添加锰矿低密度高强度陶粒支撑剂的制备及作用机制研究

  表 １ 各实验配方的化学组成 （ｗｔ ／ ％）Ｔ ａｂ．１ Ｃｈｅｍｉ ｃａｌｃｏｍｐｏｓｉ ｔ ｉ ｏｎｏｆｔ ｈｅｆ ｏｒ ｍｕｌ ａｅ样品号锰矿掺量 ／ ％Ｓｉ Ｏ２Ａｌ２Ｏ３Ｆ ｅ２Ｏ３ Ｍｎ Ｏ２Ｔ ｉ Ｏ２Ｋ２Ｏ Ｍｇ Ｏ＋Ｃａ Ｏ１＃０４ ３．７４ ９ ．７２．５００．１０１．７２＃０．５４ ３．６４ ９ ．５２．５０．１０．１０１．７３＃１．０４ ３．６４ ９ ．４２．６０．３０．１０．１１．７４ ＃３．０４ ３．３４ ８．８２．８０．９０．１０．１１．７５＃５．０４ ３．１４ ８．２３．０１．５０．１０．１１．７ＣＨＩ ＮＡＣＥＲＡ ＭＩ Ｃ Ｉ ＮＤＵＳＴ ＲＹＦｅｂ．２００８ Ｖｏｌ ．１５，Ｎｏ．１中国陶瓷工业２００８年 ２月 第 １５ 卷第 １ 期１ 前 言石油 压裂支撑剂是油 气田 压裂作业中必需的专用 材料，尤其在低渗透油气田的开发中发挥着及其重要的作用 。 目 前， 国内 应用的陶粒支撑剂强度普遍较低 （抗压能力一般为 ５２ＭＰ ａ ） ， 难以满足深井作业的需求， 且其视密度与体积密度较大。 根据研究之后发现［ １ － ２ ］： 视密度大的支撑剂容易在压裂产生的裂缝端口 处产生丘状的堆积， 对导流极其不利； 体积密度大则会增加填充地层裂缝所需支撑剂的质量， 增加压裂作业的成本。 低密度高强度支撑剂的开发不仅为...

  表 １ 各实验配方的化学组成 （ｗｔ ／ ％）Ｔ ａｂ．１ Ｃｈｅｍｉ ｃａｌｃｏｍｐｏｓｉ ｔ ｉ ｏｎｏｆｔ ｈｅｆ ｏｒ ｍｕｌ ａｅ样品号锰矿掺量 ／ ％Ｓｉ Ｏ２Ａｌ２Ｏ３Ｆ ｅ２Ｏ３ Ｍｎ Ｏ２Ｔ ｉ Ｏ２Ｋ２Ｏ Ｍｇ Ｏ＋Ｃａ Ｏ１＃０４ ３．７４ ９ ．７２．５００．１０１．７２＃０．５４ ３．６４ ９ ．５２．５０．１０．１０１．７３＃１．０４ ３．６４ ９ ．４２．６０．３０．１０．１１．７４ ＃３．０４ ３．３４ ８．８２．８０．９０．１０．１１．７５＃５．０４ ３．１４ ８．２３．０１．５０．１０．１１．７ＣＨＩ ＮＡＣＥＲＡ ＭＩ Ｃ Ｉ ＮＤＵＳＴ ＲＹＦｅｂ．２００８ Ｖｏｌ ．１５，Ｎｏ．１中国陶瓷工业２００８年 ２月 第 １５ 卷第 １ 期１ 前 言石油 压裂支撑剂是油 气田 压裂作业中必需的专用 材料，尤其在低渗透油气田的开发中发挥着及其重要的作用 。 目 前， 国内 应用的陶粒支撑剂强度普遍较低 （抗压能力一般为 ５２ＭＰ ａ ） ， 难以满足深井作业的需求， 且其视密度与体积密度较大。 根据研究之后发现［ １ － ２ ］： 视密度大的支撑剂容易在压裂产生的裂缝端口 处产生丘状的堆积， 对导流极其不利； 体积密度大则会增加填充地层裂缝所需支撑剂的质量， 增加压裂作业的成本。 低密度高强度支撑剂的开发不仅为深井作业提供支持， 而且有利于非胶化压裂液的使用 ， 便于在地层内 形成具有一定长度和高度的支撑带， 来提升产层导流能力并增产增效［ ３ － ４ ］。国外多采用烧结刚玉制备压裂支撑剂， 其生产的基本工艺复杂且成本昂 贵。 国内 多采用高铝质的矾土、 棕刚玉等作为主料，添加少量萤石、 赤铁矿、 高钛炉渣等辅助料， 通过高温煅烧（１３８０￣ １４ ２０℃） 获得高密度高强度支撑剂［ ５ － ６ ］。本文尝试使用单一添加剂─锰矿， 旨在变价锰离子在烧结后期可加快体积扩散， 促使晶粒长大， 形成晶粒内 部闭气孔［ ７ ］大大降低支撑剂的密度； 且锰和铁杂原子的引 入可降低莫来石的形成温度［ ８ ］， 便于低温煅烧获得莫来石强韧化陶粒支撑剂。 实验采用 特殊的成球工艺， 在 １３５０℃ 下煅烧制 备了 低密度高强度陶粒支撑剂， 并通过微观测试方法 （ＳＥＭ、ＭＩ Ｐ ） 分析了 锰矿对支撑剂性能的影响。２ 实 验２．１ 实验原料采用 瑞士 ＡＲＬ荧光光谱仪和 Ｘ射线衍射仪对原料化学成分做多元化的分析， 各配方的化学成分见表 １， 锰矿主要成分是石英和软锰矿， 以 Ｓｉ Ｏ２和 Ｍｎ Ｏ２的 形式存在， 还存在少量的Ｆ ｅ２Ｏ３。收稿日 期：２００７ － １０－ １５通讯联系人： 姚晓， 男，Ｅ－ ｍａ ｉ ｌ ：ｈ ｔ ｍ＠ｎ ｊ ｕ ｔ ．ｅ ｄ ｕ ．ｃ ｎ文章编号：１０ ０ ６ －２８ ７ ４（ ２０ ０ ８）０ １－０ ０ ０ １－０ ５添加锰矿低密度高强度陶粒支撑剂的制备及作用机制研究马 雪１姚 晓１，２陈 悦１（ １．南京工业大学材料科学与工程学院，２１０ ０ ０ ９ ；２．材料化学工程国家重点实验室，江苏南京：２１０ ０ ０ ９ ）摘要 低密度高强度支撑剂的开发与应用 不仅有利于非胶化压裂液的使用 ， 尤其对提高低渗透油 气藏的开发效率有显著作用 。 以铝矾土为主要的组成原材料， 添加 ５％锰矿， 在 １３５０ ℃ 下无压烧结， 制备高强度低密度陶粒支撑剂， 并讨论了 锰矿掺量及烧成温度对支撑剂诸性能的影响。 根据支撑剂的显微结构和孔结构分析发现： 掺入 ５％锰矿有利于生成均匀分布的直径为０ ．２￣ １ ｍ 棒状莫来石， 棒晶发挥纤维或晶须的强韧化作用 ， 明显提高了 支撑剂的强度， 抗破碎能力达到 ６ ９ ＭＰ ａ闭合压力下破碎率为 ４ ．１％； 在烧结后期， 棒晶的生长速度过快未能有效排除气孔， 导致大量晶粒间闭气孔生成， 大大降低了 支撑剂的密度（ 体积密度为 １．７ ８ ｇ ／ ｃ ｍ３， 视密度为 ３．２２ｇ ／ ｃ ｍ３）。关键词 支撑剂， 低密度， 高强度， 锰矿， 压裂中图分类号：Ｔ Ｑ１７４．７５文献标识码：Ａ