气藏型低密度陶粒支撑剂的制备与性能研究

在开采煤层气、页岩气等气藏资源过程中,陶粒支撑剂的产品性能尤为关键,合成密度小、强度高的支撑剂是实现气藏高产率的重要指标。本文在传统矾土系陶粒支撑剂的基础上,添加煤矸石(RCG)、羧甲基纤维素钠(CMC)和白云石(DOL)进行固相烧结,借助以上造孔剂多温区的热解作用以及高温液相快速填充机制改善支撑剂的基体孔隙分布特征,降低支撑剂的结构密度并提升基体强度。当掺入质量分数为15%RCG+1%CMC+1%DOL添加剂时,支撑剂表现出最佳的综合性能并满足气藏资源开采的参数要求。

陶粒支撑剂元素分析方法对比研究

陶粒支撑剂元素组成复杂、多样,传统化学滴定法存在步骤繁琐、检测结果易受干扰的问题。为了选择准确、可靠的方法进行陶粒支撑剂元素组成检测和分析,分别采用多元素快速分析仪(MER)、X射线荧光光谱仪(XRF)、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)检测了已知元素成分含量的陶粒支撑剂(参考样)的元素组成,包括Al_(2)O_(3)、SiO_(2)、Fe_(2)O_(3)、TiO_(2)、K_(2)O、Na_(2)O、CaO、MgO。通过对检测结果的精密度和准确度的对比和分析,确定不同检测方法的特点和适用性。结果表明:3种方法的标准偏差均小于1,相对标准偏差均小于14.63%,与参考样对比的相对误差均小于10.12%,说明3种方法均能进行陶粒支撑剂元素组成检测。其中,MER检测结果精密度和准确度最差,XRF和ICP-MS相对较好;ICP-MS可用于主晶相和过渡元素检测,包括Al、Si、Fe、Ti,检测结果准确度(小于1.03%)和精密度(小于2.05%)较高;XRF可用于助烧剂K、Na、Ca、Mg元素检测,检测结果准确度(小于1.80%)和精密度(小于4.65%)较高。

烧结温度对掺加二次铝灰及钻井岩屑制备陶粒支撑剂性能的影响

目的钻井岩屑作为油气开发过程中所产生的固体废物,产生量巨大且资源化利用途径单一。使用钻井岩屑及二次铝灰协同制备水力压裂用陶粒支撑剂,不仅可有效拓宽钻井岩屑资源化利用途径,而且还可降低油气开发生产成本。方法采用二级铝矾土为主要原料,添加质量分数分别为20%的钻井岩屑和10%的二次铝灰,甲基纤维素作为黏结剂,于不同烧结温度下制备了低密度高强度压裂用陶粒支撑剂,研究烧结温度对支撑剂结构、晶相组成及其产品性能的影响。结果钻井岩屑须经预处理,以降低岩屑中有机物对后续生胚烧结的影响。当烧结温度为1300℃时,其主晶相为刚玉,次晶相为钡长石,支撑剂的体积密度为1.45 g/cm^(3),52 MPa闭合压力下破碎率为5.26%,满足SY/T 5108-2014《水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法》对0.38 mm/0.25 mm支撑剂的质量要求。结论烧结温度是制备陶粒支撑剂的关键控制参数。随着烧结温度的增加,支撑剂内部产生的液相将逐渐增多,有利于加快扩散和增大传质速率,促进支撑剂的致密化,但过多的液相则会导致支撑剂膨胀变形,对抗破碎能力产生不利影响。以钻井岩屑、铝灰、铝矾土为原料,适宜的烧结温度建议为1260~1300℃。

低密度陶粒支撑剂的水敏老化机理研究

低密度陶粒支撑剂良好的性能在非常规能源开采工作中显得十分重要。针对低密度陶粒支撑剂在地层水服役期间性能退化的现象,本文选取两种不同规格的支撑剂,在地层水中浸泡不同时间后取出,采用XRF、XPS、XRD、SEM、TEM对浸泡前后的支撑剂进行表征,探索支撑剂老化机理。结果显示:支撑剂中ClO_(2)含量增加,Al2O_(3)、SiO_(2)含量减少,地层水中Cl^(-)、HCO_(3)^(-)含量减少;XPS检测出Cl 2p峰和Cl 2s峰;XRD检测出新相SiCl_(4)。以上结果证实,地层水中的Cl^(-)扩散到支撑剂表面与SiO_(2)反应生成SiCl_(4),SiCl_(4)进一步水化生成硅凝胶或硅酸凝胶包覆在支撑剂表面。支撑剂中Al_(2)O_(3)会与地层水中H^(+)(酸性环境)反应生成Al^(3+),Al^(3+)再与HCO_(3)^(-)反应生成Al(OH)_(3)沉淀进入地层水中。地层水中大量的Cl^(-)和H^(+)共同作用,使支撑剂从表面开始侵蚀,导致支撑剂内部结构致密化程度降低,结构松散,从而使支撑剂的抗破碎能力降低,性能退化。

温度对煤层气井用低密陶粒支撑剂性能的影响

以铝矾土和煤矸石为主要原料,加以钾长石为助烧结剂,在不同温度下烧结制备30/50目煤层气井用陶粒支撑剂。使用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对陶粒支撑剂样品进行物相组成和微观形貌表征,同时研究了烧结温度对陶粒微观结构与力学性能的影响。结果表明:陶粒内部形成了大量闭气孔,导致陶粒随烧结温度的升高,其密度和抗压能力呈下降趋势。1260℃下烧结制备的陶粒支撑剂综合性能较好,其视密度为2.34 g/cm^(3),体积密度1.20 g/cm^(3),28 MPa闭合压力下的破碎率5.12%,即满足破碎率要求的同时保持低密,在该温度下烧结制备的陶粒支撑剂,棒状莫来石晶相发育良好,数量较多,形成连续的网状结构。

正交设计优化低密度陶粒支撑剂的制备

一般来说,原料粒度越细,合成的材料性能越好。该文通过研究支撑剂原料的球磨时间和煅烧温度,探究对于支撑剂影响较大的因素,并优化出最优组合。通过正交优化实验,采用三因素五水平的方案,对铝矾土、长石球磨不同时间和不同的烧结温度进行研究。经过实验发现最优组合为铝矾土球磨4 h,长石球磨8 h,烧结温度为1280℃.最优组合制备的支撑剂的主晶相为刚玉和莫来石,体积密度为1.48 g/cm^(3),视密度为2.7 g/cm^(3),在52 MPa压力下破碎率为4.07%,符合国家标准。

烧结温度对添加复合助剂制备莫来石-刚玉基陶粒支撑剂性能的影响

为了降低陶粒支撑剂的烧结温度,本文以低品位铝矾土和粘土为主要原料,通过添加复合助剂锰矿粉及白云石制备陶粒支撑剂,并研究烧结温度对陶粒支撑剂结构、性能的影响。在烧结过程中发现,引入一定量的锰矿粉和白云石后,在陶粒内部会形成适量液相,可以填充孔隙,包覆于莫来石和刚玉晶粒间促进晶体的生长发育,从而形成致密结构。当烧成温度为1310℃时,制备得到的支撑剂体积密度与视密度分别为1.65 g/cm3和2.99 g/cm3,52MPa闭合压力下破碎率为8.97%,符合石油天然气行业标准对低密、高强陶粒支撑剂的要求,说明复合助剂在降低烧结温度的前提下还能够提高支撑剂抗破碎能力。

低密度高强度覆膜陶粒支撑剂的制备与性能研究

以工业废料粉煤灰为主要原料,以Mn O2和钾长石作为助熔剂,采用传统造粒方法和高温烧结技术,结合树脂覆膜的方法,制备了低密度高强度的树脂覆膜陶粒支撑剂。研究了Mn O2的加入量、烧结温度、保温时间对陶粒支撑剂性能的影响规律,利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对陶粒支撑剂中主要晶相和显微结构进行了分析。研究结果表明:当加入2wt%的Mn O2时,显著降低了支撑剂的烧成温度,促进烧结提高了致密度。通过树脂覆膜大幅提高了支撑剂的性能,覆膜后,其52 MPa破碎率最多下降了87.3%,视密度也显著下降。

高铝陶粒支撑剂的研制

以工业氧化铝为主要原料,加入适量的辅助原料,在1360～1560℃下烧结制备高铝陶粒支撑剂。讨论烧成温度、原料粒度、外加剂—BaCO3的加入对陶粒支撑剂耐酸性、抗破碎性的影响。结果表明:实验室研制的样品,其酸溶解度低达0.75%,86MPa下破碎率<2.5%。BaCO3的加入能显著提高陶粒支撑剂的耐酸性,只要控制好加入量,不会造成破碎率的显著提高。

锰矿粉掺量对莫来石-刚玉质陶粒支撑剂结构及性能的影响

以阳泉产三级铝矾土与粘土为原料,锰矿粉为烧结助剂,于1420℃下制备了莫来石-刚玉质陶粒支撑剂,讨论了锰矿粉含量对支撑剂样品结构及性能的影响。结果表明:随锰矿粉掺量的增加,支撑剂样品的主晶相莫来石颗粒形状由针状变为柱状,晶粒尺寸逐渐变大,并且刚玉相衍射峰强度增加;当锰矿粉掺量为4wt%时,试样的性能最佳:视密度2.998 g/cm3,体积密度1.62 g/cm3以及52 MPa闭合压力下的破碎率8.13%。

烧结温度对陶粒支撑剂材料显微结构及力学性能的影响

以二级铝矾土生料为原料,锰粉、镁渣为辅料,在1250～1450℃,通过固相烧结制备了高强度陶粒支撑剂材料.通过对样品的密度、线性收缩率、显气孔率和抗压强度测试及显微结构观察,系统分析了烧结温度对样品性能的影响.结果表明：随烧结温度的提高,样品密度与抗压强度都呈现出先上升后下降的趋势.当镁渣的掺入量为2wt.％,在1400℃下烧结3h后密度达到3.06 g·cm-3,抗压强度达到271MPa,气孔率小于1％;随烧结温度提高,物相组成基本未发生变化,为刚玉、莫来石及少量钙长石相;样品在1450℃下烧结时发生变形,该复相陶瓷合适的烧结温度范围为1350 ～ 1400℃.

烧结温度对低密度陶粒支撑剂组织和性能的影响

采用氧化铝含量为65.6％的铝矾土和二氧化硅粉制备了莫来石-石英质低密度陶粒支撑剂材料.利用SEM、XRD等手段,对不同烧结温度下制备的陶粒支撑剂材料进行了显微结构分析和物相表征;探讨了烧结温度对陶粒支撑剂材料的抗压强度、体积密度、显气孔率和线收缩率的影响.研究表明：（1）低密度莫来石质陶粒支撑剂材料的烧结温度范围应为1400℃～1450℃;（2）主晶相为莫来石和α-石英,在烧结温度范围内,莫来石和石英相基本发育完全,显微结构致密,力学性能优良.

烧结温度对莫来石/石英质经济型陶粒支撑剂性能的影响

以阳泉长青Ⅲ级铝矾土和砂土为原料,在1420~1540℃下烧结制备了莫来石/石英质经济型陶粒支撑剂,研究了烧结温度对莫来石/石英质经济型陶粒性能的影响,并与目前市场上的支撑剂进行了详细的对比,得出这是一种性能优于天然石英砂、成本低于人造陶粒支撑剂的一种经济型陶粒支撑剂;并采用XRD和SEM等手段对陶粒支撑剂的性能和物相形貌进行了表征和分析。结果表明:在1510℃下烧结制备的陶粒支撑剂体密度为1.39 g·cm-3,视密度为2.78 g·cm-3,35 MPa下的破碎率为5.54%;在该温度下,莫来石晶相已经发育完全,且石英颗粒填充在莫来石形成的网络空间结构中,烧结致密化程度较高。

铝矾土空心陶粒支撑剂的制备及性能研究

以尿素为成孔模板,MnO_2为烧结助剂,铝矾土粉为球壳包覆材料,采用模板法制备了空心内半径可控的铝矾土空心陶粒支撑剂。运用X射线荧光分析,热分析、XRD和SEM等技术对铝矾土原料粉预处理前后矿物相组成和化学成分及支撑剂产品微观形貌的变化进行了比较分析,探究了原料预处理对支撑剂结构和性能的影响,并对其影响机理进行了分析。结果表明:原料粉体经预处理后可提高支撑剂的强度。在1440℃烧结后的主要物相为莫来石相和刚玉相。利用预处理后的铝矾土粉体制备出的空心支撑剂的体积密度为1.35 g·cm^(-3),视密度2.47 g·cm^(-3),25 MPa闭合压力破碎率为5.21%,单粒抗压平均值为58 N,试样质量稳定,制备过程较易控制。

不同外加剂对陶粒支撑剂耐酸性的影响

以工业氧化铝为主要原料,引入不同的外加剂,在1360～1420℃下煅烧制备高铝陶粒支撑剂。研究不同外加剂的引入对陶粒支撑剂耐酸性的影响。研究结果表明:一定比例SiO2、MgO、CaO复合外加剂的引入能降低陶粒支撑剂的烧成温度,提高陶粒耐酸性能,经过XRD、SEM分析可知,耐酸性提高是由于复合矿化剂MgO、CaO与Al2O3在晶界处形成第二相,抑制晶粒生长,使晶粒细化、结构致密化,低气孔率、高致密结构降低了酸对样品的侵蚀速度。

高强度低密度陶粒支撑剂的研究

以铝矾土为原料,白云石为辅料,添加一定量的复合添加剂,经粉磨、成球和烧成,制备了性能优良的高强度低密度陶粒支撑剂,讨论了复合添加剂掺量及烧成温度对陶粒支撑剂材料性能的影响。结果表明,当白云石掺量为2%,复合添加剂的掺量为6%,烧成温度在1330℃时,制备出的陶粒支撑剂的视密度为2.61g/cm-3,体积密度为1.55g/cm-3,52MPa闭合压力下的破碎率为6.70%。

氧化钙对陶粒支撑剂结构和破碎率的影响

以铝矾土和煤矸石为主要原料,添加不同含量的碳酸钙,在1350℃制备了低成本的陶粒支撑剂,通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对陶粒支撑剂的物相组成和微观形貌进行表征。结果表明,添加了碳酸钙的陶粒支撑剂形成新的物相钙长石,随着氧化钙含量的增加,莫来石的晶粒逐渐细化,细化的晶粒提高了陶粒的强度和抗破碎能力。添加量为5wt%碳酸钙的陶粒支撑剂在35MPa、52MPa闭合压力下的破碎率均最低,符合石油天然气行业标准SY/T5108-2014。

钙长石对刚玉-莫来石质陶粒支撑剂结构及性能的影响

以二级铝矾土为主要原料,通过添加不同含量的长石在1350℃烧结温度下制备了高强度的刚玉-莫来石质陶粒支撑剂。通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微分析(SEM)对陶粒的物相组成及显微形貌进行表征。结果表明,所制备陶粒支撑剂的物相成组为刚玉和莫来石,而且发现随着长石添加量的逐步增加,可以明显促进莫来石的形核过程,并抑制其进一步长大。当长石添加量为8wt%时,所制备的陶粒支撑剂体积密度为1.72 g/cm^3,在52MPa闭合压力下的破碎率为3.2%,酸溶度为5.0%,满足油气开采行业的要求。

添加铁粉制备低密度中强度陶粒支撑剂及性能研究

低密度中强度陶粒支撑剂的开发,既可以提高低渗透油气藏的开发效率又能显著降低油气开采成本。以Al2O3含量为63%的二级铝矾土为主要原料,以铁粉取代部分锰矿粉制备了低密度中强度陶粒支撑剂。结果表明:添加铁粉2%,锰矿粉3%、白云石1%时,在1 350℃下煅烧1h,有利于陶粒支撑剂中生成均匀分布的直径为0.3~1.0μm棒状莫来石晶相,棒状莫来石起到纤维增韧作用,提高支撑剂的强度,使其在52MPa的闭合压力下破碎率为5.29%,体积密度为1.63g/cm^3。随着铁粉添加量的增加,基体中液相大量增加,晶粒生长速度过快未能有效排除气孔,导致大量气孔包在晶粒之间,容易构成应力集中点而形成裂纹源,降低了支撑剂的密度和强度。

V_2O_5掺杂对莫来石晶须增强型陶粒支撑剂的性能影响

以高岭石质煤矸石为主要原料,V_2O_5为添加剂,于1400℃下制备了莫来石晶须增强的陶粒支撑剂,讨论了V_2O_5促进莫来石晶须生长机制及其添加量对支撑剂样品性能的影响。结果表明:随着V_2O_5的加入,支撑剂样品的主晶相莫来石逐渐生长形成莫来石晶须;当V_2O_5添加量为1wt%时,试样的性能最佳;体积密度1.25 g/cm^3,视密度2.69 g/cm^3,52 MPa闭合压力下的破碎率5.18%。