添加陶粒砂廢料對制備支撐劑的影響

趙 爽，劉 挺，王 超

（陜西省石油化工研究設計院，陜西 渭南 714000）

添加陶粒砂廢料對制備支撐劑的影響

趙 爽，劉 挺，王 超

（陜西省石油化工研究設計院，陜西 渭南 714000）

陶粒支撐劑廢料，混合鋁礬土粉、黏土為原料，采取逐步添加的方法研究了廢料的加入量對支撐劑性能的影響。結果表明，其半成品體積密度增高，同一燒結溫度下，成品體積密度也增高，破碎率增大，強度降低。

支撐劑 ；廢料；強度；燒結；鋁礬土

0 引 言

支撐劑是水力壓裂廣泛使用的一種材料。深井壓裂施工時，將其隨壓裂液填充到低滲透礦床的巖層縫隙中，進行高閉合壓裂處理，支撐裂隙不因應力釋放而閉合，形成油氣流出的通道，不但能增加油氣產量，而且可以延長油氣井服務年限。

國內支撐劑生產廠家多而雜，支撐劑生產工藝及原料利用率參差不齊，且生產過程中，或多或少都會產生過燒或產品性能不合格的廢料難以回收利用，包含生產過程中的大塊廢料、破碎率不合格的廢料等，一些廢料經過破碎、篩分后重新添加后可以再次利用，但是仍然有一部分不能回摻使用。隨著陶粒支撐劑新標準的實施，對陶粒支撐劑的性能要求越來越嚴格，回摻的難度越來越大，回摻量也越來越少，生產廢料卻在不斷的堆積，占據大量的地方，污染環境，同時造成資源浪費。如果將其變廢為寶，不僅解決了占地和污染的問題，同時可將資源的利用達到最大化。據統計，生產中產生的廢料約占產量的1-5%左右，用陶粒支撐劑廢料替代部分鋁礬土原料制備石油壓裂支撐劑可以降低生產成本。

本文利用陶粒支撐劑廢料，黏土和添加劑為原料，研究了廢料的加入量對支撐劑性能的影響。

1 實驗方法

表1 廢料、混合鋁礬土粉的化學成分 (wt.%)Tab.1 Chemical composition of the tailing and powdered bauxite mixture (wt.%)

1.1 原材料

陶粒廢料是我們公司選擇的無法回摻的大塊料。廢料大塊料進行破碎和磨細，將出料細度控制在325目篩網水洗通過率為99．5%以上即可，成分如表1。

鋁礬土粉選用公司現有的混合鋁礬土粉，細度控制在325目篩網水洗通過率為99．5%以上即可。成分如表1。

粘結劑選擇河南黏土，其為灰黃色，無層理結構，遇水無膨脹。黏土為塊狀料，須經制樣機進一步磨細至325目篩網水洗通過率為99．5%以上即可，并進行了成分分析，化學組成見表2。

1.2 實驗流程

根據表2中原材料的化學成分及粉料細度，采取逐步添加的方法進行實驗，依據實驗結果及時調整實驗配方方案。整個實驗主要分為兩部分，首先將部分廢料、混合鋁礬土粉相互配比進行試驗，最后進行優化，得出滿足性能指標的配方，具體配方如表3所示。

0號為未添加廢料的配方，其他添加陶粒砂廢料含量由1%增加至7%，混和鋁礬土粉由98．5%下降至92．5%，黏土為0．5%。

將陶粒砂廢料、混合鋁礬土粉、黏土原料分別破碎和磨細，按不同的比例進行配料，并在V35混合機中混合均勻，混合均勻的原料在BYJ500成球機中成球，水分控制在8%-11%，過篩。放置干燥。半成品在高溫電爐中煅燒，通過緩慢升溫至最高溫度(1260-1290 ℃)，自然冷卻，冷卻后的樣品經篩分后密封保存，即為陶粒砂成品。

2 結果及討論

對表3配方進行了造粒，并進行了半成品檢測，結果如表4。

將獲得的半成品樣品在1260℃進行燒制，并進行部分性能指標測定，結果如表5(表中燒結狀態為不同溫度下的結塊狀態，物料不同造成粘結程度不同。1．5#顆粒狀分散，未燒透；2#弱粘結，輕輕撥動即開)。

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

表3 實驗配方 (%)Tab.3 Experimental formula (%)

表4 實驗配方的半成品檢測結果Tab.4 Test results of semi-products prepared from the experimental formula

表5 實驗配方的成品檢測結果 (1260 ℃)Tab.5 Test results of fi nish products prepared from the experimental formula (1260 ℃)

由表5可知，燒結溫度1260 ℃下，0號到05號配方樣品強度均滿足行業要求，06號和07配方樣品欠燒。

由表6可知，燒結溫度1270 ℃下，0號到06號配方樣品強度均滿足行業要求。

由表7可知，燒結溫度1280 ℃下，01號到07號配方樣品強度均滿足行業要求，0號配方樣品過燒。

由表8可知，燒結溫度1290 ℃下，03號到07號配方樣品強度均滿足行業要求，0號到02配方樣品過燒結塊嚴重無法獲得檢測結果。

2.1 廢料含量對體積密度的影響

由表8可以看出，隨著陶粒砂廢料添加含量的增加，其半成品體積密度增高，同一燒結溫度下，成品體積密度也增高。由于廢料Al2O3高達69．37%，而混合鋁礬土粉料Al2O3僅有61．26%，使得廢料粉料的比重大于混合鋁礬土粉料的比重。因而廢料添加含量越高，體積密度越大。

2.2 廢料含量對強度的影響

由表8可以看出，同一燒結溫度下，隨著陶粒砂廢料添加含量的增加，其成品破碎率增大，強度降低。這是由于陶粒砂廢料是燒結廢料，物料燒結后本身活性降低，經過再破碎、成型后，均勻地分布于顆粒中。二次燒成時，本身不發生物相變化，但分布在晶界周圍，且會阻止晶核長大，在表面形成氣孔，則會影響產品強度。因而隨著廢料添加含量的提高，樣品破碎率增大，強度降低。

此外，表8中也看出燒成制度的不同對樣品強度的影響較為明顯。在一定范圍內，隨著最終煅燒溫度的升高，樣品的強度也隨著升高。因為隨著溫度的升高，生成了大量的液相，增加了顆粒與顆粒之間的結合程度，從而提高了樣品的強度。但溫度過高，樣品會過燒結塊，強度會降低，這是由于內部液相增加過多，晶界變寬，出現晶體異常長大、晶粒不均勻，導致樣品致密度和強度下降。

表6 實驗配方的成品檢測結果 (1270 ℃)Tab.6 Test results of fi nish products prepared from the experimental formula (1270 ℃)

表7 實驗配方的成品檢測結果 (1280 ℃)Tab. 7 Test results of fi nish products prepared from the experimental formula (1280 ℃)

表8 實驗配方的成品檢測結果 (1290 ℃)Tab.8 Test results of fi nish products prepared from the experimental formula (1290 ℃)

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

從表8的29個成品樣品檢測結果來看，有25個樣品的破碎率滿足行業標準要求。但兼顧廢料添加量(越高越好)與大生產設備及工藝誤差(破碎率控制在6．5以內)，最終確定最佳的配方為04號(1280 ℃下)。

3 產品性能

最終對優選的配方進行重復試驗，最終樣品按照中華人民共和國石油天然氣行業標準《壓裂支撐劑性能指標及測試推薦方法》SY/T 5108-2006的要求進行檢測，表9為產品的指標。

4 結 論

(1)隨著陶粒砂廢料添加含量的增加，其半成品體積密度增高。

(2)同一燒結溫度下，隨著陶粒砂廢料添加含量的增加，成品體積密度也增高。其成品破碎率增大，強度降低。

(3)使原有廢棄物資源化，變廢為寶。

[1] 李萬輝． 貴州高鋁礬土熟料的煅燒及特性[J]． 四川冶金, 1992(4 ): 67-70．

[2] 石油天然氣行業標準． 壓裂支撐劑性能測試推薦方法[R]．SYT-5108, 1997．

[3] 師志虎, 韋文, 石磊, 尚養兵, 袁斌． 石油壓裂陶粒支撐劑研究進展探討[J]． 中國石油和化工標準與質量, 2013, 08．

[4] 賈新勇． 我國支撐劑的發展應用及現狀[J]． 企業技術開發, 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。

趙爽，女，工程師。

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

Correspondent author:ZHAO Shuang, female, Engineer.

E-mail:47665780@qq.com