低密度石油压裂支撑剂及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料科学领域，用于石油和天然气井浅井压裂，页岩油和页岩气开采的新型水力压裂工艺用的石油压裂支撑剂，特别是涉及一种低密度石油压裂支撑剂及其制备方法。
【背景技术】
[0002]石油压裂支撑剂是使地层深处岩石裂隙保持裂开状态的支撑物，其作用在于支撑裂缝的两壁，以便停止泵注后，在井底压力下降到小于闭合压力时通向油气井眼的裂缝依然保持张开。油气井中注入压裂支撑剂不仅能提高油气层的渗透能力，增加油气产量，而且能延长油气井使用年限。
[0003]我国的石油压裂支撑剂生产企业生产的石油压裂支撑剂根据中国石油天然气行业标准SY/T5108?2007?压裂支撑剂性能指标及测试荐方法》按体积密度和视密度分为低密度石油压裂支撑剂、中密度石油压裂支撑剂和高密度石油压裂支撑剂三个系列，其中低密度石油压裂支撑剂的体积密度大于1.60g/cm3，视密度2.90?3.0Og/cm3。
[0004]页岩油和页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气或泊的聚集。页岩油气的开采技术，主要有水平井多段压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术和同步压裂技术，这些新的压裂技术对于石油压裂支撑剂提出了新的要求。中国石油天然气行业标准中规定的低密度石油压裂支撑剂己经无法满足页岩油气的开采。在页岩油气井压裂作业中，最理想的石油压裂支撑剂需要满足:(I)圆度球度高，能大大提高油气的导流能力，提高油气产量:(2)抗压强度高，能保证支撑相应的地层，保证压裂通道的畅通:(3)视密度小，压裂液的携带能力好，便于水平压裂，同时大大降低设备的能耗和损耗:(4)化学稳定性好，能抵抗地层下油、酸、盐、水的腐蚀。
[0005]申请号为200910102878.5的中国专利文献公开了一种低密度陶粒支撑剂的制造方法，其技术方案是以含高岭土 62%?76%和Al2O3含量为80%?85%铝矾土 17%?30%为主要原料，以二氧化锰1%?6%和氧化镁0.5%?2%为辅助原料进行配置，磨细至400目，加水成球，在回转窑中经1310°C?1330°C烧结后，冷却和筛分而成。该方案首先成球困难，产品圆度和球度差，严重影响导流能力。其次由于主要原料采用高岭土和Al2O3含量为80%?85%铝矾土，因此产品成本高。申请号为200910172662.6的中国专利文献公开了一种低密度陶粒支撑剂及其制备方法，其技术方案是以瓷石45%?60%和铝土矿30%?45%为主要原料，加入粘土 3%?10%，滑石粉1%?4%和沉淀碳酸钡2%?8%，经过粉磨到325目，在成球锅中用1%?3%的竣甲基纤维素水溶液喷雾造粒，在回转窑中经1280°C?1350°C烧结后，冷却和筛分而成。该发明产品的体积密度为1.62g/cm3，视密度2.86g/cm3，无法达到页岩油气开采的需要。申请号为201010136972.5的中国专利文献公开了低密度陶粒支撑剂及其制备方法，其技术方案是以铝矾土和煤矸石为内芯，以铝矾土和四氧化三锰为外壳，成球烧结得到。该发明仅仅是在实验室中采用马弗炉进行的烧结，无法进行工业化生产，产品的抗破碎能力差。申请号为201010160351.0的中国专利文献公开了低密度高强陶粒支撑剂及其制备方法，其技术方案是以轻烧铝矾土、硬质粘土、理辉石颗粒与工业淀粉按40?60:30?55:4?12:1?3的重量比混合，再以混合料:研磨介质冰=1:1.5?2.5:0.6?I的重量比混合介质、水，于球磨机中湿磨20?30小时，研磨泥浆经喷雾干燥所得粉体转入困盘制粒机中造粒，筛分后的颗粒送入回转窑中烧制，烧成温度1350?1450°C，保温1.5?2.5小时。方案采用的原材料价格极高，烧结温度很高致使生产成本过高且产品质量无法保证。由于采用球磨机中湿磨20?30小时，研磨泥浆经喷雾干燥制成成球所需的粉料，整个制粉过程能耗极高，且制成的粉体也无法满足成球的需要。申请号为201110423348.8的中国专利文献公开了低密度陶粒支撑剂及其制备方法，其技术方案是以铝土矿、粘土、钾长石、石英、石灰石和白云石为原料，在1320°C?1380°C温度烧制0.5?1.5h制成。该发明产品的体积密度为1.56?1.59g/cm3，视密度2.78?2.84g/cm3,闭合压力52Mpa时破碎率为4.8?5.5%，无法达到页岩油气开采的需要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是:提供一种低密度石油压裂支撑剂及其制备方法，它生产成本低廉，产品的质量和生产效率高，产品的体积密度和视密度小，以克服现有技术的不足。
[0007]本发明是这样实现的:低密度石油压裂支撑剂，按重量份数计算，包括铝矾土40?90份，粘土 5?30份及辅助添加剂I?30份；铝矾土中的Al2O3的质量百分比为30 ?75%。
[0008]所述的铝矾土为未经假烧的生铝矾土、部分锻烧的轻烧铝矾土或烧结铝矾土中的一种或几种的混合。
[0009]所述的辅助添加剂为氧化锰、氧化铁、锻烧氧化铝、氧化镁、长石、滑石、石灰石、高岭土或石英中一种或几种的混合。
[0010]低密度石油压裂支撑剂的制备方法，将铝矾土，粘土及辅助添加剂分别进行预粉碎，预粉碎到325目以上；将预粉碎的物料进行混合、球磨、分级、加湿或打湿粉工序中的全部工序或其中的几个工序组合，制备得到可供成球的粉料；将该粉料加入成球机中，通过喷洒雾化水并交替加入制粉工艺得到的粉料滚动成球，制得圆度和球度达到0.80以上的坯球，再经回转烘干机烘干、圆筒筛筛分，得到半成品胚球；再将半成品胚球用回转窑进行烧成，烧成温度为1250?1360°C，烧成时间I?3小时，最后经过冷却和筛分后得到成品；成品的体积密度为1.40?1.60g/cm3，视密度为2.60?2.80g/cm3。
[0011]先将制得的粉料的5?50%加入成球机制成母球，再将制成的母球从成球机中取出备用；成球时向成球机中加入母球，并加入剩余的粉料，并喷洒雾化水，连续滚动成球，制得圆度和球度达到0.80以上的坯球，再经回转烘干机烘干、圆筒筛筛分，得到半成品胚球。
[0012]所述的制备得到可供成球的粉料过400目筛余不大于20%。根据实际需要可以选择不同目数的标准筛，筛余按比例进行折算即可。
[0013]与现有技术相比，本发明采用铝矾土，粘土及辅助添加剂按照特定的含量进行组合后，通过制粉工艺、成球工艺及烧成工艺制成石油压裂支撑剂，该支撑剂经过检测得知，其晶相组成包括莫来石(CAS1302?93?8)60?85%、非晶质玻璃相(CAS7631?86?9)5?35%及方石英(CAS14464?46?1)0?20%;产品的体积密度1.40?1.60g/cm3,视密度2.60?2.80g/cm3,闭合压力为7500Pa时破碎率彡5.0%。本发明利用A1203质量百分比含量为30?75%的铝矾土作为主要原料，具有原料来源广泛，生产成本低等特点；对制粉工艺进行了改进，替代了传统生产工艺中雷蒙磨粉磨制粉工艺，提高了制粉的产量和质量，降低了生产成本；采用改进的成球工艺使得成球的质量和效率都极大的提高；本发明能有效降低石油压裂支撑剂生产成本，并解决目前页岩油和页岩气的开采中，石油和天然气井浅井压裂施工中压裂支撑体积密度和视密度大，压裂对设备磨损大，施工费