利用煤矸石制备陶粒支撑剂的研究

摘要

水力压裂技术是目前油气开采最为广泛的应用技术手段，而支撑剂在这项技术中具有重要的作用。水力压裂的效果、油气井的寿命等都取决于支撑剂的质量。
　　试验实验首先采用 X-射线衍射、扫描电子显微镜和热重分析等手段研究了煤矸石的受热分解及高温烧结特性、菱镁尾矿分别与煤矸石和铝矾土的烧结反应过程，探讨了煤矸石含量和烧结温度对烧结试样性能的影响。在此基础上初选配方，并以煤矸石和铝矾土为主要原料，菱镁尾矿为矿化剂，采用混合配料、粉体制备、滚制成球工艺制备陶粒支撑剂生坯，以烧结方法制备了低密度高强度的陶粒支撑剂。论文主要结论如下：
　　煤矸石的受热分解主要为高岭石的受热分解，单独以煤矸石为原料需要高的烧结温度高（1450℃以上），而且高于1450℃烧结时，烧结试样中存在大量的方石英晶体，冷却时导致试样内部产生裂纹，难以获得力学性能高的材料。菱镁尾矿的加入能降低煤矸石的烧结温度，反应过程为菱镁尾矿分解产生的氧化镁和煤矸石试样中的石英、莫来石反应生成堇青石，分解产生的二氧化碳，导致烧成试样中含有较多的气孔。菱镁尾矿分解产生的氧化镁也可先与铝矾土中的氧化铝先反应生成镁铝尖晶石，然后镁铝尖晶石与二氧化硅反应生成堇青石。
　　在煤矸石-铝矾土-菱镁尾矿配方体系中，当煤矸石含量从85.46％降低至45.46%，烧结的块体试样显气孔率逐渐降低，强度逐渐增大，但由于烧成试样中含有较多的液相，试样酸溶解度较高。烧结温度从1300℃升高至1450℃，烧结试样的显气孔率逐渐降低，强度逐渐增大。在煤矸石含量为55.46%，铝矾土含量为31.80%，菱镁尾矿含量为12.74%，烧结制度为1450℃保温2h的情况下，烧结的块体试样以莫来石和镁铝尖晶石为主晶相，试样烧结较为致密，试样中发育良好的棒状莫来石晶粒相互交织穿插在一起，烧结试样具有较高的抗折强度以及较高的抗腐蚀能力。采用该配方试制的陶粒支撑剂气孔较多，导致试样破碎率较高，进一步煤矸石含量降低至45.46%，铝矾土含量增加至51.34%，菱镁尾矿含量降低至3.20%，以此配方在1450℃保温2h烧结的陶粒支撑剂以莫来石为主晶相，按中国石油化工集团公司企业标准测定，所获得陶粒体积密度为1.49 g/cm3、视密度为2.75 g/cm3、69 MPa下的破碎率为9.5%、酸溶解度为5.24%，并且试样圆、球度和筛分结果均满足陶粒支撑剂标准的要求。
　　综上所述，利用煤矸石制备陶粒支撑剂是可行的。

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第一章 绪 论

1.1 支撑剂简介

1.2 利用固体废弃物制备陶粒支撑剂

1.3 煤矸石

1.4 本论文研究内容与创新之处

第二章 实验方案

2.1 实验设备

2.2 试样的制备

2.3 实验表征方法

第三章 原料分析及混合烧结实验

3.1 菱镁尾矿

3.2 铝矾土

3.3 煤矸石

3.4 菱镁尾矿对铝矾土烧结试样的影响

3.5 菱镁尾矿对煤矸石烧结试样的影响

3.6 本章小结

第四章 基于煤矸石陶粒支撑剂的配方实验

4.1 煤矸石含量对试样烧结性能的影响

4.2 温度对烧结试样的影响

4.3 本章小结

第五章 陶粒支撑剂的制备研究

5.1 高菱镁尾矿配方陶粒试样的分析与表征

5.2 低菱镁尾矿陶粒烧结试样的分析与表征

5.3 本章小结

第六章 结 论

参考文献

致谢

附录