本发明涉及一种利用钻井固体废弃物制备的油气田环保压裂支撑剂及其制备方法，本发明的油气田环保压裂支撑剂采用了钻井固体废弃物为原料，所述油气田环保压裂支撑剂按重量百分比包括：20％‑60％钻井固体废弃物、3％‑7％沙子、1％‑5％炼铁废渣、5％‑8％硅酸盐水泥、6％‑10％硫铝酸盐水泥、5％‑10％固化剂、二氧化锰2％‑3％、4％‑6％硫酸钠、2％‑5％碳酸钡、5％‑8％吸水膨胀橡胶颗粒、0.5％‑1％激发剂、0.4％‑0.8％增强剂、0.2％‑0.5％消泡剂、0.1％‑0.5％减水剂、0.3％‑0.6％浸润剂、1.2％‑1.5％羟甲基纤维素钠。本发明提供的油气田环保压裂支撑剂耐压强度好，抗破碎能力强，密度小，生产成本低，而且可以充分利用钻井固体废弃物，变废为宝，保护了环境，节省了资源。
1.一种油气田环保压裂支撑剂，其特征在于，采用了钻井固体废弃物为原料，所述油气田环保压裂支撑剂按重量百分比包括：20％-60％钻井固体废弃物、3％-7％沙子、1％-5％炼铁废渣、5％-8％硅酸盐水泥、6％-10％硫铝酸盐水泥、5％-10％固化剂、二氧化锰2％-
3％、4％-6％硫酸钠、2％-5％碳酸钡、5％-8％吸水膨胀橡胶颗粒、0.5％-1％激发剂、
0.4％-0.8％增强剂、0.2％-0.5％消泡剂、0.1％-0.5％减水剂、0.3％-0.6％浸润剂、
2.如权利要求1所述的油气田环保压裂支撑剂，其特征在于，所述的固化剂的组成按重量百分比包括：2％-7％粉煤灰、3％-8％高岭土、聚二甲基二烯丙基氯化铵5％-10％、6wt％浓度的聚合氯化铝水溶液3％-5％、聚氧乙烯月桂基醚0.1％-0.2％、双氧水2％-5％、铝酸钠4％-8％、氧化钙18％-23％、羟甲基纤维素钠5％-10％、偏硅酸钠2％-10％、环氧乙烷
10％-12％、二氧六环1％-3％、8-羟基喹啉0.5％-1.0％、乙二胺四乙酸10％-15％、纤维素醚5％-15％。
3.如权利要求1-2任一所述的油气田环保压裂支撑剂，其特征在于，所述的减水剂为聚酰胺、聚羧酸、三聚氰胺中的至少一种；所述的激发剂为生石灰；所述的增强剂为铝溶胶、硅溶胶、磷酸铝凝胶或其组合。
4.如权利要求2所述的油气田环保压裂支撑剂，其特征在于，所述的聚二甲基二烯丙基氯化铵为8％-10％，所述的二氧化锰添加量为2.5％-3％。
5.如权利要求1-2任一所述的油气田环保压裂支撑剂，其特征在于，所述的减水剂为聚酰胺，所述的增强剂为硅溶胶。
6.一种油气田环保压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：(1)备料：
油气田环保压裂支撑剂按重量百分比包括：20％-60％钻井固体废弃物、3％-7％沙子、
1％-5％炼铁废渣、5％-8％硅酸盐水泥、6％-10％硫铝酸盐水泥、5％-10％固化剂、二氧化锰2％-3％、4％-6％硫酸钠、2％-5％碳酸钡、5％-8％吸水膨胀橡胶颗粒、0.5％-1％激发剂、0.4％-0.8％增强剂、0.2％-0.5％消泡剂、0.1％-0.5％减水剂、0.3％-0.6％浸润剂、
1.2％-1.5％羟甲基纤维素钠；所述的固化剂的组成按重量百分比包括：2％-7％粉煤灰、
3％-8％高岭土、聚二甲基二烯丙基氯化铵5％-10％、6wt％浓度的聚合氯化铝水溶液3％-
5％、聚氧乙烯月桂基醚0.1％-0.2％、双氧水2％-5％、铝酸钠4％-8％、氧化钙18％-23％、羟甲基纤维素钠5％-10％、偏硅酸钠2％-10％、环氧乙烷10％-12％、二氧六环1％-3％、8-羟基喹啉0.5％-1.0％、乙二胺四乙酸10％-15％、纤维素醚5％-15％；
将含有水份的钻井固体废弃物掺入沙子、炼铁废渣、固化剂和硅酸盐水泥，进行混合并搅拌均匀后，在堆放场中进行自然养护、自然干燥；
采用中低温烘干设备将上述(2)步骤中的混合物料进行烘干处理，除去钻井固体废弃物中的表层水和层间水，或者等上述(2)步骤中的混合物料自然干燥后，待该混合物料可以进行粉磨状态时进行下一道粉磨工序；
将上述步骤(3)干燥后的混合物料用粉磨设备磨细到250目-400目时，掺入规定重量百分比的硫酸钠、硫铝酸盐水泥、二氧化锰、碳酸钡、吸水膨胀橡胶颗粒、消泡剂、减水剂、浸润剂、羟甲基纤维素钠后再进行无重力混料搅拌；
在上述步骤(4)处理后的混合物料中加入规定重量百分比的激发剂和增强剂后，再次通过干燥、粉磨、混料工序后制得混合物料，将该混合物料投入成球机中，使用间歇喷入水雾，当母球出现时，间歇交替加入干粉和水雾，严格控制干粉和水雾的加入量与时间，使母球逐渐达到规定的尺寸；
成球后的母球颗粒，按照一定的规格的筛网进行筛选，合格的颗粒放入养护车间进行养护，不合格的颗粒进入粉碎机粉碎后，再投入成球机中参与成球。
7.如权利要求6所述的油气田环保压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，所述的减水剂为聚酰胺，所述的增强剂为硅溶胶。
8.如权利要求7所述的油气田环保压裂支撑剂的制备方法，其特征在于，所述的减水剂为聚酰胺、聚羧酸、三聚氰胺中的至少一种；所述的激发剂为生石灰；所述的增强剂为铝溶胶、硅溶胶、磷酸铝凝胶或其组合。
一种油气田环保压裂支撑剂及制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于材料领域，特别涉及一种石油压裂支撑剂及其制备方法。
背景技术
[0002] 在石油天然气的开采过程中，石油压裂支撑剂是使地层深处的岩层裂缝保持开裂状态的高强度颗粒支撑物，其作用在于支撑已开裂的裂缝两壁，即使停止高压泵注，井底压力下降到小于岩层闭合压力时，通向地层中各个油气眼的裂缝仍保持张开状态，可以大大提高油气层的渗透性，增加油气田产量。
[0003] 目前支撑剂主要有三类:石英砂、树脂包砂和烧制陶粒，然而石英砂因为强度低，并且破裂后的碎屑会堵塞裂缝，降低导流率，不能满足深井开采的要求；各种树脂包裹腹膜砂解决了石英砂强度低的难题，但生产成本高，工艺复杂；陶粒压裂支撑剂一般是以铝矾土为原料，加以各种辅料，造粒后由回转窑烧结而成，烧结铝矾土和熔炼氧化锆陶粒支撑剂强度高，化学稳定性好，已被越来越多的油田广泛采用，但其密度偏高，容易对压裂设备造成损害，而且铝矾土是国家比较珍贵的矿物资源，高品位铝矾土矿的开采量被限制。
[0004] 国内油、气田在钻井过程中，会利用钻井泥浆将钻屑等固体颗粒和粉末携带到地面，通过固控设备(振动筛、除砂器、除泥器、离心机等设备)将泥浆中携带出来的钻屑等地层物质从泥浆中分离出来，这些被分离出来的钻井岩屑以及夹杂在一起的废弃泥浆、钻井添加剂、石油类、高分子有机物、水分和盐分等混合物，称之为钻井固体废弃物。石油天然气体开采过程中产生的大量钻井固体废弃物简单露天堆放，不但占用土地，而且固体废物中的有毒、有害成分还会破坏环境，目前我国共计固体废弃泥浆和岩屑总量达到几亿立方米，急需要进行环保无害化处理，并进行资源化综合利用。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种利用钻井固体废弃物制备的油气田环保压裂支撑剂，其耐压强度好，抗破碎能力强，密度低，生产成本低，而且可以充分利用钻井固体废弃物，变废为宝，保护了环境，节省了资源。
[0006] 本发明的另一目的还在于提供一种油气田环保压裂支撑剂的制备方法。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] 一种油气田环保压裂支撑剂，其特征在于采用了钻井固体废弃物为原料，所述油气田环保压裂支撑剂按重量百分比包括：20％-60％钻井固体废弃物、3％-7％沙子、1％-5％炼铁废渣、5％-8％硅酸盐水泥、6％-10％硫铝酸盐水泥、5％-10％固化剂、二氧化锰
2％-3％、4％-6％硫酸钠、2％-5％碳酸钡、5％-8％吸水膨胀橡胶颗粒、0.5％-1％激发剂、
0.4％-0.8％增强剂、0.2％-0.5％消泡剂、0.1％-0.5％减水剂、0.3％-0.6％浸润剂、
1.2％-1.5％羟甲基纤维素钠。
[0009] 其中，所述的固化剂按重量百分比包括：2％-7％粉煤灰、3％-8％高岭土、聚二甲基二烯丙基氯化铵5％-10％、6wt％浓度的聚合氯化铝水溶液3％-5％、聚氧乙烯月桂基醚0.1％-0.2％、双氧水2％-5％、铝酸钠4％-8％、氧化钙18％-23％、羟甲基纤维素钠5％-
10％、偏硅酸钠2％-10％、环氧乙烷10％-12％、二氧六环1％-3％、8-羟基喹啉0.5％-
1.0％、乙二胺四乙酸10％-15％、纤维素醚5％-15％。
[0010] 所述的减水剂为聚酰胺、聚羧酸、三聚氰胺中的至少一种。
[0011] 所述的聚二甲基二烯丙基氯化铵优选为8％-10％，聚二甲基二烯丙基氯化铵的正电荷密度高，水溶性好，相对分子质量易于控制，高效无毒，受环境条件影响小，其对钻井固体废弃物中的胶体物质的吸附架桥能力强，絮凝效果好，而且有助于颗粒间的紧密连接。
[0012] 所述的二氧化锰添加量优选为2.5％-3％，更进一步的优选为3％，二氧化锰有利于促进晶相生成，从而抗压强度得到提高，二氧化锰优选采用含锰量大于60％原矿物加入。
[0013] 所述的激发剂为生石灰，所述的浸润剂为石蜡。
[0014] 所述的增强剂为铝溶胶、硅溶胶、磷酸铝凝胶或其组合，所述的增强剂能覆盖在颗粒表面上，能使支撑剂内部形成细小的网状骨架体，减少了支撑剂内部颗粒之间的空隙，使颗粒之间连接更紧密和牢固，降低支撑剂的视密度和降低了支撑剂的破碎率。
[0015] 其中，所述的硫铝酸盐水泥的标号为42.5MPa、52.5MPa、62.5MPa、72.5MPa等。
[0016] 更进一步的，所述的减水剂优选为聚酰胺，所述的增强剂优选为硅溶胶。
[0017] 本发明采用的固化剂能够提高骨料颗粒间的附着力，固化速率可以合理控制，有助于得到性能更为稳定的压裂支撑剂，能够使得到的压裂支撑剂的破碎率较低、导流能力较高，而且在一定程度上提高石油和天然气的采收率。
[0018] 本发明压裂支撑剂由于采用了吸水膨胀橡胶颗粒，在使用时，吸水膨胀橡胶颗粒逐渐变大，使得压裂支撑剂能够有效地支撑裂缝，防止其闭合。
[0019] 进一步的，本发明还提供了所述的油气田环保压裂支撑剂的制备方法，具体步骤如下：
[0020] (1)备料：
[0021] 将所需的原料按照规定重量百分比准备；
[0022] (2)预处理工序：
[0023] 将含有水份的钻井固体废弃物掺入沙子、炼铁废渣、固化剂和硅酸盐水泥，进行混合并搅拌均匀后，在堆放场中进行自然养护、自然干燥；
[0024] (3)烘干处理工序：
[0025] 采用中低温烘干设备将上述(2)步骤中的混合物料进行烘干处理，除去钻井固体废弃物中的表层水和层间水，或者等上述(2)步骤中的混合物料自然干燥后，待该混合物料可以进行粉磨状态时进行下一道粉磨工序；
[0026] (4)粉磨工序：
[0027] 将上述步骤(3)干燥后的混合物料用粉磨设备磨细到250目-400目时，掺入规定重量百分比的硫酸钠、硫铝酸盐水泥、二氧化锰、碳酸钡、吸水膨胀橡胶颗粒、消泡剂、减水剂、浸润剂、羟甲基纤维素钠后再进行无重力混料搅拌；
[0028] (5)成球工序：
[0029] 在上述步骤(4)处理后的混合物料中加入规定重量百分比的激发剂和增强剂后，再次通过干燥、粉磨、混料等工序后制得混合物料，将该混合物料投入成球机中，使用间歇喷入水雾，当母球出现时，间歇交替加入干粉和水雾，严格控制干粉和水雾的加入量与时间，使母球逐渐达到规定的尺寸；
[0030] (6)养护工序：
[0031] 成球后的母球颗粒，按照一定的规格的筛网进行筛选，合格的颗粒放入养护车间进行养护，不合格的颗粒进入粉碎机粉碎后，再投入成球机中参与成球。本发明的高性能油气田环保压裂支撑剂的试验数据如下：
[0032] ①粒径：20-40目
[0033] ②耐压力：在52MPa和69MPa条件下，破碎率小于8％，满足国内支撑剂标准要求[0034] ③密度：1.2g/cm3-1.4g/cm3
[0035] ④泡水浊度小于30FTU
[0036] ⑤粒径圆度约为0.9
[0037] ⑥耐酸碱腐蚀
[0038] 本发明具有如下优点：
[0039] a、本发明提供的高性能油气田环保压裂支撑剂的耐压强度好，具有良好的抗破碎能力，体积密度较低；
[0040] b、在使用过程中具有较高的导流能力，可有效地支撑压裂裂缝极大地提高裂缝内的渗透率，使油气流通顺畅，提高产油率，压裂支撑剂在水基压裂液中不仅具有较好的分散性，并且携带有该压裂支撑剂的水基压裂液中的气泡含量低；
[0041] c、具有耐酸碱腐蚀的特点，综合性能优异，可用于中深井的石油压裂；
[0042] d、利用钻井固体废弃物制备中、低密度高强度支撑剂，变废为宝，保护了环境，节省了资源，实现资源循环利用，利于经济可持续发展，并且钻井固体废弃物来源于油、气田在钻井过程中，将其制成压裂支撑剂后再用于钻井操作过程具有更好的相容性；
[0043] e、本发明制备方法容易实现，原料容易获得，投资少，生产成本低，适合规模化生产，具有很好的实用前景。
具体实施方式
[0044] 实施例1：
[0045] 油气田环保压裂支撑剂的原料按重量百分比如下：20％钻井固体废弃物、5％沙子、5％炼铁废渣、5％硅酸盐水泥、6％硫铝酸盐水泥、6％固化剂、二氧化锰3％、4％硫酸钠、2％碳酸钡、8％吸水膨胀橡胶颗粒、0.5％激发剂、0.4％增强剂、0.2％消泡剂、0.5％减水剂、0.6％浸润剂、1.5％羟甲基纤维素钠；其中所述的固化剂的组成按重量百分比包括：7％粉煤灰、8％高岭土、聚二甲基二烯丙基氯化铵10％、6wt％浓度的聚合氯化铝水溶液4％、聚氧乙烯月桂基醚0.15％、双氧水4％、铝酸钠5％、氧化钙19％、羟甲基纤维素钠8％、偏硅酸钠6％、环氧乙烷10％、二氧六环1％、8-羟基喹啉1.0％、乙二胺四乙酸12％、纤维素醚13％。
[0046] 制备方法：(1)备料：将所需的原料按照规定重量百分比准备；(2)预处理工序：将含有水份的钻井固体废弃物掺入沙子、炼铁废渣、固化剂和硅酸盐水泥，进行混合并搅拌均匀后，在堆放场中进行自然养护、自然干燥；(3)烘干处理工序：采用中低温烘干设备将上述(2)步骤中的混合物料进行烘干处理，除去钻井固体废弃物中的表层水和层间水，或者等上述(2)步骤中的混合物料自然干燥后，待该混合物料可以进行粉磨状态时进行下一道粉磨工序；(4)粉磨工序：将上述步骤(3)干燥后的混合物料用粉磨设备磨细到250目-400目时，掺入规定重量百分比的硫酸钠、硫铝酸盐水泥、二氧化锰、碳酸钡、吸水膨胀橡胶颗粒、消泡剂、减水剂、浸润剂、羟甲基纤维素钠后再进行无重力混料搅拌；(5)成球工序：在上述步骤(4)处理后的混合物料中加入规定重量百分比的激发剂和增强剂后，再次通过干燥、粉磨、混料等工序后制得混合物料，将该混合物料投入成球机中，使用间歇喷入水雾，当母球出现时，间歇交替加入干粉和水雾，严格控制干粉和水雾的加入量与时间，使母球逐渐达到规定的尺寸；(6)养护工序：成球后的母球颗粒，按照一定的规格的筛网进行筛选，合格的颗粒放入养护车间进行养护，不合格的颗粒进入粉碎机粉碎后，再投入成球机中参与成球。
[0047] 实施例2：
[0048] 油气田环保压裂支撑剂的原料按重量百分比如下：50％钻井固体废弃物、6％沙子、2％炼铁废渣、6％硅酸盐水泥、8％硫铝酸盐水泥、9％固化剂、二氧化锰3％、6％硫酸钠、5％碳酸钡、8％吸水膨胀橡胶颗粒、1％激发剂、0.8％增强剂、0.2％消泡剂、0.1％减水剂、
0.5％浸润剂、1.5％羟甲基纤维素钠；所述的固化剂按重量百分比包括：6％粉煤灰、8％高岭土、聚二甲基二烯丙基氯化铵10％、6wt％浓度的聚合氯化铝水溶液5％、聚氧乙烯月桂基醚0.2％、双氧水4％、铝酸钠8％、氧化钙22％、羟甲基纤维素钠8％、偏硅酸钠8％、环氧乙烷
12％、二氧六环3％、8-羟基喹啉1.0％、乙二胺四乙酸10％、纤维素醚15％。
[0049] 制备方法同上。
[0050] 实施例3：
[0051] 油气田环保压裂支撑剂的原料按重量百分比如下：55％钻井固体废弃物、5％沙子、4％炼铁废渣、6％硅酸盐水泥、6％硫铝酸盐水泥、8％固化剂、二氧化锰2％、6％硫酸钠、5％碳酸钡、8％吸水膨胀橡胶颗粒、1％激发剂、0.4％增强剂、0.5％消泡剂、0.5％减水剂、
0.6％浸润剂、1.5％羟甲基纤维素钠。其中，所述的固化剂按重量百分比包括：7％粉煤灰、
8％高岭土、聚二甲基二烯丙基氯化铵9％、6wt％浓度的聚合氯化铝水溶液5％、聚氧乙烯月桂基醚0.1％、双氧水3％、铝酸钠6％、氧化钙19％、羟甲基纤维素钠9％、偏硅酸钠8％、环氧乙烷10％、二氧六环2％、8-羟基喹啉1.0％、乙二胺四乙酸15％、纤维素醚10％。
[0052] 制备方法同上。
