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。

陶粒压裂支撑剂发展现状及未来展望

随着水力压裂技术的快速发展,陶粒压裂支撑剂研制到现在,在生产上已经规范化。目前市场上有各种规格的陶粒支撑剂,满足不同油气井的开采需要。油气井深度的增加导致开采环境更加复杂,因此,研制性能更好、适合特殊环境的陶粒压裂支撑剂迫在眉睫。文章介绍了陶粒支撑剂的背景及现状,总结了目前陶粒压裂支撑剂制备工艺和存在的问题,重点分析了制备陶粒的影响因素,简要介绍几种新型陶粒压裂支撑剂,最后探讨了陶粒压裂支撑剂发展前景及方向。

一种低密度陶粒压裂支撑剂的制备及性能研究

本文以三级铝矾土和砂土为主要原料,在1440~1520℃高温下,制备了性能优良的低密度陶粒支撑剂,研究了烧结温度对其物相形貌、物理性能的影响。其结果表明：烧成温度在1500℃时,制备的试样主要物相为莫来石和石英,体密度为1.35 g/cm3,视密度为2.78 g/cm3,35 MPa闭合压力下的破碎率为9.47%。符合国标,适合闭合压力高于浅井油气井的应用。

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。

陶粒支撑剂的晶体生长和性能的研究

以煤矸石和铝矾土为主要原料,添加10 wt%长石作为烧结助剂,采用无压固相烧结工艺,在不同的温度下烧结制备了20/40目经济型陶粒支撑剂。通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析了陶粒支撑剂的物相组成和显微形貌,并研究了烧结温度对微观结构和性能的影响。实验结果表明,液相不仅加速了扩散速率,而且促进了莫来石晶粒的生成、发育长大。致密的结构和棒状莫来石都对强度很好的提升。当烧结温度为1 250℃、1 280℃时,在35 MPa闭合压力下的破碎率均低于9%的行业标准(SY/T 5108-2014)。

利用焦宝石和钾长石制备低密高强陶粒支撑剂的研究

以焦宝石和钾长石为原料,在1380~1480℃下烧结制备了低密高强陶粒支撑剂,研究了烧结温度对支撑剂性能的影响。结果表明:1420℃烧结制备的20/40陶粒支撑剂性能最佳,其体积密度为1.56 g/cm^3,视密度为2.72g/cm^3,在52 MPa闭合压力下的破碎率为6.32%。在烧结过程中,钾长石软化分解生成的长石玻璃相降低了支撑剂的烧结温度,同时玻璃相的生成有利于Al_2O_3和SiO_2的相互扩散,促进了莫来石相的形成与生长。另外,长石玻璃相填充于坯体的莫来石相之间,使得支撑剂较致密,从而提高了支撑剂的力学性能和化学稳定性。

紫砂土制备压裂支撑剂的研究

本文首次以阳泉紫砂土和Ⅱ级铝矾土为原料,在不同烧成温度下制备了莫来石-石英质石油压裂支撑剂。利用XRD、SEM等方法,对制品的显微结构和物化性能进行了分析和探讨。结果表明:随着烧成温度的提高,紫砂土和铝矾土制备的支撑剂的破碎率逐渐降低,显微结构趋于致密,1280℃左右性能较佳,20/40目试样的体积密度为1.45 g/cm^3,视密度为2.92 g/cm^3,35 MPa闭合压力下的破碎率仅为8.05%,试样满足行业标准SY/T5108-2014的要求。

长石添加量对陶粒支撑剂性能的影响

利用低品位铝矾土和长石制备陶粒支撑剂,研究长石含量对陶粒支撑剂性能的影响。根据SY/T5018-2014的要求测试了陶粒支撑剂的体积密度、视密度、破碎率,同时分别用XRD和SEM对其物相组成和微观结构进行表征。结果表明:长石的添加有利于降低陶粒支撑剂的烧结温度,添加量为15wt%时最佳,此时陶粒支撑剂满足行业使用标准的烧结范围为1220℃~1300℃,同时体积密度、视密度范围分别为1.36 g/cm^3~1.40 g/cm^3、2.61 g/cm^3~2.62 g/cm^3,属于低密度陶粒支撑剂。

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。

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。

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.

基于煤层气井用陶粒支撑剂的制备

以煤矸石和铝矾土为主要原料,采用50∶50和60∶40质量配比,再添加2wt%长石添加剂,在不同温度烧结制备了煤层气井用的20/40目经济型陶粒支撑剂。通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对陶粒的物相组成和显微形貌进行表征。实验结果表明:所制备的陶粒的视密度均低于3.0 g/cm^3,体积密度低于1.5 g/cm^3,属于低密度范畴;当煤矸石与铝矾土配比为50∶50时,烧结温度在1400~1500℃制备的支撑剂,在35 MPa闭合压力下的破碎率均低于9%的行业标准(SY/T 5108-2014)。

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。

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。

保温时间对添加废陶粒砂制备支撑剂结构和性能的影响

为了缓解高品位铝矾土资源日益匮乏的现状,同时降低支撑剂的生产成本,本研究以二级铝矾土和固废陶粒砂为主要原料,通过添加锰矿粉和白云石作为烧结助剂,最终经1260℃烧结制备得到刚玉-莫来石基陶粒支撑剂。在烧结过程中,讨论了保温时间对支撑剂物相结构和性能的影响。结果表明:随着保温时间的延长,支撑剂物相开始析出针状莫来石,而且晶粒尺寸逐渐变大,随之转变为棒状莫来石并与颗粒状的刚玉相互交叉分布于支撑剂内部,从而形成致密的交联结构。当保温时间为2 h时,支撑剂的性能最佳:体积密度为1. 65 g/cm^3,52 MPa闭合压力下的破碎率达到8. 5%,符合石油天然气行业标准要求,说明固废陶粒砂可以被循环利用制备支撑剂。

煅烧煤矸石添加量对陶粒支撑剂力学性能的影响

可燃性气体的开发以及固体废弃物的再利用是响应国家低碳清洁发展、能源战略转型的重要举措。本文采用煅烧处理的煤矸石作为添加剂制备陶瓷颗粒支撑剂,通过调控支撑剂的原料配比,获得力学性能较好的材料,提升材料支撑岩层裂隙的结构强度,实现煤层气的高效开采。结果表明,煅烧煤矸石组分的适量添加可有效提高陶粒支撑剂抗破碎强度,其中42 MPa闭合压力下破碎率最低为3.66%,52 MPa闭合压力下破碎率最低为7.97%。通过观察界面腐蚀后的陶粒支撑剂微观形貌以及分析结构中的元素成分比例,发现材料中α-Fe_(2)O_(3)的均匀分布促进支撑剂中玻璃相的产生,提升了陶粒基体的结构致密性;同时α-Fe_(2)O_(3)晶粒在形核长大的过程中,由于间隙填补作用产生的微观应力对材料结构起到再次强化的效果,显著提升陶粒支撑剂的力学性能以及抗破碎能力。

粉煤灰基经济型陶粒支撑剂的制备与改性研究

采用固态烧结法制备了粉煤灰基经济型陶粒支撑剂。系统研究了烧结温度、成球温度与铝矾土添加量对陶粒的破碎率、体积密度、视密度的作用规律。采用XRD研究了陶粒的相结构,采用SEM研究了陶粒的显微结构。结果显示:陶粒中含有钙长石与莫来石两种结晶相。随着烧结温度由1200℃升高到1300℃,莫来石相逐渐增多、长径比逐渐增大,破碎率逐渐降低;而当烧结温度继续升高到1350℃时,莫来石相的长径比开始下降,破碎率开始升高。升高烧结温度、提高成球温度、添加铝矾土具有降低破碎率,提高体积密度与视密度的作用。添加铝矾土、在60℃成球、1300℃烧结的陶粒获得了最佳的性能,其体积密度为1.37 g/cm3,视密度为2.82 g/cm3,52 MPa下破碎率仅为4.2%。

烧结温度对添加固废陶粒制备支撑剂性能影响

以铝矾土(Al_2O_3<60wt%)为主要原料,锰矿粉及白云石为烧结助剂,添加一定量固废陶粒砂,在不同温度下烧结制备压裂支撑剂,研究烧结温度对支撑剂结构及性能的影响。结果表明:添加一定量固废陶粒砂经低温烧结(1 260℃)制备的支撑剂,其主晶相为刚玉,次晶相为莫来石和钙长石;支撑剂的体积密度为1.65 g/cm^3,52 MPa闭合压力下破碎率为8.5%,满足行业标准SY/T5108-2014要求,说明添加一定量的固废陶粒砂没有降低支撑剂的使用性能。