[发明专利]一种空心玻璃微珠及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油钻井技术中固井用的水泥浆添加材料领域，进一步地说，是涉及到空心玻璃微珠及其制备方法。

背景技术

空心玻璃微珠是近年来发展起来的一种用途广泛、性能优异的新型材料，具有明显的减轻重量的功效。目前在石油天然气行业主要用在钻井液和固井液中作为密度减轻材料。

具体地，如中国专利申请CN101638295A（专利申请号200810138749.7）介绍了一种空心玻璃微珠的制备方法，该方法包括：配料，熔化，水碎，烘干，粉碎，分级，空心球化，收集，风选。首先根据将按配方称取的原料混合均匀，在1400~1600℃用于制备光学玻璃的熔窑中进行熔制；之后将熔化好的玻璃液进行水淬、烘干、粉碎处理，分级出粒度30~100μm的粉末作为原料；将原料放入燃烧炉的给料仓，从而进行空心微珠的烧结处理；之后利用燃烧后的热空气向上升和末端引风机抽力的综合作用下，将空心微珠依次通过旋风除尘器和布袋除尘器，从而达到分级收集微珠的目的；将分级收集到的空心微珠按不同直径进一步筛选，以获得最终成品。

该方法主要有三方面缺点：1、该方法利用粉碎玻璃后分选的方法控制粒径，因此其不能精确地控制空心微珠产品的粒径；2、该方法是利用熔融玻璃粉末充气的方法得到空心球，这样不能较好的控制空心度和壁厚，因此空心微珠产品的强度不会特别高，仅能达到44MPa；3、该方法采用两次高温熔融加热和两次分选的方法，这样既繁琐又浪费能量。

总得来说，现有的空心微珠产品不能满足石油钻井领域深井固井技术对水泥浆密度减轻添加材料具有较高承压能力的要求，而且现有空心微珠产品的制备方法繁琐且能耗大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种空心玻璃微珠及其制备方法，其具有较高承压能力、粒度较小、圆球度较好，适用于工业化生产和应用，可以用于深井固井中添加到水泥浆中的密度减轻剂。利用本发明方法制备的高抗挤空心玻璃微珠具有较高的承压能力，可以在高压下不发生破碎，其可承受压力的强度至少达到50MPa，最高可达到150MPa，从而确保低密度水泥浆体系的密度保持稳定。

本发明的目的之一是提供一种空心玻璃微珠。

所述空心玻璃微珠，微珠的平均粒径为20~60μm，优选为22~58μm。其密度为0.30~0.92g/cm³，优选为0.40~0.90g/cm³。所述空心玻璃微珠为中空结构。

所述空心玻璃微珠由包括如下重量份数比的原料组份与水溶性硅酸盐共同焙烧而成：所述原料组分以纳米二氧化硅100重量分数计，微米二氧化硅40~80份，优选为48~66份；亚微米级氧化硅40~80份，优选为50~64份；氧化铝1~6份，优选为1.5~4.8份；氧化铁0~1份，优选为0.2~0.7份；氧化锆3~8份，优选为3.1~6.8份；氧化硼2~13份，优选为3.2~11.8份；氧化锌0~1份，优选为0.2~0.7份；氧化锂0~2份，优选为0.1~1.6份；氧化钡0~2份，优选为0.1~1.4份。所述水溶性硅酸盐与所述原料组分总重的重量比为（0.1~1）：1，优选为（0.3~0.9）：1。

其中，纳米二氧化硅的平均粒径为20~60nm，微米级二氧化硅的平均粒径为1~5μm；亚微米级氧化硅的平均粒径为100~150nm。

在上述配方中，由于一方面引入纳米原材料，另一方面采用纳米、亚微米颗粒级配的方法，从而使得微珠壳层结构更加致密。

在上述配方中，所述水溶性硅酸盐，为现有技术中各种可溶于水的硅酸盐，优选如硅酸钠、偏硅酸钠及其混合物等。所述硅酸盐在高温烧结前的造粒过程中起到粘结剂的作用，从而可以将超细粉体粘结在一起形成微小球体（即前驱体）。

本发明的目的之二是提供所述空心玻璃微珠的制备方法。其包括将所述原料组分与水溶性硅酸盐共同配制分散均匀的浆液，利用离心喷雾干燥制备法制备前驱体，前驱体动态高温熔融烧结制备空心玻璃微珠。

具体来讲，本发明的空心玻璃微珠的制备方法包括有以下步骤：

（1）利用溶剂将所述原料组份和水溶性硅酸盐按所述比例充分混合成均匀的浆液；所述溶剂为水，或为水与乙醇或甲醇中的至少一种组成的混合溶剂，溶剂中水的重量百分比为50~100%；其中溶剂和所述原料组份及添加剂总重的重量比为10:0.4:~10:8；，优选为10:1~10:7；