大庆油田有限责任公司井下作业分公司砂酸选配厂
目前，包含页岩气等在内的非常规油气藏的开采受到越来越多的人的关注，由于此类油田渗透率较低，储层致密，成功开采此类油田就必须要用到低密度高强度的支撑剂。因此，为研制出密度较低的支撑剂，本文将从原料入手，通过加入钾长石调节原料中的铝含量，最终达到将低密度的目的。为保证低密的同时具有较高的强度，选择白云石为添加剂。
1 钾长石对支撑剂样品的影响
以轻烧铝矾土、铝矾土、钾长石质量比为1:3:1 配制混合料，在强力混合机中加水造粒，筛选出18-30目的陶粒生坯以5℃/min 的升温速率分别升温到1300、1320、1340、1360℃并保温 2h，冷却后得到陶粒支撑剂样品，筛选出 20-40 目的陶粒支撑剂样品，并对支撑剂样品进行性能测试和物相分析。
1.1 钾长石对支撑剂样品物相的影响
图1-1为不添加钾长石和添加钾长石在1360℃下烧成样品的XRD 图。从图中可以看出，未添加钾长石样品与添加钾长石的样品的晶相都为刚玉和莫来石。与未添加钾长石样品相比，添加钾长石的样品莫来石衍射峰增强（如 12°、22°、31°、33°等处），刚玉衍射峰减弱（如 21°），刚玉相的降低使样品体积密度降低，破碎率也随着降低。添加钾长石后莫来石衍射峰的增强原因是：（1）钾长石的加入降低了原料中的铝含量，使铝硅比更接近莫来石形成的铝硅质量比 2.55；（2）钾长石的熔点低（1150±20℃），在烧结过程中增加了基体中的液相含量，降低了莫来石的形成温度。两个方面的原因使基体中莫来石含量增加。
1.2 钾长石对支撑剂样品性能的影响
不同烧结温度下支撑剂样品体积密度，视密度和破碎率的测试结果见表1-1,
从表中可以看出，钾长石的加入显著降低了体积密度和视密度。这是因为钾长石的加入降低了原料中铝含量，铝含量的降低使基体生成刚玉相含量降低，最终使体积密度的降低；又因为钾长石的熔点低，在烧成温度范围内能形成较多的液相，一部分液相封堵气孔形成闭气孔，从而使得视密度降低。从表中还可以看出，随着温度的升高，体积密度和视密度变化不大，但破碎率有所降低，这是因为随着温度的升高，钾长石促进更多液相的生成，填充了更多的孔洞。
2 白云石对支撑剂样品的影响
钾长石的加入虽然使支撑剂样品的体积密度和视密度显著降低，但是破碎率却有所升高。为提高强度，在上节实验基础上分别添加掺杂1%、2%、3%、4%的白云石，以5℃/min 升温速率升温至1340℃，得到陶粒支撑剂样品，分析白云石掺杂对陶粒支撑剂样品性能及物相的影响。
2.1 白云石掺量对支撑剂样品物相的影响
图1-2为1340℃下不同白云石掺量支撑剂样品的 XRD 图谱。从图中可以看出，与未掺杂样品相比，掺杂白云石样品的峰型尖锐，说明白云石的掺杂加快了烧结过程的进行，提高了支撑剂物相结晶度。当掺量较小（1%）时，相含量没有明显变化，当掺量提高到2%时，莫来石和刚玉衍射峰增强，这是因为白云石的主要成分是碳酸钙和碳酸镁，在高温烧结过程中，分解产生的 MgO、CaO 与基体中的Al2O3、SiO2 形成 Mg-Al-Si、Ca-Al-Si 低共熔物，使基体中液相含量增加，同时MgO、CaO 的产生使液相粘度降低，促进晶体从基体析出。掺量提高到 3%、4%时，刚玉相含量基本保持一定，但是莫来石衍射峰减弱，原因是：掺杂过多的白云石，基体中Mg、Ca含量增多，与Al、Si作用，形成强度较低的玻璃相，玻璃相的形成导致基体中Si含量降低，使得莫来石量减少。
2.2 白云石掺量对支撑剂样品性能的影响
白云石的添加在一定程度上提高了体积密度，降低了视密度。这是因为白云石分解产生的碱金属氧化物（MgO、CaO）使基体中产生较多的液相，拉近了颗粒之间的间隙，提高了基体致密性，导致体积密度的增大，同时白云石的主要成分是碳酸钙和碳酸镁，在烧结过程中产生的气体在基体内形成气孔，导致视密度的降低。随着白云石掺量的增加，支撑剂样品的体积密度随掺量的增加逐渐增大，而视密度逐渐减小。白云石掺量为1%时，支撑剂样品的破碎率比未掺杂样品低，这是由白云石分解产生的气孔还未被液相填补所致。当掺量为2%、3%、4%时，基体中生成的液相填补孔隙，提高了支撑剂样品的耐压强度，所以破碎率显著降低。掺量为3%、4%时，基体中生成较多的液相，过多的液相包裹晶粒，使晶界变得模糊，整个基体中布满玻璃相，同时过多的液相使基体内部的气孔来不及排出，导致破碎率有小幅降低。
研究表明，在白云石和钾长石的共同作用下，支撑剂样品的性能明显改善。研究结果表明，当白云石掺量为 2%，烧结温度为 1340℃时制备出的支撑剂样品性能最优：体积密度是1.31 g/cm3，视密度是 2.62 g/cm3，破碎等级7.5K。
参考文献
【1】师志虎, 韦文, 石磊等. 石油压裂陶粒支撑剂研究进展探讨[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2013
【2】郭强. 高强度陶粒支撑剂的研究与开发[D]. 东北大学冶金工程, 2006.
【3】傅英. 压裂气井生产过程中支撑剂回流机理研究[D]. 西南石油大学, 2006.
论文作者:张桂海
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/17
标签：白云石论文; 样品论文; 基体论文; 密度论文; 钾长石论文; 陶粒论文; 含量论文; 《中国西部科技》2019年第7期论文;