一种低成本陶粒支撑剂及其制备方法

摘要

本发明涉及一种低成本陶粒支撑剂及其制备方法。所述制备方法为：将页岩气油基岩屑进行无氧蒸馏，得到蒸馏干渣；将蒸馏干渣进行粉碎，得到干渣粉末；将干渣粉末进行造粒，得到生球；将生球于1090～1120℃下烧结2～2.5h，得到所述低成本陶粒支撑剂。本发明不仅实现了油基岩屑蒸馏干渣的资源化利用，变废为宝，还具有原料单一、制备工艺简单、经济环保、生产成本低等特点。本发明解决了大量干渣堆积的环境问题，而且获得了一种高性能的陶粒支撑剂，可以完全替代铝矾土制备陶粒支撑剂传统工艺，规避成本高，温度高能耗高、资源匮乏等问题。

权利要求

1.一种低成本陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将页岩气油基岩屑进行无氧蒸馏，得到蒸馏干渣；其中，所述蒸馏干渣由如下百分比的原料组成：45.32%SiO2、9.18%Al2O3、20.02%CaO、2.26%MgO、5.62%Fe2O3、5.35%BaSO4和余量杂质；

(2)将所述蒸馏干渣进行粉碎，得到干渣粉末；其中，将所述蒸馏干渣粉碎至500目筛余＜5％，得到干渣粉末；

(3)以水为介质，将所述干渣粉末进行造粒，得到生球；其中，所述造粒的时间为30～

60min；所述生球的圆球度为0.9～1.0；所述生球的粒度为40～70目或70～140目；

(4)将所述生球于1090～1120℃下烧结2～2.5h，得到所述低成本陶粒支撑剂；

所述低成本陶粒支撑剂属于二氧化硅‑氧化钙‑硫酸钡三元体系的微晶陶瓷。

2.权利要求1所述制备方法得到的低成本陶粒支撑剂。

3.根据权利要求2所述的低成本陶粒支撑剂，其特征在于，所述低成本陶粒支撑剂在

52MPa下破碎率为3.7～5.6％；在69MPa下破碎率为5.4～6.4％。

说明书

一种低成本陶粒支撑剂及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于油气开采领域，具体涉及一种低成本陶粒支撑剂及其制备方法。

背景技术

[0002] 石油是重要的战略资源，我国石油的探明可采储量、资源量、产量值都明显远低于世界平均水平，油田的有效开采和增产变得越来越重要，水力压裂技术是使用最多的油井增产措施，其中支撑剂是水力压裂一个重要组成部分，支撑剂性能的好坏直接影响油井增产能力的高低。随着深井致密油层的不断开发，油井底部闭合压力随之增大，对支撑剂的强度要求也不断提高。

[0003] 目前同类支撑剂的制备原料不仅包括干基污泥(50～60％)、石英砂(10～40％)、粉煤灰(2～10％)、铝矾土(2～8％，铝矾土纯度≥65％)和粘土(1～5％)，还包括锰粉(1～5％)、铝粉(1～3％)、钛白粉(1～3％，钛白粉纯度≥50％)及白云石(1～2％)，其成分极为复杂，工业生产控制难度大。

[0004] 且常用的人造陶粒支撑剂的原料为铝矾土，其中氧化铝含量越高，密度越大，强度也越强。但是近些年我国陶瓷工业迅速发展，高氧化铝含量的优质铝矾土储量迅速下降。一方面原料成本激增，另一方面常用的铝矾土支撑剂使用烧结法，烧结温度为1300～1600℃，耗能成本也巨大。

[0005] 另外，在油气开采过程中也存在一个现状：随着原油开采技术的改进，石油产量增加的同时，油污泥产生量也随之增加，对油污泥处理得到后的干渣属于一般固体废弃物，由于其中含有较高含量的硫酸钡，因此作为水泥掺料等应用场景均受到限制，目前国内外的油污泥干渣处置以可井场铺路、水泥掺料、制砖原料等低附加值利用为主，基本属于为了工业固废消纳而采取的无奈之举，油污泥干渣的价值没有得到体现。

[0006] 故基于以上情况，提出本发明技术方案。

发明内容

[0007] 为了解决现有技术存在的问题，本发明的方案是提供一种低成本陶粒支撑剂的制备方法，具体包括如下步骤：

[0008] (1)将页岩气油基岩屑进行无氧蒸馏，得到蒸馏干渣；

[0009] (2)将所述蒸馏干渣进行粉碎，得到干渣粉末；

[0010] (3)以水为介质，将所述干渣粉末进行造粒，得到生球；

[0011] (4)将所述生球于1090～1120℃下烧结2～2.5h，得到所述低成本陶粒支撑剂。

[0012] 其中，蒸馏干渣的主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3以及BaSO4(具体含量如表1所示)，且油污泥干渣中的含油量≤3‰。

[0013] 表1蒸馏干渣的主要成分

[0014]成分 SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 BaSO4 其他
含量/％ 45.32 9.18 20.02 2.26 5.62 5.35 余量

[0015] 步骤(4)中，本发明利用微晶陶瓷的烧结原理，属于二氧化硅‑氧化钙‑硫酸钡三元体系的微晶陶瓷。烧结时，随着焙烧温度的上升，低熔点的物质开始出现熔融现象，由于流动传质速度快，液相烧结致密化速率高，造成颗粒重排、气孔填充，玻璃态颗粒间的空隙明显减少；到达析晶温度(1100～1120℃)后，玻璃颗粒之间长出微小晶体，玻璃颗粒的致密化程度不断提高，微晶生长形成微晶交织结构，使颗粒结构致密化程度达到最高，抗压强度高。

[0016] 优选地，步骤(2)中，将所述蒸馏干渣粉碎至500目筛余＜5％，得到干渣粉末。

[0017] 优选地，步骤(3)中，所述造粒的时间为30～60min。

[0018] 优选地，步骤(3)中，所述生球的圆球度为0.9～1.0。

[0019] 优选地，步骤(3)中，所述生球的粒度为40～70目或70～140目。

[0020] 基于相同的技术构思，本发明的再一方案是提供一种由上述方法制备得到的低成本陶粒支撑剂。

[0021] 优选地，所述低成本陶粒支撑剂在52MPa下破碎率为3.7～5.6％；在69MPa下破碎率为5.4～6.4％。

[0022] 为便于理解本发明，对如下概念进行解释说明。

[0023] 油基岩屑：指页岩气开采过程中产生黑色黏稠状被油基钻井液所包覆的岩屑，即油基岩屑(属于危险固体废物)。如果不进行处理直接排放，会对环境造成极大的危害，其已成为制约我国页岩气开发的主要环境问题之一。

[0024] 蒸馏干渣：是指油基岩屑经过中温无氧蒸馏工艺脱除油水后的干渣，堆积量巨大，需要占用大量土地，长期的堆存不仅对环境会造成一定的污染，而且还浪费了有限的自然资源。

[0025] 支撑剂：指在油气开采过程中，填充并支撑水力压裂裂缝，使之不再重新闭合，油气能够顺利裂缝开采出来，达到增产目的所使用的具有一定圆度和球度的固体颗粒。

[0026] 圆球度、酸溶解度：均是压裂支撑剂产品标准规定的指标，其中圆球度要大于0.7，酸溶解度要小于7％。

[0027] 本发明的有益效果为：

[0028] 本发明陶粒支撑剂的制备方法，仅采取油基岩屑蒸馏干渣为原料，通过粉碎、造粒及烧结工艺生产出适用范围最广，强度为52MPa、69MPa的陶粒压裂支撑剂。本发明不仅实现了油基岩屑蒸馏干渣的资源化利用，变废为宝，还具有原料单一、制备工艺简单、经济环保、生产成本低等特点。本发明解决了大量干渣堆积的环境问题，而且获得了一种高性能的陶粒支撑剂，可以完全替代铝矾土制备陶粒支撑剂传统工艺，规避成本高，温度高能耗高、资源匮乏等问题。

[0029] 具体为：

[0030] 1、原材料只需要油基岩屑蒸馏干渣，来源单一且不掺入其他物料，制备所得支撑剂能够替代铝矾土支撑剂，从而降低对铝土的开采，进一步节约了资源。

[0031] 2、在烧结时间相近的情况下，本发明的烧结温度最高为1090～1120℃，远低于铝矾土陶粒压裂支撑剂的1300～1600℃，极大地节约了能耗。

[0032] 3、本发明的原料油基岩屑由钻井中来，通过无害化资源化处置，以陶粒压裂支撑剂的形式返回钻井中使用，实现完整闭环，资源利用合理。

[0033] 4、相比油基岩屑蒸馏干渣的其他利用场景，如干渣在水泥窑、制砖过程中的掺入，都需要干渣生产厂家支付处置厂家相当的处置费用，而井场铺路价值甚至不能覆盖运输成本。但将其制备为陶粒压裂支撑剂后，市面价格可达2000～8000元/吨，属于成本低但附加值高的应用。

具体实施方式

[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

[0035] 实施例1

[0036] 本实施例提供一种低成本陶粒支撑剂的制备方法，包括如下步骤：

[0037] (1)将页岩气油基岩屑进行无氧蒸馏，得到蒸馏干渣；其中，蒸馏干渣的主要成分为SiO2(45.32％)、Al2O3(9.18％)、CaO(20.02％)、MgO(2.26％)、Fe2O3(5.62％)以及BaSO4(5.35％)；

[0038] (2)将所述蒸馏干渣粉碎至500目筛余为4％，得到干渣粉末；

[0039] (3)以水为介质，将所述干渣粉末造粒30min，得到圆球度为0.9，粒度为40～70目的生球；

[0040] (4)将所述生球于1090～1120℃下烧结2～2.5h，得到所述低成本陶粒支撑剂。

[0041] 实施例2

[0042] 本实施例提供一种低成本陶粒支撑剂的制备方法，包括如下步骤：

[0043] (1)将页岩气油基岩屑进行无氧蒸馏，得到蒸馏干渣；其中，蒸馏干渣的主要成分为SiO2(45.32％)、Al2O3(9.18％)、CaO(20.02％)、MgO(2.26％)、Fe2O3(5.62％)以及BaSO4(5.35％)；

[0044] (2)将所述蒸馏干渣粉碎至500目筛余为3％，得到干渣粉末；

[0045] (3)以水为介质，将所述干渣粉末造粒60min，得到圆球度为0.9，粒度为70～140目的生球；

[0046] (4)将所述生球于1090～1120℃下烧结2～2.5h，得到所述低成本陶粒支撑剂。

[0047] 为表明性能，对本发明实施例1～2所得的低成本陶粒支撑剂进行检测，结果如表2所示。

[0048] 表2性能检测结果

[0049]

[0050]

[0051] 为了进行对比，选取市售同类型支撑剂(来源于四川秉扬科技)，该厂家支撑剂的详细规格及理化性能指标如表3所示。

[0052] 表3四川秉扬科技支撑剂的规格及理化性能

[0053]

[0054] 由表2、表3可知，本发明支撑剂为40～70目时，52MPa下破碎率为3.7％，而同类型产品破碎率＜3％，69MPa下破碎率为5.4％，而同类型产品破碎率＜6％；当本发明支撑剂为70～140目时，52MPa下破碎率为5.6％，而同类型产品破碎率＜5％，69MPa下破碎率为
6.4％，而同类型产品破碎率＜6％。由数据不难看出，本发明与市售同类产品的性能接近，但实际上制造成本远低于同类产品，原因为：

[0055] (1)传统的陶粒压裂支撑剂需要开采铝矾土矿，原材料成本约为350元/吨，而本发明采用的是油基岩屑干渣，成本近乎为零。

[0056] (2)烧结时间、烧结设备相同条件下，本发明支撑剂的烧结温度为1000～1200℃之间，而传统支撑剂烧结温度1300～1500℃，烧结所需要的能耗大幅降低。

[0057] 对比例1

[0058] 本对比例提供一种低成本陶粒支撑剂的制备方法，包括如下步骤：

[0059] (1)将页岩气油基岩屑进行无氧蒸馏，得到蒸馏干渣；其中，蒸馏干渣的主要成分为SiO2(45.32％)、Al2O3(9.18％)、CaO(20.02％)、MgO(2.26％)、Fe2O3(5.62％)以及BaSO4(5.35％)；

[0060] (2)将所述蒸馏干渣粉碎至500目筛余为6％，得到干渣粉末；

[0061] (3)以水为介质，将所述干渣粉末造粒30min，得到圆球度为0.9，粒度为40～70目的生球；

[0062] (4)将所述生球于1090～1120℃下烧结2～2.5h，得到所述低成本陶粒支撑剂。

[0063] 为表明性能，对本发明实施例1、对比例1所得的低成本陶粒支撑剂进行检测，结果如表4所示。

[0064] 表4性能检测结果

[0065]

[0066] 由表4可知，本发明支撑剂磨矿粒度500目筛余为4％时，52MPa下破碎率为3.7％，69MPa下破碎率为5.4％；而磨矿粒度500目筛余为6％时，52MPa下破碎率7.7％，69MPa下破碎率为9.1％；且酸溶解度增大。故500目筛余率影响产品质量。

[0067] 对比例2

[0068] 本对比例提供一种低成本陶粒支撑剂的制备方法，包括如下步骤：

[0069] (1)将页岩气油基岩屑进行无氧蒸馏，得到蒸馏干渣；其中，蒸馏干渣的主要成分为SiO2(45.32％)、Al2O3(9.18％)、CaO(20.02％)、MgO(2.26％)、Fe2O3(5.62％)以及BaSO4(5.35％)；

[0070] (2)将所述蒸馏干渣粉碎至500目筛余为4％，得到干渣粉末；

[0071] (3)以水为介质，将所述干渣粉末造粒30min，得到圆球度为0.9，粒度为40～70目的生球；

[0072] (4)将所述生球于1060～1090℃下烧结2～2.5h，得到所述低成本陶粒支撑剂。

[0073] 对比例3

[0074] 本对比例提供一种低成本陶粒支撑剂的制备方法，包括如下步骤：

[0075] (1)将页岩气油基岩屑进行无氧蒸馏，得到蒸馏干渣；其中，蒸馏干渣的主要成分为SiO2(45.32％)、Al2O3(9.18％)、CaO(20.02％)、MgO(2.26％)、Fe2O3(5.62％)以及BaSO4(5.35％)；

[0076] (2)将所述蒸馏干渣粉碎至500目筛余为4％，得到干渣粉末；

[0077] (3)以水为介质，将所述干渣粉末造粒30min，得到圆球度为0.9，粒度为40～70目的生球；

[0078] (4)将所述生球于1120～1150℃下烧结2～2.5h，得到所述低成本陶粒支撑剂。

[0079] 为表明性能，对本发明实施例1、对比例2、对比例3所得的低成本陶粒支撑剂进行检测，结果如表5所示。

[0080] 表5性能检测结果

[0081]

[0082] 由表5可知，本发明支撑剂烧结温度更改后，当温度过低时，如温度1060～1090℃，烧结不充分，导致破碎率大于9％，为不合格产品；当温度过高时，如温度1120～1150℃，温度太高导致过烧，支撑剂颗粒粘结，为不合格产品。故烧结温度影响产品质量。

[0083] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。