页岩气开采用压裂支撑剂及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种页岩气开采用压裂支撑剂，同时还涉及该压裂支撑剂的制备方 法，属于采气（油）助剂技术领域。
【背景技术】
[0002] 页岩气是一种非常规天然气资源，是以吸附和游离方式赋存于页岩和泥岩地层及 其夹层中的天然气，主要成分为甲烷。页岩气常分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃 源岩地层中。与常规天然气相比，页岩气具有开采寿命长、生产周期长等特点，且普遍含气 量高，这使得页岩气井能够长期的以稳定的速率产气。我国页岩气资源十分丰富，初步估计 资源量可达100万亿立方米，相当于常规天然气量的两倍。页岩气开发对促进我国能源结 构调整具有战略意义，清洁低碳的页岩气能够增加天然气供应，优化能源结构，缓解减排压 力。页岩气一旦实现规模化开采，可以拉动工业尤其是装备制造业与工程技术服务业发展， 有利于培育新的经济增长点。
[0003] 然而，页岩气的成藏规律、储集空间、渗透规律等不同于常规的天然气，特别是储 层具有低孔特征和极低的基质层透率。因此，页岩气的开采难度较大，气流阻力明显高于常 规的天然气，主要采收效率依赖于有效的压裂措施。目前，国内页岩气开采技术主要包括水 平井多段压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术和同步压裂技术。而上述新的压裂技术对 压裂支撑剂的性能提出了更高的要求。
[0004] 在页岩气开采中，岩石内必须具备足够的通道才能使气流入井筒并产至地面。但 是，页岩气储层呈致密的聚集性，压裂液形成的裂缝很容易在高闭合压力下闭合。因此，支 撑页岩的空隙在高闭合压力下保持良好的导流能力对开采收集页岩气至关重要。页岩气开 采压裂中，理想的支撑剂要能满足以下性能：（1)较好的圆球度，以提高导流能力；（2)高抗 压强度，保证在高闭合压力下裂缝不闭合；（3)较低的体积密度和视密度，以适应水化压裂 及水平井压裂技术；(4)良好的化学稳定性，以适应页岩气储层多变的化学地质条件。
[0005]目前，页岩气开发中多使用石英砂及低密度陶粒作为压裂支撑剂。一般石英砂的 抗压强度为35MPa，破碎率< 10 %，低密度陶粒的抗压强度为52MPa，破碎率< 9 %，69Mpa破 碎率< 20%。然而，深层页岩的闭合压力可达lOOMpa，普通的石英砂和陶粒难以达到页岩 气开采要求。另外，陶粒原料主要采用铝矾土，生产成本高，并且资源逐渐稀少，大规模利用 铝矾土制备陶粒用于页岩气开发收到铝矾土资源的制约。公布号CN104293337A的发明专 利公开了一种页岩气专用陶粒，其原料由主组分和外加组分组成，主组分及其质量百分比 为：轻烧铝矾土 50~80 %，变性粘土 3~5 %，长石2~12 %，煤粉灰10~30 %，外加组分 为结合剂，其添加量为主组分总质量的1~3%，该陶粒主要采用含铝56. 7~59. 2% (质量 百分比）的铝矾土，陶粒40/70目的体积密度为1. 30~1. 33g/cm3,视密度为2. 62~2. 63， 69MPa破碎率为5. 67~8. 12 %，酸溶解度为4. 84~5. 3 %，其抗压能力和酸溶解度还有待 提尚。
【发明内容】
[0006] 本发明针对目前页岩气开发中所使用压裂支撑剂的抗压能力弱、破碎率高、酸溶 解度高等缺陷，提供一种高强度、低酸溶解度的压裂支撑剂。
[0007] 同时，本发明还提供一种上述页岩气开采用压裂支撑剂的制备方法。
[0008] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
[0009] 页岩气开采用压裂支撑剂，原料由以下质量百分含量的组分组成：铝矾土 43~ 55%，页岩43~55%，碳酸钡1~3%，硼酸1~2%。
[0010] 优选的，页岩气开采用压裂支撑剂，原料由以下质量百分含量的组分组成：铝矾土 46~53%，页岩45~51%，碳酸钡1~2%，硼酸1~2%。
[0011] 更优选的，页岩气开采用压裂支撑剂，原料由以下质量百分含量的组分组成：铝矾 土 47%，页岩50%，碳酸钡2%，硼酸1%。
[0012] 基于降低成本的考虑，所述铝矾土优选本领域通常定义的低品位铝矾土，其中 A1203含量为50~60%，SiO2含量为15~30%。所述页岩为本领域通常定义的页岩，其中 A1203含量为15~25%，Si02含量为35~50%。
[0013] 页岩气开采用压裂支撑剂的制备方法，包括以下步骤：
[0014] (1)分别将铝矾土和页岩破碎后磨成细粉；
[0015] (2)按照质量百分含量准确取各组分，混合，制粒得半成品；
[0016] (3)取半成品烘干、焙烧，冷却，即得。
[0017] 所述步骤（1)中铝矾土和页岩细粉均可过400目筛。二者可以先分别破碎至7mm 以下（或者2~7mm)，再分别放入500mm的球磨磨粉5~8小时，至粉的细度分别达到 400目筛余< 5%。
[0018] 所述步骤⑵中制粒可采用常规技术，如将混合粉料加入制粒机中，喷入水雾的 同时保持制粒机低速旋转（转速为25r/min)，使之产生细小的内核，将内核经100目筛网 筛分后得"引子"，将"引子"继续加入制粒机中，不断地喷入水雾并补给混合粉料，低速旋转 (转速为25r/min) 1~2小时即得所需粒径的半成品。
[0019] 优选的，制粒采用高速搅拌制粒法，即先将混合粉料与水加入制粒机（制粒机由 转子、转筒和变频驱动电机组成）中，在转子高速旋转（转速为3500r/min)、转筒低速旋转 (转速为500r/min)条件下，粉料中出现微小的晶核，经过多次补给干的混合粉料，快速形 成所需粒径大小的颗粒（即半成品）。其中，制粒过程中加水的作用为辅助制粒，使混合粉 料产生一定的黏度从而便于包覆，但是在后续烘干和焙烧操作中水分在高温下几乎全部蒸 发。上述制粒方法采用的制粒（试验）机购自河南郑矿机器有限公司，型号为ZKZL(T)15。
[0020] 所述步骤⑵中制粒后需米用35~65目的筛网筛分得半成品。
[0021] 所述步骤（3)中焙烧温度为1200~1300°C，焙烧时间至少为6小时。优选的，焙 烧温度为1200~1250°C，焙烧时间为6~8小时。
[0022] 所述步骤（3)中冷却后需采用40~70目的筛网筛分得成品。
[0023] 本发明的有益效果：
[0024] 本发明中压裂支撑剂各原料组分的作用机理为：铝矾土和页岩中的A1203、5102在 1200~1300°C下高温煅烧产生的高强度莫来石晶相能够提高支撑剂的抗压强度；BaCOdt 为助熔剂和结合剂加入，用以降低烧结温度，防止粘结，同时促使A1203、Si02生成一定量具 有良好耐酸性能的单斜钡长石，在支撑剂表面形成一层保护膜，使支撑剂免于受到岩层酸 性及盐碱物质的腐蚀；硼酸可以降低焙烧温度，通过延长烧结时间，可使钡长石熔融物缓慢 包覆生长中的莫来石，在形成保护膜的同时保证胚体具有一定的孔隙度，从而增加支撑剂 的耐压强度，另外，硼酸自身的耐酸性能提高支撑剂的抗腐蚀性，还能降低原料中K20、Na20 等对酸溶的不利影响。
[0025] 本发明中压裂支撑剂依据SY/T5108-2006标准要求检测，40/70目压裂支撑剂的 体积密度为1. 35~1. 55g/cm3,视密度为2. 40~2. 75g/cm3,在69Mpa、86Mpa压力下的破碎 率分别为2. 0~2. 9 %、5. 0~6. 2 %，完全满足页岩气开采要求，且密度远低于行业标准。同 时，压裂支撑剂表面光洁度好、球度高，导流能力大幅度提升，其低密度有利于压裂液泵送， 适用于页岩气开发清水压裂和水平井压裂技术。
[0026] 本发明中页岩气开采用压裂支撑剂优选低品位铝矾土为主要原料，能够大幅降低 支撑剂生产成本，摆脱其对高品位铝矾土的依赖，解决资源综合利用问题，具有较好的经济 和社会效益。同时，加入的辅料能够提高支撑剂的抗压强度和抗酸碱等耐腐蚀性能。
[0027] 本发明中页岩气开采用压裂支撑剂的制备过程简短，原材料取用方便，工艺参数 可控，能有效降低页岩气开采压裂成本，适于大规模工业化生产。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明实施例1制备压力支撑剂的显微形貌图。
【具体实施方式】
[0029] 下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
[0030] 实施例1
[0031] 本实施例中页岩气开采用压裂支撑剂，原料由以下质量百分含量的组分组成：低 品位错研1 土 49 %，页岩48 %，碳酸锁2 %，棚酸1 %。
[0032] 本实施例中页岩气开采用压裂支撑剂的制备方法，包括以下步骤：
[0033] (1)分别将低品位铝矾土和页岩经过实验鄂破（即颚式破碎机）破碎至7mm以下， 再分别加入〇500mm的球磨磨粉6小时，至粉的细度分别达到400目筛余< 5%;
[0034] (2)以质量百分含量计，按照低品位铝矾土 49%、页岩48%、碳酸钡2%、硼酸1% 配制混合粉料，先称取1. 5kg混合粉料加入制粒机中，加水230g，调节转筒转速为500r/ min，转子转速为3500r/min，再分4次加入干的混合粉料，每次加入100g，抛光2分钟，再用 35目、65目筛网筛分得半成品；
[0035] (3)取半成品烘干，再在1230°C下焙烧6小时，冷却至室温，采用40目、70目筛网 筛分即得成品。
[0036]本实施例制备压裂支撑剂的显微形貌图见图1，从图中不难看出，压裂支撑剂表面 光洁度较好，球度高，颗粒均一（其粒径在40~70目范围）。
[0037] 依据SY/T5108-2006标准对本实施例制备的压裂支撑剂进行性能检测，检测结果 见下表