CN104194768A

CN104194768A - 经济型陶粒油气压裂支撑剂及其制备方法

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Publication number: CN104194768A
Application number: CN201410405667.XA
Authority: CN
Inventors: 白频波; 李占刚; 马晓娟; 田玉明; 柴跃生; 刘爱平; 孔祥辰; 赵鹏飞
Original assignee: YANGQUAN ZHONGYONG CERAMIC PROPPANT Co Ltd; YANGQUAN CHANGQING PETROLEUM FRACTURING PROPPING AGENTS CO Ltd; Taiyuan University of Science and Technology
Current assignee: YANGQUAN ZHONGYONG CERAMIC PROPPANT Co Ltd; YANGQUAN CHANGQING PETROLEUM FRACTURING PROPPING AGENTS CO Ltd; Taiyuan University of Science and Technology
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2014-12-10

Abstract

本发明涉及一种利用廉价紫砂粘土岩原料制备经济型陶粒油气压裂支撑剂及其制备方法，属于陶瓷材料和油气田压裂施工开采用支撑剂技术领域。本发明以紫砂粘土岩、铝矾土为原料，紫砂粘土岩、铝矾土的重量百分比分别为：60~70%、30~40%，二者之和为100%。按配比配料后混合均匀，加入混合料10~15wt.%的水或水溶液造粒，筛选所需规格球粒干燥并高温烧结制备主晶相为莫来石3Al₂O₃·2SiO₂、次晶相为石英SiO₂的复相经济型陶粒油气压裂支撑剂。本发明既可低成本制备莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂，又可实现紫砂粘土岩的综合利用，还能提供一种相对石英砂性价比较高的35MPa经济型陶粒油气压裂支撑剂。

Description

经济型陶粒油气压裂支撑剂及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种利用紫砂粘土岩制备的经济型陶粒油气压裂支撑剂及其制备方法，属于陶瓷材料和油气田压裂施工开采用支撑剂技术领域。

背景技术：

油气压裂支撑剂是石油、天然气低渗透油气井及页岩气藏开采压裂施工的关键材料，是一种具有高附加值特征的产品。油气压裂支撑剂的功能在于停止泵注后，支撑裂缝的两壁抵御油气井因岩石挫动而弥合输油管道，提高油层的渗透能力，增加产油量和延长油气井服务年限。现今，国内主要使用的油气压裂支撑剂有天然石英砂和高温烧结陶粒砂，天然石英砂由于耐压强度较低主要用于浅层油气井，高温烧结陶粒砂主要用于深层油气井压裂施工。

随着油气井压裂作业的不断发展，对油气压裂支撑剂的需求也在不停的发生的变化，目前国内能用作压裂支撑剂的天然石英砂主要来源于河北承德、内蒙、甘肃等地，它们性能要求基本满足14MPa和28MPa，但对于35MPa闭合压力下，其使用性能指标较差，尤其是在抗破碎能力上由于石英晶体的各向异性导致其破碎率偏高。因此，需要寻求新的材料代替天然石英砂来满足35MPa闭合压力下压裂作业。

目前，国内针对天然石英砂强度较低所采取的措施主要有两个，一个是利用高强度陶粒砂代替天然石英砂，另一个则是对天然石英砂进行树脂覆膜处理来提高其抗破碎能力。但由于高强度陶粒砂多数为52MPa及以上的产品，用其代替天然石英砂于35MPa闭合压力下作业会造成浪费而增大成本，同时由于高强度陶粒砂密度较高需要使用偏贵的压裂携带液压裂作业而增加施工的成本。而对于树脂覆膜石英砂来说，可以提高石英砂的强度，但对于石英砂的性能现在还没有一套完整的体系可以对其进行评价，其使用性能会由于覆膜石英砂的包覆完整程度、包覆厚度、包覆树脂的差异导致很大的变化，并且树脂的价位远高于石英砂，这无形中增加了产品的价格，还由于目前国内树脂覆膜砂企业数量较少未形成价格竞争形势，从而导致树脂覆膜石英砂的目前价位不会太低。因而，寻求新的廉价原料来制备相对石英砂性价比较高的35MPa经济型陶粒砂是我们的首选。

针对目前油气压裂支撑剂市场中，天然石英砂支撑剂不能满足35MPa闭合压力下作业需求，以及国内外市场均未见35MPa闭合压力下专用的经济型陶粒油气压裂支撑剂，本发明以紫砂粘土岩和铝矾土矿为原料，采用高温固相烧结法制备了莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂。该制备方法通过利用紫砂粘土岩为主要原料，在制备出35MPa闭合压力下专用经济型压裂支撑剂之时还大幅降低了制备莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂的成本；同时以紫砂粘土岩为主要原料制备莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂大幅减少了铝矾土的使用量，也为廉价紫砂粘土岩的综合利用提供了一条有效的途径。该莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂的制备工艺简单、成本偏低，产品抗破碎能力、酸溶解度、圆球度、浊度、长期导流能力等指标均满足中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 5108—2006的要求。

发明内容：

本发明目的在于利用廉价紫砂粘土岩为主要原料制备莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂，提供一种莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂的制备方法，采用廉价紫砂粘土岩和铝矾土矿为原材料制备莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂，既可以以低成本制备莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂，又可以在一定程度上缓解铝矾土矿资源压力，还可以综合利用紫砂粘土岩，最重要的是可以提供一种专门用来代替天然石英砂于35MPa闭合压力下使用的经济型陶粒油气压裂支撑剂。

本发明技术方案如下：

一种复相经济型陶粒油气压裂支撑剂，该复相经济型陶粒油气压裂支撑剂的主要物相为莫来石3Al₂O₃·2SiO₂、次要物相为石英SiO₂；该复相经济型陶粒油气压裂支撑剂的主要化学成份为：Al₂O₃含量40~44wt.%，SiO₂含量约39~43wt.%，Fe₂O₃含量约9wt.%，其他TiO₂、碱金属氧化物和碱土金属氧化物等杂质含量不超过8wt.%；该经济型油气压裂支撑剂主要用来代替天然石英砂于35MPa闭合压力下压裂作业使用。

一种利用紫砂粘土岩制备莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂的方法，该方法包括如下步骤：1）将紫砂粘土岩、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于400目标准筛的筛孔尺寸，得到原材料；2）将上述原材料按一定比例进行配比并进行均匀混合，得到混合粉料；3）将上述混合粉料置于造粒机中并添加混合粉料10~15wt.%的水或水溶液进行造粒，并筛选出所需规格的球粒；4）将上述球粒进行窑炉干燥，得到半成品；5）将上述半成品按一定速率缓慢加入高温回转窑内在空气氛围内进行常压高温烧结，回转窑排料口的烧成温度为1380℃~1520℃，半成品于回转窑内烧结滞留时间为2h，得到高温经济型陶粒油气压裂支撑剂成品；6）将上述高温经济型油气压裂支撑剂成品急速冷却后提升至储料仓并进行筛分包装，即得到莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂。

所述紫砂粘土岩的Al₂O₃含量为25~29wt.%，SiO₂含量为51~60wt.%，Fe₂O₃含量为4~9wt.%，其添加量为60~70wt.%；铝矾土矿的Al₂O₃含量为58~73wt.%，SiO₂含量为8~10wt.%，Fe₂O₃含量为3~6wt.%，其添加量为30~40wt.%。

本发明所述的莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂及其制备方法，既可以低成本制备莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂，又可以实现廉价紫砂粘土岩的综合利用，还可得到抗破碎能力、酸溶解度、圆球度、浊度、长期导流能力等指标均满足中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 5108—2006要求且专门用来替代石英砂于35MPa闭合压力下使用的复相经济型陶粒油气压裂支撑剂。

具体实施方式：

下面结合实施实例对本发明做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的原料为：紫砂粘土岩和铝矾土矿。所述紫砂粘土岩的Al₂O₃含量为25~29wt.%，SiO₂含量为51~60wt.%，Fe₂O₃含量为4~9wt.%，其添加量为60~70wt.%；铝矾土矿的Al₂O₃含量为58~73wt.%，SiO₂含量为8~10wt.%，Fe₂O₃含量为3~6wt.%，其添加量为30~40wt.%。利用本发明中的工艺方法制备出的莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂的圆球度均不小于0.8，体密度小于1.55g·cm^-3，视密度介于2.60~2.75 g·cm^-3，浊度<100FTU，酸溶解度<7%，35MPa下破碎率小于10%。

实施例1：

将紫砂粘土岩、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于400目标准筛的筛孔尺寸，按照重量百分比紫砂粘土岩70%和铝矾土矿30%配料，然后添加15%的水或水溶液进行造粒，筛选出20-40目的球体进行干燥得到半成品，将半成品分别于1380℃、1400℃、1420℃下保温2h烧成，在产品急速冷却并筛分后得到20-40目的复相经济型陶粒油气压裂支撑剂。

制备的复相经济型陶粒油气压裂支撑剂，主次物相分别是莫来石和石英，1380℃、1400℃、1420℃下烧成的陶粒油气压裂支撑剂的圆球度均为0.8，浊度均小于100FTU，酸溶解度分别为5.63%、4.70%、4.70%，体密度分别为1.46 g·cm^-3、1.47 g·cm^-3、1.47 g·cm^-3，视密度分别为2.68 g·cm^-3、2.69 g·cm^-3、2.66 g·cm^-3，35MPa下的破碎率分别为9.28%、7.64%、7.15%。

实施例2：

将紫砂粘土岩、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于400目标准筛的筛孔尺寸，按照重量百分比紫砂粘土岩60%和铝矾土矿40%配料，然后添加13%的水或水溶液进行造粒，筛选出20-40目的球体进行干燥得到半成品，将半成品分别于1430℃和1450℃下烧成，在产品急速冷却并筛分后得到20-40目的复相经济型陶粒油气压裂支撑剂。

制备的复相经济型陶粒油气压裂支撑剂，主次物相分别是莫来石和石英，1430℃和1450℃下烧成的陶粒油气压裂支撑剂的圆球度均为0.9，浊度小于100FTU，酸溶解度分别为4.82%、5.46%，体密度分别为1.35 g·cm^-3和1.45 g·cm^-3，视密度分别为2.72 g·cm^-3和2.74 g·cm^-3，35MPa下的破碎率分别为6.44%和4.52%。

实施例3：

将紫砂粘土岩、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于400目标准筛的筛孔尺寸，按照重量百分比紫砂粘土岩60%和铝矾土矿40%配料，然后添加10%的水或水溶液进行造粒，筛选出30-50目的球体进行干燥得到半成品，将半成品于1520℃下烧成，在产品急速冷却并筛分后得到30-50目的复相经济型陶粒油气压裂支撑剂。

制备的复相经济型陶粒油气压裂支撑剂，主次物相分别是莫来石和石英，复相经济型陶粒油气压裂支撑剂的圆球度均为0.8，浊度74.6 FTU，酸溶解度5.27%，体密度为1.33 g·cm^-3，视密度为2.71 g·cm^-3，35MPa下的破碎率为4.37%，55MPa、69MPa、83MPa闭合压力下的长期导流能力分别为41.66μm²·cm、26.27μm²·cm、16.45μm²·cm。

实施例4：

将紫砂粘土岩、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于400目标准筛的筛孔尺寸，按照重量百分比紫砂粘土岩60%和铝矾土矿40%配料，然后添加12.5%的水或水溶液进行造粒，筛选出40-70目的球体进行干燥得到半成品，将半成品于1520℃下烧成，在产品急速冷却并筛分后得到40-70目的复相经济型陶粒油气压裂支撑剂。

制备的复相经济型陶粒油气压裂支撑剂，主次物相分别是莫来石和石英，复相经济型陶粒油气压裂支撑剂的圆球度均为0.8，浊度47.6 FTU，酸溶解度6.16%，体密度为1.31 g·cm^-3，视密度为2.74 g·cm^-3，35MPa下的破碎率为2.63%，55MPa、69MPa、83MPa闭合压力下的长期导流能力分别为35.91μm²·cm、25.18μm²·cm、14.05μm²·cm。

Claims

1.一种经济型陶粒油气压裂支撑剂，其特征在于：该经济型陶粒油气压裂支撑剂的主要物相为莫来石3Al₂O₃·2SiO₂、次要物相为石英SiO₂；该经济型陶粒油气压裂支撑剂的主要化学成份为：Al₂O₃含量40~44wt.%，SiO₂含量约39~43wt.%，Fe₂O₃含量约9wt.%，其他TiO₂、碱金属氧化物和碱土金属氧化物等杂质含量不超过8wt.%；该经济型油气压裂支撑剂主要用来代替天然石英砂于35MPa闭合压力下压裂作业使用。

2.一种利用紫砂粘土岩制备莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）将紫砂粘土岩、铝矾土矿分别磨粉至粒径小于400目标准筛的筛孔尺寸，得到原材料；

2）将上述原材料按一定比例进行配比并进行均匀混合，得到混合粉料；

3）将上述混合粉料置于造粒机中并添加混合粉料10~15wt.%的水或水溶液进行造粒，并筛选出所需规格的球粒；

4）将上述球粒进行窑炉干燥，得到半成品；

5）将上述半成品按一定速率缓慢加入高温回转窑内在空气氛围内进行常压高温烧结，回转窑排料口的烧成温度为1380℃~1520℃，半成品于回转窑内烧结滞留时间为2h，得到高温经济型陶粒油气压裂支撑剂成品；

6）将上述高温经济型油气压裂支撑剂成品急速冷却后提升至储料仓并进行筛分包装，即得到莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂。

3.根据权利要求2所述制备莫来石/石英复相经济型陶粒油气压裂支撑剂的方法，其特征是：

所述紫砂粘土岩的Al₂O₃含量为25~29wt.%，SiO₂含量为51~60wt.%，Fe₂O₃含量为4~9wt.%，其添加量为60~70wt.%；

铝矾土矿的Al₂O₃含量为58~73wt.%，SiO₂含量为8~10wt.%，Fe₂O₃含量为3~6wt.%，其添加量为30~40wt.%。