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MgO作矿化剂对多孔轻质陶粒支撑剂结构和性能的影响


MgO作矿化剂对多孔轻质陶粒支撑剂结构和性能的影响

摘要:以山西忻州高铝煤矸石为主要原料,碳粉为造孔剂,采用常压烧结法,制备出了密度较低的石油压裂支撑剂,但造孔作用使得支撑剂的强度变低。为了能够在降低支撑剂密度的同时保证强度,添加MgO作矿化剂来改善支撑剂的强度。通过分析检测表明:引入适量的氧化镁做矿化剂,可促进液相烧结,对抑制莫来石晶粒长大有利,改善了支撑剂强度。当碳粉添加量为10wt%,氧化镁添加量为2wt%,烧结温度为1350℃时,获得的支撑剂性样品能33关键词:高铝煤矸石;压裂支撑剂;造孔剂;矿化剂;莫来石1引言水力压裂技术是石油天然气行业广泛应用的增产技术,而其关键则是石油压裂支撑剂的选择。使用最[12]等缺点,目前的水力压裂作业主要使用的还是陶粒支撑剂。而关于陶粒支撑剂的应用研究现在已经相当成熟,大多陶粒支撑剂所用的主要原料还是铝含量量较高的铝矾土,强度足够使用,但还是存在高密度高回流[34]。随着全球能源短缺,低渗透压的页岩气[4]及其他非常规天然气的开发,低密度的压裂支撑剂的研制具有重要意义。

基金项目:山西省国际科技合作项目(201703D421036);2016年度山西省科技重大专项(MC201603)作者简介:郑林会(1994),男,硕士研究生.主要从事石油压裂支撑剂等方面的研究.通讯作者:高峰,博士,教授.郑林会,高翔,王正,谢晓康,牛三鑫,苗洋,成龙胜,高峰最佳,体密度仅为1.35g/cm,视密度为2.41g/cm,35MPa下破碎率为4.58%。
广泛的石油压裂支撑剂是石英砂和陶粒支撑剂,由于石英砂存在圆球度低,抗破碎能力差,堆积密度较高等重大问题1第2期郑林会等:MgO作矿化剂对多孔轻质陶粒支撑剂结构和性能的影响441要制备出圆球度好,强度足够且密度较低的陶粒支撑剂,主要从两方面入手来制备低密高强的压裂支撑[5]分布广泛且成本低,铝含量相对较低,制备出来的支撑剂密度显著降低,在添加一些烧结助剂后,其强度也能[6][7]3[8]1.027g/cm3,视密度为2.713g/cm3,35MPa闭合压力下的破碎率为5.451%;加拿大专利[9]公布了一种由高岭土制成,可用于浅层石油井和天然气井,通过将烧制的时间和温度控制在约1200~1350℃来实现低密度33煤矸石是煤的伴生矿物,是我国特有的的宝贵资源,本文以山西高铝煤矸石为主要原料,选用碳粉做造孔剂,MgO为烧结助剂制备了低密度高强度的石油支撑剂样品,研究了MgO的矿化作用对压裂支撑剂样品结构和性能的影响。
2实验2.1实验原料及仪器实验所用的原料主要为山西忻州高铝煤矸石,其主要成分如表1所示。实验所用的碳粉为常用墨粉,MgO为分析纯(MgO含量>98%)。
表1原料化学组成Tab.1Chemicalpositionsoftherawmaterial/wt%原料Al2O3SiO2Fe2O3TiO2CaOK2ONa2OMgOOthersLOI生料煤矸石36.4844.180.340.710.420.180.030.191.4516.02熟料煤矸石45.0250.970.601.050.060.170.030.070.811.222.2实验过程与表征(1)根据比例称取生料煤矸石和熟料煤矸石,添加一定量的碳粉,然后放入到德国产EirichR02型混合机中进行混合造粒。造粒完成后,筛分出生球坯并烘干,然后放入KSL1700X箱式高温炉中以5℃/min的升温速率升温至设定温度,保温4h后,冷却至室温,再通过20~40目筛筛分出成品,对样品进行各项性能测试,讨论碳粉最佳添加量。
(2)再按上述比例称取生料煤矸石和熟料煤矸石,添加(1)得到的最佳碳粉量,再分别添加1wt%~3wt%的MgO进行混料造粒,成球后进行常压烧结,最后对得到的样品进行微观研究和各项性能测试。
[10]准的密度测定仪测定。破碎率采用某国产全自动压力试验机在35MPa的闭合压力下进行测定。采用德国的BRUKERD2PHASERX射线衍射仪检测支撑剂的物相组成。采用日本产的HITACHITM3030扫描电子显微镜测试其微观形貌。
3结果与讨论3.1最佳碳粉添加量的测定碳粉在烧结的过程会随着温度的升高燃烧挥发掉,在原来的位置上留下孔隙,因而碳粉可用作造孔[11]。造孔剂的添加量决定了造孔的效果,而造孔效果则直接影响压裂支撑剂的内部结构,进而影响其密度和强度。因此,选择合适的造孔剂添加量,将是最终得到优质压裂支撑剂的保障。
表2示出了添加不同量的碳粉在不同温度下烧结得到的支撑剂样品的密度和破碎率。可以看出,在原料中加入碳粉做造孔剂时,确实能够使支撑剂的体积密度和视密度都有较大程度上的降低;当碳粉添加量从0增大到10%时,支撑剂的体积密度和视密度均是逐渐降低;当碳粉添加量再从10%增大到15%时,支撑剂体积密度和视密度则趋于平稳;而对于破碎率则是随着碳粉添加量的增大一直在变大。这是因为当碳粉添加量变大时,造孔作用增强,支撑剂烧结完成后内部孔隙逐渐增多,导致密度的降低,同时也一定程度上会降低支撑剂的强度,这对应表中碳粉添加量从0~10%之间密度和强度的变化;而继续加大增加造孔剂添加量剂,一是采用成本较低的低铝原料。以高岭土和煤矸石等为原料的压裂支撑剂具有诸多的优点,其原料够满足应用。二是通过添加造孔剂和一些烧结助剂要使得其主晶相为密度较低的莫来石,在降低支撑剂密度的同时保证其强度足够。武秀兰等以高岭土和铝矾土为主要原料,添加自配复合矿化剂,1350℃烧结2h制备出了体积密度为1.51g/cm,在52MPa闭合压力下得到的破碎率仅为6.97%的高强支撑剂;崔冰峡以高岭土为原料,同时添加钼酸铵和氟化铝,在1350℃煅烧后获得的支撑剂样品的体密度为的压裂支撑剂,其体密度约为0.95~1.30g/cm,视密度为1.60~2.10g/cm。