CN1017523B - 一种固体支撑剂及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深层油、气井压裂的固体支撑剂。其单颗粒抗压强度390MPa以上，密度为2.8-3.0g/cm³，在60MPa压力下，破碎率为0.8-1.6%，圆球度≥0.9，表面光滑度高，该产品采用了三级以下铝钒土为主要原料，添加少量无机添加剂，经电弧炉熔融喷吹成球，具有抗压强度高，破碎率低，密度适中等特点，特别适用于3000-4500米的油气井压裂使用。

Description

本发明涉及一种用于深层油、气井压裂的固体支撑剂。

水力压裂工艺，自四十年代末首次施工以来，选用合适的支撑剂注入裂缝内防止裂缝闭合，一直受到人们的高度重视。最早使用的支撑剂是自然砂，直到目前浅层油，气井的压裂仍使用石英砂，随着压裂技术的发展和深井低渗透油、气井的开发，对支撑剂的性能要求也越来越高，这主要是要求支撑剂应有较高的抗压强度（大于200MPa），较低的破碎率（在60MPa压力下≤4%）圆球度、表面光滑度要好，化学稳定性好，密度要适中等。以上这些特点是自然砂所不能达到的，所以人们对人造支撑剂研究也越来越多。

目前人造支撑剂的种类繁多，适应性广，现在已大量用到压裂工艺中。从国外的人造支撑剂来看，从材质上可分为高铝质、莫来石质和瓷质三种;从生产工艺上可分为烧结法和电弧熔融喷吹法两种。国外的人造支撑剂多数为烧结法生产的高铝质陶粒（US.3890072、US.4068718），也有少数莫来石质烧结陶粒（EPO.169412），前者有较高的抗压强度和较低的破碎率，但其密度高（≥3.4g/cm³）影响压裂液携砂能力，其价格较高，后者虽然密度较低，价格便宜，但其抗压强度低，破碎率高。国内生产的支撑剂多数是电弧熔融喷吹铝矾土陶粒，此种产品的生产工艺简单，投资少，产品圆球度，表面光滑度优于烧结法生产的支撑剂，密度（3.2g/cm³）也小于烧结铝矾 土陶粒（≥3.4g/cm³），但抗压强度差，破碎高，成本也高于烧结陶粒。国内烧结法生产的支撑剂因烧结温度（1300-1450℃）低于国外烧结温度（1450-1550℃）其成球松散，虽成本低，但密度高（3.51g/cm³），抗压强度低（110MPa-198.9MPa），破碎率高（在60MPa压力下：4.4-32%），如果使用此种支撑剂，将直接影响压裂后的地层渗透率和导流能力。同时其生产工艺复杂，投资大。从生产原料上讲，选用高铝矿做原料制成的支撑剂的质量虽好，但消耗富铝矿资源、成本也高。就是使用欧洲专利（EP.169412）所述的使用含SIO₂16-19%，碱土金属总量小于0.35%的高铝质粘土制造支撑剂，也不是能普遍采用的方法。因为这类高铝质粘土在我国很难找到，在我国有大量含铝量低、无冶炼价值的铝矾土矿的下脚料，目前国内有一批小型企业已建好电弧炉设备，但因产品差，将被陶汰。因此如能利用低含铝的铝矾土矿和已有设备而生产出高质量的支撑剂是人们所关注的研究课题。

本发明的目的是，提供一种原材料来源广，制造工艺简单，抗挤压强度高，破碎率低，圆球度好，表面光滑好，中等密度的压裂支撑剂，以满足深层低渗透油、气井的压裂的需要。

本发明的压裂固体支撑剂的结构主要是由莫来石晶体和少量玻璃质构成，本发明支撑剂的制造方法是：以含氧化铝65-75%（以重量计）的贫铝矾土或铝矿下脚料为主要 原料，以软质粘土和石英为辅助原料，该支撑剂化学组份含量：AL₂O₃含量为60-67%（以重量计），最好为65%，SIO₂含量为23-28%（以重量计）最好为25%，余量为Fe₂O₃和TIO₂等杂质（详见附表1）。因粉料不能直接进入电弧炉生产，故加入一定量的软质粘土使粉料成块以增加砖块强度，石英是用来调节AL₂O₃和SIO₂的比例的，使原料内AL₂O₃和SIO₂含量达到最好比例。将按比例配好的原料粉碎磨细至200目，使原料充分混匀，加适量的水搅拌成湿润土，加压打成普通砖块，将砖块放焙烧炉中在1200-1400℃下焙烧2-4小时，冷却后，再放入电弧炉中，经电弧所产生的2500-3000℃的高温将砖块熔融，然后用0.7MPa的压缩空气喷吹成球。冷却后筛出20-40目的颗粒作为油、气井压裂支撑剂。

按上述方法生产的支撑剂，采用石油部颁标准方法对其性能进行测定，20-40目的球形颗粒，其密度为2.8-3.0g/cm³，单颗粒抗压强度≥390MPa，在60MPa压力下，破碎率为0.8-1.6%，圆球度≥0.9，其中单颗粒抗压强度优于国内外其他产品，破碎率、圆球度均优于国内一切支撑剂，密度为中等密度。在65℃的12%的盐酸和3%的氢氟酸混合液中酸蚀30分钟，测其酸蚀后的单颗粒抗压强度为315.3MPa，该项指标也优于国内外的支撑剂。其数据见附表2。

本发明的主要优点：

1、本支撑剂抗压强度高于390MPa以上，优于国内外一切支撑剂，破碎率小于0.8-1.6%，也优于国内的支撑剂，使压裂的裂缝不易闭合，大大增加了地层的导流能力，提高了原油和天然气的产量，可获得较高的经济效益，降低原油和天然气的成本。

2、本发明的圆球度好，表面光滑，密度适中，在压裂过程中容易被压裂液携带进入压开的裂缝中，有利于压裂施工的顺利进行和取得较高的经济效益。

3、本发明把贫铝矾土矿和铝矿的下脚料作主要原料，原料充足，不但降低了原材料的成本，而且生产了多数质量指标都超过国内外烧结陶粒和同种工艺生产的喷吹陶粒。

4、本发明的支撑剂的生产工艺简单，投资少，中小型企业都能实施。

本发明的实施实例：

选取熟铝矾土、粘土、石英原料经过化学元素分析，计算出其AL₂O₃和SIO₂的含量，实例中原料的化学成分及含量数据如附表1。

将上述原料按100∶15∶10混合、磨细至200目，然后加适量水搅拌成湿润土，打成砖块，置焙烧炉在1200-1400℃下焙烧2-4小时，冷却后放入电弧炉内熔融，用0.7MPa的压缩空气喷吹成球。筛出20-40目的颗粒作为压裂用支撑剂装袋即可。

原料的化学成分及含量数据表    （附表1）

化学成分 AL₂O₃SIO₂Fe₂O₃TiO₂碱土

百分含量    总量

原料

铝矾土    73.00%    13.3%    2.70%    3.27%    0.91%

粘土    38.50%    36.9%    3.345%    0.45%    0.25%

石英    95%

（附表2）

单颗粒    60MPa    酸蚀后

支撑剂    抗压强    压力破    密度    圆球度    单颗粒

度    碎率    抗压强

MPa % g/cm³度MPa

本固体支撑剂    396.0    0.8-1.6    2.946    ≥0.9    315.2

美国烧结陶粒    213.8    0.8-1.0    3.580    0.8    95.8

成都烧结陶粒    198.9    4.4    3.516    0.8    31.0

宜兴烧结陶粒    110.7    28-32    2.600    0.8    83.3

上街喷吹陶粒    142.6    7    3.260    0.9    104.2

盂县喷吹陶粒    133.3    8.8    3.381    0.9

淄州喷吹陶粒    143.6    13.5    3.233    0.9    126.8

注：1、单颗粒抗压强度测试选取支撑剂粒径为0.56-0.63mm

2、酸蚀后单颗粒抗压强度为在65℃的12%的盐酸和3%的氢氟酸混合液中处理30分钟后的单颗粒抗压强度。

Claims (1)

1、一种用于深层油、气井压裂的固体支撑剂，其氧化铝含量为AL₂O₃60-67%，密度2.8-3.0g/cm³，其特征在于以含氧化铝为65-75%(以重量计)的贫铝钒土或铝矿下脚料为主要原料，以软质粘土和石英为辅助原料，sio₂含量为23-28%(以重量计)，余量为Fe₂O₃和Tio₂等杂质。