石油压裂支撑剂是石油、天然气压裂开采过程中的一种专用材料,用来支撑压裂裂缝,为油气提供导流通道,其质量的优劣对石油压裂开采起着至关重要的作用。酸溶解度是压裂支撑剂的一项较难达到的重要指标。国产压裂支撑剂是多以铝矾土为主要原料烧结而成的陶粒制品,酸溶解度较高,属中低档产品,高档产品主要依赖国外进口,价格昂贵,但酸溶解度仍然偏高。大型酸化压裂复合技术的应用和超深层油气藏的开采,对压裂支撑剂的耐酸性能提出更高要求。因此提高耐酸性能是压裂支撑剂行业亟待解决的技术难题。我们实验室前期研究了Al2O3-CaO-MgO-SiO2体系下陶瓷的烧结温度和耐酸性。在此基础上,实验以工业氧化铝为主要原料,在Al2O3-CaO-MgO-SiO2体系的基础上添加稀土氧化物,研究稀土添加剂对氧化铝基压裂支撑剂耐酸性能的影响并对相关机理进行探讨。主要研究结果如下:(1)研究氧化铝原料中Na2O含量对支撑剂耐酸性能的影响。由于国产氧化铝原料颗粒尺寸较大,所以烧结后试样的晶粒尺寸较大,对应的晶界相较少,有利改善耐酸性能;但是国产粉料的Na2O含量较高,对耐酸性不利,所以这两种机理的相互作用,使得氧化铝原料中Na2O含量(≤6‰)对陶粒压裂支撑剂耐酸性能没有明显影响。该研究为我们制备压裂支撑剂原料的选择提供有效参考。(2)Yb2O3提高压裂支撑剂的耐酸性能的机理:①添加Yb2O3的样品酸腐蚀后在它表面生成一层致密的保护层,能有效阻碍酸液的进一步腐蚀,从而降低酸溶解度,提高耐酸性;②烧结过程中,Yb2O3与Al2O3反应生成耐酸性能优异的Yb3Al5O12,而且Yb3Al5O12能够吸附晶界处的K+,Na+,Ca2+等阳离子杂质,起到净化晶界的作用,提高陶瓷晶界结合强度,从而提高压裂支撑剂的耐酸性;③Yb2O3的掺入能够抑制晶粒长大,从而改善陶瓷显微结构,使陶瓷具有较高的致密度及耐酸性。(3)添加微量稀土Tm2O3能够提高压裂支撑剂的耐酸性能,添加量为0.01%时压裂支撑剂的酸溶解度降低约8.29%。而添加量为1wt%时,耐酸性能恶化,因为生成了耐酸性能较差的新物相Ca3Al2Si3O12。当添加量大于1wt%时,随着Tm2O3添加量的增加,酸溶解度逐渐降低,耐酸性能提高,当添加量为20w%时,耐酸性能提高幅度达76.65%。Tm2O3提高压裂支撑剂耐酸性能的机理是:①添加Tm2O3的样品酸腐蚀后能够在表面生成一层致密的保护层,有效阻碍酸液的进一步腐蚀,从而降低酸溶解度,提高耐酸性;②烧结过程中,Tm2O3与Al2O3反应生成耐酸性能优异的Tm3Al5O12,从而提高压裂支撑剂的耐酸性;③T m2O3的掺入能够细化晶粒,使陶粒的致密度提高,耐酸性变好。论文为提高高档压裂支撑剂耐酸性提供参考,为中国稀土资源的高附加值利用和开发耐酸性能优异的氧化铝陶瓷打下理论基础。