本发明涉及油气井压裂缝的支撑技术，特别是一种煤矸石支撑剂及其制备方法，所述煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物。本发明的支撑剂既能够有效利用固体废物煤矸石，为煤矸石的再次利用提供了新的途径，又能够有利于提高烧成陶粒的强度，以适应闭合压力高的深层油气井压裂缝的支撑。
背景技术：
石油天然气深井开采时，高闭合压力低渗透性矿床经压裂处理后，使含油气岩层裂开，油气从裂缝形成的通道中汇集而出。用陶粒支撑材料随同高压溶液进入地层充填在岩层裂隙中，起到支撑裂隙不因应力释放而闭合的作用，从而保持高导流能力，使油气畅通，增加产量。因此，近几十年来，为开发深层油、气井，提高其产量，压裂工艺被广泛采用。由于与之密切相关的固体支撑剂是该项工艺应用好坏的关键之一，为此，国内外的科研人员对高品质固体支撑剂的制造方法投入了大量研究。现有支撑剂生产工艺包括烧结法和电熔喷吹法两种。在国内多地生产厂家多采用电熔喷吹法，生产的产品多为中低强度，且电耗比较高。中国发明专利公告发表的CN1046776A的固体支撑剂及其制造方法就属于电熔喷吹方法。国外采用烧结法的较多，但为使生产连续化、自动化，关键的成球工序采用流化床泥浆喷吹法或盘式法。英国专利GB2079261A的制造烧结铝矾土圆球工艺，是将含有铝矾土和结合剂的水悬浮料通过流态化喷吹法造球，然后进行烧结而成。该工艺连续化、自动化程度高，但投资大，不适合当前我国国情，产品质量也比较好，但价格昂贵，一般为国内同类产品的6～8倍。针对国内外以铝矾土为主料制备固体支撑剂的方式，本发明人认为，应该对其进行改变，特别是以变废为宝的方式有效利用固体废物，并以原料廉价、工艺简单、高效节能、产品质优为目标在油气井压裂支撑剂上开辟新的工艺流程及工艺条件。为此，本发明人完成了本发明，提供一种工艺简单，高效、节能，产品质量好、成本低，适合我国国情的煤矸石高强度支撑剂及其制备方法，以支持广泛使用的深层油气井压裂工艺技术。
技术实现要素：
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种煤矸石支撑剂及其制备方法，所述煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物。本发明的支撑剂既能够有效利用固体废物煤矸石，为煤矸石的再次利用提供了新的途径，又能够有利于提高烧成陶粒的强度，以适应闭合压力高的深层油气井压裂缝的支撑。
本发明的技术方案如下：
一种煤矸石支撑剂，其特征在于，所述支撑剂为陶瓷颗粒，所述陶瓷颗粒由煤矸石陶瓷泥料烧制而成，所述煤矸石陶瓷泥料是指陶瓷泥料的原料组分中以煤矸石焙烧粉料为主料。
所述煤矸石焙烧粉料含量为80wt％～95wt％。
所述陶瓷泥料的原料组分中包括辅料，所述辅料包括粘土和多种氧化物。
所述多种氧化物为Fe2O3、MgO和MnO2；所述粘土为软质粘土。
Fe2O3原料组分含量为1wt％～15wt％，MgO原料组分含量为0.5wt％～10wt％，MnO2原料组分含量为0.5wt％～10wt％，粘土原料组分含量为1wt％～10wt％。
所述煤矸石焙烧粉料的主要化学成分及其重量含量如下：Al2O3 55～70％，SiO215～30％，Fe2O3 2～10.5％，TiO2 2～5.5％。
所述煤矸石支撑剂是以α-Al2O3(刚玉)结构为主晶相，多组分氧化物及软质粘土共熔后与α-Al2O3形成固熔体和玻璃相的结合体，产品质量指标为：破碎率＜2～4％；圆度、球度均≥0.9；体密度≤1.65g/cm3；视密度≤2.75g/cm3；浊度≤10FTU；表面光洁度为中；酸溶解度≤4.5％；导流能力≥22.27μm2·cm。
一种煤矸石支撑剂的制备方法，其特征在于，包括煤矸石焙烧、粉碎、共磨、混碾制得陶瓷泥料、松解、成球、第一次筛分、烧成、抛光、以及第二次筛分；所述陶瓷泥料的原料组分及含量如下：煤矸石焙烧粉料含量为80wt％～95wt％，Fe2O3原料组分含量为1wt％～15wt％，MgO原料组分含量为0.5wt％～10wt％，MnO2原料组分含量为0.5wt％～10wt％，粘土原料组分含量为1wt％～10wt％。
所述煤矸石焙烧的温度为1000℃～1340℃；所述粉碎为多级粉碎，所述多级粉碎为三级粉碎，所述三级粉碎依次为粗碎、中碎和细碎，所述粗碎采用颚式粉碎机，所述中碎采用雷蒙粉碎机，所述细碎采用筒磨机；煤矸石焙烧后粉碎成粒径≤0.135mm的煤矸石粉粒；所述共磨采用高频震动磨，将煤矸石粉粒和其他原料组分即辅料共磨后得到粒径≤0.040mm的混合粉粒；所述混碾是指在混合粉粒中加入其重量5～20％的水或有机溶剂通过混合碾压得到陶瓷泥料；所述松解采用万能粉碎机，在万能粉碎机中将混碾后的陶瓷泥料制成湿细粉粒；所述成球采用圆盘成球机，湿细粉粒在成球机中生成圆球；所述第一次筛分采用双层套筛，圆球通过筛分后，筛上料返回到混碾工序，筛下料进入成球机作球核用，筛中料进入烧成工序；所述烧成采用回转窑或隧道窑，烧成温度为1350℃～1500℃；所述抛光是将烧成后的圆球在筒磨机中进行自身研磨；所述第二次筛分是在负压条件下用双层套筛对抛光圆球进行筛分。
本发明的技术效果如下：本发明的一种煤矸石支撑剂及其制备方法，在陶瓷泥料的原料组分中以煤矸石焙烧粉料为主料，取代了铝矾土，有效利用了固体废物煤矸石，为煤矸石的再次利用提供了新的途径。本发明与已有技术相比，具有以下优点：1、工艺独特，是适合我国国情的先进技术方法，其产品质量在国内处于领先地位，接近或达到美国同类产品，具有突出的成本优势和价格优势。2、采用圆盘成球机，按特定转速并与水平面成60°夹角(倾角)设置，使坯球作三维空间连续抛物线运动，产品的圆度、球度均≥0.9，该指标优于欧美同类产品。3、产量高，能耗低，每台每小时可产合格品200kg，仅耗电1.1千瓦。4、为我国丰富的煤矸石的开发和利用开避了途径。
本发明所制造的煤矸石高强度支撑剂是以α-Al2O3(刚玉)结构为主晶相，多组分氧化物及软质粘土共熔后与α-Al2O3形成固熔体和玻璃相而形成高强度的结合体，其硬度仅次于金刚石。产品质量指标为：破碎率＜2～4％；圆度、球度均≥0.9；体密度≤1.65g/cm3；视密度≤2.75g/cm3；浊度≤10FTU；表面光洁度为中；酸溶解度≤4.5％；导流能力≥22.27μm2·cm。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行说明。
本发明的目的是对以煤矸石为主料生产固体支撑剂工艺流程的改进，提供了一种工艺简单，高效、节能，产品质量好、成本低，适合我国国情的煤矸石高强度支撑剂的制备方法。本发明的技术方案是将主料煤矸石在1000℃～1350℃温度下焙烧后，经粉碎成粒径≤0.135mm的粉粒，加辅料共磨成粒径≤0.040mm的细粉粒，再加入5～20％原料重量的水或有机溶剂进行混碾，均匀混合，然后通过松解、成球(造球)、筛分和烧成(烧结)。筛孔径根据圆球大小要求而定。
具体工艺流程如下：a.煤矸石焙烧后，其Al2O3的含量为55～70％(重量)。b.辅料为多种氧化物Fe2O3、MgO、MnO2、粘土和水。主料与辅料的重量配比为85～95％与5～15％。c.成球是在转速为10～50转/分且与水平面成60°夹角安装的成球机中进行。成球过程是首先使原料在成球机中生成其粒径≤0.2mm的球核(母球)，然后再逐次加入粉粒料制成规定球径的圆球。成球后的筛分是在上孔径为850μm(20目)、下孔径为425μm(40目)的双层套筛上进行。d.烧成温度为1350℃～1500℃。
在上述工艺流程的烧成之后还有抛光与筛分工序。抛光是通过筒磨机使圆球进行自身之间的研磨。筛分是在负压条件下用上孔径850μm、下孔径425μm的双层套筛或筛孔据圆球大小要求而定。主料焙烧后的粉碎是依次进行粗、中、细三级粉碎，细粉后的粒径≤0.135mm。各种辅料及其重量含量分别是Fe2O3 2～10％、MgO 0.5～5％、MnO2 0.5～5％和粘土2～10％。共磨是在高频震动磨中进行超细粉碎，共磨后的粒径≤0.015mm。
一种煤矸石支撑剂，其特征在于，所述支撑剂为陶瓷颗粒，所述陶瓷颗粒由煤矸石陶瓷泥料烧制而成，所述煤矸石陶瓷泥料是指陶瓷泥料的原料组分中以煤矸石焙烧粉料为主料。所述煤矸石焙烧粉料含量为80wt％～95wt％。所述陶瓷泥料的原料组分中包括辅料，所述辅料包括粘土和多种氧化物。所述多种氧化物为Fe2O3、MgO和MnO2；所述粘土为软质粘土。Fe2O3原料组分含量为1wt％～15wt％，MgO原料组分含量为0.5wt％～10wt％，MnO2原料组分含量为0.5wt％～10wt％，粘土原料组分含量为1wt％～10wt％。所述煤矸石焙烧粉料的主要化学成分及其重量含量如下：Al2O3 55～70％，SiO2 15～30％，Fe2O3 2～10.5％，TiO2 2～5.5％。所述煤矸石支撑剂是以α-Al2O3(刚玉)结构为主晶相，多组分氧化物及软质粘土共熔后与α-Al2O3形成固熔体和玻璃相的结合体，产品质量指标为：破碎率＜2～4％；圆度、球度均≥0.9；体密度≤1.65g/cm3；视密度≤2.75g/cm3；浊度≤10FTU；表面光洁度为中；酸溶解度≤4.5％；导流能力≥22.27μm2·cm。
一种煤矸石支撑剂的制备方法，其特征在于，包括煤矸石焙烧、粉碎、共磨、混碾制得陶瓷泥料、松解、成球、第一次筛分、烧成、抛光、以及第二次筛分；所述陶瓷泥料的原料组分及含量如下：煤矸石焙烧粉料含量为80wt％～95wt％，Fe2O3原料组分含量为1wt％～15wt％，MgO原料组分含量为0.5wt％～10wt％，MnO2原料组分含量为0.5wt％～10wt％，粘土原料组分含量为1wt％～10wt％。所述煤矸石焙烧的温度为1000℃～1340℃；所述粉碎为多级粉碎，所述多级粉碎为三级粉碎，所述三级粉碎依次为粗碎、中碎和细碎，所述粗碎采用颚式粉碎机，所述中碎采用雷蒙粉碎机，所述细碎采用筒磨机；煤矸石焙烧后粉碎成粒径≤0.135mm的煤矸石粉粒；所述共磨采用高频震动磨，将煤矸石粉粒和其他原料组分即辅料共磨后得到粒径≤0.040mm的混合粉粒；所述混碾是指在混合粉粒中加入其重量5～20％的水或有机溶剂通过混合碾压得到陶瓷泥料；所述松解采用万能粉碎机，在万能粉碎机中将混碾后的陶瓷泥料制成湿细粉粒；所述成球采用圆盘成球机，湿细粉粒在成球机中生成圆球；所述第一次筛分采用双层套筛，圆球通过筛分后，筛上料返回到混碾工序，筛下料进入成球机作球核用，筛中料进入烧成工序；所述烧成采用回转窑或隧道窑，烧成温度为1350℃～1500℃；所述抛光是将烧成后的圆球在筒磨机中进行自身研磨；所述第二次筛分是在负压条件下用双层套筛对抛光圆球进行筛分。
实施例1：原料由主料和辅料组成。主料是煤矸石，其主要成分及其含量(重量)为：Al2O3 65％、SiO2 18％、Fe2O3 3.55％、TiO2 3.33％，辅料的种类及含量(重量)分别为Fe2O39％、MgO1.5％、MnO21.0％、软质粘土4％。将主料煤矸石在1350℃温度下焙烧后，依次经颚式粉碎机粗碎、雷蒙粉碎机中碎和筒磨机细碎，筛分后得粒径＜0.088mm的细粉。之后加辅料共磨(超细粉碎)，使其细粉粒径＜0.020mm。然后经成球、筛分、烧成和再次筛分，得到煤矸石高强度支撑剂成品。成球是在与水平面成60°夹角，转速为10～50转/分的成球机中进行，其过程是先使粉料在成球机中生成粒径≤0.2mm的球核，再逐次加粉料制成球径＜1.0mm的圆球。筛分是使用上孔径850μm、下孔径425μm的双层套筛，筛上料返回到混碾工序，筛下料进入成球机作球核用。20/40目之间圆球在回转窑中煅烧2小时，其煅烧温度为1450℃。抛光是将烧成后的圆球在筒磨机中进行自身研磨。
实施例2：煤矸石矿经1350℃焙烧后通过粗、中、细三级粉碎成其粒径＜0.088mm的粉粒，加入4wt％Fe2O3、2wt％MgO、4wt％MnO2的混合氧化物和8wt％的软质粘土，在高频振动磨中共磨成粒径＜0.015mm细粉粒，再加原料重量15％的水进行混碾。将混碾成的泥料经万能粉碎机松解成湿粉料，在与水平面成60°夹角，转速为10～50转/分的成球机中生成粒径＜0.2mm的球核，再逐次加入粉料制成球径＜1.0mm的圆球。把制成的圆球通过上孔850μm、下孔径425μm的双层套筛进行筛分，筛上圆球返回到混碾工序，筛下圆球返回成球机作球核用。球径在20/40目之间的圆球进入隧道窑烧结，烧结温为1400℃，烧结时间为3小时。最后，将烧成的圆球用例1中相同方法抛光和筛分后即为合格的煤矸石高强度支撑剂成品。
上述实施例所制成的产品，经按S.Y标准或A.P.1标准检测，其产品质量指标为：破碎率＜2～4％；圆度、球度均≥0.9；体密度≤1.65g/cm3；视密度≤2.75g/cm3；浊度≤10FTU；表面光洁度为中；酸溶解度≤4.5％；导流能力22.27μm2·cm。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。