所述的一种低密度高强度陶粒支撑剂的制备方法，其特征是：步骤（2）所述的将混合粉体和烧结助剂混合，进行搅拌处理步骤为：按质量比5∶1将混合粉体和烧结助剂混合，在搅拌速度为600～800r/min下搅拌30～50min。5.依据权利要求1所述的一种低密度高强度陶粒...