软锰矿粉对莫来石质支撑剂性能的影响研究

太原科技大学 毕 业 设 计（论 文）

软锰矿粉对莫来石质支撑剂性能的影响研究 软锰矿粉对莫来石质支撑剂性能的影响研究

摘要：以四级铝矾土为原料，软锰矿为添加剂制备了莫来石质陶粒支撑剂，并系统地研究了软锰矿添加量对陶粒支撑剂性能的影响。结果表明：当添加2wt%软锰矿粉制备得到的陶粒支撑剂具有最佳的性能，30/50目陶粒在52MPa下的破碎率最低为7.62%，体积密度为1.52g/cm3，视密度为2.8544g/cm3，满足中国行业标准SY/T 5108-2006。软锰矿粉与原料中的杂质形成了液相，有利于晶粒的发育长大，这些液相填充了支撑剂的晶界及气孔，从而获得了较为致密的陶瓷烧结体，降低了陶粒的破碎率。 关键词： 陶粒支撑剂，四级铝矾土，软锰矿，破碎率 Effect of pyrolusite additive on the properities of mullite-phase proppants College of Materials Science and Engineering Materials Physics111401 Li Zhenyu Director：Wang Kaiyue

Abstract：The mullite-phase proppants were prepared by using the raw materials of the fourth grade bauxite together with the pyrolusite as additive, and the effects of pyrolusite on the properities of mullite-phase proppants were also systematically investigated. The results showed that the 30/50-mesh proppants with 2wt% additive presented the best performance with the crush ratio of 7.62% at 52MPa pressure, the volume density of 1.52g/cm3 and the apprance density of 2.8544g/cm3. The liquid glass appear during the sintering process of due to the presence of the pyrolusite powder and the impurities of the raw materials, which was beneficial to the growth of crystal, the gap decrease of grain boundary and pores, and therefore the crush ratio of the proppants decrease. Key Words: Ceramic proppant, Fourth grade bauxite, Pyrolusite, Crush ratio 目录 摘要 I Abstract II 第一章 文献综述 1 1.1 水力压裂技术 1 1.2 支撑剂的应用 2 1.3 支撑剂的分类 2 1.4 支撑剂的制备方法 3 1.4.1 挤压-滚圆法 3 1.4.2 喷雾造粒法 4 1.4.3 离心造粒法 4 1.5支撑剂的发展历史与现状 4 1.5.1 石英砂支撑剂的特征及其优缺点 4 1.5.2 树脂包层石英砂支撑剂的特征及其优缺点 5 1.5.3 陶粒支撑剂的特征及其优缺点 7 1.6 莫来石 8 1.7 锰粉的作用 8 1.8 本课题的研究意义 8 第二章 实验部分 10 2.1 原料选择 10 2.2 实验仪器 10 2.3 实验流程 11 2.4 莫来石陶粒支撑剂性能检测 12 2.4.1 体积密度检测 12 2.4.2 视密度检测 13 2.4.3 破碎率检测 13 2.4.4 X射线衍射分析(XRD)14 第三章 实验数据分析 15 3.1 破碎率 15 3.2 体积密度以及视密度 16 3.3 XRD分析 17 3.4 SEM分析 18 3.5 讨论 19 第四章 结论 21 参考文献 22 致谢 24

第一章 文献综述 1.1 水力压裂技术 水力压裂技术是低渗透油井开采的一项重要技术工艺，用来达到增加产量的目的，工艺过程如图l-1所示。水力压裂是利用高压泵组的原理，采用的排量远高于地层吸液能力。在油井中注入前置液，令到压裂层段中的液体压力到达某一个数值后，开启裂缝，而且同时延伸裂缝，随后采用高压技术在压裂裂缝中注入混有支撑剂的压裂液，而压裂液将不停地延伸压裂裂缝的长度以及宽度，压裂液中的支撑剂会在裂缝中沉淀下来并形成一个高导流通道，这有利于油气从地层远处流向油井底部[1]。在压裂工程中，压裂液和支撑剂并不能被其他东西所替代。压裂液的作用是使裂缝张开并且沿裂缝运输所需要的压裂支撑剂[2]。

图1-1压裂作业示意图 1.2 支撑剂的应用 支撑剂的作用就是当完成压裂作业后，在压裂产生的裂缝中沉积排列，以支撑裂缝，防止裂缝重新闭合，从而使在油层裂缝中的液体具有高流动性，提高流油通道和排油体积，降低液体流动阻力，增大孔隙度，升高渗透率，达到增产、改善注水性能的目的[3]。在进行水力压裂开采过程中，压裂初期产量以及有效期受石油支撑剂所制约，影响压裂过程成功的关键性因素。因此压裂支撑剂是油气井压裂作业中的不可缺少的主要材料[4]。 1.3 支撑剂的分类 在生产中，我们一般将支撑剂分为两大类，一种是天然压裂支撑剂，而另外一种是人工合成压裂支撑剂。天然存在的压裂支撑剂一般是指氧化铝和石英砂颗粒这两种。而人工合成压裂支撑剂包括电解陶瓷颗粒、烧结陶瓷颗粒、表面改性陶瓷颗粒等。现在石油行业中应用最广泛的是烧结陶粒支撑剂[5]。 根据不同大小的支撑剂粒径，我国一般采用中国石油天然气股份有限公司企业标准Q/SY125—2005，将石油压裂支撑剂划分为11种规格，分别为0.106~ 0.212mm，0.212~0.425mm，0.25~0.425mm，0.30~0.60mm，0.425~0.85mm，0.60~ 1.18mm，0.85~1.18mm，0.85~1.70mm，1.00~1.70mm，1.18~2.36mm，1.70~2.35mm。另外，还有其他采用美国石油生产行业标准中E11-95标准筛标准，而旧的SY/T5108—1997行业标准则将其分为三类：0.224~0.45mm，0.45~0.90mm，0.90~1.25mm[6]。 如果将支撑剂的体积密度和视密度作为分类标准，那么可以划分为低密度陶粒，中密度陶粒，高密度陶粒这三种。其中低密度陶粒支撑剂的体积密度为不大于1.65g/cm3，视密度不大于3.00g/cm3；中密度陶粒支撑剂的体积密度为1.65~1.80g/cm3，视密度为3.00~3.35g/cm3；高密度陶粒支撑剂的体积密度大于1.80g/cm3，视密度大于3.35g/cm3。以上是中国石化集团胜利石油管理局的企业标准Q/SH1020 1598-2008标准分类[7]。 1.4 支撑剂的制备方法 由于生产中的压裂支撑剂一般是球形陶瓷颗粒，所以我们主要介绍球形陶粒支撑剂的制备工艺方法。我国目前制备球形陶瓷制品的主要方法有模具压制法、粒化滚动法、挤压滚动法、雾化法、反相悬浮聚合法、溶胶-凝胶法、溶剂热法等[8]，但是由于支撑剂粒径大小的限制，我们采用的适用制备方法有挤压-滚圆法、喷雾造粒法、离心造粒法[9]。 1.4.1 挤压-滚圆法 挤压-滚圆法从发明到现在已经有一段很长的历史，它被Nakahara于1964年发明[10]。在国外，它已经被成熟运用于医药药品生产行业药剂颗粒生产、微粒材料制备工艺以及食品饲料行业生产中。但是挤压-滚圆法这项技术在我国发展还没有像国外那样达到先进水平，其在国内依然有巨大的发展空间和远大的前景，在国内这项技术主要用于医药饲料行业，在材料行业中对它没有足够的重视。一般来说，国内的几所大学和少数几个实验室才会采用这项技术。如果能够推广这项技术必定能够带来巨大的利润空间。挤压-滚圆法的工艺过程如下图1-2所示，其主要使用两大装置——挤出装置和滚圆装置。挤压-滚圆法装置的总体费用相对较低，因为其日常管理的费用很低，可以节省大量人力资源和管理资源。挤压-滚圆法制作的微粒粒径在0.3~30mm范围内，它可以制作大量粒径分布范围集中的球形微粒。它的生产效率高，劳动强度低，因此需要的人力资源小，可以进行工业化大规模生产。它对于工厂的大规模生产非常适合。

图1-2 挤出-滚圆法造粒的工艺流程 1.4.2 喷雾造粒法 喷雾造粒法装置设备有两方面组成：喷雾造粒塔和流化床[11]。喷雾造粒塔是利用化学的热分解技术，在低压高温气体中喷入金属盐溶液，这将会立即使金属盐溶液蒸发并且进行热分解反应，从而直接反应生成具有各均匀组分，高分散性的超细粉体，因此它又被称为喷雾热分解法。喷雾造粒法能够控制各组分组成及组分纯度，并且基本完全利用原材料，适合连续生产，满足工业化的大规模生产的条件。利用不同物料之间存在的附着力或凝聚力这种特性，流化床进行制粒。在造粒过程中要使造粒塔生产的超细粉体保持着不停地流动，向流化床加入所生产的粉体，依靠流化气体，使超细粉体在流化床内不停运动，把作为中介物的粘结剂添加到装置内，完成造粒过程，物料粉体由于互相接触及相互冲击而长大成粒，通过控制物料在流化内的循环流动时间，得到所需求的均匀颗粒。 1.4.3 离心造粒法 离心造粒法是一种半干湿造粒法，它通过在湿核外部不断沾上干粉而使材料颗粒在滚筒内逐渐形核长大。造粒主要机理可以被分为四个阶段：成核、聚结、堆积和磨蚀转移。在层积过程中超细粉粘附在湿核上，而湿核由于随着机器滚筒旋转获得速度，并且由于湿核的相互摩擦作用，湿核表面棱角逐个被消除而形成球状并不断长大，是微粒成长的主要过程[12]。我们的实验就是采用了离心造粒法，我们采用了爱立许造粒机进行造粒。 1.5支撑剂的发展历史与现状 1.5.1 石英砂支撑剂的特征及其优缺点