專利名稱：一種利用金礦尾砂和石英纖維制備復(fù)合型壓裂支撐劑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用廢料制備陶瓷復(fù)合材料的方法，特別涉及一種利用金礦尾砂和石英纖維制備復(fù)合型壓裂支撐劑的方法。
背景技術(shù)：
壓裂支撐劑作為一個新興行業(yè)，在我國發(fā)展時間不長，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和品種還很不完善，行業(yè)的加工規(guī)模與水平都處在初期的發(fā)展階段。大部分油氣田屬于中等深度，要求壓裂支撐劑具有高強度、低破碎率，以承受巖層巨大的壓力及地層環(huán)境中的各種腐蝕。國際上多采用燒結(jié)剛玉制品作為中、深層油氣田壓裂支撐劑，這種制品雖然在理化性能上可以滿足要求，但原料來源困難，加工工藝復(fù)雜，且能耗大、成本高，使其應(yīng)用受到限制。用陶瓷燒成法燒結(jié)而成的新型石油深井閉合壓裂材料，是天然石英砂、包覆復(fù)合顆粒、玻璃球、金屬球等中、低強度支撐劑的替代品，具有強度高、密度低的特點，因而成為石油化工材料的研究熱點之一。當(dāng)前，壓裂支撐劑陶粒面臨的主要問題是如何在高溫條件下通過控制化學(xué)成分及顯微結(jié)構(gòu)來提高其綜合力學(xué)性能，有效減小材料的脆性，以提高該材料的實際應(yīng)用效果?，F(xiàn)有的支撐劑陶粒制備方法有熔融噴吹法、有機物包覆固化法、燒結(jié)法等。唐民輝等[油井壓裂支撐劑的研制[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，1995，28⑷ 73-76]以玄武巖為主要原料配制的爐料，經(jīng)熔化、特殊的成珠及熱處理工藝，研制成了輝石型微晶硅酸鹽珠體。專利公開了“一種固體支撐劑及其制造方法”(周生武，申請?zhí)?9102544. 8)，用鋁礬土為主要原料，經(jīng)電弧爐熔融噴吹成球，具有抗壓強度高，破碎率低，密度適中和成本低等特點。盡管熔融噴吹法制備的支撐劑在實際中有所應(yīng)用，但是，用該方法制備陶粒支撐劑存在能耗高、成球不易控制、支撐劑強度低等缺陷，目前已很少被采用。有機物包覆固化法是以有機粘結(jié)劑作為固化劑，以人工或天然的粉體為原料，粘結(jié)固化免燒而成，雖然強度低，但密度不大，具有一定的特點。孫虎、汪義發(fā)專利(申請?zhí)?00710188410)《低密度支撐劑的制備方法及制備工藝》，周福建專利(申請?zhí)?01010278084)《一種纖維復(fù)合防砂材料及其制備方法》，分別利用植物纖維或有機纖維材料作為原料，有機固化免燒結(jié)成型或摻入壓裂液中起到防沙導(dǎo)油的作用。此類產(chǎn)品并非是真正意義上的高強度支撐劑。此外有研究者用FMS- A G型、FMS-(R)型樹脂包衣法制備壓裂支撐劑，其產(chǎn)品在減脆方面有所提高，但明顯在強度方面存在缺陷。燒結(jié)法是采用陶瓷原料和傳統(tǒng)的陶瓷工藝制備致密陶粒支撐劑的技術(shù)。以鋁礬土等礦物原料制備石油壓裂陶粒支撐劑的研制已有許多文獻(xiàn)和專利報道。高海利等[高強石油壓裂支撐劑的研制[J].陶瓷，2006，(10) 43-46]以攀枝花本地二灘鋁礬土、鋁礬土生料及高鈦型高爐渣為主要原料，研制成高強石油壓裂支撐劑。趙士鰲、吳伯麟等專利(申請?zhí)?01010143771. 8)，《一種無硅或低硅耐酸陶粒壓裂支撐劑的制備方法》；田小讓等專利(申請?zhí)?00710168057)《一種耐酸壓裂支撐劑的制備方法》；R.迪恩克爾、M.埃蒙茲等專利(申請?zhí)?00580030660. 3)《燒結(jié)球形顆?！返确謩e采用燒結(jié)法，以鋁礬土或氧化鋁為主料，添加長石、氧化鈦或是含有碳酸鋇或重晶石的助熔劑，制備出高強低密的支撐劑，提高了材料的強度和耐酸度。燒結(jié)法依然是目前制備支撐劑的主流方法。以燒結(jié)法制備支撐劑，采用的主料是鋁礬土，這對優(yōu)質(zhì)的資源是個極大的浪費，因此，以低成本的固體廢料大比例替代鋁礬土，制備壓裂陶粒支撐劑是國內(nèi)、外技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展的必然趨勢。這一方面，已有報道李慶維專 利(申請?zhí)?01010552791.0)《一種利用油頁巖渣制備的石油支撐劑及其制備方法》以油頁巖渣替代了部分鋁礬土制備出符合國標(biāo)的支撐劑。尹國勛等[利用赤泥等工業(yè)固體廢物制備陶粒[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，27 (4) =491-496] o田小讓專利(申請?zhí)?00710137758. X) “利用赤泥制備耐酸壓裂支撐劑的方法”。張傳鎂專利(申請?zhí)?2134274. 1)“瓷渣陶粒及其制備方法”。翟冠杰等[高摻量粉煤灰燒結(jié)陶粒的試制[J].粉煤灰.2008，(I) 42-43]試制了高摻量粉煤灰燒結(jié)陶粒。張玉軍專利(申請?zhí)?00910015979. 9)“一種高強度石油壓裂支撐劑及其制備方法”，利用高氧化鋁含量的陶瓷輥棒廢料制備的石油壓裂支撐劑具有高強、耐酸的特點。支撐劑陶粒性能的優(yōu)劣，取決于產(chǎn)品的內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)，對此研究者已有充分的認(rèn)識，并進(jìn)行了一些有益的探索。李占剛專利(申請?zhí)朇N201010136972. 5)《低密度陶粒支撐劑及其制備方法》，改變成型方式，利用多層包殼的巧妙方式，合成具有內(nèi)芯和外殼的結(jié)核狀增強型的支撐劑，提高了產(chǎn)品性能，但成型方式過于復(fù)雜，操控性不強，影響了工業(yè)化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用的前景。目前，低密高強低脆耐腐蝕成為支撐劑陶粒主要的研究趨勢，為實現(xiàn)這一目標(biāo)，在支撐劑配方中引入了不同的高溫助熔劑并優(yōu)化陶粒成型的方式，一定程度上改善了支撐劑的力學(xué)性能，提高了材料的耐酸性和耐鹽性，盡管如此，依然不能從根本上解決陶粒支撐劑力學(xué)性能較差(脆性較大)的缺點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)和手段的不足，提供一種利用金礦尾砂和石英纖維制備復(fù)合型壓裂支撐劑的方法。按本發(fā)明的制備方法能夠制備出高強高韌、低密度和低破損率的復(fù)合型壓裂支撐劑，使該產(chǎn)品能應(yīng)用于中、深層次的壓裂環(huán)境中，實現(xiàn)油氣增產(chǎn)的目的。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是I)將金礦尾砂和氧化鋁粉分別放入球磨機中干磨，然后分別過120目篩；2 )按質(zhì)量百分比將40% 55%過篩后的金礦尾砂、30% 45%的氧化鋁粉和10% 15%的耐高溫的短切石英纖維混合后加入到球磨機中，再向球磨機中加入質(zhì)量濃度為10%的樹膠水溶液混勻濕磨形成混合泥漿，泥漿過300目篩；3)將過篩后泥漿采用壓力式噴霧造粒機造粒，造粒形成的球形顆粒過18目和30目篩，將兩篩之間的篩余物顆粒收集待燒；4)將待燒顆粒放入氧化鋁坩堝中，并置于硅碳棒電阻爐內(nèi)，以5°C /min 10°C /min的加熱速度自室溫升溫至1230°C,保溫0. 5h Ih,以5°C /min 7°C /min的加熱速度升溫至1350°C 1400°C，保溫2h 3h，隨爐自然冷卻后取出，過20目 40目篩，即得復(fù)合壓裂支撐劑。所述的步驟I)干磨是利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球和原料的質(zhì)量比為(2 3) : I,分別球磨0. 5h 2h。所述的步驟2)濕磨是利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球、混合料和樹膠水溶液的質(zhì)量比為(2 3) I (0. 3 0. 4)，研磨0. 5h 3h。所述的步驟3)造粒噴霧造粒機進(jìn)風(fēng)溫度為300°C 500°C，熱風(fēng)爐溫度為600°C 800°C，排風(fēng)溫度為80°C 95°C，泥漿壓力為I. 2MPa I. 5MPa。所述的氧化鋁粉是工業(yè)用的a-氧化鋁(剛玉粉)，其剛玉含量> 98%，粉體粒經(jīng)
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所述的耐高溫的短切石英纖維，其純度為99. 9%，該纖維經(jīng)氧化鋁、氧化鎵摻雜且表面改性處理，纖維的使用溫度1300°C — 1450°C。本發(fā)明所合成的是具細(xì)晶化和彌散化的復(fù)合支撐劑陶粒，它由基體相和增強相兩部分組成，基體相主要由石英和少量的玻璃相、氣孔相組成；增強相為細(xì)晶化的剛玉、引入的石英纖維及原位生成的莫萊石纖維相。材料的組成成分比(重量％)為增強相5-15%，基體相 85-95%。本發(fā)明引入耐高溫石英纖維，將復(fù)合材料的理念整合于非致密的陶粒支撐劑之中，用外來引入和高溫反應(yīng)自生成的方式提供增強增韌所必需的纖維，通過纖維增強和顆粒增強兩種手段中至少一種制備出高強高韌、低密度和低破損率的復(fù)合型支撐劑陶粒，使該產(chǎn)品能應(yīng)用于中、深層次的壓裂環(huán)境中，實現(xiàn)油氣增產(chǎn)的最終目的。本發(fā)明利用工業(yè)廢棄物一金礦尾砂為主料，以“調(diào)整化學(xué)成分+優(yōu)化顯微結(jié)構(gòu)”的思路，通過引入和利用原位反應(yīng)自生成具有纖維狀晶體的同時，使纖維與生成的細(xì)小顆粒自彌散基體相之間進(jìn)一步優(yōu)化形成纖維狀/粒狀復(fù)合陶瓷材料的具體方法，將“雙重彌散”技術(shù)與陶瓷復(fù)合技術(shù)相結(jié)合，既開發(fā)利用了廢棄的礦渣，又改善支撐劑的化學(xué)組成，優(yōu)化陶粒的顯微結(jié)構(gòu)，克服陶瓷材料的脆性，有望進(jìn)一步提高支撐劑陶粒材料的綜合性能。
具體實施例方式實施例I :I)將金礦尾砂和氧化鋁粉分別放入球磨機中干磨，利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球和原料的質(zhì)量比為2 I,分別球磨0. 5h 2h然后分別過120目篩；2)按質(zhì)量百分比將40%過篩后的金礦尾砂、45%的氧化鋁粉和15%的耐高溫的短切石英纖維放入球磨機中，再加入質(zhì)量濃度為10%的樹膠水溶液混勻利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球、混合料和樹膠水溶液的質(zhì)量比為2 I 0.3，研磨0.511 311形成混合泥漿，泥漿過300目篩；其中，氧化鋁粉是工業(yè)用的a-氧化鋁即剛玉粉，其剛玉含量> 98%，粉體粒經(jīng)
<IOyrn;耐高溫的短切石英纖維，其純度為99.9%，該纖維經(jīng)氧化鋁、氧化鎵摻雜且表面改性處理，纖維的使用溫度1300°C — 14500C ；3)將過篩后泥漿采用壓力式噴霧造粒機造粒，噴霧造粒機進(jìn)風(fēng)溫度為500°C，熱風(fēng)爐溫度為800°C，排風(fēng)溫度為95°C，泥漿壓力為I. 2MPa，造粒形成的球形顆粒過18目和30目篩，將兩篩之間的篩余物顆粒收集待燒；
4)將待燒顆粒放入氧化鋁坩堝中，并置于硅碳棒電阻爐內(nèi)，以5°C /min的加熱速度自室溫升溫至1230°C，保溫0. 5h lh，以5°C /min的加熱速度升溫至1350°C，保溫2h 3h，隨爐自然冷卻后取出，過20目 40目篩，即得復(fù)合壓裂支撐劑。實施例2:I)將金礦尾砂和氧化鋁粉分別放入球磨機中干磨，利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球和原料的質(zhì)量比為2. 5 1，分別球磨0. 5h 2h然后分別過120目篩；2)按質(zhì)量百分比將55%過篩后的金礦尾砂、30%的氧化鋁粉和15%的耐高溫的短切石英纖維放入球磨機中，再加入質(zhì)量濃度為10%的樹膠水溶液混勻利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球、混合料和樹膠水溶液的質(zhì)量比為2. 5 I 0.35，研磨0.511 311形成混合泥漿，泥漿過300目篩；其中，氧化鋁粉是工業(yè)用的a -氧化鋁即剛玉粉，其剛玉含量> 98 %，粉體粒經(jīng)
<IOyrn;耐高溫的短切石英纖維，其純度為99.9%，該纖維經(jīng)氧化鋁、氧化鎵摻雜且表面改性處理，纖維的使用溫度1300°C — 14500C ；3)將過篩后泥漿采用壓力式噴霧造粒機造粒，噴霧造粒機進(jìn)風(fēng)溫度為300°C，熱風(fēng)爐溫度為600°C，排風(fēng)溫度為80°C，泥漿壓力為I. 4MPa，造粒形成的球形顆粒過18目和30目篩，將兩篩之間的篩余物顆粒收集待燒；4)將待燒顆粒放入氧化鋁坩堝中，并置于硅碳棒電阻爐內(nèi)，以8°C /min的加熱速度自室溫升溫至1230°C，保溫0. 5h lh，以6°C /min的加熱速度升溫至1380°C，保溫2h 3h，隨爐自然冷卻后取出，過20目 40目篩，即得復(fù)合壓裂支撐劑。實施例3 I)將金礦尾砂和氧化鋁粉分別放入球磨機中干磨，利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球和原料的質(zhì)量比為3 1，分別球磨0.5h 2h然后分別過120目篩；2)按質(zhì)量百分比將50%過篩后的金礦尾砂、40%的氧化鋁粉和10%的耐高溫的短切石英纖維放入球磨機中，再加入質(zhì)量濃度為10%的樹膠水溶液混勻利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球、混合料和樹膠水溶液的質(zhì)量比為3 : I : 0.38，研磨0.511 311形成混合泥漿，泥漿過300目篩；其中，氧化鋁粉是工業(yè)用的a-氧化鋁即剛玉粉，其剛玉含量> 98%，粉體粒經(jīng)
<IOyrn;耐高溫的短切石英纖維，其純度為99.9%，該纖維經(jīng)氧化鋁、氧化鎵摻雜且表面改性處理，纖維的使用溫度1300°C — 14500C ；3)將過篩后泥漿采用壓力式噴霧造粒機造粒，噴霧造粒機進(jìn)風(fēng)溫度為400°C，熱風(fēng)爐溫度為700°C，排風(fēng)溫度為88°C，泥漿壓力為I. 3MPa，造粒形成的球形顆粒過18目和30目篩，將兩篩之間的篩余物顆粒收集待燒；4)將待燒顆粒放入氧化鋁坩堝中，并置于硅碳棒電阻爐內(nèi)，以6°C /min的加熱速度自室溫升溫至1230°C，保溫0. 5h lh，以7V Mn的加熱速度升溫至1360°C，保溫2h 3h，隨爐自然冷卻后取出，過20目 40目篩，即得復(fù)合壓裂支撐劑。實施例4 I)將金礦尾砂和氧化鋁粉分別放入球磨機中干磨，利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球和原料的質(zhì)量比為2.3 1，分別球磨0.5h 2h然后分別過120目篩；2)按質(zhì)量百分比將45%過篩后的金礦尾砂、43%的氧化鋁粉和12%的耐高溫的短切石英纖維放入球磨機中，再加入質(zhì)量濃度為10%的樹膠水溶液混勻利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球、混合料和樹膠水溶液的質(zhì)量比為2. 3 I 0.33，研磨0.511 311形成混合泥漿，泥漿過300目篩；其中，氧化鋁粉是工業(yè)用的a-氧化鋁即剛玉粉，其剛玉含量> 98%，粉體粒經(jīng)
<IOyrn;耐高溫的短切石英纖維，其純度為99.9%，該纖維經(jīng)氧化鋁、氧化鎵摻雜且表面改性處理，纖維的使用溫度1300°C -1450°C ；3)將過篩后泥漿采用壓力式噴霧造粒機造粒，噴霧造粒機進(jìn)風(fēng)溫度為350°C，熱風(fēng)爐溫度為650°C，排風(fēng)溫度為84°C，泥漿壓力為I. 5MPa，造粒形成的球形顆粒過18目和30目篩，將兩篩之間的篩余物顆粒收集待燒；4)將待燒顆粒放入氧化鋁坩堝中，并置于硅碳棒電阻爐內(nèi)，以7°C /min的加熱速度自室溫升溫至1230°C，保溫0. 5h lh，以5°C /min的加熱速度升溫至1390°C，保溫2h 3h，隨爐自然冷卻后取出，過20目 40目篩，即得復(fù)合壓裂支撐劑。實施例5 I)將金礦尾砂和氧化鋁粉分別放入球磨機中干磨，利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球和原料的質(zhì)量比為2. 8 I,分別球磨0. 5h 2h然后分別過120目篩；2)按質(zhì)量百分比將52%過篩后的金礦尾砂、35%的氧化鋁粉和13%的耐高溫的短切石英纖維放入球磨機中，再加入質(zhì)量濃度為10%的樹膠水溶液混勻利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球、混合料和樹膠水溶液的質(zhì)量比為2. 8 I 0.4，研磨0.511 311形成混合泥漿，泥漿過300目篩；其中，氧化鋁粉是工業(yè)用的a-氧化鋁即剛玉粉，其剛玉含量> 98%，粉體粒經(jīng)
<IOyrn;耐高溫的短切石英纖維，其純度為99.9%，該纖維經(jīng)氧化鋁、氧化鎵摻雜且表面改性處理，纖維的使用溫度1300°C — 14500C ；3)將過篩后泥漿采用壓力式噴霧造粒機造粒，噴霧造粒機進(jìn)風(fēng)溫度為450°C，熱風(fēng)爐溫度為750°C，排風(fēng)溫度為92°C，泥漿壓力為I. 2MPa，造粒形成的球形顆粒過18目和30目篩，將兩篩之間的篩余物顆粒收集待燒；4)將待燒顆粒放入氧化鋁坩堝中，并置于硅碳棒電阻爐內(nèi)，以10°C /min的加熱速度自室溫升溫至1230°C，保溫0. 5h lh，以5°C /min的加熱速度升溫至1370°C，保溫2h 3h，隨爐自然冷卻后取出，過20目 40目篩，即得復(fù)合壓裂支撐劑。實施例6 I)將金礦尾砂和氧化鋁粉分別放入球磨機中干磨，利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球和原料的質(zhì)量比為3 1，分別球磨0.5h 2h然后分別過120目篩；2)按質(zhì)量百分比將50%過篩后的金礦尾砂、36%的氧化鋁粉和14%的耐高溫的短切石英纖維放入球磨機中，再加入質(zhì)量濃度為10%的樹膠水溶液混勻利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球、混合料和樹膠水溶液的質(zhì)量比為3 I 0.4，研磨0.511 311形成混合泥漿，泥漿過300目篩；其中，氧化鋁粉是工業(yè)用的a-氧化鋁即剛玉粉，其剛玉含量> 98%，粉體粒經(jīng)
<IOyrn;耐高溫的短切石英纖維，其純度為99.9%，該纖維經(jīng)氧化鋁、氧化鎵摻雜且表面改性處理，纖維的使用溫度1300°C — 14500C ；3)將過篩后泥漿采用壓力式噴霧造粒機造粒，噴霧造粒機進(jìn)風(fēng)溫度為380°C，熱風(fēng)爐溫度為680°C，排風(fēng)溫度為90°C，泥漿壓力為I. 5MPa，造粒形成的球形顆粒過18目和30目篩，將兩篩之間的篩余物顆粒收集待燒；4)將待燒顆粒放入氧化鋁坩堝中，并置于硅碳棒電阻爐內(nèi)，以9°C /min的加熱速度自室溫升溫至1230°C，保溫0. 5h lh，以7V Mn的加熱速度升溫至1400°C，保溫2h 3h，隨爐自然冷卻后取出，過20目 40目篩，即得復(fù)合壓裂支撐劑。本發(fā)明以金礦尾砂為主料，通過引入耐高溫石英纖維的同時，利用高溫反應(yīng)，原位自形成纖維狀3A1203 23102莫萊石晶體與瓷體中的粒狀晶體彌散強韌化的復(fù)合材料，不但具有制造成本低廉，而且纖維狀的莫萊石具有較大的比表面積和表面能與顆粒狀的剛玉、方石英陶瓷基體依靠強有力的晶界力相結(jié)合，一方面纖維狀晶體分布在剛玉、方石英顆粒之間，形成纖維/顆粒彌散結(jié)構(gòu)，另一方面，合成的剛玉晶體具“細(xì)晶化”結(jié)構(gòu)，均勻彌散在的方石英等晶體周圍，形成顆粒/顆粒二次彌散的疊加?！半p重彌散”導(dǎo)致了纖維/粒狀復(fù)合彌散結(jié)構(gòu)的形成，有效的改善了瓷體的顯微結(jié)構(gòu)，對提高瓷體的強度和韌性起到了決 定性的作用，從而使該材料的綜合性能有了很大的提高。在陶粒支撐劑配方中引入能在高溫下充分反應(yīng)形成纖維狀晶體的化學(xué)組份，以其作為必須的初始原料，經(jīng)過高溫反應(yīng)使纖維狀晶體與新形成粒狀晶體之間，合成了“雙重彌散”顯微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。由于各個不同的相是在相同溫度、環(huán)境和條件下形成的，致使纖維增強相與顆粒相及氣孔相之間具有很好的應(yīng)力相容性和潤濕性，有效的改善和優(yōu)化了陶粒的顯微結(jié)構(gòu)，使該材料的綜合力學(xué)性能有了明顯的提高。本發(fā)明用金礦尾砂作為主料制備石油壓裂支撐劑。尾砂是黃金生產(chǎn)中不可避免產(chǎn)生的廢渣。根據(jù)國內(nèi)黃金產(chǎn)出的地質(zhì)特征，金礦廢渣主要礦物以石英(30% 60% )、黃鐵礦(5% 20%)、斜長石(10% 30%)、鉀長石(15% 30%)、絹云母(5% 15%)為主，化學(xué)組成一般以 SiO2 (40% 60%)、A1203 ( 15% 25%)、Fe203 (2% 10% )、Ti02 (0 2%)、K2O (3% 8%)、Na20 (2% 5% )等氧化物形成存在，外形為細(xì)粒粉末狀半固體，排放堆積疏松，尾砂顆粒度在70目 160目(0. 22mm 0. 097mm)之間。金礦尾砂既提供了高溫反應(yīng)所必須的組份，又起到了高溫復(fù)合熔劑的作用。尾砂在成份上體現(xiàn)出高硅、低鋁、高鐵、鉀、鈉的特點，在性質(zhì)上表現(xiàn)出低熔點、高效助熔的特征。莫來石纖維的主要來源是高溫下廢渣中的SiO2和氧化鋁粉中的Al2O3反應(yīng)形成莫來石柱體或纖維，纖維相/顆粒相/氣孔相構(gòu)成了彌散態(tài)的顯微結(jié)構(gòu)。非a-Al2O3轉(zhuǎn)變成增強相的細(xì)粒剛玉，剛玉增強相也呈細(xì)晶一彌散態(tài)分布于方石英的周圍，形成了雙重彌散的顯微結(jié)構(gòu)。剛玉和莫來石的產(chǎn)生對支撐劑強度起到了決定性的作用。另一方面尾砂中是熔劑組份K20、Na20、Ca0、Mg0、Fe2O3JiO2等，能有效降低混合料的低共融點，使支撐劑燒結(jié)溫度降低，并與其他組分相互作用形成的少量的玻璃相，充填在因高溫反應(yīng)放出氣體或晶形轉(zhuǎn)化體積膨脹所形成的氣孔內(nèi)，對提高支撐劑的強度起到了有效的補充。本發(fā)明利用金礦尾砂、氧化鋁粉、短切石英纖維經(jīng)燒結(jié)工藝，通過高溫反應(yīng)在基體相和增強相同時合成，并使基體相“細(xì)晶化”、“彌散化”，增強相與基體相再次“彌散“，雙重彌散制備了復(fù)合支撐劑陶粒。由于該材料綜合了細(xì)晶化陶瓷材料和纖維材料的優(yōu)點，并使其中的氣孔相也呈彌散態(tài)均勻分布，一方面保證了陶粒的強度和韌性，另一方面有效降低了材料的密度，使該材料的綜合力學(xué)性能得到了進(jìn)一步的提高。另外，在原料上，大量引入低成本的選礦廢洛，降低了燒成溫度，在快速燒成中實現(xiàn)了細(xì)晶化和彌散化，同時降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明不改變現(xiàn)有工藝，不增加任何設(shè)備，其產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和使用性能完全符合石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5108-2006《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及評價測試方法》。本發(fā)明用石英纖維和金礦尾砂作為主料制備復(fù)合型石油壓裂支撐劑，不僅可發(fā)揮廢渣粒度細(xì)、高硅、低鋁、鐵、鈦、鉀、鈉組份含量大，熔點低、高溫助熔效果顯著的優(yōu)勢，還可以通過工藝條件控制高溫反應(yīng)，使石油壓裂支撐劑中既有高強度的彌散態(tài)粒狀晶體(方石英、剛玉)，又有增強增韌的纖維狀晶體(石英、莫萊石)，二者呈現(xiàn)彌散一細(xì)晶有序纖維/顆粒微觀結(jié)構(gòu)，從而有效提高支撐劑的強度和耐酸度、降低其破碎率，形成性能優(yōu)異的支撐劑材料。
本發(fā)明的效果體現(xiàn)在(I)本發(fā)明的主要原料是選礦過程中不可避免排放的工業(yè)廢棄物，用金礦尾砂制備壓裂支撐劑不僅有助于節(jié)約天然資源，降低生產(chǎn)成本，而且有利于環(huán)境保護(hù)。(2)尾砂原料主要為微米級球形顆粒，與天然礦物相比，原料無需使用大功率破碎機破碎，且各組份之間混料均勻，有效地減小了原料球磨所產(chǎn)生的大量能耗。(3)金礦尾砂的礦物化學(xué)組成和性質(zhì)表現(xiàn)具有高硅、低鋁、鐵、鈦雜質(zhì)含量大，熔點低、高溫助熔效果顯著的特點，既提供了高溫反應(yīng)中所必須的Si02、Al2O3等組份，又供給了高溫熔劑組份K20、Na2O, Fe203、TiO2, CaO、MgO等，減小生產(chǎn)成本。(4)以復(fù)合材料的理論為指導(dǎo)，引入石英纖維，使石油壓裂支撐劑中既有高強度的彌散一細(xì)晶態(tài)的剛玉晶體構(gòu)成了顆粒/顆粒的彌散結(jié)構(gòu)，又有增強增韌的纖維狀彌散化的纖維/顆粒彌散結(jié)構(gòu)，雙重彌散有效改善了瓷體的顯微結(jié)構(gòu)，提高支撐劑的強度和耐酸腐蝕性，降低其破碎率。(5)制備的壓裂支撐劑強度可達(dá)到SOMPa 120MPa，具有強度高、質(zhì)輕、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特性，可作為中、深層油氣田壓裂支撐劑。表I為引入石英纖維并以金礦尾砂為主料于1400°C所制備的壓裂支撐劑陶粒樣品的性能指標(biāo)。表I 1400°C所制備的壓裂支撐劑陶粒樣品的性能200權(quán)利要求
1.一種利用金礦尾砂和石英纖維制備復(fù)合型壓裂支撐劑的方法，其特征在于 1)將金礦尾砂和氧化鋁粉分別放入球磨機中干磨，然后分別過120目篩； 2)按質(zhì)量百分比將40% 55%過篩后的金礦尾砂、30% 45%的氧化鋁粉和10% 15%的耐高溫的短切石英纖維混合后加入到球磨機中，再向球磨機中加入質(zhì)量濃度為10%的樹膠水溶液混勻濕磨形成混合泥漿，泥漿過300目篩； 3)將過篩后泥漿采用壓力式噴霧造粒機造粒，造粒形成的球形顆粒過18目和30目篩，將兩篩之間的篩余物顆粒收集待燒； 4)將待燒顆粒放入氧化鋁坩堝中，并置于硅碳棒電阻爐內(nèi)，以5°C/min 10°C /min的加熱速度自室溫升溫至1230°C，保溫0. 5h lh，以5°C /min 7 V /min的加熱速度升溫至1350°C 1400°C，保溫2h 3h，隨爐自然冷卻后取出，過20目 40目篩，即得復(fù)合壓裂支撐劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用金礦尾砂和石英纖維制備復(fù)合型壓裂支撐劑的方法，其特征在于所述的步驟I)干磨是利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球和原料的質(zhì)量比為(2 3) : I,分別球磨0. 5h 2h。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用金礦尾砂和石英纖維制備復(fù)合型壓裂支撐劑的方法，其特征在于所述的步驟2)濕磨是利用氧化鋁球石作為研磨介質(zhì)，控制磨球、混合料和樹膠水溶液的質(zhì)量比為(2 3) I (0. 3 0. 4)，研磨0. 5h 3h。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用金礦尾砂和石英纖維制備復(fù)合型壓裂支撐劑的方法，其特征在于所述的步驟3)造粒噴霧造粒機進(jìn)風(fēng)溫度為300°C 500°C，熱風(fēng)爐溫度為600°C 800°C，排風(fēng)溫度為80°C 95°C，泥漿壓力為I. 2MPa I. 5MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用金礦尾砂和石英纖維制備復(fù)合型壓裂支撐劑的方法，其特征在于所述的氧化鋁粉是工業(yè)用的a -氧化鋁(剛玉粉)，其剛玉含量> 98%，粉體粒經(jīng)< 10 u m0
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用金礦尾砂和石英纖維制備復(fù)合型壓裂支撐劑的方法，其特征在于所述的耐高溫的短切石英纖維，其純度為99. 9%，該纖維經(jīng)氧化鋁、氧化鎵摻雜且表面改性處理，纖維的使用溫度1300°C — 1450°C。
全文摘要
一種利用金礦尾砂和石英纖維制備復(fù)合型壓裂支撐劑的方法，將金礦尾砂、氧化鋁粉和耐高溫的耐高溫的短切石英纖維混合后加入樹膠水溶液混勻濕磨后造粒，將顆粒放入氧化鋁坩堝中，并置于硅碳棒電阻爐內(nèi)，以5℃/min～10℃/min的加熱速度自室溫升溫至1230℃，保溫0.5h～1h，以5℃/min～7℃/min的加熱速度升溫至1350℃～1400℃，保溫2h～3h，隨爐自然冷卻后取出，過20目～40目篩，即得復(fù)合壓裂支撐劑。本發(fā)明將復(fù)合材料的理念整合于非致密的陶粒支撐劑之中，并輔以高溫反應(yīng)自生成的方式提供增強增韌所必需的纖維(晶須)，通過纖維增強和顆粒增強兩種手段制備出高強高韌、低密度和低破損率的復(fù)合型壓裂支撐劑。
文檔編號B09B3/00GK102718533SQ201210201400
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者陳平 申請人:陜西科技大學(xué)