CN103194204B - 一种用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂及其制备方法，以解决现有技术中的支撑剂密度大，远处的裂缝和裂缝的上半部分均不能得到有效充填的问题，包括步骤：制作空心陶粒，采用铝矾土做原料，粉碎成200-400目的均匀颗粒，加水、二氧化锰、树脂搅拌成液体混合物，之后将所述液体混合物在500-1000℃温度下烘干,冷却后制得所述空心陶粒;将所述空心陶粒在900-1500℃下烧结时间为2-6小时;将上述烧结后的空心陶粒进行至少1次树脂包敷,即得所述支撑剂，制得的支撑剂，强度高、密度低，大大提高了压裂液的携沙能力，增大了压裂支撑剂填充体积，改善了压裂效果，使导流能力提高3-4倍。

Description

一种用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及水力压裂法开采煤层气、页岩气等非常规资源技术领域，特别涉及一种可用于煤层气、页岩气水力压裂的支撑剂及其制备方法。该支撑剂强度高密度低，增强了压裂的效果，提高了导流能力。

背景技术

煤层气是以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，俗称“瓦斯”，其主要成分是甲烷，热值为通用煤的2-5倍。页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，储集空间以裂缝为主，并以吸附气和水溶气形式赋存，也是一种重要的非常规天然气资源。

煤层气与页岩气的重要开采方法包括钻井开采和水力压裂法开采（或称压裂法）。煤层压裂改造可有效地将井孔与煤层天然裂隙连通起来，从而在排水采气时，更广泛地分配井孔附近的压降，增加产能，增大气体解吸速率。因此，在煤层气勘探开发中，水力压裂法作为一种重要措施，已得到普遍应用。

在典型的水力压裂处理中，包含固体支撑剂的压裂液，在足以产生或者扩大煤层或者页岩层中的裂缝的压力下被注入到井筒中。该支撑剂在裂缝中沉积以支撑裂缝，这使得煤层气或页岩气从地层移向井筒中。支撑剂在水力压裂中起到非常关键的作用。现在在煤层气压裂中主要用的是天然石英砂，在页岩气压裂中主要用的是烧结陶粒和石英砂，烧结陶粒和石英砂的相对密度为2.7-3.3。

在水力压裂作业中，理想的支撑剂应具备以下特点：1）相对密度小，便于泵入地下；2）强度高，用于深井作业中不会被压碎；3）化学惰性好，耐高温且能抵抗地层中油、酸、盐水等的侵蚀；4）圆度好，以便保持支撑剂颗粒间较好的空隙。

天然石英砂和烧结陶粒具有强度高、化学稳定性好等优点，但针对煤层气、页岩气，适应性差，主要原因是其密度大，需要高粘度携沙液才能实现压裂，而高粘度携沙液是一些高分子物质，在煤层气井中因温度过低不易破胶，导致能耗高、对地层伤害大，后处理复杂，费用高。更重要的是，因烧结陶粒和石英砂因沉降速度快在近井地带快速沉降，更远处的裂缝和裂缝的上半部分都不能得到有效充填，直接影响了压裂的效果和以后产量的提高。因此开发一种高强度、低密度支撑剂及其制备方法对煤层气、页岩气的开发意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂及其制备方法，以解决现有技术中的支撑剂密度大，远处的裂缝和裂缝的上半部分均不能得到有效充填的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂，所述支撑剂为裹敷树脂的20-40目的铝矾土的空心陶粒，所述树脂重量占所述支撑剂重量的1.5-17.5%，该支撑剂的密度为1.2-1.3，破碎压力为20-100MPa，圆度8-10。

一种制备所述的用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂的方法，包括以下步骤：

1）制作空心陶粒

采用铝矾土做原料，粉碎成200-400目的均匀颗粒，加水、二氧化锰、树脂搅拌成液体混合物，之后将所述液体混合物在500-1000℃温度下烘干,冷却后制得所述空心陶粒;

2)将所述空心陶粒在900-1500℃下烧结时间为2-6小时;

3)将上述烧结后的空心陶粒进行至少1次树脂包敷,即得所述支撑剂。

步骤1）中，向200-400目的铝矾土均匀颗粒中加入二氧化锰、树脂可增强铝矾土颗粒的强度，利于200-400目的铝矾土均匀颗粒形成空心陶粒；步骤2）将所述空心陶粒在900-1500℃下烧结时间为2-6小时，目的是为了增加所述空心陶粒的强度；步骤3）将烧结后的空心陶粒进行至少1次树脂包敷，可以进一步增强陶粒的强度，并且可以增加空心陶粒的圆度，进而提高本发明的支撑剂的导流能力。

优选地，所述空心陶粒粒径为20-40目。空心陶粒粒径为20-40目，制得的支撑剂密度在1.2-1.3之间。

优选地，所述树脂包敷每次是将所述烧结后的空心陶粒用酚醛树脂乙醇溶液在25-30℃下浸泡22-26小时，滤去多余的酚醛树脂乙醇溶液，之后将浸泡好的空心陶粒在60-100℃下固化2-6小时；而后升温至160-200℃继续固化2-6小时。本发明方法中对浸泡过高分子树脂溶液的陶粒进行两次分步固化，且第一次固化温度低于第二次固化温度，也有利于增加陶粒表面裹敷树脂的均匀性，从而增加本发明方法制备的支撑剂的圆度。

优选地，所述树脂包敷为1-7次树脂包敷。裹敷次数越多，陶粒的强度越大。根据煤层气、页岩气压裂使用的破碎压力的不同，可调整包敷树脂的次数及数量生产系列产品，如在保证低密度的条件下可生产出28MPa、52MPa、69MPa等系列产品。

进一步优选地，所述树脂包敷为3次树脂包敷。

作为优选方案，所述树脂包敷每次包敷重量占所述支撑剂重量的1.5-2.5%。每次包敷重量占所述支撑剂重量小于1.5%，一次包敷对陶粒强度增加效果不明显，需要更多次包敷才能达到所需要的强度；每次包敷重量占所述支撑剂重量大于2.5%，会出现包敷不均匀的现象，影响陶粒的圆度。

作为优选，所述铝矾土、水、二氧化锰和树脂的重量比为39:60:0.5:0.5。铝矾土、水、二氧化锰和树脂的重量比为39:60:0.5:0.5，该重量比条件下容易制备得到空心陶粒且制得的空心陶粒强度高。

优选地，所述酚醛树脂的乙醇溶液质量浓度为5-25%。

由于采用了上述技术方案，一种用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂及其制备方法，以解决现有技术中的支撑剂密度大，远处的裂缝和裂缝的上半部分均不能得到有效充填的问题，包括步骤：制作空心陶粒，采用铝矾土做原料，粉碎成200-400目的均匀颗粒，加水、二氧化锰、树脂搅拌成液体混合物，之后将所述液体混合物在500-1000℃温度下烘干,冷却后制得所述空心陶粒;将所述空心陶粒在900-1500℃下烧结时间为2-6小时;将上述烧结后的空心陶粒进行至少1次树脂包敷,即得所述支撑剂，制得的支撑剂，强度高、密度低，大大提高了压裂液的携沙能力，增大了压裂支撑剂填充体积，改善了压裂效果，使导流能力提高3-4倍。

本发明的有益效果为：

本发明方法制备的用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂密度大大降低。现有技术中所用支撑剂为烧结陶粒和石英砂，其相对密度为2.7-3.3，而本发明的裹敷树脂后的空心陶粒密度在1.2-1.3之间。与活性水、滑溜水等压裂液密度接近，大大提高了压裂液的携沙能力。本发明方法制备的支撑剂密度降低，使压裂时设备的压裂泵压降低，直接可以减少压裂泵车的数量，同时对压裂设备的保护也起到了一定的作用。另外，该支撑剂密度降低，可以使用无高分子或少量高分子的压裂液，这样对地层的污染大大降低，减少压裂液中高分子物质对裂缝、微裂缝的堵塞，增大了压裂的效果，提高了导流能力。

最重要的是由于本发明方法制备的支撑剂密度降低，使支撑剂能到达更远处的裂缝和裂缝的上半部分，直接增大了压裂支撑剂填充体积，使导流能力提高3-4倍，相应产量也提高3-4倍。

另外，采用水力压裂法开采煤层气与页岩气需要大量的水，使用本发明方法制备的高强度低密度支撑剂，大大减少了用水量，节约水资源同时降低了压裂成本，具有很大的经济优势；对于我国因缺水影响页岩气开发具有重要的意义。另外本发明的用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂的制备方法工艺简单，适于工业化应用。

当然，也可以使用坚果壳（如酸枣核、核桃壳等）做裹敷的骨料，采用本发明方法制备用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂。它的优势就是比重更轻，0.8左右，另外不需要烧结，生产成本较低。但是，采用坚果壳做裹敷的骨料，有以下几个缺陷：1）圆度低于5，影响了导流能力；2）破碎压力不够，只能达到28MPa，仅适用于煤层气压裂；3）坚果壳属于纤维基质复合材料，材料来源不稳定，另外质量控制也有难度。

附图说明

图1为本发明的用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂，所述支撑剂为裹敷树脂的20-40目的铝矾土的空心陶粒，所述树脂重量占所述支撑剂重量的1.5-17.5%，该支撑剂的密度为1.2-1.3，破碎压力为20-100MPa，圆度8-10。

一种制备用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂的方法，包括以下步骤：

1）制作空心陶粒

采用铝矾土做原料，粉碎成200-400目的均匀颗粒，加水、二氧化锰、树脂搅拌成液体混合物，之后将所述液体混合物在500-1000℃温度下烘干,冷却后制得所述空心陶粒;

2)将所述空心陶粒在900-1500℃下烧结时间为2-6小时;

3)将上述烧结后的空心陶粒进行至少1次树脂包敷,即得所述支撑剂。

所述空心陶粒粒径为20-40目。制备粒径为20-40目的空心陶粒可以采用柱塞泵喷嘴内径为20-40目的高压柱塞泵将所述的液体状混合物喷射到烘干塔进行烘干。采用此方法制备20-40目的空心陶粒，制备的空心陶粒颗粒均匀，圆度好，且此方法适合产业化应用。

所述树脂包敷每次是将所述烧结后的空心陶粒用质量浓度为5%-25%的酚醛树脂乙醇溶液在25-30℃下浸泡22-26小时，滤去多余的酚醛树脂乙醇溶液，之后将浸泡好的空心陶粒在60-100℃下固化2-6小时；而后升温至160-200℃继续固化2-6小时。

所述树脂包敷为1-7次树脂包敷。

所述树脂包敷为3次树脂包敷。

所述树脂包敷每次包敷重量占所述支撑剂重量的1.5-2.5%。

所述铝矾土、水、二氧化锰和树脂的重量比为39:60:0.5:0.5。

所述酚醛树脂的乙醇溶液质量浓度为5-25%。

实施例1：

用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂制备步骤如下：

1）将铝矾土粉碎成200-300目的均匀颗粒，按照铝矾土、水、二氧化锰和树脂的重量比为39:60:0.5:0.5向上述均匀颗粒中加入水、二氧化锰粉末、树脂，搅拌至液体状混合物；采用柱塞泵喷嘴内径为20-40目的高压柱塞泵将所述的液体状混合物喷射到高度为20米的烘干塔上，在800℃下进行烘干，形成20-40目的空心陶粒；

2）将步骤1）所制备的空心陶粒放入回转窑，1300℃烧结4小时，然后冷却，得20-40目的高强度空心陶粒；

3）将步骤2）制得的20-40目的高强度空心陶粒放入10%的酚醛树脂的乙醇溶液中浸泡24小时，浸泡完毕后滤去多余的树脂溶液，将在10%的酚醛树脂的乙醇溶液中浸泡过的空心陶粒放入带有搅拌机构的固化设备中进行第一次固化，固化温度为80℃，固化时间为4小时；

4）第一次固化完毕升温至180℃接着进行第二次固化，制得裹敷树脂的空心陶粒；两次固化过程均在搅拌机构的不断搅拌下进行，使得固化均匀充分。

5）重复步骤3）和步骤4），将步骤4）制备的裹敷树脂的陶粒再次裹敷树脂，制得用于煤层气水力压裂的支撑剂。

本实施例制备的支撑剂为裹敷树脂的20-40目的铝矾土的空心陶粒，树脂裹敷重量为支撑剂的3%，密度为1.28，圆度为9，可承受28MPa的压力，强度大密度低，适于作为煤层气水力压裂中的支撑剂，支撑效果好。

实施例2：

1）将铝矾土粉碎成300-400目的均匀颗粒，按照铝矾土、水、二氧化锰和树脂的重量比为39:60:0.5:0.5向上述均匀颗粒中加入水、二氧化锰粉末、树脂，搅拌至液体状混合物；采用柱塞泵喷嘴内径为20-30目的高压柱塞泵将所述的液体状混合物喷射到高度为20米的烘干塔上，在1000℃下进行烘干，形成20-30目的空心陶粒；

2）将步骤1）所制备的空心陶粒放入回转窑，1500℃烧结5小时，然后冷却，得20-30目的高强度空心陶粒；

3）将步骤2）制得的20-30目的高强度空心陶粒放入15%的酚醛树脂的乙醇溶液中浸泡18小时，浸泡完毕后滤去多余的树脂溶液，将在15%的酚醛树脂的乙醇溶液中浸泡过的空心陶粒放入带有搅拌机构的固化设备中进行第一次固化，固化温度为100℃，固化时间为5小时；

4）第一次固化完毕升温至200℃接着进行第二次固化，制得裹敷树脂的空心陶粒；两次固化过程均在搅拌机构的不断搅拌下进行，使得固化均匀充分。

5）重复步骤3）和步骤4），将步骤4）制备的裹敷树脂的空心陶粒再进行两次裹敷树脂，制得用于煤层气水力压裂的支撑剂。

本实施例制备的支撑剂为裹敷树脂的20-30目的铝矾土的空心陶粒，树脂裹敷重量为支撑剂的5%，密度为1.27，圆度为8.5，可承受40MPa的压力，强度大密度低，适于作为煤层气水力压裂中的支撑剂，支撑效果好。

实施例3：

1）将铝矾土粉碎成300-400目的均匀颗粒，向上述均匀颗粒中加入水、二氧化锰粉末、树脂，搅拌至液体状混合物；采用柱塞泵喷嘴内径为30-40目的高压柱塞泵将所述的液体状混合物喷射到高度为20米的烘干塔上，在900℃下进行烘干，形成30-40目的空心陶粒；

2）将步骤1）所制备的空心陶粒放入回转窑，1200℃烧结5小时，然后冷却，得30-40目的高强度空心陶粒；

3）将步骤2）制得的30-40目的高强度空心陶粒放入20%的酚醛树脂的乙醇溶液中浸泡15小时，浸泡完毕后滤去多余的树脂溶液，将在20%的酚醛树脂的乙醇溶液中浸泡过的空心陶粒放入带有搅拌机构的固化设备中进行第一次固化，固化温度为60℃，固化时间为3小时；

4）第一次固化完毕将固化设备升温至180℃接着进行第二次固化，制得裹敷树脂的空心陶粒；两次固化过程均在搅拌机构的不断搅拌下进行，使得固化均匀充分。

5）重复步骤3）和步骤4），将步骤4）制备的裹敷树脂的空心陶粒再进行三次裹敷树脂，制得用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂。

本实施例制备的支撑剂为裹敷树脂的30-40目的铝矾土的空心陶粒，树脂裹敷重量为支撑剂的6.5%，密度为1.25，圆度为8.5，可承受525MPa的压力，强度大密度低，适于作为煤层气与页岩气水力压裂中的支撑剂，支撑效果好。

实施例4：

1）将铝矾土粉碎成200-400目的均匀颗粒，向上述均匀颗粒中加入水、二氧化锰粉末、树脂，搅拌至液体状混合物；采用柱塞泵喷嘴内径为20-40目的高压柱塞泵将所述的液体状混合物喷射到高度为20米的烘干塔上，在800℃下进行烘干，形成20-40目的空心陶粒；

2）将步骤1）所制备的空心陶粒放入回转窑，1400℃烧结4小时，然后冷却，得20-40目的高强度空心陶粒；

3）将步骤2）制得的20-40目的高强度空心陶粒放入20%的酚醛树脂的乙醇溶液中浸泡18小时，浸泡完毕后滤去多余的树脂溶液，将在20%的酚醛树脂的乙醇溶液中浸泡过的空心陶粒放入带有搅拌机构的固化设备中进行第一次固化，固化温度为90℃，固化时间为5小时；

4）第一次固化完毕将固化设备升温至160℃接着进行第二次固化，制得裹敷树脂的空心陶粒；两次固化过程均在搅拌机构的不断搅拌下进行，使得固化均匀充分。

5）重复步骤3）和步骤4），将步骤4）制备的裹敷树脂的空心陶粒再进行五次裹敷树脂，制得用于页岩气水力压裂的支撑剂。

本实施例制备的支撑剂为裹敷树脂的20-40目的铝矾土的空心陶粒，树脂裹敷重量为支撑剂的10.5%，密度为1.22，圆度为9，可承受80MPa的压力，强度大密度低，适于作为页岩气水力压裂中的支撑剂，支撑效果好。

实施例5：

1）将铝矾土粉碎成200-400目的均匀颗粒，向上述均匀颗粒中加入水、二氧化锰粉末、树脂，搅拌至液体状混合物；采用柱塞泵喷嘴内径为20-40目的高压柱塞泵将所述的液体状混合物喷射到高度为20米的烘干塔上，在900℃下进行烘干，形成20-40目的空心陶粒；

2）将步骤1）所制备的空心陶粒放入回转窑，1600℃烧结3小时，然后冷却，得20-40目的高强度空心陶粒；

3）将步骤2）制得的20-40目的高强度空心陶粒放入15%的酚醛树脂的乙醇溶液中浸泡18小时，浸泡完毕后滤去多余的树脂溶液，将在15%的酚醛树脂的乙醇溶液中浸泡过的空心陶粒放入带有搅拌机构的固化设备中进行第一次固化，固化温度为70℃，固化时间为2小时；

4）第一次固化完毕将固化设备升温至190℃接着进行第二次固化，制得裹敷树脂的空心陶粒；两次固化过程均在搅拌机构的不断搅拌下进行，使得固化均匀充分。

5）重复步骤3）和步骤4），将步骤4）制备的裹敷树脂的空心陶粒再进行四次裹敷树脂，制得用于页岩气水力压裂的支撑剂。

本实施例制备的支撑剂为裹敷树脂的20-40目的铝矾土的空心陶粒，树脂裹敷重量为支撑剂的8%，密度为1.24，圆度为8.5，可承受69MPa的压力，强度大密度低，适于作为页岩气水力压裂中的支撑剂，支撑效果好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂，其特征在于：所述支撑剂为裹敷树脂的20-40目的铝矾土的空心陶粒，所述树脂重量占所述支撑剂重量的1.5-17.5％，该支撑剂的密度为1.2-1.3，破碎压力为20-100MPa，圆度8-10；

其制备方法包括以下步骤：

1)制作空心陶粒

采用铝矾土做原料，粉碎成200-400目的均匀颗粒，加水、二氧化锰、树脂搅拌成液体混合物，之后将所述液体混合物在500-1000℃温度下烘干，冷却后制得所述空心陶粒；

2)将所述空心陶粒在900-1500℃下烧结时间为2-6小时；

3)将上述烧结后的空心陶粒进行至少1次树脂包敷，即得所述支撑剂；

所述树脂包敷每次是将所述烧结后的空心陶粒用酚醛树脂乙醇溶液在25-30℃下浸泡22-26小时，滤去多余的酚醛树脂乙醇溶液，之后将浸泡好的空心陶粒在60-100℃下固化2-6小时；而后升温至160-200℃继续固化2-6小时；

所述铝矾土、水、二氧化锰和树脂的重量比为39：60：0.5：0.5。

2.如权利要求1所述的一种制备用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂的方法，其特征在于：所述空心陶粒粒径为20-40目。

3.如权利要求1所述的一种制备用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂的方法，其特征在于：所述树脂包敷为1-7次树脂包敷。

4.如权利要求1所述的一种制备用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂的方法，其特征在于：所述树脂包敷为3次树脂包敷。

5.如权利要求1所述的一种制备用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂的方法，其特征在于：所述树脂包敷每次包敷重量占所述支撑剂重量的1.5-2.5％。

6.如权利要求1所述的一种制备用于煤层气与页岩气水力压裂的支撑剂的方法，其特征在于：所述酚醛树脂的乙醇溶液质量浓度为5-25％。