添加陶粒砂废料对制备支撑剂的影响

赵 爽，刘 挺，王 超

（陕西省石油化工研究设计院，陕西 渭南 714000）

添加陶粒砂废料对制备支撑剂的影响

赵 爽，刘 挺，王 超

（陕西省石油化工研究设计院，陕西 渭南 714000）

陶粒支撑剂废料，混合铝矾土粉、黏土为原料，采取逐步添加的方法研究了废料的加入量对支撑剂性能的影响。结果表明，其半成品体积密度增高，同一烧结温度下，成品体积密度也增高，破碎率增大，强度降低。

支撑剂 ；废料；强度；烧结；铝矾土

0 引 言

支撑剂是水力压裂广泛使用的一种材料。深井压裂施工时，将其随压裂液填充到低渗透矿床的岩层缝隙中，进行高闭合压裂处理，支撑裂隙不因应力释放而闭合，形成油气流出的通道，不但能增加油气产量，而且可以延长油气井服务年限。

国内支撑剂生产厂家多而杂，支撑剂生产工艺及原料利用率参差不齐，且生产过程中，或多或少都会产生过烧或产品性能不合格的废料难以回收利用，包含生产过程中的大块废料、破碎率不合格的废料等，一些废料经过破碎、筛分后重新添加后可以再次利用，但是仍然有一部分不能回掺使用。随着陶粒支撑剂新标准的实施，对陶粒支撑剂的性能要求越来越严格，回掺的难度越来越大，回掺量也越来越少，生产废料却在不断的堆积，占据大量的地方，污染环境，同时造成资源浪费。如果将其变废为宝，不仅解决了占地和污染的问题，同时可将资源的利用达到最大化。据统计，生产中产生的废料约占产量的1-5%左右，用陶粒支撑剂废料替代部分铝矾土原料制备石油压裂支撑剂可以降低生产成本。

本文利用陶粒支撑剂废料，黏土和添加剂为原料，研究了废料的加入量对支撑剂性能的影响。

1 实验方法

表1 废料、混合铝矾土粉的化学成分 (wt.%)Tab.1 Chemical composition of the tailing and powdered bauxite mixture (wt.%)

1.1 原材料

陶粒废料是我们公司选择的无法回掺的大块料。废料大块料进行破碎和磨细，将出料细度控制在325目筛网水洗通过率为99．5%以上即可，成分如表1。

铝矾土粉选用公司现有的混合铝矾土粉，细度控制在325目筛网水洗通过率为99．5%以上即可。成分如表1。

粘结剂选择河南黏土，其为灰黄色，无层理结构，遇水无膨胀。黏土为块状料，须经制样机进一步磨细至325目筛网水洗通过率为99．5%以上即可，并进行了成分分析，化学组成见表2。

1.2 实验流程

根据表2中原材料的化学成分及粉料细度，采取逐步添加的方法进行实验，依据实验结果及时调整实验配方方案。整个实验主要分为两部分，首先将部分废料、混合铝矾土粉相互配比进行试验，最后进行优化，得出满足性能指标的配方，具体配方如表3所示。

0号为未添加废料的配方，其他添加陶粒砂废料含量由1%增加至7%，混和铝矾土粉由98．5%下降至92．5%，黏土为0．5%。

将陶粒砂废料、混合铝矾土粉、黏土原料分别破碎和磨细，按不同的比例进行配料，并在V35混合机中混合均匀，混合均匀的原料在BYJ500成球机中成球，水分控制在8%-11%，过筛。放置干燥。半成品在高温电炉中煅烧，通过缓慢升温至最高温度(1260-1290 ℃)，自然冷却，冷却后的样品经筛分后密封保存，即为陶粒砂成品。

2 结果及讨论

对表3配方进行了造粒，并进行了半成品检测，结果如表4。

将获得的半成品样品在1260℃进行烧制，并进行部分性能指标测定，结果如表5(表中烧结状态为不同温度下的结块状态，物料不同造成粘结程度不同。1．5#颗粒状分散，未烧透；2#弱粘结，轻轻拨动即开)。

表2 黏土原料的化学成分 (wt.%)Tab.2 Chemical composition of clay (wt.%)

表3 实验配方 (%)Tab.3 Experimental formula (%)

表4 实验配方的半成品检测结果Tab.4 Test results of semi-products prepared from the experimental formula

表5 实验配方的成品检测结果 (1260 ℃)Tab.5 Test results of fi nish products prepared from the experimental formula (1260 ℃)

由表5可知，烧结温度1260 ℃下，0号到05号配方样品强度均满足行业要求，06号和07配方样品欠烧。

由表6可知，烧结温度1270 ℃下，0号到06号配方样品强度均满足行业要求。

由表7可知，烧结温度1280 ℃下，01号到07号配方样品强度均满足行业要求，0号配方样品过烧。

由表8可知，烧结温度1290 ℃下，03号到07号配方样品强度均满足行业要求，0号到02配方样品过烧结块严重无法获得检测结果。

2.1 废料含量对体积密度的影响

由表8可以看出，随着陶粒砂废料添加含量的增加，其半成品体积密度增高，同一烧结温度下，成品体积密度也增高。由于废料Al2O3高达69．37%，而混合铝矾土粉料Al2O3仅有61．26%，使得废料粉料的比重大于混合铝矾土粉料的比重。因而废料添加含量越高，体积密度越大。

2.2 废料含量对强度的影响

由表8可以看出，同一烧结温度下，随着陶粒砂废料添加含量的增加，其成品破碎率增大，强度降低。这是由于陶粒砂废料是烧结废料，物料烧结后本身活性降低，经过再破碎、成型后，均匀地分布于颗粒中。二次烧成时，本身不发生物相变化，但分布在晶界周围，且会阻止晶核长大，在表面形成气孔，则会影响产品强度。因而随着废料添加含量的提高，样品破碎率增大，强度降低。

此外，表8中也看出烧成制度的不同对样品强度的影响较为明显。在一定范围内，随着最终煅烧温度的升高，样品的强度也随着升高。因为随着温度的升高，生成了大量的液相，增加了颗粒与颗粒之间的结合程度，从而提高了样品的强度。但温度过高，样品会过烧结块，强度会降低，这是由于内部液相增加过多，晶界变宽，出现晶体异常长大、晶粒不均匀，导致样品致密度和强度下降。

表6 实验配方的成品检测结果 (1270 ℃)Tab.6 Test results of fi nish products prepared from the experimental formula (1270 ℃)

表7 实验配方的成品检测结果 (1280 ℃)Tab. 7 Test results of fi nish products prepared from the experimental formula (1280 ℃)

表8 实验配方的成品检测结果 (1290 ℃)Tab.8 Test results of fi nish products prepared from the experimental formula (1290 ℃)

表9 配方指标Tab.9 The indexes of the formula

从表8的29个成品样品检测结果来看，有25个样品的破碎率满足行业标准要求。但兼顾废料添加量(越高越好)与大生产设备及工艺误差(破碎率控制在6．5以内)，最终确定最佳的配方为04号(1280 ℃下)。

3 产品性能

最终对优选的配方进行重复试验，最终样品按照中华人民共和国石油天然气行业标准《压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法》SY/T 5108-2006的要求进行检测，表9为产品的指标。

4 结 论

(1)随着陶粒砂废料添加含量的增加，其半成品体积密度增高。

(2)同一烧结温度下，随着陶粒砂废料添加含量的增加，成品体积密度也增高。其成品破碎率增大，强度降低。

(3)使原有废弃物资源化，变废为宝。

[1] 李万辉． 贵州高铝矾土熟料的煅烧及特性[J]． 四川冶金, 1992(4 ): 67-70．

[2] 石油天然气行业标准． 压裂支撑剂性能测试推荐方法[R]．SYT-5108, 1997．

[3] 师志虎, 韦文, 石磊, 尚养兵, 袁斌． 石油压裂陶粒支撑剂研究进展探讨[J]． 中国石油和化工标准与质量, 2013, 08．

[4] 贾新勇． 我国支撑剂的发展应用及现状[J]． 企业技术开发, 2011, 10．

Effect of Ceramsite Tailing Doping on Preparation of Proppant Material

ZHAO Shuang, LIU Ting, WANG Chao
(Shaanxi Research Design Institute of Petroleum And Chemical Industry, Xi’an 710054, Shaanxi, China)

Proppant material was prepared using ceramsite tailing, bauxite powder mixture and clay as raw materials. The effect of the ceramsite tailing doping on the properties of the proppant material was studied through step addition. Results showed, with the addition of ceramsite tailing, the bulk density of the semi-product was increased, the bulk density of the fi nished product sintered at the same temperature was also increased, but its breakage was higher with its strength lowered.

proppant; tailing; strength; sintering; bauxite

TQ174.9

A

1006-2874(2017)02-0045-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.02.010

2016-10-14。

2016-10-19。

赵爽，女，工程师。

Received date:2016-10-14. Revised date: 2016-10-19.

Correspondent author:ZHAO Shuang, female, Engineer.

E-mail:47665780@qq.com