低密度石油壓裂支撐劑及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料科學領域，用于石油和天然氣井淺井壓裂，頁巖油和頁巖氣開采的新型水力壓裂工藝用的石油壓裂支撐劑，特別是涉及一種低密度石油壓裂支撐劑及其制備方法。
【背景技術】
[0002]石油壓裂支撐劑是使地層深處巖石裂隙保持裂開狀態的支撐物，其作用在于支撐裂縫的兩壁，以便停止泵注后，在井底壓力下降到小于閉合壓力時通向油氣井眼的裂縫依然保持張開。油氣井中注入壓裂支撐劑不僅能提高油氣層的滲透能力，增加油氣產量，而且能延長油氣井使用年限。
[0003]我國的石油壓裂支撐劑生產企業生產的石油壓裂支撐劑根據中國石油天然氣行業標準SY/T5108?2007?壓裂支撐劑性能指標及測試薦方法》按體積密度和視密度分為低密度石油壓裂支撐劑、中密度石油壓裂支撐劑和高密度石油壓裂支撐劑三個系列，其中低密度石油壓裂支撐劑的體積密度大于1.60g/cm3，視密度2.90?3.0Og/cm3。
[0004]頁巖油和頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣或泊的聚集。頁巖油氣的開采技術，主要有水平井多段壓裂技術、清水壓裂技術、重復壓裂技術和同步壓裂技術，這些新的壓裂技術對于石油壓裂支撐劑提出了新的要求。中國石油天然氣行業標準中規定的低密度石油壓裂支撐劑己經無法滿足頁巖油氣的開采。在頁巖油氣井壓裂作業中，最理想的石油壓裂支撐劑需要滿足:(I)圓度球度高，能大大提高油氣的導流能力，提高油氣產量:(2)抗壓強度高，能保證支撐相應的地層，保證壓裂通道的暢通:(3)視密度小，壓裂液的攜帶能力好，便于水平壓裂，同時大大降低設備的能耗和損耗:(4)化學穩定性好，能抵抗地層下油、酸、鹽、水的腐蝕。
[0005]申請號為200910102878.5的中國專利文獻公開了一種低密度陶粒支撐劑的制造方法，其技術方案是以含高嶺土 62%?76%和Al2O3含量為80%?85%鋁礬土 17%?30%為主要原料，以二氧化錳1%?6%和氧化鎂0.5%?2%為輔助原料進行配置，磨細至400目，加水成球，在回轉窯中經1310°C?1330°C燒結后，冷卻和篩分而成。該方案首先成球困難，產品圓度和球度差，嚴重影響導流能力。其次由于主要原料采用高嶺土和Al2O3含量為80%?85%鋁礬土，因此產品成本高。申請號為200910172662.6的中國專利文獻公開了一種低密度陶粒支撐劑及其制備方法，其技術方案是以瓷石45%?60%和鋁土礦30%?45%為主要原料，加入粘土 3%?10%，滑石粉1%?4%和沉淀碳酸鋇2%?8%，經過粉磨到325目，在成球鍋中用1%?3%的竣甲基纖維素水溶液噴霧造粒，在回轉窯中經1280°C?1350°C燒結后，冷卻和篩分而成。該發明產品的體積密度為1.62g/cm3，視密度2.86g/cm3，無法達到頁巖油氣開采的需要。申請號為201010136972.5的中國專利文獻公開了低密度陶粒支撐劑及其制備方法，其技術方案是以鋁礬土和煤矸石為內芯，以鋁礬土和四氧化三錳為外殼，成球燒結得到。該發明僅僅是在實驗室中采用馬弗爐進行的燒結，無法進行工業化生產，產品的抗破碎能力差。申請號為201010160351.0的中國專利文獻公開了低密度高強陶粒支撐劑及其制備方法，其技術方案是以輕燒鋁礬土、硬質粘土、理輝石顆粒與工業淀粉按40?60:30?55:4?12:1?3的重量比混合，再以混合料:研磨介質冰=1:1.5?2.5:0.6?I的重量比混合介質、水，于球磨機中濕磨20?30小時，研磨泥漿經噴霧干燥所得粉體轉入困盤制粒機中造粒，篩分后的顆粒送入回轉窯中燒制，燒成溫度1350?1450°C，保溫1.5?2.5小時。方案采用的原材料價格極高，燒結溫度很高致使生產成本過高且產品質量無法保證。由于采用球磨機中濕磨20?30小時，研磨泥漿經噴霧干燥制成成球所需的粉料，整個制粉過程能耗極高，且制成的粉體也無法滿足成球的需要。申請號為201110423348.8的中國專利文獻公開了低密度陶粒支撐劑及其制備方法，其技術方案是以鋁土礦、粘土、鉀長石、石英、石灰石和白云石為原料，在1320°C?1380°C溫度燒制0.5?1.5h制成。該發明產品的體積密度為1.56?1.59g/cm3，視密度2.78?2.84g/cm3,閉合壓力52Mpa時破碎率為4.8?5.5%，無法達到頁巖油氣開采的需要。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是:提供一種低密度石油壓裂支撐劑及其制備方法，它生產成本低廉，產品的質量和生產效率高，產品的體積密度和視密度小，以克服現有技術的不足。
[0007]本發明是這樣實現的:低密度石油壓裂支撐劑，按重量份數計算，包括鋁礬土40?90份，粘土 5?30份及輔助添加劑I?30份；鋁礬土中的Al2O3的質量百分比為30 ?75%。
[0008]所述的鋁礬土為未經假燒的生鋁礬土、部分鍛燒的輕燒鋁礬土或燒結鋁礬土中的一種或幾種的混合。
[0009]所述的輔助添加劑為氧化錳、氧化鐵、鍛燒氧化鋁、氧化鎂、長石、滑石、石灰石、高嶺土或石英中一種或幾種的混合。
[0010]低密度石油壓裂支撐劑的制備方法，將鋁礬土，粘土及輔助添加劑分別進行預粉碎，預粉碎到325目以上；將預粉碎的物料進行混合、球磨、分級、加濕或打濕粉工序中的全部工序或其中的幾個工序組合，制備得到可供成球的粉料；將該粉料加入成球機中，通過噴灑霧化水并交替加入制粉工藝得到的粉料滾動成球，制得圓度和球度達到0.80以上的坯球，再經回轉烘干機烘干、圓筒篩篩分，得到半成品胚球；再將半成品胚球用回轉窯進行燒成，燒成溫度為1250?1360°C，燒成時間I?3小時，最后經過冷卻和篩分后得到成品；成品的體積密度為1.40?1.60g/cm3，視密度為2.60?2.80g/cm3。
[0011]先將制得的粉料的5?50%加入成球機制成母球，再將制成的母球從成球機中取出備用；成球時向成球機中加入母球，并加入剩余的粉料，并噴灑霧化水，連續滾動成球，制得圓度和球度達到0.80以上的坯球，再經回轉烘干機烘干、圓筒篩篩分，得到半成品胚球。
[0012]所述的制備得到可供成球的粉料過400目篩余不大于20%。根據實際需要可以選擇不同目數的標準篩，篩余按比例進行折算即可。
[0013]與現有技術相比，本發明采用鋁礬土，粘土及輔助添加劑按照特定的含量進行組合后，通過制粉工藝、成球工藝及燒成工藝制成石油壓裂支撐劑，該支撐劑經過檢測得知，其晶相組成包括莫來石(CAS1302?93?8)60?85%、非晶質玻璃相(CAS7631?86?9)5?35%及方石英(CAS14464?46?1)0?20%;產品的體積密度1.40?1.60g/cm3,視密度2.60?2.80g/cm3,閉合壓力為7500Pa時破碎率彡5.0%。本發明利用A1203質量百分比含量為30?75%的鋁礬土作為主要原料，具有原料來源廣泛，生產成本低等特點；對制粉工藝進行了改進，替代了傳統生產工藝中雷蒙磨粉磨制粉工藝，提高了制粉的產量和質量，降低了生產成本；采用改進的成球工藝使得成球的質量和效率都極大的提高；本發明能有效降低石油壓裂支撐劑生產成本，并解決目前頁巖油和頁巖氣的開采中，石油和天然氣井淺井壓裂施工中壓裂支撐體積密度和視密度大，壓裂對設備磨損大，施工費