硅鋯陶瓷微珠制備耐高溫耐高壓油井固井試塊的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅鋯陶瓷微珠制備耐高溫耐高壓油井固井試塊的方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前國(guó)內(nèi)固井減輕劑采用粉煤灰中的漂珠，在粉煤灰中包括沉珠和漂珠，沉珠密度在1.1?2.8g/cm3，之間，含量占粉煤灰30?70%，漂珠是粉煤灰中小于水密度的玻璃微珠，漂珠主要包含鋁硅玻璃微珠和多孔炭粒，除去炭粒后的漂珠主要包括薄壁鋁硅玻璃微珠，內(nèi)外表面光滑，體積大，是一種呈圓形、質(zhì)輕、閉孔空心、耐磨、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)小、強(qiáng)度高，漂珠量占粉煤灰總量的0.5?1%，鋁硅玻璃微珠是中空?qǐng)A球體。
[0003]其中粉煤灰中的漂珠它是煤粉在熱電廠(chǎng)鍋爐內(nèi)經(jīng)過(guò)1100?1500°C燃燒時(shí)，粘土質(zhì)物質(zhì)熔融成微液滴，在爐內(nèi)湍流的熱空氣作用下高速自旋，形成渾圓的硅鋁球體，燃燒和裂解反應(yīng)產(chǎn)生的氮?dú)?、氫氣和二氧化碳等氣體，在熔融的高溫鋁硅球體內(nèi)迅速膨脹，在表面張力的作用下，形成中空的玻璃泡，然后進(jìn)入煙道迅速冷卻，硬化后，成為高真空的玻璃態(tài)空心微珠，即粉煤灰漂珠。
[0004]將粉煤灰放入水中攪拌，靜置一段時(shí)間，由于漂珠密度小于水密度，將漂浮在水面上撈出晾干，即為漂珠，粉煤灰中的漂珠為灰白色，主要成分為S12A 70%和Al 203占13%，燒失量為0.40%?0.574%，密度0.475?0.574g/cm3，壁厚1.44?5.4lMm，粒徑范圍主要分布在147?84Mm。
[0005]近幾年，由于北方霧霾天氣的影響，我國(guó)的大中型火力發(fā)電采用環(huán)保的脫硫技術(shù)，粉煤灰中的不含漂珠，造成了供應(yīng)緊張，只有中小火電廠(chǎng)以及小鍋爐未采用脫硫技術(shù)供應(yīng)少量的漂珠，漂珠的緊缺造成價(jià)格上漲，并且漂珠不純摻入了粉煤灰，影響固井質(zhì)量。
[0006]油田固井領(lǐng)域中，油氣層分布廣，長(zhǎng)封井越來(lái)越多，長(zhǎng)封井主要使用是低密度水泥固井，長(zhǎng)封井主要采用低密度水泥楽，要想使水泥楽的密度在0.72 g/cm3?1.5 g/cm3之間，非漂珠的減輕材料(無(wú)機(jī)礦物材料和有機(jī)合成材料組成)密度必須在0.5 g/cm3?0.85g/cm3之間，才能配制出耐高溫耐高壓的固井試塊，G級(jí)油井水密的密度在3.1 g/cm 3，減輕劑密度必須小于0.5 g/cm3?0.85 g/cm3才能配置出密度1.0g/cm3?1.5 g/cm3之間水泥漿，前提條件是減輕劑添加量不能超過(guò)總量的40%，否則會(huì)影響水泥試塊的抗壓強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀，找出新技術(shù)的突破口，提供一種成本低，性能優(yōu)良，可以代替粉煤灰中的飄珠，性能優(yōu)良，使密度定變化率小于0.02，，通過(guò)合成的方法制作硅鋯閉孔空心陶瓷微珠，密度范圍0.50 g/cm3?0.85g/cm3，進(jìn)而配置低密度1.0 g/cm3?1.5g/cm 3耐高溫耐高壓油井固井試塊的制備方法，滿(mǎn)足長(zhǎng)封井固井材料要求。
[0008]其技術(shù)方案為。
[0009]硅鋯陶瓷微珠制備耐高溫耐高壓油井固井試塊的方法，包括硅鋯閉孔空心陶瓷微珠的制備、配料、混合、攪拌調(diào)漿、試模、性能試驗(yàn)，硅硅鋯閉孔空心陶瓷微珠性能試驗(yàn)包括漂浮率測(cè)定、密度測(cè)定、耐靜水壓強(qiáng)度的測(cè)定、漿液密度測(cè)定、沉降穩(wěn)定性、稠化時(shí)間、降失水量、耐壓密度試驗(yàn)、流動(dòng)性指標(biāo)和抗壓性能測(cè)試；
包括以下步驟:
A、硅鋯閉孔空心陶瓷微珠的制備:
第一步、配料:取粒徑10?30Mm硅粉、粒徑10?20Mm氧化鋯，重量百分比為:75?
85wt%: 15 ?25 wt% ；
第二步、制坯:將取粒徑10?30Mm硅粉、粒徑10?20Mm氧化鋯按第一步的重量百分比取樣混合得到混合粉，攪拌均勻，取粒徑10?30Mm硅粉、粒徑10?20Mm氧化鋯的混合粉中加入酚醛樹(shù)脂，比例為:1.0 wt%:0.5?0.7 wt%，取粒徑10?30Mm硅粉、粒徑10?20Mm氧化鋯與酚醛樹(shù)脂混合攪拌均勻，在50?100°C溫度下固化處理，將固化體在制粉機(jī)中粉碎，得到粒徑10?30Mm混合粉，混合粉放入模具中，在壓力機(jī)上施加3?5 MPa壓力，擠壓成型得到坯料；
第三步、燒制:將第二步得到坯料放入氮?dú)鈿夥諢Y(jié)爐中，在1500?1600°C保溫?zé)Y(jié)的時(shí)間為6?8小時(shí)，得到硅鋯塊體，它是一種高硅高強(qiáng)度的硅鋯陶瓷結(jié)合體；
第四步、硅鋯實(shí)心微珠的制作:將第三步得到硅鋯塊體在球化機(jī)上加工制成粒徑5?20Mm硅鋯圓球狀的實(shí)心微珠，在球化機(jī)上加工制成粒徑5?20Mm硅鋯圓球狀的實(shí)心微珠，球化機(jī)不是顎式破碎機(jī)，顎式破碎機(jī)是利用金屬加速撞擊或敲擊物料，形成的物料形狀為片狀、多棱形等不規(guī)則形狀，球化加工是風(fēng)機(jī)將物料吹起，物料之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互摩擦呈圓球狀微珠，圓球狀的微珠在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力分布均勻，抗壓強(qiáng)度大；片狀、多棱形高溫膨脹燒結(jié)形狀仍為原來(lái)的形狀，不規(guī)則的形狀經(jīng)高溫膨脹燒結(jié)呈烏賊魚(yú)頭形狀，抗壓強(qiáng)度低，用兩手指碾搓一破碎，破碎后漿液的密度會(huì)增大，水灰比也增加，凝固時(shí)間長(zhǎng)，試塊收縮比大，導(dǎo)致漏井，扁的不可能成圓的，球化和擠壓破碎原理不同，微珠的性能也不同；
第五步、硅鋯漿液制作:硅鋯液漿的百分比組成為:粒徑5?20Mm硅鋯實(shí)心微珠65?70 wt%:水30?35 wt%，按比例混合攪拌調(diào)漿；
第六步、發(fā)泡劑加入:向第五步制作的硅鋯漿液中加入發(fā)泡劑，碳酸鈣、硫酸鉀或硫酸鈉中的一種，濃度為I?3g/L ；
第七步、硅鋯閉孔空心陶瓷微珠制備:將第六步混合漿液充分?jǐn)嚢柽^(guò)濾，采用高壓噴射高速離心旋轉(zhuǎn)噴霧法，形成微球，在分區(qū)控制的增氧燃?xì)鉅t上經(jīng)過(guò)脫水膨脹、高溫?zé)Y(jié)、表面熔融?；⒊汕?，經(jīng)過(guò)風(fēng)力淸選分級(jí)得到10?50Mm硅鋯閉孔空心陶瓷微珠，硅鋯閉孔空心陶瓷微珠壁厚在10?20Mm，抗壓強(qiáng)度在100?250 MPa，采用高壓噴射高速離心旋轉(zhuǎn)噴霧法，形成微球，在立式分區(qū)控制的增氧燃?xì)鉅t上經(jīng)過(guò)膨脹、高溫?zé)Y(jié)、表面熔融?；⒊汕?，氧氣的濃度為30?35%，氧氣的濃度越高，燃點(diǎn)越低，燃燒越充分，釋放的熱量越多，溫度越高，其中膨脹溫度800?900°C、烘干燒結(jié)溫度在1200?1250°C、表面熔融溫度1300?1350°C、成球溫度1100?1200°C，經(jīng)過(guò)風(fēng)力淸選分級(jí)得到10?50Mm硅鋯閉孔空心陶瓷微珠，采用高壓泵從混合液漿抽取液體，經(jīng)過(guò)加壓將混合液漿送至離心旋轉(zhuǎn)噴霧機(jī)，高速離心電機(jī)的轉(zhuǎn)速在24000轉(zhuǎn)/分鐘，電機(jī)耐高溫在1800°C，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大的離心力形成微珠，微珠的大小與噴射孔徑、壓力和速度有關(guān)，脫水膨脹溫度越高膨脹體積越大，與溫度高低有關(guān)，表面熔融溫度才能形成硅鋯閉孔空心陶瓷微珠，礦物質(zhì)經(jīng)過(guò)900°C的以上的高溫?zé)Y(jié)后產(chǎn)生活性，易產(chǎn)生水化反應(yīng)，生成凝膠狀物質(zhì)，提高早期強(qiáng)度，如生石灰、粉煤灰、硅粉等，另外，粒徑越小，比表面越大，活性越大，反應(yīng)速度快，而漂珠的成分是由煤的成分所確定，粒徑的大小無(wú)法人為控制，故粉煤灰中的漂珠性能也不能改變，即壁厚、粒徑的大小以及抗壓強(qiáng)度也不能改變，高壓噴射高速離心旋轉(zhuǎn)噴霧法能控制微珠的粒徑的大小、壁厚以及抗壓強(qiáng)度，而粉煤灰中的漂珠壁厚小于6Mm，最大抗壓強(qiáng)度20 Mpa，性能指標(biāo)人為不可以控制，與材料本身性能有關(guān)，制備耐高溫、高壓固井試塊所使用的原料減輕劑，如閉孔空心陶瓷微珠以及各種固井減輕劑材料的性能，性能指標(biāo)如壁厚、密度、球形度、漂浮率、抗壓強(qiáng)度、開(kāi)閉孔、粒徑大小，必須人為可控，滿(mǎn)足上述指標(biāo)，固井減輕劑適應(yīng)范圍廣，另外，陶瓷材料性能超過(guò)合金材料，廣泛應(yīng)用于航天、軍工、機(jī)械等領(lǐng)域，通過(guò)人工合成的方法制備，成本低，性能尚;
弟八步、性能指標(biāo)測(cè)試:
a、漂浮率測(cè)定:稱(chēng)取粒徑10?50Mm硅鋯閉孔空心陶瓷微珠，100克倒入1000毫升的燒杯中，再倒入500毫升自來(lái)水倒于燒杯中，用玻璃棒攪拌，靜置I小時(shí)，在燒杯中漂浮的硅鋯閉孔空心陶瓷微珠為漂珠，在燒杯底部沉淀為沉珠，將燒杯中漂珠和沉珠分別取出并烘干稱(chēng)重，計(jì)算漂浮率，硅鋯閉孔空心陶瓷微珠在水中的漂浮率大于98%，硅鋯減輕劑的密度控制在合理的密度范圍內(nèi)，即0.5g/cm3?0.85 g/cm3之間，若燒結(jié)時(shí)間短、比重大于水的硅鋯閉孔空心陶瓷微珠沉淀，破碎的硅鋯閉孔空心陶瓷微珠吸水沉淀；
b、測(cè)量硅鋯閉孔空心陶瓷微珠的密度:取100毫升的容量瓶稱(chēng)重得G1，再將硅鋯閉孔空心陶瓷微珠倒入100毫升容量瓶中，硅鋯閉孔空心陶瓷微珠凹面與100毫升容量瓶的刻度線(xiàn)相切，稱(chēng)量硅鋯閉孔空心陶瓷微珠與瓶重得G2,100毫升硅鋯閉孔空心陶瓷微珠凈重量為62- G1，由質(zhì)量、密度和體積得m= P V，密度P= (G2- G1)/ V，根據(jù)耐高溫耐高壓試塊的固井要求，試塊的密度在1.0?1.5g/cm3，而娃錯(cuò)閉孔空心陶瓷微珠密度在0.5g/cm3?
0.85 g/cm3之間范圍內(nèi)；
c、耐靜水壓強(qiáng)度的測(cè)定:稱(chēng)量硅鋯