一种高强度超轻陶粒支撑剂、制备方法及用途

摘要

本发明公开了一种高强度超轻陶粒支撑剂，铝矾土、硅酸钠、硅微粉、纳米二氧化硅、锰矿粉的质量配比组成为55～70:5～10:10～20:0～10:5～10；其视密度为1.00～1.75g/cm3，承压强度大于80MPa，相成分包括刚玉相、莫来石相和玻璃相。本发明能够改进现有技术的不足，可有效满足中深层页岩气(油)清水压裂或者无水压裂的施工技术需求，有效降低压裂的作业成本。

权利要求

1.一种高强度超轻陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

首先使用造粒设备将原料造粒，所述原料由铝矾土、硅酸钠、硅微粉、纳米二氧化硅、锰矿粉按质量配比55～70:5～10:10～20:0～10:5～10组成；

然后使用等离子高温定型烧结炉烧结，烧结温度为3200～3450℃，烧结压力为45～

55MPa，烧结气压为100～300Pa，烧结时间为15～40s；

最后使用高温炉后期烧结，烧结温度为800～1100℃，烧结时间为1～3h。

2.根据权利要求1所述的高强度超轻陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：视密度为

1.00～1.75g/cm3，承压强度大于80MPa，相成分包括刚玉相、莫来石相和玻璃相。

3.根据权利要求1所述的强度超轻陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：所述等离子高温定型烧结炉包括炉体（1），炉体（1）底部活动安装有旋转轴（2），旋转轴（2）与炉体（1）外部的电机（3）连接，旋转轴（2）顶部固定有下模具（4），炉体（1）顶部安装有液压缸（5），液压缸（5）的活塞杆上固定有与下模具（4）相配合的上模具（6），上模具（6）的外侧对称安装有放电电极（7），炉体（1）内部安装有辐射体（8），炉体（1）外部安装有用于对炉体（1）内部抽真空的真空泵（9）。

4.根据权利要求3所述的强度超轻陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：所述放电电极（7）为弧形，放电电极（7）上均匀分布有放电尖端（10），上模具（6）表面设置有用于插接放电电极（7）的弧形插槽（11），弧形插槽（11）内侧设置有与弧形插槽（11）相连通的环形孔（12）。

5.根据权利要求4所述的强度超轻陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：所述放电尖端（10）上设置有分别向上翘起和向下翘起的翘起部（13），翘起部（13）之间连接有网状层（14）。

6.根据权利要求5所述的强度超轻陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于：所述辐射体（8）包括若干个固定在炉体（1）内壁的环形导热管（15），环形导热管（15）外侧固定有若干个圆形辐射片（16），相邻环形导热管（15）上的圆形辐射片（16）交错设置。

7.一种利用权利要求1所述方法制备的高强度超轻陶粒支撑剂的用途，其特征在于：所述支撑剂应用于中深层页岩气或中深层页岩油清水压裂或者无水压裂。

说明书

一种高强度超轻陶粒支撑剂、制备方法及用途

技术领域

[0001] 本发明涉及页岩气(油)压裂支撑剂技术领域，尤其是一种高强度超轻陶粒支撑剂、制备方法及用途。

背景技术

[0002] 现阶段，国内页岩气(油)的勘探开发逐渐由中浅层(垂深2000m～3000m)迈向中深层(垂深3000m～4500m)，地层的闭合压力逐渐提升，这对压裂用支撑剂的抗压强度提出了
更高的要求，例如四川盆地的丁山区块页岩压裂施工压力达70Mpa以上。目前页岩气(油)开
发用支撑剂的真实密度普遍高于2.40g/cm3，需要携砂性能良好的线性胶和滑溜水的有效
携带才能进入远井筒地层的裂缝，尚难以完全满足清水压裂甚至无水压裂的技术要求。目
前页岩气压裂施工中，上述支撑剂过高的密度使得其对压裂机械和配套设备的要求更高，
对压裂液的携砂能力与造缝能力要求更强、单井用液量更大、流变性能更好，这直接造成了
压裂成本的增加；同时，上述支撑剂过高的密度还带来了压裂施工过程近井筒裂缝易沉降、
易砂堵、网状裂缝难进入等诸多不足，影响了页岩气层的压裂效果；再者，较高粘度压裂液
的使用虽然可以保障上述高密度支撑剂在人造网状裂缝的有效运移，但压裂施工完毕后却
非常不利于压裂液的返排，不利于页岩地层产能的建立，阻碍页岩气井采收率的提高。

[0003] 中国发明专利CN200910066233.0主要涉及一种轻质多孔油气井压裂支撑剂的制备方法，以氧化铝为主要原料，并加入石灰石、白云石、菱镁矿、木屑和植物碎末中的一种或
几种组合物作为成孔物质，以膨润土和高岭土中的一种或多种作为塑性剂，以淀粉、糊精中
的一种或多种作为粘结剂，将上述原料磨成细粉，并混合搅拌均匀，在造粒机中滚动成球，
干燥后在隧道窑或在回转窑内烧结，最后通过筛分来控制粒径分布，从而得到轻质多孔油
气压裂支撑剂，其特征在于真实密度在1.8至2.8克/厘米3之间和单颗粒开口空隙为30％-
60％，且具有相互连通的开孔结构。但此专利涉及的支撑剂为开孔多孔且相互连通结构，承
压能力较弱。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种高强度超轻陶粒支撑剂、制备方法及用途，能够解决现有技术的不足，可有效满足中深层页岩气(油)清水压裂或者无水压裂的施工技
术需求，有效降低压裂的作业成本。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

[0006] 一种高强度超轻陶粒支撑剂，铝矾土、硅酸钠、硅微粉、纳米二氧化硅、锰矿粉的质量配比组成为55～70:5～10:10～20:0～10:5～10。

[0007] 作为优选，视密度为1.00～1.75g/cm3，承压强度大于80MPa，相成分包括刚玉相、莫来石相和玻璃相。

[0008] 一种上述的高强度超轻陶粒支撑剂的制备方法，包括以下步骤：

[0009] 首先使用造粒设备将原料造粒；

[0010] 然后使用等离子高温定型烧结炉烧结，烧结温度为3200～3450℃，烧结压力为45～55MPa，烧结气压为100～300Pa，烧结时间为15～40s；

[0011] 最后使用高温炉后期烧结，烧结温度为800～1100℃，烧结时间为1～3h。

[0012] 作为优选，所述等离子高温定型烧结炉包括炉体，炉体底部活动安装有旋转轴，旋转轴与炉体外部的电机连接，旋转轴顶部固定有下模具，炉体顶部安装有液压缸，液压缸的
活塞杆上固定有与下模具相配合的上模具，上模具的外侧对称安装有放电电极，炉体内部
安装有加热器，炉体外部安装有用于对炉体内部抽真空的真空泵。

[0013] 作为优选，所述放电电极为弧形，放电电极上均匀分布有放电尖端，上模具表面设置有用于插接放电电极的弧形插槽，弧形插槽内侧设置有与弧形插槽相连通的环形孔。

[0014] 作为优选，所述放电尖端上设置有分别向上翘起和向下翘起的翘起部，翘起部之间连接有网状层。

[0015] 作为优选，所述辐射体包括若干个固定在炉体内壁的环形导热管，环形导热管外侧固定有若干个圆形辐射片，相邻环形导热管上的圆形辐射片交错设置。

[0016] 一种上述的高强度超轻陶粒支撑剂的用途，应用于中深层页岩气或中深层页岩油清水压裂或者无水压裂。

[0017] 采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明所设计的放电电极结构具有极高的热效率，可以实现支撑剂壳层材料的数秒时间内闭合与陶瓷化。再烧结过程中下模具
在电机的带动下旋转，这种动态烧结方式意味着，在等离子体弧中，支撑剂颗粒超高温烧结
的时间很短，只有数秒时间，动态旋转的颗粒处于热非平衡状态，颗粒表面的壳层温度高，
熔融烧结后迅速冷却，易形成致密的闭合壳层,同时有效避免支撑剂颗粒间的团聚；造粒过
程中形成的气孔均匀分布在颗粒内部，由于气体传热较慢，尚未完全达到导热平衡，内部温
度较低，表面张力相对较大和膨胀气压相对较小，膨胀气体被适宜黏度的液相所包围，开口
连通气孔得到闭合、细化，形成均一闭气孔(气孔直径小于临界值)且均匀分布的内部结构。
模具外侧的辐射体可以对散发出来的热量进行吸收和反射，实现提高炉体温度均匀度的目
的。

[0018] 真实表观密度在1.00～1.75g/cm3、抗压强度80MPa的高强度超轻陶粒支撑剂则具有突出的优势。根据Stoke定律，尺寸大小均为20～40目条件下，密度为1.25g/cm3的支撑剂
在液体中的最终沉降速度比石英砂低4倍，因此超轻支撑剂可以有效保证压裂施工过程中
远井筒地带支撑剂的数量，减少网状裂缝砂堵的风险，提高压裂时效和压裂效果；还可以有
效降低压裂液过高的粘度要求，满足清水压裂或无水压裂的施工要求，这不仅会大幅降低
压裂液的成本，而且更利于压后压裂液的返排效果和产能的提高；还可以降低深层气(油)
压裂施工中过高的泵排量和压裂机械的要求，这会有效深层页岩气(油)降低压裂的作业成
本；同时，由于超轻支撑剂具有更低的密度，因此在同等施工压力、同等压裂液粘度的条件
下其产生的有效支撑长度更长、裂缝波及范围更广，这利于深层页岩气(油)油气产能的充
分动用，大幅提高整体的压裂效果。

附图说明

[0019] 图1是本发明一个具体实施方式中等离子高温定型烧结炉的结构图。

[0020] 图2是本发明一个具体实施方式中上模具与放电电极安装部位的结构图。

[0021] 图3是本发明一个具体实施方式中放电尖端的结构图。

[0022] 图4是本发明一个具体实施方式中辐射体的结构图。

[0023] 图5是本发明一个具体实施方式中滚轮的结构图。

具体实施方式

[0024] 实施例一

[0025] 先将275g低品位铝矾土，50g硅酸钠，100g硅微粉，50g氧化锰混合均匀，造粒，热等离子定型，隧道窑高温烧结850度3h，筛分后即得超轻陶粒支撑剂。超轻陶粒支撑剂的视密
度为1.08g/cm3，承压强度为81MPa。

[0026] 实施例二

[0027] 先将350g低品位铝矾土，50g硅酸钠，75g硅微粉，50g纳米二氧化硅，25g碳酸锰混合均匀，造粒，热等离子定型，隧道窑高温烧结1100度2h，筛分后即得超轻陶粒支撑剂。超轻
陶粒支撑剂的视密度为1.74g/cm3，承压强度104MPa。

[0028] 实施例三

[0029] 先将300g低品位铝矾土，25g硅酸钠，50g硅微粉，25g纳米二氧化硅，7.5g氢氧化锰混合均匀，造粒，热等离子定型，隧道窑高温烧结1050度3h，筛分后即得超轻陶粒支撑剂。超
轻陶粒支撑剂的视密度为1.54g/cm3，承压强度为95MPa。

[0030] 实施例四

[0031] 先将300g低品位铝矾土，35g硅酸钠，75g硅微粉，35g纳米二氧化硅，9g氧化锰混合均匀，造粒，热等离子定型，隧道窑高温烧结1100度1.2h，筛分后即得超轻陶粒支撑剂。超轻
陶粒支撑剂的视密度为1.28g/cm3，承压强度为84MPa。

[0032] 铝矾土、硅酸钠、硅微粉、纳米二氧化硅、锰矿粉的质量配比组成为55～70:5～10:10～20:0～10:5～10。

[0033] 实施例五

[0034] 先将285g低品位铝矾土，35g硅酸钠，90g硅微粉，45g纳米二氧化硅，9g氧化锰混合均匀，造粒，热等离子定型，隧道窑高温烧结1000度1.5h，筛分后即得超轻陶粒支撑剂。超轻
陶粒支撑剂的视密度为1.14g/cm3，承压强度为88MPa。

[0035] 上述高强度超轻陶粒支撑剂应用于中深层页岩气或中深层页岩油清水压裂或者无水压裂。

[0036] 参照图1-5，本发明中的等离子高温定型烧结炉包括炉体1，炉体1底部活动安装有旋转轴2，旋转轴2与炉体1外部的电机3连接，旋转轴2顶部固定有下模具4，炉体1顶部安装
有液压缸5，液压缸5的活塞杆上固定有与下模具4相配合的上模具6，上模具6的外侧对称安
装有放电电极7，炉体1内部安装有辐射体8，炉体1外部安装有用于对炉体1内部抽真空的真
空泵9。放电电极7为弧形，放电电极7上均匀分布有放电尖端10，上模具6表面设置有用于插
接放电电极7的弧形插槽11，弧形插槽11内侧设置有与弧形插槽11相连通的环形孔12。所述
放电尖端10上设置有分别向上翘起和向下翘起的翘起部13，翘起部13之间连接有网状层
14。辐射体8包括若干个固定在炉体1内壁的环形导热管15，环形导热管15外侧固定有若干
个圆形辐射片16，相邻环形导热管15上的圆形辐射片16交错设置。

[0037] 另外，由于下模具4要承受上模具6的下压力，这对于旋转轴2和电机3会造成较大的承压。为了保证旋转结构的正常工作，本发明在下模具的底面开设有环形凹槽17，炉体1
底部固定有支撑杆18，支撑杆18顶部固定有横杆19，横杆19上套接有滚轮20，滚轮20与横杆
19间隙配合，滚轮20上开设有若干个通槽21，滚轮20与环形凹槽17滑动接触。上述支撑结构
可以有效的提供支撑力，从而减少旋转轴2和电机3的承压。由于处于高温环境中，使用润滑
剂会导致对支撑剂的污染，所以本发明设计了带有通槽21的滚轮20，使摩擦产生的碎屑快
速排出，同时滚轮20与横杆19间隙配合，可以避免碎屑存留于滚轮20与横杆19之间，从而有
效延长了支撑结构的使用寿命。

[0038] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所
示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0039] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其
等效物界定。