一种超轻质陶粒支撑剂、制备和应用及页岩油气开采方法技术领域
本发明涉及油气开采领域，具体而言，涉及一种超轻质陶粒支撑剂、制备和应用及
页岩油气开采方法。
背景技术
水力压裂法也称液压破碎法，是开采非常规页岩油气时所用的一种钻井技术，主
要目标是令油气井增产。水力压裂法的原理是利用地面高压泵将大量化学物质掺杂水、砂
等制成压裂液，再灌注岩石深处并压裂岩石，将石油或天然气从致密的岩层中导出，从而将
储存在页岩气中巨量的石油和天然气资源释放出来。
当前，水力压裂法对天然气井增产效果更为明显。虽然此项技术已经存在逾60年，
但是直到最近才在美国运用于很大一部分页岩油气的生产中。页岩生产技术帮助美国超越
沙特阿拉伯和俄罗斯，并在2014年成为世界上最大的石油生产国。
截止2015年，我国页岩气产量已达到65亿立方米，但仍然对燃气格局影响有限。我
国天然气目前还是供不应求，到2020年我国天然气需要将达到3000亿立方米，预计在2020
年产量将达到2000亿立方米，供需缺口1000亿立方米，对外依存度高达33％。截至2015年
底，我国页岩气资源勘探和开采量不断增加，分别在江西、四川、重庆、河南四处产量都有所
突破，此外在贵州、湖南、甘肃、湖北及安徽、山西均有所发现及勘探。
采用水力压裂法开采非常规页岩油气的施工中，通常都会使用支撑剂，其中最常
用的一种支撑剂就是陶瓷颗粒支撑剂。
陶粒支撑剂是由几种矿石经过配料、研磨成粉体、团聚成球体颗粒、烘干、高温烧
结、冷却、按规定粒径筛分后而成的一种陶瓷材料。其可以作为油气开采过程的填充剂，并
能够增加油气的产量、导流能力、渗透率和油气井的寿命。
陶粒支撑剂按其体积密度(堆积密度)和视密度(真实密度)的高低划分为4种产
品，即高密度、中密度、低密度和超轻质。陶粒支撑剂的密度越低，在施工过程中所用到的关
联产品(比如胍胶)就越少，从而降低页岩油气开采成本，并减少化学品使用对环境所产生
的污染。
因而，超轻质陶粒支撑剂就成了研发的热点所在。然而，市场上现有产品虽然命名
为超轻质陶粒，但多是体积密度和视密度(真实密度)实际上是达不到要求；同时，市场上现
有产品配方的原材料多采用优质铝矾土、锰粉、白云石、优质焦宝石等矿产资源，这些矿石
的大量开采不仅对生态环境造成破坏，而且由于原料成本过高也进一步导致了石油压裂支
撑的成本居高不下。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种超轻质陶粒支撑剂，所述的支撑剂中，以煤灰为
主要原料，从而降低了其他矿石的用量，并降低了制造成本，进而解决了现有技术陶粒支撑
剂制备中由于矿石原料使用所带来的环境以及制造成本高等问题。同时，由于本发明中以
低密度煤灰等作为主要原料，从而也进一步降低了所制得支撑剂的密度。本发明支撑剂具
有原料价格低廉、所制得的陶粒支撑剂密度低、强度好等优点。
本发明的第二目的在于提供一种所述的超轻质陶粒支撑剂的制备方法，所述方法
中，通过以本发明方法所述配方作为原料，并经过粉碎、均化、配料、研磨以及烘干烧结等步
骤制备超轻质陶粒支撑剂，具有制备方法便捷，所制得的陶粒支撑剂耐压性好等优点。
本发明的第三个目的在于提供所述超轻质陶粒支撑剂在页岩油气藏开采中的应
用。本发明超轻质陶粒支撑剂密度低且耐压性好，能够有效用于页岩油气藏开采，并且减少
开采中其他关联产品的(比如胍胶)用量，在降低开采成本的同时，还能够减少开采所带来
的环境污染。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种超轻质陶粒支撑剂，按照重量百分数计，所述支撑剂主要由以下原料制成：高
岭土20～50％，矿渣10～45％以及煤灰30～70％。
本发明中，通过使用煤灰等轻质且廉价的原料，从而可以在降低支撑剂制备成本
的同时，还能够使得所制得的支撑剂具有较低的密度和较好的强度，从而能够有效的应用
于页岩油气藏开采，并减少进一步开采过程中所添加的胍胶等化学试剂。
可选的，本发明中，所述支撑剂由以下原料制成：高岭土20～50％，例如可以为但
不限于22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％、43％、45％、47％等；矿渣20～45％，
例如可以为但不限于23％、25％、27％、30％、32％、35％、42％或者43％等；以及煤灰30～
55％，例如可以为但不限于32％、35％、37％、40％、42％、45％、47％、50％或者53％等。
可选的，本发明中，所述支撑剂的密度为1.1-1.3g/cm3。
可选的，本发明中，按照重量百分数计，所述支撑剂主要由以下原料制成：高岭土
30～50％，矿渣30～40％以及煤灰30～40％。
本发明中，通过对各原料用量的进一步调整和优化，从而进一步优化了本发明所
制得支撑剂的性能。
可选的，本发明中，按照重量百分数计，所述支撑剂由以下原料制成：高岭土30～
50％，矿渣30～40％以及煤灰30～40％。
同时，本发明还提供了所述超轻质陶粒支撑剂的制备方法，所述方法包括如下步
骤：
(1)分别取高岭土、矿渣以及煤灰，并粉碎；
(2)按照本发明原料比例，分别称取适量粉碎后的高岭土、矿渣以及煤灰，并混合
均化；
(3)将混合均化后的混合原料研磨后，进行沉腐均化；
(4)将沉腐均化后的混合原料雾化制粒，然后将制得的颗粒筛分后干燥，并进行表
面处理，然后将表面处理的颗粒储存均化；
(5)将储存均化的颗粒烧结，然后冷却均化，并再次筛分，筛分后再次进行表面处
理，即得所述超轻质陶粒支撑剂。
本发明中，通过以本发明方法所述组分作为原料，并经过配料、研磨以及干燥烧结
等步骤程序制备本发明超轻质陶粒支撑剂，因而可以在较低温度下烧结并制备具有良好的
耐压性的陶粒支撑剂；同时，本发明中，通过设置多次均化和沉腐操作，还可以使得本发明
原料化学组分组成更加均匀，也可以降低原料混合物粉体的内部应力，从而增加造粒后颗
粒的粘度和密实度，并进一步增加所制得支撑剂强度。
本发明中，步骤(2)中所述分别称取粉碎后的高岭土、矿渣以及煤灰为采用电脑控
计量和称取各原料。
本发明中，所述制备为多批次连续制备；进一步的，本发明中，步骤(2)中所述混合
均化为将多批次混合后的原料再次混合后静置，然后在进行研磨。
本发明中，步骤(3)中所述沉腐均化为将研磨的原料再次均质混合，然后静置后进
行均化。
本发明中，步骤(4)中所述储存均化为将表面处理后的颗粒储存，并均化。
本发明中，步骤(5)中所述冷却均化为将烧结后的颗粒在自然条件下冷却，并均
化。
本发明中，步骤(5)中所述再次进行表面处理，为将烧结后的颗粒进行表面打磨处
理。
可选的，本发明中，步骤(3)中所述研磨为多次研磨，并研磨至混合均化后的混合
原料的粒径小于等于21μm；例如2、3、4或者更多次研磨。
本发明中，通过采用多次研磨的方法，并控制原料混合物的粒径，从而可以提高雾
化造粒后颗粒的粘合性，同时还能够使得原料在烧结过程中反应速度更快且原料反应更加
充分，提高晶粒所占比例，并使得晶粒排列密实；进一步的，多次研磨还能够提高产品表面
的光洁度，并减少产品的破损率，同时还能够提高所制得支撑剂的强度。
可选的，本发明中，所述研磨是在球磨机中进行的。
可选的，本发明中，步骤(4)中所述雾化制粒为将水雾化后与沉腐均化后的混合原
料进行混合后，在转动中聚团制粒；
其中，水的质量克数为沉腐均化后的混合原料的质量克数的5～20％，例如可以为
但不限于6％、8％、10％、12％、15％、17％或者19％等。
本发明中，通过对雾化步骤中所用水量的选择和调整，从而可以使得所制得的颗
粒具有较好的粘性。
可选的，本发明中，所述水的质量克数为沉腐均化后的混合原料的质量克数的10
～15％。
本发明中，通过对雾化步骤中所用水量的进一步调整和优化，从而可以进一步提
高所制得颗粒的粘性。
可选的，本发明中，步骤(4)中所述表面处理为为除去干燥后所得的颗粒表面毛
刺。
可选的，本发明中，步骤(5)中所述烧结的温度为1000～1500℃，烧结的时间为0.5
～2h；优选的，本发明中，步骤(5)中所述烧结的温度为1200～1300℃，烧结的时间为1～
1.5h；例如烧结的温度可以为1230℃、1250℃、1270℃或者1290℃等；例如烧结的时间可以
为1.2h、1.3h或者1.4h等。
本发明中，通过对烧结时间和温度选择和调整，从而在能够将半成品支撑剂颗粒
充分烧结的同时，还不会由于过度烧结所导致的陶粒支撑剂颗粒的结构破坏或耐压性降
低。
同时，本发明还提供了所述超轻质陶粒支撑剂在页岩油气藏开采中的应用。
本发明超轻质陶粒支撑剂密度低且耐压性好，能够有效用于页岩油气藏开采，并
且减少开采中关联产品的(比如胍胶)用量，在降低开采成本的同时，还能够减少开采所带
来的环境污染。
进一步的，本发明还提供了一种页岩油气藏开采的方法，所述方法中使用本发明
所述超轻质陶粒支撑剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明中，超轻质陶粒支撑剂原料价廉易得，可以减少矿石原料的使用，同时
其进一步烧结制备也可以在较低温度下进行，不仅能够节约能源，还能够降低制备成本；同
时，本发明支撑剂强度较高但密度较低，从而可以大大减少使用油气开采中常用的胍胶等
化学产品，进而在降低开采成本的同时，还能够减少对环境的污染；
(2)本发明中，通过以本发明方法所述组分作为原料，并经过配料、研磨以及烘干
烧结等步骤程序制备本发明超轻质陶粒支撑剂，因而可以在较低温度下烧结并制备具有良
好的耐压性的陶粒支撑剂；同时，本发明中，通过在制备过程中多次均化，不仅使得本发明
原料化学组分组成更加均匀，还降低了原料混合物粉体的内部应力，从而增加造粒后颗粒
的粘度和密实度，并进一步增加所制得支撑剂的强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例中研磨后烧结所得颗粒外观图；
图2为本发明实施例中研磨后烧结所得颗粒的电镜扫描图；
图3为本发明对比例中未经研磨烧结所得颗粒外观图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会
理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体
条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为
可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
(1)分别取适量高岭土、矿渣以及煤灰，并粉碎；
(2)按照重量百分数：高岭土25％，矿渣25％以及煤灰50％，分别称取适量粉碎后
的高岭土、矿渣以及煤灰，并混合均化；
(3)将混合均化后的混合原料经二次研磨后，对研磨的混合原料的粒径进行检测，
结果显示所得粉体的平均粒径≤21μm；
然后对混合原料进行沉腐均化；
(4)将水雾化后，与沉腐均化后的混合原料进行混合，在转动中聚团制粒，然后将
制得的颗粒筛分后烘干，并除去干燥后所得的颗粒表面毛刺，然后将除去表面毛刺后的颗
粒储存均化；
其中，雾化所用的水的质量克数为沉腐均化后的混合原料的质量克数的15％；
(5)将储存均化的颗粒在1250℃条件下烧结1h，然后冷却均化，并再次筛分，然后
对烧结后的颗粒再次进行表面打磨处理，即得图1所示实施例1的超轻质陶粒支撑剂。
进一步对实施例1所制得的超轻质陶粒支撑剂进行扫描电镜检测，检测结果如图3
所示。本发明所制得超轻质陶粒支撑剂针状莫来石表面结构中，晶粒占比升高，晶粒排列密
实。
实施例1的超轻质陶粒支撑剂密度较低，因而在进一步的页岩油气藏开采所用压
裂剂中，只需要使用很少量或者无需使用胍胶，这不仅能够节约压裂剂成本，还能够避免由
于压裂剂的使用所带来的地下水等的环境体系污染。
实施例2
(1)分别取适量高岭土、矿渣以及煤灰，并粉碎；
(2)按照重量百分数：高岭土20％，矿渣10％以及煤灰70％，分别称取适量粉碎后
的高岭土、矿渣以及煤灰，并混合均化；
(3)将混合均化后的混合原料经二次研磨后，对研磨的混合原料的粒径进行检测，
结果显示所得粉体的平均粒径≤21μm；
然后对混合原料进行沉腐均化；
(4)将水雾化后，与沉腐均化后的混合原料进行混合，在转动中聚团制粒，然后将
制得的颗粒筛分后烘干，并除去干燥后所得的颗粒表面毛刺，然后将除去表面毛刺后的颗
粒储存均化；
其中，雾化所用的水的质量克数为沉腐均化后的混合原料的质量克数的15％；
(5)将储存均化的颗粒在1260℃条件下烧结1h，然后冷却均化，并再次筛分，然后
对烧结后的颗粒再次进行表面打磨处理，即得实施例2的超轻质陶粒支撑剂。
实施例3
(1)分别取适量高岭土、矿渣以及煤灰，并粉碎；
(2)按照重量百分数：高岭土40％，矿渣30％以及煤灰30％，分别称取适量粉碎后
的高岭土、矿渣以及煤灰，并混合均化；
(3)将混合均化后的混合原料经二次研磨后，对研磨的混合原料的粒径进行检测，
结果显示所得粉体的平均粒径≤21μm；
然后对混合原料进行沉腐均化；
(4)将水雾化后，与沉腐均化后的混合原料进行混合，在转动中聚团制粒，然后将
制得的颗粒筛分后烘干，并除去干燥后所得的颗粒表面毛刺，然后将除去表面毛刺后的颗
粒储存均化；
其中，雾化所用的水的质量克数为沉腐均化后的混合原料的质量克数的15％；
(5)将储存均化的颗粒在1270℃条件下烧结1h，然后冷却均化，并再次筛分，然后
对烧结后的颗粒再次进行表面打磨处理，即得实施例3的超轻质陶粒支撑剂。
对比例1
(1)分别取适量高岭土、矿渣以及煤灰，并粉碎；
(2)按照重量百分数：高岭土60％，矿渣20％以及煤灰20％，分别称取适量粉碎后
的高岭土、矿渣以及煤灰，并混合均化；
(3)将混合均化后的混合原料经二次研磨后，对研磨的混合原料的粒径进行检测，
结果显示所得粉体的平均粒径≤21μm；
然后对混合原料进行沉腐均化；
(4)将水雾化后，与沉腐均化后的混合原料进行混合，在转动中聚团制粒，然后将
制得的颗粒筛分后烘干，并除去干燥后所得的颗粒表面毛刺，然后将除去表面毛刺后的颗
粒储存均化；
其中，雾化所用的水的质量克数为沉腐均化后的混合原料的质量克数的15％；
(5)将储存均化的颗粒在1280℃条件下烧结1h，然后冷却均化，并再次筛分，然后
对烧结后的颗粒再次进行表面打磨处理，即得对比例1的超轻质陶粒支撑剂。
对比例2
(1)分别取适量高岭土、矿渣以及煤灰，并粉碎；
(2)按照重量百分数：高岭土15％，矿渣60％以及煤灰25％，分别称取适量粉碎后
的高岭土、矿渣以及煤灰，并混合均化；
(3)将混合均化后的混合原料经二次研磨后，对研磨的混合原料的粒径进行检测，
结果显示所得粉体的平均粒径≤21μm；
然后对混合原料进行沉腐均化；
(4)将水雾化后，与沉腐均化后的混合原料进行混合，在转动中聚团制粒，然后将
制得的颗粒筛分后烘干，并除去干燥后所得的颗粒表面毛刺，然后将除去表面毛刺后的颗
粒储存均化；
其中，雾化所用的水的质量克数为沉腐均化后的混合原料的质量克数的15％；
(5)将储存均化的颗粒在1230℃条件下烧结1h，然后冷却均化，并再次筛分，然后
对烧结后的颗粒再次进行表面打磨处理，即得对比例2的超轻质陶粒支撑剂。
对比例3
(1)分别取适量高岭土、矿渣以及煤灰，并粉碎；
(2)按照重量百分数：高岭土15％，矿渣12％以及煤灰73％，分别称取适量粉碎后
的高岭土、矿渣以及煤灰，并混合均化；
(3)将混合均化后的混合原料经二次研磨后，对研磨的混合原料的粒径进行检测，
结果显示所得粉体的平均粒径≤21μm；
然后对混合原料进行沉腐均化；
(4)将水雾化后，与沉腐均化后的混合原料进行混合，在转动中聚团制粒，然后将
制得的颗粒筛分后烘干，并除去干燥后所得的颗粒表面毛刺，然后将除去表面毛刺后的颗
粒储存均化；
其中，雾化所用的水的质量克数为沉腐均化后的混合原料的质量克数的15％；
(5)将储存均化的颗粒在1240℃条件下烧结1h，然后冷却均化，并再次筛分，然后
对烧结后的颗粒再次进行表面打磨处理，即得对比例3的超轻质陶粒支撑剂。
对比例4
(1)分别取适量高岭土、矿渣以及煤灰，并粉碎；
(2)按照重量百分数：高岭土25％，矿渣35％以及煤灰40％，分别称取适量粉碎后
的高岭土、矿渣以及煤灰，并混合均化；
(3)将混合均化后的混合原料进行沉腐均化；
(4)将水雾化后，与沉腐均化后的混合原料进行混合，在转动中聚团制粒，然后将
制得的颗粒筛分后烘干，并除去干燥后所得的颗粒表面毛刺，然后将除去表面毛刺后的颗
粒储存均化；
其中，雾化所用的水的质量克数为沉腐均化后的混合原料的质量克数的15％；
(5)将储存均化的颗粒在1250℃条件下烧结1h，然后冷却均化，并再次筛分，即得
图3所示对比例4的超轻质陶粒支撑剂。
实验例1
分别随机从实施例1-3以及对比例1-4所制得的轻质陶粒支撑剂中称取等量陶粒，
并进行密度和破碎率测试，结果如下所示：
![]()
本发明原料配比以及制备方法所制得的轻质陶粒支撑剂具有较低的体积密度和
视密度，同时还具有良好的机械强度，能够适用于页岩油气藏开采中。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的
精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中
包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。