一种超轻质多孔陶粒支撑剂及其制备方法与流程

本发明涉及油气开采用材料技术领域，具体而言，涉及一种超轻质多孔陶粒支撑剂及其制备方法。

背景技术：

陶粒支撑剂是由几种矿石经过配料、研磨成粉体、团聚成球体颗粒、干燥、高温烧结、冷却、按规定粒径筛分后而成的一种陶瓷材料，是用于油气开采过程的填充剂，用于增加油气的产量，提高导流能力、渗透率和油气井的寿命。陶粒支撑剂按其体积密度(堆积密度)和视密度(真实密度)的高低划分为4种产品，即高密度、中密度、低密度和超低密度。

市场上现有产品虽然命名为超低密度产品，但体积密度、视密度、强度均达不到客户要求，客户只能降低产品质量指标要求。此外，现有产品的原材料配方多采用优质铝矾土、锰粉、白云石、优质焦宝石等矿产资源，矿石的大量开采不仅对生态环境造成破坏，而且导致石油压裂支撑材料的成本居高不下。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种超轻质多孔陶粒支撑剂，该超轻质多孔陶粒支撑剂具有低密度、孔隙率高、质量轻和成本低的优点。

本发明的第二目的在于提供一种超轻质多孔陶粒支撑剂的制备方法，该方法具有节能减排的优点，利用该方法制备的超轻质多孔陶粒支撑剂具有强度高和破碎率低的优点。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：一种超轻质多孔陶粒支撑剂，按重量份数计主要由如下原料制备得到：煤灰35-50份、高岭土40-64份和发泡剂1-10份。

该超轻质多孔陶粒支撑剂通过采用煤灰代替传统的优质铝矾土、锰粉、白云石、优质焦宝石等矿产资源，使得制造成本大幅降低，同时降低了由于开采对生态环境造成的破坏程度。由于煤灰和发泡剂的创新性搭配使用，使得制备的超轻质多孔陶粒支撑剂具有较高的孔隙率和较低的密度，单位体积用量下使用量大幅降低，节约了客户的使用成本。该超轻质多孔陶粒支撑剂的孔隙率为55％-70％，比常规产品40-45％的孔隙率高出50％左右，视密度由常规产品的2.65-2.85g/cm³降为1.2-1.5g/cm³。由于该超轻质多孔陶粒支撑剂的低密度性能，在油气开采的过程中，可悬浮于水中，从而可降低胍胶等关联产品的使用量。

本发明中，煤灰按重量份数计典型但非限制性的含量例如为：35份、36份、37份、38份、39份、40份、41份、42份、43份、44份、45份、46份、47份、48份、49份或50份。

本发明中，高岭土按重量份数计典型但非限制性的含量例如为：40份、41份、42份、43份、44份、45份、46份、47份、48份、49份、50份、51份、52份、53份、54份、55份、56份、57份、58份、59份、60份、61份、62份、63份或64份。

本发明中，发泡剂按重量份数计典型但非限制性的含量例如为：1份、1份、2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份或10份。

优选地，按重量份数计主要由如下原料制备得到：煤灰40-45份、高岭土45-60份和发泡剂2-8份。

优选地，按重量份数计主要由如下原料制备得到：煤灰43份、高岭土52份和发泡剂5份。

本发明中，通过对各原料用量的进一步调整和优化，从而进一步优化了本发明所提供的超轻质多孔陶粒支撑剂的各项性能。

上述超轻质多孔陶粒支撑剂的制备方法，包括以下步骤：

1)原料粉碎：取煤灰和高岭土，并粉碎；

2)研磨：按上述配比称取发泡剂、粉碎后的煤灰和高岭土，进行研磨处理，得到粉体，粉体粒径≤21微米；

3)制粒：将研磨后的粉体进行制粒操作；

4)烧结：制粒后进行烧结，即得超轻质多孔陶粒支撑剂。

煤灰和高岭土共融时，可大幅降低烧结温度，因此，制备超轻质多孔陶粒支撑剂时添加煤灰，在降低产品的密度的同时也降低了产品制备工艺中的烧结温度，节省了能源，降低了碳排放量。通过在煤灰和高岭土中加入发泡剂，并控制研磨后粉体粒径≤21微米，可在烧结过程中在球体内部形成多孔状结构，提高了孔隙率；同时，可使物料之间的化学反应更充分，反应速度更快，最终降低烧结后的球体密度。另外，由于煤灰均属于熟料性质，没有粘结力，尤其是煤灰在团聚制粒过程中粘结力差，粉体粒径≤21微米时，可显著增加煤灰的粘结力。此外，粉体粒径≤21微米时，可增加球体的表面光洁度，尤其烧结后球体表面光洁度，减少粉刺，使破碎率明显降低。

优选地，所述研磨为多次研磨。

多次研磨至少为2次，可在进一步减少粉体粒径的同时，使各原料充分混合。

优选地，所述方法还包括将研磨后得到的粉体均化然后制粒的步骤，所述均化为沉腐均化。

对粉体进行沉腐均化工艺处理，可消除粉体内部的热应力，在制粒过程中，增加了陶粒胚体的粘结度和密实度，从而增加烧结后的超轻质多孔陶粒支撑剂的强度。

优选地，制粒过程采用雾化制粒工艺制粒：将水雾化后与沉腐均化后的混合原料进行混合后，在转动中聚团制粒；

其中，水的质量为沉腐均化后的混合原料的质量的5～20％。

优选地，所述方法还包括制粒后进行筛分、干燥、储存均化、表面处理然后进行烧结的步骤。

优选地，所述方法还包括烧结后进行冷却、均化、筛分、检测、包装和储存的步骤。

优选地，上述超轻质多孔陶粒支撑剂的制备方法，包括以下步骤：

1)原料粉碎：取煤灰和高岭土，并粉碎；粉碎后均化处理；

2)研磨：按上述配比称取发泡剂、粉碎后的煤灰和高岭土，进行研磨处理；研磨分多次进行，研磨后粉体粒径≤21微米；

3)沉腐均化：将研磨后的粉体进行沉腐均化处理；

4)制粒：采用雾化制粒工艺制粒：将水雾化后与沉腐均化后的混合原料进行混合后，在转动中聚团制粒，得到陶粒胚体；

其中，水的质量为沉腐均化后的混合原料的质量的5～20％；

5)筛分：用不同目数的筛子对陶粒胚体进行粒径分级；

6)干燥：将筛分后的陶粒胚体进行干燥；

7)储存均化：将干燥后的陶粒胚体储存均化；

8)表面处理：去除陶粒胚体表面的毛刺；

9)烧结：将经表面处理后的陶粒胚体置于1000～1400℃下进行烧结，烧结的时间为5-10min；

10)均化、筛分：烧结后进行冷却、均化处理，均化完毕后用不同目数的筛子对陶粒进行粒径分级；

11)检测、覆膜：筛分后进行检测，合格后进行覆膜处理；

12)包装、储存：覆膜后进行包装储存，即得超轻质多孔陶粒支撑剂。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)该超轻质多孔陶粒支撑剂通过采用煤灰代替传统的优质铝矾土、锰粉、白云石、优质焦宝石等矿产资源，使得制造成本大幅降低，同时降低了由于开采对生态环境造成的破坏程度。由于煤灰和发泡剂的创新性搭配使用，使得制备的超轻质多孔陶粒支撑剂具有较高的孔隙率和较低的密度，单位体积用量下使用量大幅降低，节约了客户的使用成本。该超轻质多孔陶粒支撑剂的孔隙率为55％-70％，比常规产品40-45％的孔隙率高出近一倍，密度由常规产品的2.65-2.85g/cm3降为1.2-1.5g/cm3。由于该超轻质多孔陶粒支撑剂的低密度性能，在油气开采的过程中，可悬浮于水中，从而可降低胍胶等压裂液的使用量。

2)煤灰和高岭土共融时，可大幅降低烧结温度，因此，制备超轻质多孔陶粒支撑剂时添加煤灰，在降低产品的密度的同时也降低了产品制备工艺中的烧结温度，节省了能源，降低了碳排放量。通过在煤灰和高岭土中加入发泡剂，并控制研磨后粉体粒径≤21微米，可在烧结过程中在球体内部形成多孔状结构，提高了孔隙率；同时，可使物料之间的化学反应更充分，反应速度更快，最终降低烧结后的球体密度。另外，由于煤灰均属于熟料性质，没有粘结力，尤其是煤灰在团聚制粒过程中粘结力差，粉体粒径≤21微米时，可显著增加煤灰的粘结力。此外，粉体粒径≤21微米时，可增加球体的表面光洁度，尤其烧结后球体表面光洁度，减少粉刺，使破碎率明显降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例中的超轻质多孔陶粒支撑剂的球粒剖面放大图；

图2为本发明对比例中的超轻质多孔陶粒支撑剂的球粒表面放大图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面将结合实施例1-10及对比例1-10对本发明的组分及各项性能指标做进一步详细的说明。

以下实施例和对比例中的份均指重量份。

实施例1

超轻质多孔陶粒支撑剂主要由以下原料制备得到：

煤灰35份、高岭土40份和发泡剂1份。

实施例2

上述实施例1的超轻质多孔陶粒支撑剂通过以下方法制备得到：

1)原料粉碎：取煤灰和高岭土，并粉碎；粉碎后均化处理；

2)研磨：按上述配比称取发泡剂、粉碎后的煤灰和高岭土，进行研磨处理；研磨分多次进行，研磨后粉体粒径15微米；配料时采用电子计量，保证了配料的准确性和瞬时纠错能力；

3)沉腐均化：将研磨后的粉体进行沉腐均化处理；

4)制粒：采用雾化制粒工艺制粒：将水雾化后与沉腐均化后的混合原料进行混合后，在转动中聚团制粒，得到陶粒胚体；

其中，水的质量为沉腐均化后的混合原料的质量的5％；

5)筛分：用不同目数的筛子对陶粒胚体进行粒径分级；

6)干燥：将筛分后的陶粒胚体进行干燥处理；

7)储存均化：将干燥后的陶粒胚体储存均化；

8)表面处理：去除陶粒胚体表面的毛刺；

9)烧结：将经表面处理后的陶粒胚体置于1000℃下进行烧结，烧结的时间为10min；

10)均化、筛分：烧结后进行冷却、均化处理，均化完毕后用不同目数的筛子对陶粒进行粒径分级；

11)检测、覆膜：筛分后进行检测，合格后进行覆膜处理；

12)包装、储存：覆膜后进行包装储存，即得超轻质多孔陶粒支撑剂。

实施例3

超轻质多孔陶粒支撑剂主要由以下原料制备得到：

煤灰40份、高岭土45份和发泡剂2份。

实施例4

上述实施例3的超轻质多孔陶粒支撑剂通过以下方法制备得到：

1)原料粉碎：取煤灰和高岭土，并粉碎；粉碎后均化处理；

2)研磨：按上述配比称取发泡剂、粉碎后的煤灰和高岭土，进行研磨处理；研磨分多次进行，研磨后粉体粒径18微米；配料时采用电子计量，保证了配料的准确性和瞬时纠错能力；

3)沉腐均化：将研磨后的粉体进行沉腐均化处理；

4)制粒：采用雾化制粒工艺制粒：将水雾化后与沉腐均化后的混合原料进行混合后，在转动中聚团制粒，得到陶粒胚体；

其中，水的质量为沉腐均化后的混合原料的质量的10％；

5)筛分：用不同目数的筛子对陶粒胚体进行粒径分级；

6)干燥：将筛分后的陶粒胚体进行干燥处理；

7)储存均化：将干燥后的陶粒胚体储存均化；

8)表面处理：去除陶粒胚体表面的毛刺；

9)烧结：将经表面处理后的陶粒胚体置于1200℃下进行烧结，烧结的时间为8min；

10)均化、筛分：烧结后进行冷却、均化处理，均化完毕后用不同目数的筛子对陶粒进行粒径分级；

11)检测、覆膜：筛分后进行检测，合格后进行覆膜处理；

12)包装、储存：覆膜后进行包装储存，即得超轻质多孔陶粒支撑剂。

实施例5

超轻质多孔陶粒支撑剂主要由以下原料制备得到：

煤灰43份、高岭土52份和发泡剂5份。

实施例6

上述实施例5的超轻质多孔陶粒支撑剂通过以下方法制备得到：

1)原料粉碎：取煤灰和高岭土，并粉碎；粉碎后均化处理；

2)研磨：按上述配比称取发泡剂、粉碎后的煤灰和高岭土，进行研磨处理；研磨分多次进行，研磨后粉体粒径16微米；配料时采用电子计量，保证了配料的准确性和瞬时纠错能力；

3)沉腐均化：将研磨后的粉体进行沉腐均化处理；

4)制粒：采用雾化制粒工艺制粒：将水雾化后与沉腐均化后的混合原料进行混合后，在转动中聚团制粒，得到陶粒胚体；

其中，水的质量为沉腐均化后的混合原料的质量的15％；

5)筛分：用不同目数的筛子对陶粒胚体进行粒径分级；

6)干燥：将筛分后的陶粒胚体进行干燥处理；

7)储存均化：将干燥后的陶粒胚体储存均化；

8)表面处理：去除陶粒胚体表面的毛刺；

9)烧结：将经表面处理后的陶粒胚体置于1250℃下进行烧结，烧结的时间为7min；

10)均化、筛分：烧结后进行冷却、均化处理，均化完毕后用不同目数的筛子对陶粒进行粒径分级；

11)检测、覆膜：筛分后进行检测，合格后进行覆膜处理；

12)包装、储存：覆膜后进行包装储存，即得超轻质多孔陶粒支撑剂。

实施例7

超轻质多孔陶粒支撑剂主要由以下原料制备得到：

煤灰45份、高岭土60份和发泡剂8份。

实施例8

上述实施例7的超轻质多孔陶粒支撑剂通过以下方法制备得到：

1)原料粉碎：取煤灰和高岭土，并粉碎；粉碎后均化处理；

2)研磨：按上述配比称取发泡剂、粉碎后的煤灰和高岭土，进行研磨处理；研磨分多次进行，研磨后粉体粒径21微米；配料时采用电子计量，保证了配料的准确性和瞬时纠错能力；

3)沉腐均化：将研磨后的粉体进行沉腐均化处理；

4)制粒：采用雾化制粒工艺制粒：将水雾化后与沉腐均化后的混合原料进行混合后，在转动中聚团制粒，得到陶粒胚体；

其中，水的质量为沉腐均化后的混合原料的质量的13％；

5)筛分：用不同目数的筛子对陶粒胚体进行粒径分级；

6)干燥：将筛分后的陶粒胚体进行干燥处理；

7)储存均化：将干燥后的陶粒胚体储存均化；

8)表面处理：去除陶粒胚体表面的毛刺；

9)烧结：将经表面处理后的陶粒胚体置于1300℃下进行烧结，烧结的时间为6min；

10)均化、筛分：烧结后进行冷却、均化处理，均化完毕后用不同目数的筛子对陶粒进行粒径分级；

11)检测、覆膜：筛分后进行检测，合格后进行覆膜处理；

12)包装、储存：覆膜后进行包装储存，即得超轻质多孔陶粒支撑剂。

实施例9

超轻质多孔陶粒支撑剂主要由以下原料制备得到：

煤灰50份、高岭土64份和发泡剂10份。

实施例10

上述实施例9的超轻质多孔陶粒支撑剂通过以下方法制备得到：

1)原料粉碎：取煤灰和高岭土，并粉碎；粉碎后均化处理；

2)研磨：按上述配比称取发泡剂、粉碎后的煤灰和高岭土，进行研磨处理；研磨分多次进行，研磨后粉体粒径17微米；配料时采用电子计量，保证了配料的准确性和瞬时纠错能力；

3)沉腐均化：将研磨后的粉体进行沉腐均化处理；

4)制粒：采用雾化制粒工艺制粒：将水雾化后与沉腐均化后的混合原料进行混合后，在转动中聚团制粒，得到陶粒胚体；

其中，水的质量为沉腐均化后的混合原料的质量的20％；

5)筛分：用不同目数的筛子对陶粒胚体进行粒径分级；

6)干燥：将筛分后的陶粒胚体进行干燥处理；

7)储存均化：将干燥后的陶粒胚体储存均化；

8)表面处理：去除陶粒胚体表面的毛刺；

9)烧结：将经表面处理后的陶粒胚体置于1400℃下进行烧结，烧结的时间为5min；

10)均化、筛分：烧结后进行冷却、均化处理，均化完毕后用不同目数的筛子对陶粒进行粒径分级；

11)检测、覆膜：筛分后进行检测，合格后进行覆膜处理；

12)包装、储存：覆膜后进行包装储存，即得超轻质多孔陶粒支撑剂。

对比例1

超轻质多孔陶粒支撑剂主要由以下原料制备得到：

煤灰25份、高岭土70份和发泡剂12份。

对比例2

上述对比例1的超轻质多孔陶粒支撑剂通过以下方法制备得到：

1)原料粉碎：取煤灰和高岭土，并粉碎；粉碎后均化处理；

2)研磨：按上述配比称取发泡剂、粉碎后的煤灰和高岭土，进行研磨处理；研磨分多次进行，研磨后粉体粒径30微米；

3)沉腐均化：将研磨后的粉体进行沉腐均化处理；

4)制粒：采用雾化制粒工艺制粒：将水雾化后与沉腐均化后的混合原料进行混合后，在转动中聚团制粒，得到陶粒胚体；

其中，水的质量为沉腐均化后的混合原料的质量的25％；

5)筛分：用不同目数的筛子对陶粒胚体进行粒径分级；

6)干燥：将筛分后的陶粒胚体进行干燥处理；

7)储存均化：将干燥后的陶粒胚体储存均化；

8)表面处理：去除陶粒胚体表面的毛刺；

9)烧结：将经表面处理后的陶粒胚体置于1400℃下进行烧结，烧结的时间为5min，即得超轻质多孔陶粒支撑剂。

对比例3

超轻质多孔陶粒支撑剂主要由以下原料制备得到：

煤灰60份、高岭土30份和发泡剂15份。

对比例4

上述对比例3的超轻质多孔陶粒支撑剂通过以下方法制备得到：

1)原料粉碎：取煤灰和高岭土，并粉碎；粉碎后均化处理；

2)研磨：按上述配比称取发泡剂、粉碎后的煤灰和高岭土，进行研磨处理；研磨分多次进行，研磨后粉体粒径32微米；

3)沉腐均化：将研磨后的粉体进行沉腐均化处理；

4)制粒：采用雾化制粒工艺制粒：将水雾化后与沉腐均化后的混合原料进行混合后，在转动中聚团制粒，得到陶粒胚体；

其中，水的质量为沉腐均化后的混合原料的质量的25％；

5)筛分：用不同目数的筛子对陶粒胚体进行粒径分级；

6)干燥：将筛分后的陶粒胚体进行干燥处理；

7)储存均化：将干燥后的陶粒胚体储存均化；

8)表面处理：去除陶粒胚体表面的毛刺；

9)烧结：将经表面处理后的陶粒胚体置于1300℃下进行烧结，烧结的时间为10min，即得超轻质多孔陶粒支撑剂。

对比例5

超轻质多孔陶粒支撑剂主要由以下原料制备得到：

煤灰33份、高岭土65份和发泡剂12份。

对比例6

上述对比例5的超轻质多孔陶粒支撑剂通过以下方法制备得到：

1)原料粉碎：取煤灰和高岭土，并粉碎；粉碎后均化处理；

2)研磨：按上述配比称取发泡剂、粉碎后的煤灰和高岭土，进行研磨处理；研磨分多次进行，研磨后粉体粒径28微米；

3)沉腐均化：将研磨后的粉体进行沉腐均化处理；

4)制粒：采用雾化制粒工艺制粒：将水雾化后与沉腐均化后的混合原料进行混合后，在转动中聚团制粒，得到陶粒胚体；

其中，水的质量为沉腐均化后的混合原料的质量的25％；

5)筛分：用不同目数的筛子对陶粒胚体进行粒径分级；

6)干燥：将筛分后的陶粒胚体进行干燥处理；

7)储存均化：将干燥后的陶粒胚体储存均化；

8)表面处理：去除陶粒胚体表面的毛刺；

9)烧结：将经表面处理后的陶粒胚体置于1400℃下进行烧结，烧结的时间为3min，即得超轻质多孔陶粒支撑剂。

对比例7

超轻质多孔陶粒支撑剂主要由以下原料制备得到：

煤灰43份、高岭土52份和发泡剂5份。

对比例8

上述对比例7的超轻质多孔陶粒支撑剂通过以下方法制备得到：

1)原料粉碎：取煤灰和高岭土，并粉碎；粉碎后均化处理；

2)研磨：按上述配比称取发泡剂、粉碎后的煤灰和高岭土，进行研磨处理；研磨分多次进行，研磨后粉体粒径35微米；配料时采用电子计量，保证了配料的准确性和瞬时纠错能力；

3)沉腐均化：将研磨后的粉体进行沉腐均化处理；

4)制粒：采用雾化制粒工艺制粒：将水雾化后与沉腐均化后的混合原料进行混合后，在转动中聚团制粒，得到陶粒胚体；

其中，水的质量为沉腐均化后的混合原料的质量的15％；

5)筛分：用不同目数的筛子对陶粒胚体进行粒径分级；

6)干燥：将筛分后的陶粒胚体进行干燥处理；

7)储存均化：将干燥后的陶粒胚体储存均化；

8)表面处理：去除陶粒胚体表面的毛刺；

9)烧结：将经表面处理后的陶粒胚体置于1200℃下进行烧结，烧结的时间为15min；

10)均化、筛分：烧结后进行冷却、均化处理，均化完毕后用不同目数的筛子对陶粒进行粒径分级；

11)检测、覆膜：筛分后进行检测，合格后进行覆膜处理；

12)包装、储存：覆膜后进行包装储存，即得超轻质多孔陶粒支撑剂。

对比例9

市购陶粒支撑剂1

对比例10

市购陶粒支撑剂2

分别随机从实施例2、4、6、8和10以及对比例2、4、6、8、9和10所制得的超轻质多孔陶粒支撑剂和陶粒支撑剂中称取等量陶粒，并进行密度和破碎率测试，结果如表1所示。

表1各实施例和对比例测试结果

利用本发明提供的原料配比以及制备方法所制得的超轻质多孔陶粒支撑剂具有较低的体积密度和视密度。由图1可知，本发明提供的超轻质多孔陶粒支撑剂具有较高的孔隙率，同时还具有良好的机械强度，即破碎率较低。同时，根据图2可知，目前的市售产品球粒表面不光洁，多粉刺且破碎率较高，因此本发明提供的超轻质多孔陶粒支撑剂的各项指标均优于市购产品，因此具有更为广阔的市场价值。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。