авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Синтез керамики на основе природного алюмосиликатного сырья и технология изготовления проппанта на ее основе

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Усова Зинаида Юрьевна

Синтез керамики на основе природного алюмосиликатного сырья и технология изготовления проппанта на ее основе

Специальность 05.17.11 – Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2012

Работа выполнена на кафедре технологии силикатов и наноматериалов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель: Погребенков Валерий Матвеевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Бердов Геннадий Ильич

доктор технических наук, профессор

кафедры химии Новосибирского

государственного архитиктурно-

строительного университета

(Сибстрин)

Плетнев Петр Михайлович

ФГУП «Сибирский доктор технических наук, профессор

кафедры физики Сибирского

государственного университета

путей сообщения, г. Новосибирск.

Ведущая организация: Институт физики прочности и мате-

риаловедения СО РАН, г. Томск

Защита состоится 27 декабря 2012г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.08 при ФГБОУ ВПО НИ ТПУ по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, корп. 2, ауд. 117. Тел. 8(3822)563-169,

факс 8(3822)563-169.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НИ ТПУ.

Автореферат разослан «23» ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Петровская Т.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Современное общество заинтересовано в увеличении добычи нефти и газа. И хотя бурение нефтяных и газовых скважин связано c большими техническими трудностями, еще большую проблему составляет непосредственно добыча-наиболее полное извлечение нефти и газа.

Гидравлический разрыв пласта и применение расклинивающих агентов (керамических проппантов) существенно увеличивает производительность и экономическую эффективность работы газовых и нефтяных скважин.

Проппанты должны обладать прочностью и твердостью достаточными для того, чтобы поддерживать трещину в открытом состоянии, а также иметь низкую плотность. Низкая плотность проппанта позволяет использовать жидкость гидроразрыва с меньшей вязкостью. Это приводит к снижению стоимости операции гидроразрыва и увеличению производительности скважины, т.к. жидкость с меньшей вязкостью легче удаляется из трещины. Легковесные проппанты применяются также в качестве фильтров в процессе добычи нефти и газа.

Кроме того, что потенциальный материал, используемый для изготовления проппанта, должен соответствовать техническим требованиям по плотности, прочности и химической стойкости, он также должен быть широко распространен и доступен. Наиболее используемым сырьем для производства проппантов в настоящее время являются пески, каолины и бокситы. Кристаллической основой большинства видов проппантов является муллит (3Al2O3.2SiO2), обладающий игольчатой формой, что способствует армированию структуры и сдерживает хрупкое разрушение материала. Однако многие виды алюмосиликатных проппантов не удовлетворяют современным требованиям из-за высокой плотности.

Возможными путями решения задачи получения прочных проппантов с низкой плотностью являются введение в состав сырой керамической матрицы неорганических волокон или использование керамических материалов малой плотности с синтезируемой в процессе обжига волокнисто-игольчатой структурой. Такими материалами могут быть бораты алюминия, имеющие муллитоподобную структуру.

В связи с этим исследования, направленные на получение прочных и легких материалов для производства проппантов на основе боратов алюминия с использованием природного сырья, являются актуальными и представляют научный и практический интерес.

Результаты исследований, положенные в основу диссертационной работы, получены в рамках госбюджетных работ кафедры технологии силикатов и наноматериалов национального исследовательского Томского политехнического университета и плановых работ в Технологической Компании Шлюмберже, г. Новосибирск.

Объект исследования

Бораты алюминия и проппанты на их основе.

Предмет исследования

Физико-химические процессы формирования фазового состава, структуры и свойств проппантов из керамики на основе обожженного боксита и бората алюминия.

Цель работы

Разработка составов и технологии изготовления легковесных проппантов на основе природного алюмосиликатного сырья.

Научная новизна

  1. Установлено формирование муллитоподобной фазы 9Al2O3·2B2O3 при обжиге при температурах от 1100 до 1350°С масс на основе природного боксита и оксида бора при молярном соотношении Al2O3 к B2O3 от 9:1 до 9:3, что позволяет получать легкие проппанты высокой прочности.
  2. Установлено, что введение добавки волластонита в состав масс на основе боксита приводит к увеличению прочности керамики с 133 до 300 МПа при температуре обжига 1450°С за счет армирующего действия игольчатых кристаллов волластонита. Оптимальным количеством добавки волластонита для получения проппантов является 5 мас.%.
  3. Установлено, что увеличению количества выхода бората алюминия и формированию кристаллов игольчатой формы способствует введение добавок оксидов щелочноземельных металлов и 3d-переходных элементов. Наибольшее влияние оказывает CaO, увеличивающий выход бората алюминия на 15%.
  4. Установлено, что при получении проппантов модификация структуры добавками целесообразна на первой стадии процесса производства изделий. Введение минерализаторов в уже сформировавшуюся на этапе предварительного обжига структуру бората алюминия не оказывает положительного влияния на формирование игольчатой структуры. Двухстадийная технология повышает прочность керамики на 20 – 45 %.

Практическая ценность работы

  • Разработаны составы и предложены технологические режимы получения легких керамических проппантов с кристаллической фазой бората алюминия из природного высокоглиноземистого сырья.
  • Предложено использовать минерализующие добавки оксидов щелочноземельных металлов и 3d-переходных элементов, обеспечивающие получение легкого проппанта с насыпной плотностью не более 1,1 г/см3, способного выдержать давление закрытия трещины до 28 МПа.
  • Предложено применение легких проппантов из керамики на основе бората алюминия из природного высокоглиноземистого сырья в качестве фильтра в процессе добычи и транспортировки нефтепродуктов.

Личный вклад

Автор внес определяющий вклад в постановку задач, выбор направлений и методов исследований, анализ и интерпретацию полученных результатов. Основная часть экспериментальной работы была выполнена лично автором.

Реализация результатов работы

Легковесный керамический проппант, изготовленный по разработанной технологии, прошел техническую сертификацию в лаборатории контроля качества проппантов, применяемых для гидроразрыва пласта, в Технологической Компании Шлюмберже, г. Новосибирск.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2011г.); XII и XIII всероссийской научно-практической конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2011г., 2012 г.), ХХ Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (г. Белгород, 2011г.), XII Всероссийской научно-технической конференции «Новые химические технологии: производство и применение» (г. Пенза, 2011г.).

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах рекомендованных ВАК, 1 патент, 4 заявки на международные патенты.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 115 наименований; содержит 135 страниц машинописного текста и включает 35 рисунков, 22 таблицы и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагаются цель работы, обоснование актуальности темы исследований, сформулированы задачи для достижения поставленной цели, приводятся научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе (Современные представления о производстве керамических проппантов и о физико-химических и технологических процессах формирования керамики на основе бората алюминия) рассматриваются вопросы состояния технологии и разнообразия материалов для производства керамических проппантов.

Приводятся основные требования, предъявляемые к проппантам, варианты используемых технологий и химико-минералогический состав используемого в мировой практике сырья, а также классификация проппантов в зависимости от их фазового состава, объемной и поверхностной модификации и др.

Рассматриваются варианты использования армирующих наполнителей для упрочения керамических изделий на основе природного алюмосиликатного сырья в виде сформированных игольчатых кристаллов, а также варианты получения керамики с игольчатой структурой в процессе синтеза.

Сделан краткий обзор мировых и отечественных производителей проппантов. В настоящее время на территории России легковесные проппанты выпускаются в ограниченном объеме. Основными производителями керамических проппантов в России являются ОАО «Боровичский комбинат огнеупоров», Новгородская обл.; ООО «Форэс», Свердловская обл.; ЗАО «Трехгорный керамический завод», Челябинская обл.; ООО «Карбо керамикс Евразия», Челябинская обл.

Во второй главе ( Характеристика сырьевых компонентов, методы и методология исследования) приводятся данные о применяемых в работе методах и методиках исследований исходных материалов и готовых изделий, а также дана характеристика исходных материалов.

Приведены химико-минералогические характеристики минерального природного сырья – основных компонентов, использованных в работе, а также свойства вспомогательных веществ - добавок, минерализаторов, связующих веществ и т.д. Основным природным компонентом, использованным в работе, является боксит марки «Yixing» (Китай) – материал, широко используемый для изготовления алюмосиликатных проппантов, минералогический и химический составы которого приведены в Таблица 1и Таблица 2. Боксит содержит более 91 мас. % оксида алюминия в пересчете на прокаленное вещество и отличается относительно низким содержанием примесей. В качестве вспомогательных компонентов также были использованы каолин «Просяновский», бентонит, борная кислота, датолит, бура, крахмал и другие химические вещества.

Приводятся краткие методики определения свойств готовых проппантов в соответствии с ГОСТ Р 51761-2005 – химической стойкости, сопротивления раздавливанию, сферичности и округлости, насыпной плотности и др.

При изучении физико-химических особенностей технологических свойств сырьевых материалов, масс и готовых изделий, а также процессов фазообразования в исследуемых объектах при нагревании в работе применялись физико-химические методы исследования: химический анализ, рентгеновский анализ (Дрон-ЗМ) с использованием CuK излучения, термический анализ с использованием синхронного термического анализатора NETZSCH STA 449 F3, оптическая и электронная микроскопия (SEM Hitachi TM3000, OLYMPUS SZX12) и др.

Таблица 1. Минералогический состав боксита Yixing

Наименование минерала Содержание, мас. %
AlOOH – диаспор 88.4
SiO2 - a-кварц 0.8
TiO2 - анатаз 1.8
Аl2Si2O5(OH)4 - каолинит 2.8
CaTiOSiO4 - титанит 0.9
Mg1,3Fe0,7Al4Si2O10(OH)4 5.3

Таблица 2. Химический состав боксита Yixing

  Al2O3 SiO2 MgO CaO TiO2 FeO H2O
Содержание, мас.% 78.57 3.76 0.60 0.26 2.17 0.58 14.08

В заключительной части данной главы приведена методология и логика проведения экспериментальной работы.

В третьей главе (Пути и способы модификации свойств керамики на основе природного алюмосиликатного сырья) проводится обсуждение результатов экспериментов и идентификация оптимальных вариантов модификации керамик для производства керамических проппантов. В данной главе рассматриваются вариант упрочнения керамики путем создания игольчатой структуры за счет введения армирующего наполнителя в виде кристаллов игольчатой формы в состав сырьевой массы.

В качестве армирующего наполнителя для упрочения керамического изделия использовался природный минерал волластонит, обладающий ярко выраженным игольчатым габитусом кристаллов (Рис. 1).

Рис. 1. Микроструктура волластонита

Упрочнение керамического материала путем введения неорганических волокон в керамическую матрицу с целью сдерживания хрупкого разрушения материала является привлекательным способом упрочнения, так как имеет мало ограничений по типу материала, используемого в качестве керамической матрицы, и определяется температурой интенсивного взаимодействия между компонентами массы.

В данной работе в качестве керамической матрицы использовался природный обогащенный боксит (Yixing, Китай),. В качестве упрочняющей добавки в составы масс был введен природный минерал волластонит марки ВП-03 Верхне-Бодамского месторождения (Казахстан) с габитусом (соотношение L:D) 10:1.

Количество вводимого волластонита варьировалось в интервале 1,5 - 10,0 мас.%. Использовался волластонит двух фракций: более 64 мкм (фракция С) и менее 32 мкм (фракция В). На основании предварительных лабораторных тестов было выявлено, что в случае введения большего количества волластонита в процессе грануляции наблюдалось расслаивание массы и не удавалось получить гранулы с равномерным распределением волластонита. Волластонит вводился в состав сырого и предварительного обожженного боксита. Образцы обжигались при температурах 1300-1500°С с выдержкой при конечной температуре 2 часа. Методом РФА было подтверждено наличие фазы волластонита в конечном продукте (температура плавления чистого волластонита 1544°С). Анортит, как вероятный продукт взаимодействия между бокситом и волластонитом, обнаруживается в незначительном количестве при содержании волластонита в массе 10 мас. %. Наличие игольчатой фазы волластонита можно увидеть также на микрофотографии материала.

Таблица 3. Прочность керамики на основе боксита с добавкой волластонита

при однократном и двухстадийном обжиге

 Содержание волластонита 0 мас.% 1,5 мас.% 5 мас.% 10 мас.%
 Тобж1/Тобж2 сж., МПа
С (>64 мкм)-1200°С 26.80 29.00 53.81
B (<32 мкм)-1200°С 18.50 27.50 49.86
С (>64 мкм)-1300°С 27.27 31.60 40.49 63.90
B (<32 мкм)-1300°С 32.87 34.25 61.01
1450°С 133 149 - 300
1500°С 243 252 - -
1100°C/1450°С 104 169 - -
1100°C/1500°С 162 217 - -


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.