煤基固废陶粒支撑剂及其制备方法与流程

本发明涉及煤化工，具体而言，涉及一种煤基固废陶粒支撑剂及其制备方法。

背景技术：

1、压裂是开发低渗透油气田的一种重要开采技术。在压裂过程中，选用适当的支撑剂，不仅能够对裂缝起到较好的支撑性作用，而且能够有效减少原裂缝的破坏，并能与缝中原油形成较好的粘结作用。

2、陶粒支撑剂是压裂支撑剂的一种，因其具有抗压强度大、导流能力好、耐腐蚀性强等优点，主要应用于深井油田的开采作业中。传统的陶粒支撑剂主要以铝矾土为原料，铝含量较高导致陶粒支撑剂抗压强度增大的同时，密度也相应地增加。密度较大的支撑剂在泵送过程中容易出现局部堆积现象，导致整个压裂缝中支撑剂分布不均，导流能力下降从而影响油气产量。另外，支撑剂密度的增加要求压裂液黏稠度增加，使得泵送设备的性能要求及所需的能耗都相应提高，从而导致生产成本增加。此外，常用的铝矾土支撑剂使用烧结法，烧结温度为1300～1600℃，耗能成本也十分大。

3、因此，制备低成本、低密度、高抗压强度的陶粒支撑剂是目前研究的重点方向。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种煤基固废陶粒支撑剂及其制备方法，以解决现有技术中原料成本高、陶粒支撑剂密度大、强度低的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种煤基固废陶粒支撑剂，包括第一原料和第二原料；

3、以质量百分比计，第一原料包括：煤矸石60％～75％，粉煤灰酸溶渣25％～40％，总计100％；

4、第二原料包括：助烧剂和粘结剂；助烧剂的质量为第一原料的总质量的0.5％～2.5％，粘结剂的质量为第一原料的总质量的8％～10％；

5、粘结剂为聚乙二醇或聚乙烯醇与二氧化硅水凝胶的混合液。

6、进一步地，第一原料中的煤矸石的质量百分比为65％～75％，粉煤灰酸溶渣的质量百分比为25％～35％。

7、进一步地，助烧剂的质量为第一原料的总质量的0.5％～2％，粘结剂的质量为第一原料的总质量的9％～10％。

8、进一步地，第一原料中的煤矸石的质量百分比为68％～70％，粉煤灰酸溶渣的质量百分比为30％～32％。

9、进一步地，聚乙二醇或聚乙烯醇的质量占混合液的总质量的3％～5％，余量为二氧化硅水凝胶，总计100％。

10、进一步地，二氧化硅水凝胶的原料为粉煤灰酸溶渣。

11、进一步地，二氧化硅水凝胶的粒径为10～20nm。

12、进一步地，助烧剂为氧化钙或氧化镁。

13、进一步地，煤基固废陶粒支撑剂的主物相成分为莫来石相。

14、进一步地，煤基固废陶粒支撑剂的体积密度为1.25～1.46g/cm3，视密度为1.8～2.3g/cm3，35mpa下的破碎率为4％～6％，52mpa下的破碎率为5％～8％，圆球度为0.7～0.9，酸溶解度为5％～5.3％。

15、进一步地，煤基固废陶粒支撑剂的体积密度为1.25～1.4g/cm3，视密度为1.8～2.1g/cm3，35mpa下的破碎率为4％～5.3％，52mpa下的破碎率为5％～7.4％，圆球度为0.8～0.9，酸溶解度为5％～5.28％。

16、根据本发明的第二方面，提供了上述煤基固废陶粒支撑剂的制备方法，包括以下步骤：

17、步骤s1：按照配方获取各原料；

18、步骤s2：将煤矸石、粉煤灰酸溶渣、助烧剂和粘结剂混合、造粒，得到球形坯体；

19、步骤s3：对球形坯体进行烘干、过筛，得到陶粒支撑剂生料；

20、步骤s4：陶粒支撑剂生料经过烧结处理，得到煤基固废陶粒支撑剂。

21、进一步地，粘结剂的制备方法包括以下步骤：

22、步骤s2-1：采用碱性溶液调节粉煤灰酸溶渣溶液的ph值为8～9，得到硅酸盐溶液；硅酸盐溶液经过酸性离子交换树脂后再利用氨水调节ph值为5～6，得到二氧化硅水凝胶；

23、步骤s2-2：按比例向二氧化硅水凝胶中加入聚乙二醇或聚乙烯醇，得到粘结剂。

24、进一步地，碱性溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。

25、进一步地，酸性离子交换树脂包括聚苯乙烯磺酸型离子交换树脂、聚苯乙烯-二乙烯基苯磺酸型阳离子交换树脂。

26、进一步地，硅酸盐溶液经过酸性离子交换树脂后的ph为2～3。

27、进一步地，烧结热处理的过程包括：陶粒支撑剂生料以3℃/min～5℃/min的速度升温至300℃～400℃，保温25～35min；再以3℃/min～5℃/min的速度升温至1150℃～1250℃，保温1.5～2.5h；最后以5℃/min～10℃/min的速度降温至20～35℃，得到煤基固废陶粒支撑剂。

28、进一步地，步骤s2中的煤矸石和粉煤灰酸溶渣均经过破碎和研磨得到各自的粉料，粉料的粒径均小于200目。

29、进一步地，煤矸石、粉煤灰酸溶渣、助烧剂和粘结剂的混合过程包括：将煤矸石的粉料、粉煤灰酸溶渣的粉料和助烧剂混合，形成混合料粉；再向混合料粉中喷洒粘结剂。

30、进一步地，造粒的造粒机转速为20～50r/min。

31、进一步地，步骤s3中的烘干是在鼓风干燥箱中，烘干的温度为80℃～120℃。

32、进一步地，过筛的目数为40～70目。

33、应用本发明的技术方案，提供的煤基固废陶粒支撑剂及其制备方法，采用煤基固废为主要原料，完全替代了高铝原料的使用，降低了陶粒支撑剂的生产成本；其中所用煤矸石中碳含量≥30％，在焙烧过程中能够以气体方式排出，产生气孔，从而达到降低支撑剂密度的效果，无需额外添加造孔剂；本发明选用的粉煤灰酸溶渣具有高含量的二氧化硅，可进一步提升陶粒支撑剂的强度；本发明的粘结剂采用自制的二氧化硅水凝胶与聚乙二醇或聚乙烯醇的混合液，该硅溶胶胶体颗粒粒径较小，具有较大比表面积，具有良好的分散渗透性，一方面二氧化硅包裹在陶粒支撑剂表面，粘合剂水分蒸发时胶体颗粒牢固粘附在物体表面，具有很好的粘合性，可提高材料的力学性能，同时降低了酸溶解度；另一方面二氧化硅水凝胶自身具有一定粘性，与聚乙二醇或聚乙烯醇混合后，与使用单一粘结剂相比，大大减少了粘结剂用量，降低了生产成本；本发明制备的煤基固废陶粒支撑剂具有低密度和高强度的优点，其在35mpa下的破碎率为4％～5.3％，52mpa下的破碎率为5％～7.4％。

技术特征：

1.一种煤基固废陶粒支撑剂，其特征在于，其包括第一原料和第二原料；

2.根据权利要求1所述的煤基固废陶粒支撑剂，其特征在于，所述第一原料中的所述煤矸石的质量百分比为65％～75％，所述粉煤灰酸溶渣的质量百分比为25％～35％；

3.根据权利要求1或2所述的煤基固废陶粒支撑剂，其特征在于，所述第一原料中的所述煤矸石的质量百分比为68％～70％，所述粉煤灰酸溶渣的质量百分比为30％～32％；

4.根据权利要求1至3任一项所述的煤基固废陶粒支撑剂，其特征在于，所述二氧化硅水凝胶的原料为粉煤灰酸溶渣；

5.权利要求1至4任一项所述的煤基固废陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的煤基固废陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于，所述粘结剂的制备方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的煤基固废陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液；

8.根据权利要求5至7任一项所述的煤基固废陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于，所述烧结热处理的过程包括：所述陶粒支撑剂生料以3℃/min～5℃/min的速度升温至300～400℃，保温25～35min；再以3℃/min～5℃/min的速度升温至1150℃～1250℃，保温1.5～2.5h；最后以5℃/min～10℃/min的速度降温至20℃～35℃，得到所述煤基固废陶粒支撑剂。

9.根据权利要求5至8任一项所述的煤基固废陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中的所述煤矸石和所述粉煤灰酸溶渣均经过破碎和研磨得到各自的粉料，所述粉料的粒径均小于200目；

10.根据权利要求5至9任一项所述的煤基固废陶粒支撑剂的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中的所述烘干是在鼓风干燥箱中，所述烘干的温度为80℃～120℃；

技术总结
本发明公开了一种煤基固废陶粒支撑剂及其制备方法，涉及煤化工技术领域。本发明的煤基固废陶粒支撑剂包括第一原料和第二原料；以质量百分比计，所述第一原料包括：煤矸石60％～75％，粉煤灰酸溶渣25％～40％，总计100％；所述第二原料包括：助烧剂和粘结剂；所述助烧剂的质量为所述第一原料的总质量的0.5％～2.5％，所述粘结剂的质量为所述第一原料的总质量的8％～10％；所述粘结剂为聚乙二醇或聚乙烯醇与二氧化硅水凝胶的混合液。本发明的低密度高强度陶粒支撑剂在35MPa下的破碎率为4％～5.3％，52MPa下的破碎率为5％～7.4％，且成本较低。

技术研发人员：杜善周,王丽萍,李超,高桂梅,曹坤,张云峰,洪雨,刘大锐,图亚,赵建强,张艳娜,王凯
受保护的技术使用者：中国神华能源股份有限公司哈尔乌素露天煤矿
技术研发日：
技术公布日：2025/1/9