1. 研究目的与意义(文献综述包含参考文献)
文 献 综 述
引言
水力压裂是利用地面高压泵组,以大大超过地层吸液能力的排量将前置液泵入井中,当压裂层段的液体压力达到一定值后,压裂液继续延伸裂缝,并携带支撑剂堆积在裂缝中,形成一条高导流能力的裂缝以利于油气田地层远处流向井底。支撑剂是油气井压裂作业中的关键材料,其作用是在压裂完成,撤去地面高压泵组施加的压力后,沉积排列在压裂产生的裂缝中以支撑裂缝,增大孔隙度,提高渗透率,保证液体在油层裂缝中具有较高的流通性,扩大油流通道及排油体积,减少油流的流动阻力,达到增产增注的目的。随着石油天然气的日趋枯竭,如何提高开采效率,提高压裂液及支撑剂的性能,降低支撑剂的生产成本,及实现低能耗成为现阶段急需解决的难题。
本文选用工业废渣如高炉矿渣、粉煤灰、偏高岭土等,并自己配置不同模数、不同浓度的水玻璃激发废渣潜在活性,实现免煅烧废渣基压裂支撑剂的制备。为提高免烧压裂支撑剂的性能,实验中掺加了晶须、硅灰等增强增韧材料,并通过改变原料细度,改变养护方式,树脂覆膜等方式制备性能最优的压裂支撑剂。
1.工业废渣概述
1.1 矿渣
矿渣(简称KZ)是在1350~1550℃的高炉中冶炼生铁时的废渣,经水或空气急冷处理后,以硅铝酸盐玻璃体微珠的粒状物。矿渣微粉是粒化水淬高炉矿渣粉末后达到规定细度的一种粉体材料。在水泥混凝土中的应用,既可作为水泥的混合材,也可作为混凝土的掺合料。
高炉矿渣的主要化学成分是CaO 、SiO 2 、Al 2O 3以及MgO、MnO 、Fe 2 O 3 等氧化物。各钢铁企业的高炉矿渣,其化学成分虽大致相同,但各氧化物的含量并不一致, 因此矿渣有碱性、中性、酸性之分,以矿渣中碱性氧化物和酸性氧化物含量的比值M 大小来区分:
M 1 为碱性矿渣;M1 为酸性矿渣;M=1 为中性矿渣。酸性矿渣的胶凝性差,而碱性矿渣的胶凝性好。因此, 矿渣微粉应选用碱性矿渣,其M 值愈大, 反映其活性愈好。根据我国的水泥国家标准GB203 -94 , 可用质量系数K 来评定矿渣的质量:
此K 值应≥1 .2。K值愈大, 则矿渣的质量愈好, 活性愈高。矿渣微粉根据上海市地方标准(DB31/T35 -1998)按照矿渣微粉的活性指数、流动度比和比表面积可划分为三个品级:S95、S105与S115 。其技术指标如表1 。
表一 矿渣微粉技术指标
矿渣微粉品级 | S115 | S105 | S95 |
活性指数 7d 28d | ≥95 | ≥80 | ≥70 |
≥115 | ≥105 | ≥95 | |
流动度比/% | >90 | >95 | >95 |
比表面积/(m2/kg) | >580 | >480 | >380 |
活性指数是受检胶砂与基准胶砂标准养护至规定龄期的抗压强度比, 用百分数表示。活性指数反映了矿渣微粉对硬化混凝土力学性能的影响。在标准中规定的胶砂配合比为:基准胶砂:水泥540g 、标准砂1350g 、水238g受检胶砂:水泥270g 、矿渣微粉270g 、标准砂1350g 、水238g基准水泥为42.5强度等级的Ⅰ型硅酸盐水泥流动度比是受检胶砂与基准胶砂流动度之比值,用百分数表示。流动度比反映了矿渣微粉对新拌混凝土工作性的影响。胶砂配合比同活性指数,比表面积按勃氏法检验,矿渣微粉的细度对其活性有显著的影响。关于用作混凝土掺合料的矿渣微粉的最佳细度问题, 国内外的学者和工程技术人员众说纷纭,有认为比表面积400m2/kg ~ 500m2/kg 为好,也有认为600m2/kg ~ 800m2/kg 为好。对此需进行综合分析:
首先,要考虑矿渣微粉参与水化反应的能力。矿渣是有胶凝性或称潜在活性的掺合料矿渣在水淬时除形成大量玻璃体外还含有钙铝镁黄长石和少量的硅酸一钙或硅酸二钙等组分, 因此具有微弱的自身水硬性。但当其粒径大于45μm 时, 矿渣颗粒很难参与水化反应。因此,矿渣微粉的勃氏比表面积应超过400m2/kg , 才能比较充分地发挥其活性[ 1] , 以改善并提高混凝土的性能。
其次,要考虑混凝土的温升。矿渣微粉越细,其活性越高, 掺入混凝土后,早期产生的水化热越大,不利于降低混凝土的温升。有资料[2]表明:矿渣微粉等量取代水泥用量30 %的混凝土, 细度为600 m2/kg ~800 m2/kg 的矿渣微粉, 其混凝土的绝热温升比细度为400 m2/kg 的矿渣微粉混凝土有十分显著的提高。
其三, 在配制低水胶比并掺有较大量的矿渣微粉的高强混凝土或高性能混凝土时, 要考虑矿渣微粉的细度越细, 混凝土产生早期的自收缩将更严重[ 3] 。最后, 还不得不考虑矿渣微粉磨得越细, 所耗电能也越大, 成本将大幅度提高。此外,近期的研究工作发现矿渣微粉的活性指数与性能不仅仅取决于细度(比表面积), 还和矿渣微粉的颗群形态诸如级配、粒形和粒径分布等有密切的关系[4] 。因此, 矿渣微粉的细度应该在能充分发挥其活性和水化反应能力的基础上综合考虑所应用的工程的性质、对混凝土性能的要求以及经济分析等因素来确定, 不能笼统地认为矿渣微粉越细越好。
1.2 粉煤灰概述
煤是一种在世界各地分步广泛的有机沉积岩,其主要用途是通过火电站燃烧设备的燃烧予以产热发电。煤中含有复杂的有机成分,同时也含有无法参与燃烧的无机物质。粉煤灰便是煤中的无机物质在设备中燃烧后产生的。当煤粉在以高速气流的方式进入锅炉时,要经历1500℃的高温。残留在煤中的物质(氧化硅、氧化铝和氧化铁等)要经历快速淬冷,然后通过烟道气体排出,最终固化形成微小的球形颗粒粉煤灰(简称FA)。
粉煤灰的粒径分布、球形形貌、化学组成以及较低的成本使其成为了一种填充水泥混凝土的理想材料[5]。粉煤灰作为水泥材料外掺料的工艺及机理已被广泛研究,其主要作用包括:
通过粉煤灰的球型形貌提高水泥材料和易性,并减少需水量。
通过粉煤灰的火山灰活性提高水泥材料后期的机械强度和其他性能。
减少混凝土及水泥材料的成本。
粉煤灰的处理在全世界范围内受到了广泛关注,由火力发电产生的大量粉煤灰目前还没有一种固定环保的处理方式。虽然粉煤灰可以作为水泥外掺料加以利用,但用量较产量仍有很大差距。而对于粉煤灰基无机聚合物的研究,可以深入了解无机聚合反应体系中粉煤灰的反应机理,为改善无机聚合物的工艺条件和今后大批量工业应用粉煤灰提供研究依据。
粉煤灰的化学组成与煤的矿物相密切相关。煤中普遍含有粘土、碳酸盐、硫酸盐和其他氧化物,并且其种类和质量浓度随产地不同有很大差异。而产出的粉煤灰由于其燃烧工艺不同,其组成会存在更大差异,甚至对于同一产地不同批次的粉煤灰也存在差异[6]。粉煤灰中的主要组成包括:结晶石英,主要以分散颗粒的形式存在;嵌入铝硅酸盐玻璃体内的莫来石结晶;磁铁矿等含铁晶体;大量的铝硅酸盐玻璃体。
粉煤灰中包括大量的玻璃体、孔隙以及球形颗粒(煤胞)。粉煤灰的形貌、比表面积都有很大差异,这些对无机聚合物的合成过程有重要影响。举例来说,1500℃下煅烧的粉煤灰颗粒粒径至于1~20μm之间。
粉煤灰主要成分为SiO2,Al2O3,Fe2O3和CaO,ASTM C 618[7]粉煤灰分成F级(SiO2 Al2O3 Fe2O3>70%)和C级(70%>SiO2 Al2O3 Fe2O3>50%);GB/T 1596-2005[8]也有类似级别的分法,根据来源,无烟煤和生煤燃烧后收集的粉煤灰成为F类,褐煤和亚煤燃烧后收集的成为C类,其CaO含量一般高于10%,该标准进一步根据拌制混凝土和砂浆时技术指标(如粉煤灰细度、需水量、烧失量等)将粉煤灰分为一级、二级和三级。
1.3 偏高岭土概述
偏高岭土(metakaoli ,简称MK)是以高岭土(Al2O32SiO22H2O,AS2H2)
为原料,在适当温度下(600~ 900 ℃) 经脱水形成的无水硅酸铝( Al2O32SiO2,AS2) 。高岭土属于层状硅酸盐结构,层与层之间由范德华键结合,OH- 离子在其中结合得较牢固。高岭土在空气中受热时,会发生几次结构变化,加热到大约600 ℃时, 高岭土的层状结构因脱水而破坏,形成结晶度很差的过渡相 偏高岭土。
1.3.1 偏高岭土的反应机理
由于偏高岭土的分子排列是不规则的, 呈现热力学介稳状态,在适当激发下具有胶凝性。偏高岭土是一种高活性的人工火山灰材料,可与Ca( OH) 2( CH) 和水发生火山灰反应,生成与水泥类似的水化产物。利用这一特点, 在用作水泥的掺合料时, 与水泥水化过程中产生的CH 反应,可改善水泥的某些性能。偏高岭土用作混凝土矿物掺合料时 主要是AS2、CH 与水的反应, 随AS2/ CH 的比率及反应温度的不同, 会生成不同的水化产物, 包括托勃莫来石( CSH-I ) 、水化钙铝黄长石( C2ASH8) 、水化铝酸四钙( C4AH13) 和水化铝酸三钙( C3AH6)[9] 。不同AS2/ CH 比率下的反应式如下:
AS2/ CH= 0. 5,AS2 6CH 9H C4AH13 2CSH ( 1)
AS2/ CH= 0. 6,AS2 5CH 3H C3AH6 2CSH ( 2)
AS2/ CH= 1. 0,AS2 3CH 6H C2ASH8 CSH ( 3)
处于介稳状态的偏高岭土无定形硅铝化合物,经碱性或硫酸盐等激活剂及促硬剂的作用,硅铝化合物由解聚到再聚合后,会形成类似于地壳中一些天然矿物的铝硅酸盐网络状结构。其在成型反应过程中由水作传质介质及反应媒介, 最终产物不像传统的水泥那样以范德华键和氢键为主, 而是以离子键和共价键为主、范德华键为辅, 因而具有更优越的性能[10] 。根据这一矿物特征, 作者称这种经激发得到的类似于水泥的产物为麦特林水泥( MetakaolinCement ) 。该水泥具有早期强度高的特点,20℃养护4 h 的抗压强度达15~ 20 MPa, 而且具有较强的耐腐蚀性和良好的耐久性, 在5 %酸性条件下, 其强度损失仅为硅酸盐水泥的1/ 13。
1.3.2 偏高岭土的研究与制备
对偏高岭土这种人工火山灰烧结黏土材料的研究起步较晚。国外从20 世纪80 年代起开始增多,90 年代中后期研究力度不断增大,主要集中于将其作为矿物掺合料对水泥及混凝土性能的影响上, 也有将其制成胶凝材料制品的研究。国内有关偏高岭土研究的起步很晚, 近几年才陆续有一些偏高岭土作为矿物掺合料研究的报道。
偏高岭土( MK) 是高岭土在高温下脱水形成的产物, 煅烧温度会影响产物的活性。煅烧的反应方程式如下:
当温度升至950 ℃ 以上时, 产物开始结晶并转化为莫来石和方石英, 就会失去水化活性。国外有研究显示, 当煅烧温度为700 ℃ 时,3 d、7 d 和28 d的强度最大[ 11] ,超过850 ℃ 后, 出现结晶化, 活性降低[ 12] 。丁铸等[ 13] 采用国产的高岭土进行煅烧, 发现经800 ℃ 和750 ℃ 煅烧处理过的纯高岭土和原矿高岭土的胶砂试样强度最高。作者对从700 ℃ 至850 ℃ 煅烧处理的高岭土进行比较, 认为750℃ 煅烧的高岭土在各方面均表现出较好的性能。
高岭土的煅烧方法通常采用回转窑或流化床,煅烧时间从几分钟到几小时。Salvador 等[ 14] 的研究称, 采用粉尘悬浮煅烧法可将时间缩短到几秒钟, 煅烧过程包括迅速加热、煅烧和冷却。
2. 压裂支撑剂综述
在油气田勘探开发过程中,尤其是低渗、特低渗油气田的勘探和开发以及老油气井的改造中,压裂已经成为增产与提高采收率的主要手段。压裂支撑剂是随压裂液进入裂缝、撑开油层裂缝、增大油流通道的一种颗粒物质,是油气井压裂作业中的关键材料。随着水利压裂技术的发展,支撑剂合成材料也产生巨大的变化, 现阶段应用的支撑剂主要以陶粒为主,其中,低密度树脂复合型支撑剂因具有沉降速度慢、能完全填充裂缝和对压裂液性能要求不高等优点而成为压裂支撑剂研究的热点[15-17]。
2.1 压裂支撑剂发展现状
2.1.1 石英砂支撑剂
石英砂是一种分布广泛、硬度大的天然稳定性矿物,其主要的化学成分以石英为主,含量高达80%左右,国外优质石英砂中国石英含量可达98%以上。作为石油压裂支撑剂,石英砂具有价格低廉,可以就地取材,相对密度较低,便于施工泵送的优点,但其在应用中存在诸多问题,总结起来,主要表现在破碎强度较低,圆球度较差,表面光洁度地对渗透率及其不利,且石英砂在闭合压力的长期作用下易发生大量破碎,残渣堵塞在出油的孔隙中,导致长期导流能力差。因此,石英砂仅适用于浅井、低闭合压力油气层的水力压裂[18-19]。由于低渗透油气臧埋藏较深,地层闭合压力和温度高,天然石英砂已不能满足该条件下的需求,故目前低渗透油气臧主要使用的是高强度陶粒支撑剂。
2.1.2陶粒支撑剂
陶粒支撑剂被压碎后的碎块较大,能够停留在破碎发生的位置,不容易随着流体流动,并在高闭合压力下仍能提供一定的导流能力,导流能力相对于石英砂提高了3倍[20]。支撑剂的圆球度决定了作用在支撑剂上的应力大小,颗粒越圆表面受力越均匀,球体能承受越高的载荷而不破碎。陶粒支撑剂形成支撑剂的空隙大,裂缝导流能力相比优质石英砂提高20%。但虽然陶粒支撑剂具有较高的强度,但由于颗粒密度高,在压裂过程中存在很多弊端,故研制低密度高强度支撑剂成为重要的研究方向之一。近年来,国内外研究者通过不同角度去研制性能更好强度更高的支撑剂。郭子娴[21]等以铝矾土为主要原料,加入2wt%的白云石,同时添加6wt%的复合添加剂,在1330℃下煅烧,最终制备了视密度2.61 g/cm3,体积密度1.55 g/cm3,52MPa下破碎率6.70%的陶粒支撑剂。吕宝强[22]等以铝矾土、粘土、石英等为主要原料,配入锰粉等物料,在1 310~1 330℃烧结制备出了视密度为2.65 g/cm3,52MPa下破碎率为6.39%的低密度陶粒支撑剂。陈平[23]等以煤矸石矿渣和粉煤灰矿渣为原料,加入TiO2、ZnO 、白云石复合矿化剂,其通过粉磨、成球、1330~1370℃下煅烧等工序后,形成强度较高的支撑剂,其体积密度1.54g/cm3, 69MPa下的破碎率为3%~5%。吴尧鹏[24]等低品位二级铝矾土为基料,分别以铬铁矿、白云石、软锰矿为矿化剂,制备了超高强铝矾土基石油压裂支撑剂,并研究了不同矿化剂对压裂支撑剂圆球度,体积密度,视密度,破碎率的影响。研究发现当铬铁矿掺量2wt%时,烧结温度降低60℃(从1480℃降到1420℃),69MPa下破碎率降到了1.8%,同时研究表明在铬铁矿最有掺量基础上,配料中加入白云石、软锰矿也可以降低烧结温度,约100~130℃,破碎率分别比未掺杂矿化剂时降低了37%,43%,但试样的圆球度,粒度分布,以及物相组成并未发生明显变化。柏雪[25]等以耳机铝矾土、粘土为原料,引入锰矿粉,碳酸钙和碳酸钡作为添加剂,研究不同添加剂对铝矾土烧结性能的影响,研究表明添加5.0%锰矿粉,2.0%碳酸钙时烧结性能最佳,耐压强度较大,碳酸钙能够促进莫来石的发育长大。以上表明,陶粒的性能明显优于石英砂的的性能。
2.1.3 树脂覆膜支撑剂
树脂覆膜支撑剂主要分为覆膜石英砂和覆膜陶粒支撑剂两种。覆膜支撑剂具有以下优点:视密度低,降低了对压裂液性能及泵送设备的要求;抗破碎能力高,外层树脂在颗粒破碎后可包裹碎块、微粒,防止碎屑运移,提高导流能力;圆球度、表面光洁度及化学惰性提高;可防止地层出砂和支撑剂返吐等[26~28]。为降低陶粒支撑剂的密度、酸溶解度,提高其抗破碎能力、耐热性和圆球度而研制了覆膜陶粒支撑剂。覆膜陶粒支撑剂是直接利用酚醛树脂或环氧树脂等热固性或热塑性树脂包覆在陶粒上而得到的。马睿等利用油页岩制备了陶粒骨料,再在陶粒表面涂覆树脂制备了体积密度在1.37g/cm3左右、视密度在2.40g/cm3左右、破碎率小于9.0%的低密度覆膜支撑剂[29]。海书杰利用油页岩渣为主要原料,在1300℃煅烧2h制备了陶粒骨料,再利用酚醛树脂和环氧树脂比例为2:1的混合树脂包覆,得到了破碎率为5.5%(52MPa)的覆膜支撑剂[30]。为充分利用树脂可提高陶粒的抗破碎率和耐腐蚀性等作用,以及为制备密度更低的支撑剂,研究者在覆膜支撑剂的制备工艺和骨料上进行了研究和设计。McDaniel等先将多孔的坚果壳浸在树脂溶液中使树脂充填基体以提高其强度,再在外层包覆环氧树脂得到视密度仅为1.25g/cm3的超低密度支撑剂[31]。黄勇等借鉴此方法以坚果壳为基材,先用酚醛树脂浸渍再用环氧树脂包覆的方法制备了在60MPa下变形量较小的低密度支撑剂[32]。孙虎等利用植物纤维为骨料,先用改性剂溶液浸渍,再用高分子树脂包覆颗粒得到体积密度为0.65~1.10g/cm3,视密度为1.10~1.50g/cm3,受压后导流能力仍较高的低密度支撑剂[33]。美国BJ公司利用粘土等无机矿物制备多孔陶粒,再用树脂覆膜,得到了视密度为1.75~2.00g/cm3,可承受闭合压力为55.2MPa(135℃)的低密度覆膜支撑剂[34]。
2.2 压裂支撑剂存在的问题及发展趋势
国内支撑剂的研究虽然已有几十年,但相比于国外仍面临很多问题,主要表现在以下几个方面:
(1) 目前支撑剂行业的发展水平并不平衡,国外的支撑剂制备水平明显高于国内。虽然国内的高密度高强度支撑剂性能已接近国外的同类产品,但中低密度支撑剂较国外还存在较大差距。
(2) 国内利用低Al2O3含量铝矾土制备高强度支撑剂落后于国外。美国Carbo公司生产的低密度CarboLite支撑剂的Al2O3含量在51%左右,而国内制备的高强度支撑剂Al2O3含量较高,一般在80%左右,铝矾土的Al2O3含量越高,制备支撑剂的成本越高。
(3) 低密度高强度支撑剂的研究与实际应用还存在很大差距。超低密度的支撑剂的研究才刚刚起步阶段。虽然低密度高强度支撑剂的研究已有几十年时间,其相关文献和专利也较多,但进入实际生产应用却很少。
(4)免烧支撑剂的制备还是一片空白,实现节能利废是当今一大难题。
2.3 支撑剂的发展趋势
可见,在前人的基础上,如何降低生产成本,节约能源,降低能耗,提高压裂支撑剂的实际使用性能将成为今后的研究重点。
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
研究内容
探究不同工业废料掺量以及养护条件对免烧压裂支撑剂性能的影响,同时掺入增强剂看是否可以提高支撑剂的力学性能以及工程性能。通过实验确定废渣以及增强剂的最优掺量,并通过不同的表征手段如xrd,压汞等探究其反应产物,以及对孔隙率的影响,从而制备适用于低渗透油气井开采的超低密度压裂支撑剂。
研究手段(途径)
