本發(fā)明涉及一種用于煤層氣開采的低密度壓裂支撐劑及其制備方法，屬于煤層氣開采技術領域。

背景技術：

陶粒支撐劑是煤層氣井壓裂與能源開采過程中的關鍵材料，是用來支撐壓裂裂縫，并且具有一定機械強度的固體顆粒物質。在開采過程中，將帶有支撐劑的壓裂液利用高壓手段緩慢注入到裂縫中，撤去壓力后，支撐劑留在壓裂產(chǎn)生的裂縫中支撐裂縫，使得煤層裂縫保持張開狀態(tài)，為煤層氣的逸出提供了一條具有高導流能力的通道，使得煤層氣由煤層深處不斷向外逸出，最終實現(xiàn)提高煤層氣開采量與采收率的目的。

煤矸石是在采煤和洗煤過程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物,是在成煤過程中由煤礦、泥土和砂巖形成的一種堅硬的、含碳量較低的黑色混合物巖石，其主要成分是a12o3與sio2，以及fe2o3、k2o等。據(jù)統(tǒng)計山西省煤矸石排放量約15億噸，居全國首位，煤矸石山約1540座，占地約26萬公頃，年均排放量約1億噸。固體廢棄物的堆積與排放不僅占用了大量的土地，污染水資源與土地資源，而且產(chǎn)生的固體粉塵也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重危害，同時也導致了a12o3資源的浪費。

粉煤灰是煤粉在電廠鍋爐內經(jīng)過高溫懸浮燃燒后，經(jīng)過供熱鍋爐的除塵器時收集的剩余物，是一種人工火山灰質，具有高度分散性。粉煤灰為球狀或微珠的集合體，具有較大的比表面積和孔隙率。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,粉煤灰產(chǎn)量逐年增大，如果處理不當，將嚴重污染環(huán)境，給人們的生活、動植物的生長等造成嚴重的危害。

目前，國內外大多采用高品位鋁礬土或高嶺土為原料制備剛玉質陶粒支撐劑，但隨著陶粒支撐劑的快速發(fā)展和大量需求，高品位鋁礬土和高嶺土的原料價位不斷飄升，致使陶粒支撐劑的生產(chǎn)成本普遍高漲，間接加大了油氣開采壓裂施工的成本。

與石油開采相比，煤層氣儲藏較淺，煤層質地較軟，使得煤層氣開采對支撐劑破碎率的要求較低(35mpa閉合壓力下破碎率低于10％)，因此煤層氣井用支撐劑沒有必要選用價格相對昂貴的高等級鋁礬土，而是選用一些a12o3含量較低的礦物原料，降低生產(chǎn)成本，避免材料高檔低用，這樣也使得a12o3含量較低的煤矸石和粉煤灰固廢物制備煤層氣井用支撐劑成為可能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種用于煤層氣開采的低密度壓裂支撐劑及其制備方法，能夠利用低品質的鋁礬土、煤矸石和粉煤灰固廢物來制作煤層氣井用陶粒支撐劑，工藝簡單，成本較低，同時又能滿足實際生產(chǎn)要求。

本發(fā)明提供了一種用于煤層氣開采的低密度壓裂支撐劑，包括以下重量百分比的原料：低品位鋁礬土10-20％、粉煤灰20-30％、煤矸石50-60％。

上述的低密度壓裂支撐劑，包括以下重量百分比的原料：低品位鋁礬土20％，粉煤灰27％，煤矸石53％。

上述的低密度壓裂支撐劑，所述低密度壓裂支撐劑的體積密度為1.3-1.5g/cm³，視密度為2.3-2.5g/cm³；閉合壓力為35mpa時破碎率為3％-10％。

上述的低密度壓裂支撐劑中，所述低品位鋁礬土中，a12o3與sio2所占的重量百分比為：a12o3為58-65％，sio2為5-20％；所述粉煤灰中，a12o3與sio2所占的重量百分比為：a12o3為30-40％，sio2為35-45％；所述煤矸石中，a12o3與sio2所占的重量百分比為：a12o3為30-40％，sio2為40-50％。此處僅給出了各原料中對本發(fā)明有貢獻的a12o3與sio2的量，其他組分不予考慮。

本發(fā)明提供了一種用于煤層氣開采的低密度壓裂支撐劑的制備方法，包括以下步驟：

1)原料預處理：將低品位鋁礬土生料輕燒預處理脫去結晶水，輕燒溫度為650℃-800℃，保溫時間為1-2h；

2)粉碎混合：將預處理后的低品位鋁礬土、煤矸石和粉煤灰按比例配成混合料，裝入行星式球磨機混合均勻連續(xù)球磨，介質為蒸餾水，混合料︰球：水的質量比為1︰2：1，球磨時間為2-24h，直到漿料能通過325目的標準篩網(wǎng)，隨后將漿料倒入托盤中，放置于電熱恒溫鼓風干燥箱中于110℃干燥10~12h，直至托盤恒重為止，即得到初始粉料；

3)造粒成球：將步驟2）所得原料倒入糖衣機內造粒，造粒過程中邊轉動邊噴入水霧,到形成母球后再間歇添加粉料并噴入水霧,待母球長大密實后停止噴水,糖衣機繼續(xù)轉動1-2h進行拋光處理，得生球粒；

4)干燥：將步驟3）所得生球粒置于干燥箱中干燥，設定溫度為150℃-200℃，時間為2h-3h；

5)煅燒：將步驟4）制得的球粒置于馬弗爐中,以5℃/min-8℃/min的升溫速度自室溫升至1200℃-1400℃燒結,保溫1-2h，得燒結后的陶粒；

6)冷卻篩分：采用隨爐冷卻的方式對燒結后的陶粒冷卻，之后過20-40目篩，得到成品陶粒支撐劑。

上述制備方法中，球磨用球為剛玉球。

上述制備方法中，造粒成球過程中的加水量為原料總重量的10%-12%。

上述制備方法中，將球形顆粒依次通過20目篩、40目篩篩分，即獲得20目、40目粒徑的陶粒支撐劑。

本發(fā)明制備的高強度低密度壓裂支撐劑，能夠滿足低滲透油田、煤層氣和頁巖氣的水力壓裂操作，而且由于其密度低，對壓裂設備磨損小，可減少壓裂液的使用，從而降低了水力壓裂的成本。

本發(fā)明的有益效果：

通過本發(fā)明提供的制備方法所制備的陶粒支撐劑，能夠滿足煤層氣井的使用要求(35mpa閉合壓力下破碎率低于10％，體積密度低于1.56g/cm³)。所制備的陶粒支撐劑既能降低煤層氣開采成本，又能實現(xiàn)煤矸石和粉煤灰固廢物的資源化利用，減少固廢物堆積及環(huán)境污染，具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

附圖說明

圖1為實施例1在1250℃燒結溫度下陶粒支撐劑的sem照片；

圖2為實施例2在1300℃燒結溫度下陶粒支撐劑的sem照片；

圖3為實施例3在1400℃燒結溫度下陶粒支撐劑的sem照片；

圖4為實施例1~3制備的陶粒支撐劑的x射線衍射圖譜。

具體實施方式

下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。

實施例1：

一種煤層氣開采的低密度壓裂支撐劑，它包括下述質量百分比含量的原料組成：低品位鋁礬土10％、粉煤灰30％、煤矸石60％。

其中，低品位鋁礬土中，a12o3與sio2所占的重量百分比為：a12o3為62.75％，sio2為19.38％；所述粉煤灰中，a12o3與sio2所占的重量百分比為：a12o3為37.38％，sio2為41.53％；所述煤矸石中，a12o3與sio2所占的重量百分比為：a12o3為38.23％，sio2為46.50％。其制備方法包括以下步驟：

1）原料預處理：將低品位鋁礬土生料輕燒預處理脫去結晶水，輕燒溫度為650℃，保溫時間為1.5h。

2）粉碎混合：將低品位鋁礬土、煤矸石和粉煤灰按比例配成混合料，裝入行星式球磨機混合均勻連續(xù)球磨，介質為蒸餾水，混合料︰球：水的質量比為1︰2：1，球磨時間為12h，直到漿料能通過325目的標準篩網(wǎng)，隨后將漿料倒入托盤中，放置于電熱恒溫鼓風干燥箱中于110℃干燥10h，直至托盤恒重為止，即得到初始粉料；

3）造粒成球：將步驟2）所得原料倒入糖衣機內造粒，造粒過程中邊轉動邊噴入水霧,到形成母球后再間歇添加粉料并噴入水霧,待母球長大密實后停止噴水,糖衣機繼續(xù)轉動2h進行拋光處理，得生球粒。

4）干燥：將步驟3）所得生球粒置于干燥箱中干燥，設定溫度為200℃，時間為2h。

5）煅燒：將步驟4）制得的球粒置于馬弗爐中,以5℃/min的升溫速度自室溫升溫至1250℃燒結,保溫1h。

6）冷卻篩分：采用隨爐冷卻的方式對燒結后的陶粒冷卻，之后過20-40目篩，得到成品陶粒支撐劑。

通過測試分析，制備的陶粒支撐劑，主要晶相是方石英和莫來石相，見圖1和4所示，1250℃下燒結制備的陶粒支撐劑的體積密度為1.3g/cm³，視密度為2.35g/cm³，35mpa閉合壓力下的破碎率為8.9％，其它指標均符合國家石油天然氣sy/t5108一2014的行業(yè)標準，滿足煤層氣井使用要求。

實施例2

一種煤層氣開采的低密度壓裂支撐劑，它包括下述質量百分比含量的原料組成：低品位鋁礬土15％、粉煤灰25％、煤矸石60％。其制備方法包括以下步驟：

1）原料預處理：將低品位鋁礬土生料輕燒預處理脫去結晶水，輕燒溫度為750℃，保溫時間為2h。

2）粉碎混合：將低品位鋁礬土、煤矸石和粉煤灰按比例配成混合料，裝入行星式球磨機混合均勻連續(xù)球磨，介質為蒸餾水，混合料︰球：水的質量比為1︰2：1，球磨時間為24h，直到漿料能通過325目的標準篩網(wǎng)，隨后將漿料倒入托盤中，放置于電熱恒溫鼓風干燥箱中于110℃干燥11h，直至托盤恒重為止，即得到初始粉料；

3）造粒成球：將步驟2）所得原料倒入糖衣機內造粒，造粒過程中邊轉動邊噴入水霧,到形成母球后再間歇添加粉料并噴入水霧,待母球長大密實后停止噴水,糖衣機繼續(xù)轉動2h進行拋光處理，得生球粒。

4）干燥：將步驟3）所得生球粒置于干燥箱中干燥，設定溫度為200℃，時間為2h。

5）煅燒：將步驟4）制得的球粒置于馬弗爐中,以8℃/min的升溫速度自室溫升溫至1300℃燒結,保溫2h。

6）冷卻篩分：采用隨爐冷卻的方式對燒結后的陶粒冷卻，之后過20-40目篩，得到成品陶粒支撐劑。

如圖1和4所示，通過測試分析，制備的陶粒支撐劑，主要晶相是方石英和莫來石相，1300℃下燒結制備的陶粒支撐劑的體積密度為1.38g/cm³，視密度為2.43g/cm³，35mpa閉合壓力下的破碎率為7.9％，其它指標均符合國家石油天然氣sy/t5108一2014的行業(yè)標準，滿足煤層氣井使用要求。

實施例3

一種煤層氣開采的低密度壓裂支撐劑，它包括下述質量百分比含量的原料組成：低品位鋁礬土20％、粉煤灰30％、煤矸石50％。其制備方法包括以下步驟：

1）原料預處理：將低品位鋁礬土生料輕燒預處理脫去結晶水，輕燒溫度為650℃，保溫時間為1h。

2）粉碎混合：將低品位鋁礬土、煤矸石和粉煤灰按比例配成混合料，裝入行星式球磨機混合均勻連續(xù)球磨，介質為蒸餾水，混合料︰球：水的質量比為1︰2：1，球磨時間為24h，直到漿料能通過325目的標準篩網(wǎng)，隨后將漿料倒入托盤中，放置于電熱恒溫鼓風干燥箱中于110℃干燥12h，直至托盤恒重為止，即得到初始粉料；

3）造粒成球：將步驟2）所得原料倒入糖衣機內造粒，造粒過程中邊轉動邊噴入水霧,到形成母球后再間歇添加粉料并噴入水霧,待母球長大密實后停止噴水,糖衣機繼續(xù)轉動2h進行拋光處理，得生球粒。

4）干燥：將步驟3）所得生球粒置于干燥箱中干燥，設定溫度為200℃，時間為2h。

5）煅燒：將步驟4）制得的球粒置于馬弗爐中,以8℃/min的升溫速度自室溫升溫至1400℃燒結,保溫2h。

6）冷卻篩分：采用隨爐冷卻的方式對燒結后的陶粒冷卻，之后過20-40目篩，得到成品陶粒支撐劑。

如圖1和4所示，通過測試分析，制備的陶粒支撐劑，主要晶相是方石英和莫來石相，1400℃下燒結制備的陶粒支撐劑的體積密度為1.42g/cm³，視密度為2.50g/cm³，35mpa閉合壓力下的破碎率為8.2％，其它指標均符合國家石油天然氣sy/t5108一2014的行業(yè)標準，滿足煤層氣井使用要求。