本發(fā)明涉及陶瓷技術領域，特別涉及一種超低密度高強度陶瓷壓裂支撐劑及其制備方法。
背景技術：
陶瓷壓裂支撐劑是一種人造的支撐劑，具有較好的圓球度、較高的抗破碎能力以及較高的導流能力，主要用于石油天然氣開采作業(yè)中的井下裂縫支撐，提高裂縫的導流能力，從而增加石油和天然氣的產(chǎn)量。支撐劑的發(fā)展經(jīng)歷了天然石英砂、金屬球、玻璃球以及人造陶粒等過程，人造陶粒由于其制備過程易控制，產(chǎn)品性能優(yōu)良等特點，在油氣增產(chǎn)作業(yè)中得到了廣泛的應用。在具體作業(yè)中，通過地面高壓泵將地底儲層壓裂出數(shù)條裂縫，再通過攜砂液將支撐劑泵送入裂縫中，從而使裂縫保持張開，提高了油氣的產(chǎn)量。實踐證明，使用壓裂支撐劑可以使油井的產(chǎn)量提高30%-50%。壓裂支撐劑是油氣井增產(chǎn)作業(yè)中的關鍵性材料，油氣是近年來隨著石油儲備量減少，常規(guī)性天然氣以及煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)性天然氣資源得到了越來越多的重視，它們的高效開采中，壓裂支撐劑也是必不可少的關鍵性材料，因而，針對頁巖氣、煤層氣開發(fā)所需的壓裂支撐劑的研究勢在必行。
目前壓裂支撐劑的普遍制備工藝是采用Al2O3含量較高的鋁礬土為原料，通過高溫燒結而制備的。這種支撐劑的主要特點為：密度較高（體積密度≥1.65g/cm3，視密度≥3.00g/cm3），強度大（能夠承受69MPa的閉合壓力），缺點為由于其密度大，在泵送過程中所消耗的能量較高、沉降速度過快，同時需要高粘度的攜砂液來進行輸送，會對地底儲層造成不可逆的傷害。
基于頁巖氣、煤層氣開采深度比石油井淺的事實，閉合壓力較小 ，因此其所需的陶瓷壓裂支撐劑需要具備較低的密度以及一定的強度。因此開發(fā)一種超低密度高強度的陶瓷壓裂支撐劑可以降低施工過程中的能耗，同時減小對地底儲層的傷害，提高壓裂效率。
目前針對超低密壓裂支撐劑的制備方法主要有兩種，一種是通過樹脂包覆輕質(zhì)原料來制備，如申請?zhí)枮?01510366914.4的中國專利公開了一種以酚醛樹脂覆膜所制備的超低密壓裂支撐劑；另一種是通過制備空心陶粒來降低支撐劑的密度，如申請?zhí)枮?01410167985.7的中國專利公開了一種以鋁礬土、錳粉和煤粉為原料，通過制備出空心陶粒的方法制備了超低密壓裂支撐劑。
上述超低密的陶瓷壓裂支撐劑的制備工藝比較復雜，特別是空心陶粒的制備過程不易控制。同時所制備的超低密壓裂支撐劑強度不高（≤40MPa）。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種制備簡單且易控制、燒成溫度低，高強度的超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑及其制備方法。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：
一種超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑，包括以下重量份的原料制備而成：鋁礬土50-65份，輕燒鋁礬土20-30份，鉀長石15-20份，以及原料總重量的1%-5%的礦物添加劑白云石。
本發(fā)明的制備方法包括如下步驟：
將鋁礬土、輕燒鋁礬土、鉀長石和白云石分別經(jīng)過破碎、球磨，再按上述比例進行稱量，經(jīng)過混料、造粒、烘干和燒結，得到產(chǎn)品。
所述的鋁礬土滿足中國國家標準GB/T 24483-2009《鋁土礦石》中的CLK8-65沉積型一水硬鋁石，其技術指標為Al/Si重量比≥8，Al2O3含量≥65wt%。
所述的輕燒鋁礬土是由鋁礬土在600-800℃下煅燒0.5-1.5h所制備的。
所述鉀長石主要含量為Al2O3 10-20wt%，SiO2 50-70wt%。
所述白云石主要含量為CaO 25-35wt%，MgO 20-30wt%。
所述球磨后粒度為325目篩余物≤8%。
所述的混料設備為德國愛立許強力混合造粒機，混合時間為10-20min。
所述的造粒粒度大小為18-25目。
所述烘干溫度為90-120℃，烘干時間為2-4h。
所述的燒結溫度為1300-1350℃，時間為1h-3h。
本發(fā)明的超低密高強度的有益效果在于：
（1）本發(fā)明的超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑采用鋁礬土和鉀長石作為主要原料，自然界存在較為廣泛，易于獲得；
（2）本發(fā)明通過將鉀長石作為原料加入到鋁礬土中，降低原料中的Al2O3的含量，從而降低支撐劑的密度，超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑的體積密度為1.20-1.30g/cm3，視密度為2.50-2.65g/cm3，產(chǎn)品與現(xiàn)有的超低密產(chǎn)品相對比，制備工藝更加簡單，性能優(yōu)良。
（3）本發(fā)明引入礦物添加劑白云石來降低支撐劑的燒成溫度，燒結溫度為1300℃-1350℃，與現(xiàn)有的鋁礬土基陶瓷壓裂支撐劑相對比，燒成溫度得到了有效降低，從而降低了成本。
（4）本發(fā)明的超低密高強度的陶瓷壓裂支撐劑的制備工藝簡單，易于推廣，可廣泛用于煤層氣以及頁巖氣的開發(fā)與應用中。
（5）本發(fā)明所制備的壓裂支撐劑強度較高，與現(xiàn)有的超低密壓裂支撐劑的強度（≤40MPa）相比，其抗破碎能力更高，52MPa閉合壓力下的破碎率≤8%。
具體實施方式
為詳細說明本發(fā)明的技術內(nèi)容，所實現(xiàn)的效果，結合如下實施方式予以說明。
實施例1：
本實施例的一種超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑，由以下重量份的原料制備而成：鋁礬土50份，輕燒鋁礬土20份，鉀長石30份，白云石占總重量的1%。
本實施例的超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑的制備方法，將上述原料進行破碎、球磨，再按照上述比例稱取粉磨好的原料，經(jīng)過混料、造粒、干燥和燒結。
上述的鋁礬土主要含量為Al2O3 65.54wt%，SiO2 7.62wt%；上述的輕燒鋁礬土是由鋁礬土在600℃下煅燒0.5h所制備的；上述的鉀長石主要含量為Al2O3 17.32wt%，SiO262.88wt%，上述白云石主要含量為CaO 26.06wt%，MgO 23.74wt%；上述的原料粒度為：球磨后325目篩余物≤8%；上述的混料設備為德國愛立許強力混合造粒機，混合時間為10min；上述的造粒粒度大小為18-25目；上述烘干溫度為90℃，烘干時間為2h；上述的燒結溫度為1300℃，時間為1.5h。
實施例2：
本實施例的一種超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑，由以下重量份的原料制備而成：鋁礬土55份，輕燒鋁礬土25份，鉀長石20份，白云石占總重量的2%。
本實施例的超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑的制備方法，將上述原料進行破碎、球磨，再按照上述比例稱取粉磨好的原料，經(jīng)過混料、造粒、干燥和燒結。
上述的鋁礬土主要含量為Al2O3 67.28wt%，SiO2 8.32wt%；上述的輕燒鋁礬土是由鋁礬土在700℃下煅燒1h所制備的；上述的鉀長石主要含量為Al2O3 14.32wt%，SiO267.66wt%，上述白云石主要含量為CaO 30.05wt%，MgO 23.42wt%；上述的原料粒度為：球磨后325目篩余物≤8%；上述的混料設備為德國愛立許強力混合造粒機，混合時間為15min；上述的造粒粒度大小為18-25目；上述烘干溫度為100℃，烘干時間為2h；上述的燒結溫度為1330℃，時間為2h。
實施例3：
本實施例的一種超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑，由以下重量份的原料制備而成：鋁礬土60份，輕燒鋁礬土25份，鉀長石15份，白云石占總重量的3%。
本實施例的超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑的制備方法，將上述原料進行破碎、球磨，再按照上述比例稱取粉磨好的原料，經(jīng)過混料、造粒、干燥和燒結。
上述的鋁礬土主要含量為Al2O3 66.38wt%，SiO2 8.09wt%；上述的輕燒鋁礬土是由鋁礬土在750℃下煅燒1h所制備的；上述的鉀長石主要含量為Al2O3 16.38wt%，SiO259.36wt%，上述白云石主要含量為CaO 28.63wt%，MgO 21.69wt%；上述的原料粒度為：球磨后325目篩余物≤8%；上述的混料設備為德國愛立許強力混合造粒機，混合時間為15min；上述的造粒粒度大小為18-25目；上述烘干溫度為110℃，烘干時間為3h；上述的燒結溫度為1330℃，時間為2h。
實施例4：
本實施例的一種超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑，由以下重量份的原料制備而成：鋁礬土65份，輕燒鋁礬土20份，鉀長石15份，白云石占總重量的3%。
本實施例的超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑的制備方法，將上述原料進行破碎、球磨，再按照上述比例稱取粉磨好的原料，經(jīng)過混料、造粒、干燥和燒結。
上述的鋁礬土主要含量為Al2O3 67.66wt%，SiO2 8.16wt%；上述的輕燒鋁礬土是由鋁礬土在800℃下煅燒2h制備的；上述的鉀長石主要含量為Al2O3 18.36wt%，SiO264.36wt%，上述白云石主要含量為CaO 32.36wt%，MgO 24.56wt%；上述的原料粒度為：球磨后325目篩余物≤8%；上述的混料設備為德國愛立許強力混合造粒機，混合時間為15min；上述的造粒粒度大小為18-25目；上述烘干溫度為120℃，烘干時間為3h；上述的燒結溫度為1350℃，時間為3h。
實施例5：
本實施例的一種超低密高強度壓裂支撐劑，由以下重量份的原料制備而成：鋁礬土60份，輕燒鋁礬土25份，鉀長石15份，白云石占總重量的5%。
本實施例的超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑的制備方法，將上述原料進行破碎、球磨，再按照上述比例稱取粉磨好的原料，經(jīng)過混料、造粒、干燥和燒結。
上述的鋁礬土主要含量為Al2O3 68.82wt%，SiO2 8.23wt%；上述的輕燒鋁礬土是由鋁礬土在800℃下煅燒2h所制備的；；上述的鉀長石主要含量為Al2O3 15.98wt%，SiO266.23wt%，上述白云石主要含量為CaO 30.69wt%，MgO 27.56wt%；上述的原料粒度為：球磨后325目篩余物≤8%；上述的混料設備為德國愛立許強力混合造粒機，混合時間為20min；上述的造粒粒度大小為18-25目；上述烘干溫度為120℃，烘干時間為4h；上述的燒結溫度為1350℃，時間為3h。
上述實施例效果分析如下：
將上述實施例1-5所制備的超低密高強度陶瓷壓裂支撐劑分別進行體積密度、視密度以及破碎率的測定。
測定結果為：
實施例1中，所制備的超低密高強度的陶瓷壓裂支撐劑的體積密度為1.26g/cm3,，視密度為2.63g/cm3,52MPa閉合壓力下的破碎率為6.43%，滿足SY/T 5108-2014的行業(yè)標準要求。
實施例2中，所制備的超低密高強度的陶瓷壓裂支撐劑的體積密度為1.30g/cm3,，視密度為2.58g/cm3,52MPa閉合壓力下的破碎率為4.51%，滿足SY/T 5108-2014的行業(yè)標準要求。
實施例3中，所制備的超低密高強度的陶瓷壓裂支撐劑的體積密度為1.27g/cm3,，視密度為2.61g/cm3,52MPa閉合壓力下的破碎率為5.25%，滿足SY/T 5108-2014的行業(yè)標準要求。
實施例4中，所制備的超低密高強度的陶瓷壓裂支撐劑的體積密度為1.24g/cm3,，視密度為2.60g/cm3,52MPa閉合壓力下的破碎率為5.51%，滿足SY/T 5108-2014的行業(yè)標準要求。
實施例5中，所制備的超低密高強度的陶瓷壓裂支撐劑的體積密度為1.28g/cm3,，視密度為2.63g/cm3,52MPa閉合壓力下的破碎率為7.84%，滿足SY/T 5108-2014的行業(yè)標準要求。
綜上所述，本發(fā)明提供的超低密高強度壓裂支撐劑具有原料來源方便、密度低、導流能力高、抗破碎能力高的優(yōu)點。本發(fā)明的超低密高強度壓裂支撐劑的制備方法具有制備工藝簡單、燒成溫度低、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書內(nèi)容所做的等同交換，或直接或間接運用在相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。