一种页岩气开采压裂支撑剂及其制备方法与制造工艺

本发明涉及页岩气开采领域，具体涉及一种页岩气开采所用的压裂支撑剂，并进一步涉及压裂支撑剂的制备方法。

背景技术：
页岩气是存在页岩及其夹层中，以吸附或游离状态存在的天然气，主要成分以甲烷为主，是一种重要的非常规天然气资源。页岩气常分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中，且普遍含气量高，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。因此页岩气分布广泛，开发潜力巨大，是常规石油天然气的理想接替能源。但是，页岩气的成藏规律、储集空间、渗流规律不同于常规天然气，特别是储层具有低孔特征和极低的基质渗透率，因此，页岩气储集层渗透率低，开采难度较大,气流的阻力比常规天然气大，岩气的最终采收率依赖于有效的压裂措施。在压裂开采中，压裂支撑剂发挥着重要的作用。因此，压裂支撑剂的性能直接影响页岩气的开采。近几年，美国页岩气勘探开发突破技术瓶颈，产量快速增长，对国际天然气市场及世界能源格局产生重大影响，世界主要资源国都加大了对页岩气的勘探开发力度。我国页岩气的开采处于起步阶段，急需页岩气开采的技术支持。页岩气压裂技术是通过压裂液给地层页岩压出裂缝，为页岩气的流动打开通道，防止在地层闭合压力条件下裂缝闭合，需使用压裂支撑剂。压裂支撑剂随压裂液进入地层的页岩缝隙，在压裂液形成的缝隙里驻留，以阻挡页岩裂缝的闭合，形成一个高导流能力的支撑带。因此，压裂支撑剂是影响页岩气开采收集的关键材料。在石油、常规天然气的开采过程中，也会用到支撑剂，但由于石油、常规天然气存在于离散的岩石中，闭合压力低，空隙相对较多，所以对压裂支撑剂的要求并不高。但在页岩气的开采中，页岩呈致密的聚集性，压裂液形成的缝隙很容易在高闭合压力下闭合，因此支撑页岩的空隙对开采收集页岩气非常重要，要求支撑剂具有高强度以避免页岩缝隙闭合。目前页岩气开采所用的压裂支撑剂主要为石英砂和陶瓷颗粒。一般石英砂的承压能力在35MPa,破碎率≤10%；陶瓷颗粒的承压能力52MPa，破碎率≤25%；69MPa，破碎率≤20%；而深层页岩的闭合力可达100MPa，普通的石英砂和陶瓷颗粒难以达到页岩开采中的支撑强度要求。另外，陶粒原料主要采用铝矾土，生产成本过高，并且资源逐渐稀少，大规模利用铝矾土制备陶粒用于页岩气开采受到铝矾土资源的制约。中国发明专利公开号CN103288431A公开了一种页岩气专用的高强度压裂支撑剂的制备方法，该方法以贫铝矾土粉料、高岭土粉料、硅微粉组合形成混合料A，以煤矸石粉料、高岭土粉料、烧结助剂组合形成混合料B；再以电熔莫莱石砂为母粒，通过混合料A、B交替包覆，烧结得到高强度压裂支撑剂，支撑剂在69MPa闭合压力下破碎率≤8.0％，该发明在一定程度上提升了支撑剂的强度。但存在的缺陷是支撑剂的强度难以适应页岩气开采中高达100MPa的闭合压力，限制了在页岩气开采中的应用。中国发明专利公开号CN103172354A公开了一种页岩气开采用压裂支撑剂的制备方法，该方法以低品位铝矾土为主要原料，通过对原料连续干磨+连续湿磨，确保浆料中各原料的均匀性、稳定性，通过复合烧结助剂促进固相烧结，促进长柱状莫来石的形成，通过柱状莫来石提高强度，在69MPa闭合压力下破碎率为5-7%。但存在的缺陷是成本高，工艺复杂，而且支撑剂的抗压性能仍然有限。中国发明专利公开号CN103031121A公开了一种压裂支撑剂及其制备方法和一种深井压裂方法，该方法将含有添加剂和熔融态树脂的混合物捏合均匀，并与骨料混合均匀、固化，使得骨料表面形成包覆树脂，在一定程度上，树脂的缓冲性可降低破碎率。但另一方面由于树脂包覆膜在高闭合压力状态下变形则引起导流能力降低，而且骨料（石英砂或者陶粒）的强度提高有限，因此不能根本解决支撑剂抗压强度低的缺陷。根据上述，目前在油气开采使用的支撑剂主要有石英砂和陶粒。石英砂的缺点是强度低，容易压碎，无法用于页岩气的开采。烧结陶粒的抗压能力相对较高，可以满足常规天然气的开采，但无法满足页岩气开采对支撑剂抗压能力的要求，尽管通过烧结助剂、表面涂覆树脂等技术手段来提高陶粒的抗压能力，但由于陶粒自身抗压强度有限，无法大幅提高强度，难以适应页岩气开采中高达100MPa的闭合压力，尤其是在使用中，随着页岩气的溢出，闭合压力不断增加，因此普通陶粒的破碎率加大，限制了陶粒在页岩气开采中的应用。

技术实现要素：
本发明针对目前压裂支撑剂抗压能力低、易破碎、成本高的缺陷，提出一种以微膨胀材料为内核，以塑性无机材料为外壳组成的压裂支撑剂，该压裂支撑剂为圆形微球，内核具有自应力支撑性，外壳具有柔性和耐磨性，可用作页岩气开采中高闭合压力条件下的压裂支撑剂。本发明进一步的目的是提供该页岩气开采压裂支撑剂的制备方法，该制备方法是通过流化床对微膨胀材料研磨、粘结、团粒、烘干，并将塑性无机材料包覆在微膨胀材料微球表面，通过旋转高温隧道窑烧制得到以微膨胀材料为内核，以塑性无机材料为外壳组成的圆形微球状压裂支撑剂。该微球内核微膨胀材料遇水后产生微膨胀应力，弥补外壳无机材料的抗压强度缺陷，具有在高闭合压力下不破损的特性。一种页岩气开采压裂支撑剂，是由塑性无机材料包覆微膨胀材料按下列重量份组成：微膨胀材料40-50份，塑性无机材料50-60份，其中所述的微膨胀材料选用明矾石膨胀剂、CSA膨胀剂、U型膨胀剂、氧化钙膨胀剂中的至少一种，微膨胀材料遇水后产生微膨胀应力，具有自修复应力补偿功能，向外微膨胀产生的应力可以补偿压裂支撑剂体外壳的抗压性，而且该压力是持久的，不损失的；所述的塑性无机材料可以选用烧制陶瓷的常规原料，但至少包括高岭土、膨润土、石英、长石、碳酸盐矿、氧化锌晶须、磷酸三钙。塑性...