制备陶粒支撑剂的原料组合物和陶粒支撑剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于制备陶粒支撑剂的原料组合物，其中，该原料组合物含有铝土矿、粉煤灰和磷矿石，相对于100重量份的铝土矿，粉煤灰的含量为3-7重量份，磷矿石的含量为2-5重量份。由本发明提供的原料组合物制备的陶粒支撑剂具有高强度低密度，在52MPa闭合压力下，破碎率≤5％、视密度≤2.68g/cm

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制备陶粒支撑剂的原料组合物，由该原料组合物制 备陶粒支撑剂的方法，以及由该方法制备的陶粒支撑剂。

背景技术

目前石油和天然气开采所使用的陶粒支撑剂主要为中等密度中等强度 和高强度高密度产品，随着石油和天然气开采的技术难度增大，具有高强度 低密度的陶粒支撑剂的使用将会愈来愈多。

CN101701149A公开了一种低密度陶粒支撑剂，其特征在于由下列重量 百分比的原料按常规方法制成：高岭土62-75%、A1₂O₃含量为80-85%的铝 矾土17-30%、二氧化锰1-6%、氧化镁0.5-2%。

CN1393424A公开了一种高强度陶粒支撑剂的制造方法，它以100重量 份轻烧铝矾土（三氧化二铝含量≥75%）为基料，加入如下辅料，粘土2-15 份，镧系金属氧化物1-10份，二氧化锰0.3-3份，氧化镁0.1-3份；基、辅 料混合后共磨成细粉，然后加水松解后在成球机制成球粒，再送入窑炉按烧 结温度1100-1500℃，烧结时间0.5-5小时，烧制得成品。

目前制备高强度低密度陶粒支撑剂的方法主要是使用三氧化二铝含量 较高的优质高岭土或铝矾土为主要原料（作为陶粒支撑剂的高岭土或铝矾土 原料的三氧化二铝含量一般在70重量%以上，以三氧化二铁计的铁化合物 的含量一般小于1重量%），通过添加氧化镁或氧化锰等添加剂进行配料来 生产，但是由于优质高岭土或铝矾土资源和分布有限，以及需要添加氧化镁 或氧化锰等添加剂，使得制得的高强度低密度陶粒支撑剂的成本较高，如何 在获得高强度低密度陶粒支撑剂的同时，降低生产成本，成为本领域亟待解 决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制备陶粒支撑剂的原料组合物，该原料组 合物用于制备高强度低密度的陶粒支撑剂。

本发明的另一个目的是提供一种用上述制备陶粒支撑剂的原料组合物 制备陶粒支撑剂的方法。

本发明的第三个目的是提供根据上述方法制备的陶粒支撑剂。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于制备陶粒支撑剂的原料组合 物，其中，该原料组合物含有铝土矿、粉煤灰和磷矿石，相对于100重量份 的铝土矿，粉煤灰的含量为3-7重量份，磷矿石的含量为2-5重量份。

本发明还提供了一种制备陶粒支撑剂的方法，该方法包括将上述用于制 备陶粒支撑剂的原料组合物依次成型和焙烧。

本发明还提供了一种由上述方法制备的陶粒支撑剂。

在采用本发明提供的原料组合物制备陶粒支撑剂的过程中，加入一定量 的粉煤灰能够降低陶粒支撑剂的密度，而加入一定量的磷矿石，能够促进原 料组合物的烧结，进一步提高制备的陶粒支撑剂的强度，从而采用本发明提 供的原料组合物能够制得在52MPa闭合压力下的破碎率≤5％、视密度≤ 2.68g/cm³、体积密度≤1.55g/cm³的陶粒支撑剂。本领域所说的高强度低密 度陶粒支撑剂，通常是指在52MPa闭合压力下，破碎率≤5％、视密度＜ 2.70g/cm³、体积密度＜1.60g/cm³的陶粒支撑剂。由此说明采用本发明提供 的原料组合物制备得到的陶粒支撑剂具有高强度低密度的特点。而且，本发 明提供的用于制备陶粒支撑剂的原料组合物，通过添加磷矿石和工业废渣粉 煤灰与铝土矿组合获得的陶粒支撑剂，不仅能满足石油和天然气开采的需 求，还实现了工业废渣粉煤灰的资源化高效利用，降低了生产成本。

另外，本发明提供的用于制备陶粒支撑剂的原料组合物，还可以采用在 铝土矿开采过程中产生的大量的氧化铝含量较低、杂质含量较高的中低品位 铝土矿（通常指三氧化二铝含量为65重量%以下的铝土矿）为原料，与粉 煤灰和磷矿石组合来制备高强度低密度的陶粒支撑剂，这不仅拓宽了高强度 低密度的陶粒支撑剂的原料来源，更进一步大大降低了生产成本。

此外，本发明优选情况下，在用于制备陶粒支撑剂的原料组合物中加入 锂盐，能与磷矿石在焙烧过程中产生协同作用，进一步促进原料组合物的烧 结，使得制造的陶粒支撑剂具有更高的强度。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供了一种用于制备陶粒支撑剂的原料组合物，其中，该原料组 合物含有铝土矿、粉煤灰和磷矿石，相对于100重量份的铝土矿，粉煤灰的 含量为3-7重量份，磷矿石的含量为2-5重量份。

根据本发明提供的所述原料组合物，只要原料组合物中各组分的含量在 上述范围内即可实现本发明的目的，优选情况下，原料组合物中，相对于100 重量份的铝土矿，粉煤灰的含量为3.5-6重量份、磷矿石的含量为2.5-3.5重 量份，最终制得的陶粒支撑剂具有更高的强度和更低的密度。

根据本发明提供的所述原料组合物，所述原料组合物中的铝土矿可以为 本领域技术人员已知的能够用于制备高强度低密度陶粒支撑剂的铝土矿。通 常，三氧化二铝含量较高的铝土矿有利于形成高强度低密度的陶粒支撑剂。 然而，在本发明中，通过调节铝土矿、粉煤灰和磷矿石的配合比例，使得采 用三氧化二铝含量较低的铝土矿仍然可以获得高强度低密度的陶粒支撑剂。 对于所述三氧化二铝含量较低的铝土矿，其中三氧化二铝的含量可以为 55-70重量%，优选为60-65重量%。在所述三氧化二铝含量较低的铝土矿中， 除三氧化二铝之外，还可以包含杂质，所述杂质例如可以为铁、钙、镁、硅、 钛等的化合物中的一种或多种，所述杂质的含量可以为45-30重量%，优选 为35-40重量%。

对于所述三氧化二铝含量较低的铝土矿中的杂质，铁化合物通常以三氧 化二铁计，所述铝土矿中铁化合物的含量可以为4.5重量%以下。通常，当 铝土矿中铁化合物含量较大时，会导致陶粒支撑剂的密度增大。然而，在本 发明中，通过在用于制备陶粒支撑剂的原料组合物中以特定的比例配入粉煤 灰和磷矿石，使得采用铁化合物含量较高的铝土矿仍然可以制备出高强度低 密度的陶粒支撑剂，例如，所述铝土矿中以三氧化二铁计的铁化合物的含量 可以为2-4.5重量%。

根据本发明提供的所述原料组合物，所述原料组合物中的磷矿石可以为 本领域技术人员已知的磷矿石。本发明优选情况下，所述磷矿石可以为以五 氧化二磷计的磷含量为12-20重量%的磷矿石。所述磷矿石中的磷含量在上 述范围内，在进行焙烧时能够进一步促进原料组合物之间的烧结，从而进一 步增大制备的陶粒支撑剂的强度。在所述磷矿石中，除磷之外还可以含有杂 质，杂质可以为钙、氟、硅、钛、碳等元素组分中的一种或多种，作为杂质 的这些元素组分以氧化物计的总含量可以为80-88重量%。

根据本发明提供的所述原料组合物，所述原料组合物中的粉煤灰可以是 本领域技术人员已知的工业废渣粉煤灰。其中，粉煤灰指燃煤炉燃烧后形成 的粉末，其主要成分包括二氧化硅、氧化铝、氧化亚铁、三氧化铁、氧化钙、 氧化钛、氧化镁、氧化钾、氧化钠、氧化锰和三氧化硫。所述粉煤灰可以按 照常规的方法收集，也可以商购得到；所述粉煤灰的颗粒直径一般可以为 0.04毫米以下。为了获得更好的高强度低密度的陶粒支撑剂，优选情况下， 所述粉煤灰为符合GB/T1596中二级标准以上的粉煤灰。

根据本发明提供的所述原料组合物，优选情况下，所述原料组合物中还 含有锂盐，其中，相对于100重量份的铝土矿，锂盐的含量为0.2-0.5重量 份。在原料组合物中加入锂盐，能够进一步促进原料组合物的烧结，这可能 由于锂盐能与磷矿石在焙烧过程中产生协同作用，使得制造的陶粒支撑剂具 有更高的强度。

所述锂盐可以是本领域技术人员已知的能够商购获得的锂盐，例如碳酸 锂、硝酸锂、硫酸锂、醋酸锂和氯化锂中的一种或多种。优选所述锂盐为碳 酸锂，使得制备的陶粒支撑剂进一步具有更高的强度。

根据本发明提供的所述原料组合物，所述原料组合物中各种原料的粒度 可以为本领域技术人员已知的制造陶粒支撑剂的常规粒度，但是为了获得更 好的高强度低密度的陶粒支撑剂，优选情况下，所述原料组合物中各种原料 的粒度小于0.044mm。也就是说，所述原料组合物中的铝土矿、粉煤灰、磷 矿石以及选择性包含的锂盐的粒度均小于0.044mm。当所述原料组合物中的 各种原料的粒度均复合上述尺寸范围时，采用该原料组合物可以制得更好的 高强度低密度的陶粒支撑剂。在本发明中，粒度是指原料颗粒的颗粒尺寸， 当原料颗粒为球体时则粒度用球体的直径表示，当原料颗粒为立方体时则粒 度用立方体的边长表示，当原料颗粒为不规则的形状时则粒度用恰好能够 筛分出该原料颗粒的筛网的网孔尺寸表示。

本发明还提供了一种制备陶粒支撑剂的方法，该方法包括将上述用于制 备陶粒支撑剂的原料组合物依次成型和焙烧。

根据本发明提供的所述方法，将原料组合物成型的方法可以采用本领域 技术人员已知的任意一种方法。例如可以将原料组合物加入成型装置，再加 入水制成球形颗粒，水的加入量没有特别限制，只要能使原料组合物形成球 形颗粒即可，例如，可以是原料组合物的8-10重量%；水在成球时以喷雾方 式加入。另外，制得的球形颗粒的大小也没有特别限制，可以根据具体需要 进行选择。

在本发明提供的所述方法中，将原料组合物成型时，可以将原料混合形 成原料组合物后转入成型装置，也可以直接将原料转入成型装置然后混合， 本发明没有特别限制，可以根据实际需要进行选择。所述成型装置可以为本 领域技术人员已知的任意一种装置，例如可以为成球机。

根据本发明提供的所述方法，所述焙烧的条件本发明没有特别要求，可 以参照现有技术进行，优选情况下，所述焙烧的条件包括：温度为1100- 1320℃，时间为0.5-2小时。

本发明还提供了由上述方法制备的陶粒支撑剂。根据本发明的实施例， 本发明提供的陶粒支撑剂在52MPa闭合压力下，破碎率≤5％、视密度≤ 2.68g/cm³、体积密度≤1.55g/cm³，说明本发明提供的陶粒支撑剂具有高强度 低密度。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

以下实施例中，成球机为宝鸡中药机械厂制备的YK-60型号的成球机；

破碎率、体积密度、视密度通过中国石油化工集团公司企业标准Q/SH 0051-2007进行测量。

实施例1

将100重量份粒度小于0.044mm铝土矿粉（氧化铝含量：65重量%； 以三氧化二铁计的铁化合物含量：2.5重量%；余量为杂质）、4重量份二级 粉煤灰（GB/T1596）、2.5重量份粒度小于0.044mm磷矿石（以五氧化二磷 计的磷含量：16重量%；余量为杂质）和0.2重量份粒度小于0.044mm的碳 酸锂粉混合得到原料组合物。

将原料组合物转入成球机中，加入相对于原料组合物8.8重量%的水制 成球粒、然后送入回转窑中在1300℃下煅烧1.5小时，经冷却后获得高强度 低密度陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度和体积密度如表1所示。

实施例2

将100重量份粒度小于0.044mm铝土矿（氧化铝含量：61重量%；以 三氧化二铁计的铁化合物含量：3.5重量%；余量为杂质）、6重量份一级粉 煤灰（GB/T1596）、3.5重量份粒度小于0.044mm磷矿石（以五氧化二磷计 的磷含量：15重量%；余量为杂质）和0.3重量份粒度小于0.044mm的碳酸 锂粉混合得到原料组合物。

将原料组合物转入成球机中，加入相对于原料组合物8.9重量%的水制 成球粒，送入回转窑中在1250℃下煅烧1.6小时，经冷却后获得高强度低密 度陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度和体积密度如表1所示。

实施例3

将100重量份粒度小于0.044mm铝土矿（氧化铝含量：63重量%；以 三氧化二铁计的铁化合物的含量：2.7重量%；余量为杂质）、3.8重量份二 级粉煤灰（GB/T1596）、2.6重量份粒度小于0.044mm磷矿石（以五氧化二 磷计的磷含量：17重量%；余量为杂质）和0.2重量份粒度小于0.044mm的 碳酸锂粉混合得到原料组合物。

将原料组合物转入成球机中，加入相对于原料组合物8.9重量%的水制 成球粒，送入回转窑中在1280℃下煅烧1.3小时，经冷却后获得高强度低密 度陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度和体积密度如表1所示。

实施例4

将100重量份粒度小于0.044mm铝土矿（氧化铝含量：62重量%；以 三氧化二铁计的铁化合物含量：4.2重量%；余量为杂质）、4重量份二级粉 煤灰（GB/T1596）、2.2重量份粒度小于0.044mm磷矿石（以五氧化二磷计 的磷含量：19重量%；余量为杂质）和0.2重量份粒度小于0.044mm的碳酸 锂粉混合得到原料组合物。

将原料组合物转入成球机中，加入相对于原料组合物9.1重量%的水制 成球粒，送入回转窑中在1200℃下煅烧1.5小时，经冷却后获得高强度低密 度陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度和体积密度如表1所示。

实施例5

将100重量份粒度小于0.044mm铝土矿（氧化铝含量：68重量%；以 三氧化二铁计的铁化合物含量：2.3重量%；余量为杂质）、6.5重量份一级 粉煤灰（GB/T1596）、2.2重量份粒度小于0.044mm磷矿石（以五氧化二磷 计的磷含量：18重量%；余量为杂质）和0.5重量份粒度小于0.044mm的碳 酸锂粉混合得到原料组合物。

将原料组合物转入成球机中，加入相对于原料组合物8.7重量%的水制 成球粒，送入回转窑中在1310℃下煅烧1.6小时，经冷却后获得高强度低密 度陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度和体积密度如表1所示。

实施例6

将100重量份粒度小于0.044mm铝土矿（氧化铝含量：56重量%；以 三氧化二铁计的铁化合物含量：3.6重量%；余量为杂质）、3.2重量份二级 粉煤灰（GB/T1596）、4.2重量份粒度小于0.044mm磷矿石（以五氧化二磷 计的磷含量：14重量%；余量为杂质）和0.2重量份粒度小于0.044mm的碳 酸锂粉混合得到原料组合物。

将原料组合物转入成球机中，加入相对于原料组合物8.9重量%的水制 成球粒，送入回转窑中在1180℃下煅烧1.6小时，经冷却后获得高强度低密 度陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度和体积密度如表1所示。

实施例7

采用实施例6的方法制备高强度低密度陶粒支撑剂，不同的是，不添加 碳酸锂粉。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度和体积密度如表1所示。

对比例1

将100重量份粒度小于0.044mm铝土矿（氧化铝含量：56重量%；以 三氧化二铁计的铁化合物含量：3.6重量%；余量为杂质）、1.8重量份二级 粉煤灰（GB/T1596）和1.8重量份粒度小于0.044mm磷矿石（以五氧化二 磷计的磷含量：14重量%；余量为杂质）混合得到原料组合物。

将原料组合物转入成球机中，加入相对于原料组合物8.5重量%的水制 成球粒，送入回转窑中在1180℃下煅烧1.6小时，经冷却后获得高强度低密 度陶粒支撑剂。该陶粒支撑剂的破碎率、视密度和体积密度如表1所示。

表1

从表1可以看出，由本发明提供的用于制备陶粒支撑剂的原料组合物制 备的陶粒支撑剂在52MPa闭合压力下，破碎率≤5％、视密度≤2.68g/cm³、 体积密度≤1.55g/cm³，符合高强度低密度陶粒支撑剂的质量指标，另外，本 发明提供的用于制备陶粒支撑剂的原料组合物，除铝土矿外，主要采用粉煤 灰，不仅实现了工业废渣粉煤灰的资源化高效利用，还降低了生产成本。此 外，通过实施例6和7的数据可以看出，添加了锂盐的原料组合物制备的陶 粒支撑剂比不添加锂盐的原料组合物制备的陶粒支撑剂的强度更高。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实 施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方 案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。