一種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑及其制備方法
【專利摘要】一種利用煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑及其制備方法，屬于陶瓷材料和煤層氣壓裂施工開(kāi)采用支撐劑技術(shù)領(lǐng)域，它包括煤矸石和鋁礬土，其特征是：陶粒支撐劑原料組成及其重量百分比含量為：煤矸石80~90%，鋁礬土10~20%，將煤矸石、鋁礬土礦分別磨粉至粒徑小于325目標(biāo)準(zhǔn)篩的篩孔尺寸，得到初始粉料；將初始粉料均勻混合，得到混合粉料；混合粉料添加臨時(shí)粘結(jié)劑后置于造粒機(jī)中造粒；將球形顆粒坯體烘干，然后依次通過(guò)18目、40目篩得到球形顆粒坯體；將篩分出的坯體燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫后，坯體依次通過(guò)20目、40目篩，即獲得20目~40目粒徑的陶粒支撐劑。本發(fā)制備的陶粒支撐劑，降低煤層氣開(kāi)采成本，實(shí)現(xiàn)煤矸石固廢物的資源化利用，減少固廢物堆積及環(huán)境污染。
【專利說(shuō)明】
一種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種利用煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑及其制備方法，屬于陶瓷材料和煤層氣壓裂施工開(kāi)采用支撐劑技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]煤矸石是在采煤和洗煤過(guò)程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物，是在成煤過(guò)程中由煤礦、泥土和砂巖形成的一種堅(jiān)硬的、含碳量較低的黑色混合物巖石，其主要成分是Al2O3與S12,以及Fe2O3、K20等。據(jù)統(tǒng)計(jì)山西省煤矸石排放量約15億噸，居全國(guó)首位，煤矸石山約1540座，占地約26萬(wàn)公頃，年均排放量約I億噸。固體廢棄物的堆積與排放不僅占用了大量的土地，污染水資源與土地資源，而且產(chǎn)生的固體粉塵也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害，同時(shí)也導(dǎo)致了 Al2O3資源的浪費(fèi)。
[0003]陶粒支撐劑是煤層氣井壓裂與能源開(kāi)采過(guò)程中的關(guān)鍵材料。水力壓裂過(guò)程中，支撐劑隨著壓裂液一起注入到煤層裂縫中；撤去壓力后，支撐劑留在壓裂產(chǎn)生的裂縫中支撐裂縫，使得煤層裂縫保持張開(kāi)狀態(tài)，為煤層氣的逸出提供了一條具有高導(dǎo)流能力的通道，使得煤層氣由煤層深處不斷向外逸出，最終實(shí)現(xiàn)提高煤層氣開(kāi)采量與采收率的目的。
[0004]目前，國(guó)內(nèi)外大多采用高品位鋁礬土或高嶺土為原料制備剛玉質(zhì)陶粒支撐劑，但隨著陶粒支撐劑的快速發(fā)展和大量需求，高品位鋁礬土和高嶺土的原料價(jià)位不斷飆升，致使陶粒支撐劑的生產(chǎn)成本普遍高漲，間接加大了油氣開(kāi)采壓裂施工的成本。
[0005]與石油開(kāi)采相比，煤層氣儲(chǔ)藏較淺，煤層質(zhì)地較軟，使得煤層氣開(kāi)采對(duì)支撐劑破碎率的要求較低(35MPa閉合壓力下破碎率低于10%)，因此煤層氣井用支撐劑沒(méi)有必要選用價(jià)格相對(duì)昂貴的高等級(jí)鋁礬土，而是選用一些Al2O3含量較低的礦物原料，降低生產(chǎn)成本，避免材料高檔低用，這樣也使得Al2O3含量較低的煤矸石固廢物制備煤層氣井用支撐劑成為可會(huì)K。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于充分利用煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑，降低陶粒支撐劑成本的同時(shí)滿足生產(chǎn)實(shí)際的需求，提供一種利用煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑及其制備方法。
[0007]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0008]—種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑，它包括煤矸石和鋁礬土，其特征是:
所述煤肝石原料組成及其重量百分比含量為:Al2C>3含量為20~25%，SiC>2含量為60~65%，K2O含量為I?5%，F(xiàn)e2O3含量為3~5%，其他不可避免的雜質(zhì)含量為0.5-2% ；
所述鋁礬土原料組成及其重量百分比含量為:Al2O3含量為58?65%，S12含量為15?26%，F(xiàn)e2O3含量為5?10%，Ti02含量為2~5%，其他不可避免的雜質(zhì)含量為0.5?1%;
所述陶粒支撐劑原料組成及其重量百分比含量為:煤矸石80?90%，鋁礬土 10?20%。
[0009]所述陶粒支撐劑中各相成分及重量百分比含量為:石英相含量為24.0-32.7%，莫來(lái)石相含量為34.9?49.1%，其余為非晶態(tài)玻璃相。
[0010]所述陶粒支撐劑體積密度為0.9-1.2g/cm3，35Mpa閉合壓力下破碎率為5.6-8.5%。
[0011]—種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑的制備方法，其特征是制備過(guò)程如下:
1)、將煤矸石、鋁礬土礦分別磨粉至粒徑小于325目標(biāo)準(zhǔn)篩的篩孔尺寸，得到初始粉料；
2)、將前步I)制得的初始粉料按煤矸石:鋁礬土重量百分比含量為80?90%: 10?20%配料，并將初始粉料均勻混合，得到混合粉料；
3)、將前步2)制得的混合粉料置于造粒機(jī)中，添加臨時(shí)粘結(jié)劑后進(jìn)行造粒，所述臨時(shí)粘結(jié)劑為濃度為5g/mL的聚乙烯醇稀溶液，添加的所述臨時(shí)粘結(jié)劑含量為混合粉料質(zhì)量的10?15%；
4)、將前步3)制得的球形顆粒坯體置于干燥箱中烘干，坯體烘干后依次通過(guò)18目篩、40目篩，得到18目?40目粒徑的球形顆粒坯體；
5)、將前步4)制得的18目?40目粒徑的球形顆粒坯體置于燒結(jié)爐中，以5°C/min的升溫速度升溫至1200?1300°C，保溫I?2h后隨爐冷卻至室溫，最后將球形顆粒依次通過(guò)20目篩、40目篩篩分，即獲得20目?40目粒徑陶粒支撐劑。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果。
[0013]通過(guò)本發(fā)明提供的制備方法所制備的陶粒支撐劑，能夠滿足煤層氣井的使用要求(35MPa閉合壓力下破碎率低于10%，體積密度低于1.56g/cm3)。所制備的陶粒支撐劑既能降低煤層氣開(kāi)采成本，又能實(shí)現(xiàn)煤矸石固廢物的資源化利用，減少固廢物堆積及環(huán)境污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明在12000C燒結(jié)溫度下陶粒支撐劑的SEM照片。
[0015]圖2為本發(fā)明在12500C燒結(jié)溫度下陶粒支撐劑的SEM照片。
[0016]圖3為本發(fā)明在13000C燒結(jié)溫度下陶粒支撐劑的SEM照片。
[0017]圖4為實(shí)施例一制備的陶粒支撐劑的X射線衍射圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0019]本發(fā)明的原料為:陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司周邊排放的煤矸石礦與陽(yáng)泉市長(zhǎng)青石油壓裂支撐劑有限公司提供的鋁礬土礦。
[0020]實(shí)施例一
如圖1和圖4所示，一種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑，它包括煤矸石和鋁礬土，其特征是:
所述煤矸石原料組成及其重量百分比含量為:AI2O3含量為23.3%，Si02含量為65%，K2〇含量為5%，F(xiàn)e2O3含量為5%，其他不可避免的雜質(zhì)含量為1.7%;
所述鋁礬土原料組成及其重量百分比含量為:Al2O3含量為64.8%，S12含量為20%，F(xiàn)e203含量為10%，Ti02含量為5%，其他不可避免的雜質(zhì)含量為0.2%; 所述陶粒支撐劑原料組成及其重量百分比含量為:煤矸石90%，鋁礬土 10%。
[0021]所述陶粒支撐劑中各相成分及重量百分比含量為:石英相含量為31.2%，莫來(lái)石相含量為39.5%，非晶態(tài)玻璃相含量為29.3%。
[0022]—種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑的制備方法，其特征是制備過(guò)程如下:
1)、將煤矸石、鋁礬土礦分別磨粉至粒徑小于325目標(biāo)準(zhǔn)篩的篩孔尺寸，得到初始粉料；
2)、將前步I)制得的初始粉料按煤矸石:鋁礬土重量百分比含量為90%: 10%配料，并將初始粉料均勻混合，得到混合粉料；
3)、將前步2)制得的混合粉料置于RO型愛(ài)立許造粒機(jī)中，添加臨時(shí)粘結(jié)劑后進(jìn)行造粒，所述臨時(shí)粘結(jié)劑為濃度為5g/mL的聚乙烯醇稀溶液，添加的所述臨時(shí)粘結(jié)劑含量為混合粉料質(zhì)量的15%;
4)、將前步3)制得的球形顆粒坯體置于鼓風(fēng)式干燥箱中烘干，然后依次通過(guò)18目篩、40目篩，得到18目?40目粒徑的球形顆粒坯體；
5)、將前步4)制得的18目?40目粒徑的球形顆粒坯體置于KF1700型箱式燒結(jié)爐中，以5°C/min的升溫速度升溫至1200°C，保溫Ih后隨爐冷卻至室溫，最后將球形顆粒依次通過(guò)20目篩、40目篩篩分，即獲得20目?40目粒徑陶粒支撐劑。
[0023]制備的陶粒支撐劑，主要晶相是石英和莫來(lái)石，1200°C下燒成的陶粒支撐劑的體積密度為0.98 g/cm3，35MPa閉合壓力下的破碎率分別為9.6%，滿足煤層氣井使用要求。
[0024]實(shí)施例二
如圖2所示，一種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑，它包括煤矸石和鋁礬土，其特征是:
所述煤矸石原料組成及其重量百分比含量為:AI2O3含量為25%，3;102含量為65%，1(20含量為5%，F(xiàn)e2O3含量為4.5%，其他不可避免的雜質(zhì)含量為0.5% ；
所述鋁礬土原料組成及其重量百分比含量為:Al2O3含量為58%，Si02含量為20%，F(xiàn)e203含量為10%，Ti02含量為5%，其他不可避免的雜質(zhì)含量為1%;
所述陶粒支撐劑原料組成及其重量百分比含量為:煤矸石87%，鋁礬土 13%。
[0025]陶粒支撐劑重量百分比含量為:石英含量為32.7%，莫來(lái)石含量為42.5%，非晶態(tài)玻璃相含量為24.8%。
[0026]—種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑的制備方法，其特征是制備過(guò)程如下:
1)、將煤矸石、鋁礬土礦分別磨粉至粒徑小于325目標(biāo)準(zhǔn)篩的篩孔尺寸，得到初始粉料；
2)、將前步I)制得的初始粉料按煤矸石:鋁礬土重量百分比含量為87%: 13%配料，并將初始粉料均勻混合，得到混合粉料；
3)、將前步2)制得的混合粉料置于RO型愛(ài)立許造粒機(jī)中，添加臨時(shí)粘結(jié)劑后進(jìn)行造粒，所述臨時(shí)粘結(jié)劑為濃度為5g/mL的聚乙烯醇稀溶液，添加的所述臨時(shí)粘結(jié)劑含量為混合粉料質(zhì)量的12%;
4)、將前步3)制得的球形顆粒坯體置于鼓風(fēng)式干燥箱中烘干，然后依次通過(guò)18目篩、40目篩，得到18目?40目粒徑的球形顆粒坯體；
5)、將前步4)制得的18目?40目粒徑的球形顆粒坯體置于KF1700型箱式燒結(jié)爐中，以5°C/min的升溫速度升溫至1250°C，保溫1.5h后隨爐冷卻至室溫，最后將球形顆粒依次通過(guò)20目篩、40目篩篩分，即獲得20目?40目粒徑陶粒支撐劑。
[0027]制備的陶粒支撐劑，主要晶相是石英和莫來(lái)石，1250°C下燒成的陶粒支撐劑的體積密度為1.0I g/cm3，35MPa閉合壓力下的破碎率分別為7.2%，滿足煤層氣井使用要求。
[0028]實(shí)施例三
如圖3所示，一種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑，它包括煤矸石和鋁礬土，其特征是:
所述煤矸石原料組成及其重量百分比含量為:AI2O3含量為20%，3;102含量為70%，1(20含量為4%，F(xiàn)e2O3含量為1%，其他不可避免的雜質(zhì)含量為1% ；
所述鋁礬土原料組成及其重量百分比含量為:Al2O3含量為58%，Si02含量為26%，F(xiàn)e203含量為10%，Ti02含量為5%，其他不可避免的雜質(zhì)含量為1%;
所述陶粒支撐劑原料組成及其重量百分比含量為:煤矸石80%，鋁礬土 20%。
[0029]陶粒支撐劑重量百分比含量為:石英含量為29.3%，莫來(lái)石含量為49.1%，非晶態(tài)玻璃相含量為21.6%。
[0030]一種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑的制備方法，其特征是制備過(guò)程如下:
1)、將煤矸石、鋁礬土礦分別磨粉至粒徑小于325目標(biāo)準(zhǔn)篩的篩孔尺寸，得到初始粉料；
2)、將前步I)制得的初始粉料按煤矸石:鋁礬土重量百分比含量為80%:20%配料，并將初始粉料均勻混合，得到混合粉料；
3)、將前步2)制得的混合粉料置于RO型愛(ài)立許造粒機(jī)中，添加臨時(shí)粘結(jié)劑后進(jìn)行造粒，所述臨時(shí)粘結(jié)劑為濃度為5g/mL的聚乙烯醇稀溶液，添加的所述臨時(shí)粘結(jié)劑含量為混合粉料質(zhì)量的10%;
4)、將前步3)制得的球形顆粒坯體置于鼓風(fēng)式干燥箱中烘干，然后依次通過(guò)18目篩、40目篩，得到18目?40目粒徑的球形顆粒坯體；
5)、將前步4)制得的18目?40目粒徑的球形顆粒坯體置于KF1700型箱式燒結(jié)爐中，以5°C/min的升溫速度升溫至1300°C，保溫2h后隨爐冷卻至室溫，最后將球形顆粒依次通過(guò)20目篩、40目篩篩分，即獲得20目?40目粒徑陶粒支撐劑。
[0031]制備的陶粒支撐劑，主要晶相是石英和莫來(lái)石，1300°C下燒成的陶粒支撐劑的體積密度為1.26g/cm3，35MPa閉合壓力下的破碎率分別為5.8%，滿足煤層氣井使用要求。
[0032]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑，它包括煤矸石和鋁礬土，其特征是: 所述煤肝石原料組成及其重量百分比含量為:AI2O3含量為20?25%，Si02含量為60?65%，K2O含量為1~5%，F(xiàn)e2O3含量為3~5%，其他不可避免的雜質(zhì)含量為0.5-2% ； 所述鋁礬土原料組成及其重量百分比含量為:Al2O3含量為58?65%，S12含量為15?26%，F(xiàn)e2O3含量為5?10%，Ti02含量為2~5%，其他不可避免的雜質(zhì)含量為0.5?1%; 所述陶粒支撐劑原料組成及其重量百分比含量為:煤矸石80?90%，鋁礬土 10?20%。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑，其特征是:所述陶粒支撐劑中各相成分及重量百分比含量為:石英相含量為24.0?32.7%，莫來(lái)石相含量為34.9~49.1%，其余為非晶態(tài)玻璃相。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑，其特征是:陶粒支撐劑體積密度為0.9?1.2g/cm3，35Mpa閉合壓力下破碎率為5.6-8.5%。4.一種煤矸石制備煤層氣井用陶粒支撐劑的制備方法，其特征是制備過(guò)程如下: 1)、將煤矸石、鋁礬土礦分別磨粉至粒徑小于325目標(biāo)準(zhǔn)篩的篩孔尺寸，得到初始粉料； 2)、將前步I)制得的初始粉料按煤矸石:鋁礬土重量百分比含量為80?90%: 10?20%配料，并將初始粉料均勻混合，得到混合粉料； 3)、將前步2)制得的混合粉料置于造粒機(jī)中，添加臨時(shí)粘結(jié)劑后進(jìn)行造粒，所述臨時(shí)粘結(jié)劑為濃度為5g/mL的聚乙烯醇稀溶液，添加的所述臨時(shí)粘結(jié)劑含量為混合粉料質(zhì)量的10?15%； 4)、將前步3)制得的球形顆粒坯體置于干燥箱中烘干，坯體烘干后依次通過(guò)18目篩、40目篩，得到18目?40目粒徑的球形顆粒坯體； 5)、將前步4)制得的18目?40目粒徑的球形顆粒坯體置于燒結(jié)爐中，以5°C/min的升溫速度升溫至1200?1300°C，保溫I?2h后隨爐冷卻至室溫，最后將球形顆粒依次通過(guò)20目篩、40目篩篩分，即獲得20目?40目粒徑陶粒支撐劑。
【文檔編號(hào)】C09K8/80GK105885820SQ201610255316
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】王凱悅, 田玉明, 郝建英, 武雅喬, 力國(guó)民, 李占剛, 柴躍生, 趙志剛
【申請(qǐng)人】太原科技大學(xué)