不同产地叶蜡石的传压特性

摘要 作为密封传压介质，叶蜡石已被广泛应用于实验室和工业的高压合成中。然而，叶蜡石中矿物成分的改变将影响其传压效率及密封性。本研究中在6×8 MN大腔体六面顶压机中完成4种不同产地叶蜡石在室温下的压力标定工作，并通过X射线衍射研究叶蜡石中矿物组成的变化对传压效率的影响。结果表明：叶蜡石中含有较高硬度的矿物（如水铝石、勃姆石、白云母和高岭石），可有效提升叶蜡石的传压效率；随着腔体压力提升，叶蜡石的传压效率逐渐降低，施加更高的实际加载力（油压）也不能明显地提高腔体压力；高压处理后的叶蜡石4比叶蜡石2有更好的传压效率，但受矿物成分变化的影响，叶蜡石4容易发生密封失效，而叶蜡石2有良好的弹性回复效果和密封性，能够稳定完成升压卸压过程。综合考虑传压效率和密封效果，叶蜡石2具有最佳的应用价值和经济效益。

关键词 叶蜡石；传压效率；腔体压力；加载力；矿物组成

中图分类号 TQ164 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2024）04-0433-07

DOI码 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0152

收稿日期 2023-07-29 修回日期 2023-10-30

在过去的几十年里，高温高压技术发展十分迅速，已成为合成和加工材料的重要方法[1-3]。与金刚石合成用对顶砧相比，大腔体压机具有静水压好、产品体积大、压力均衡和温度传递均匀等一系列优点。因此，大腔体压机成为工业合成超硬材料以及实验室高压研究中最常用的设备[4]。据报道，大腔体压机的最大压力取决于传压介质的成分、砧垫系统的力学特性及其几何结构[5-6]。在相同的加载力（工作油压）下，高效的传压介质可以产生更高的腔体压力。使用高效的传压介质可以降低压砧破裂的风险，并且降低生产成本[7]。所以开发合适高效的叶蜡石传压介质具有重要意义。

作为一种重要的无机非金属材料，叶蜡石[Al 2 Si 4 O 10（OH）2]因其优异的物化性能及力学性能被用作密封传压介质[8-10]。叶蜡石是一种具有连续层状结构的含水铝硅酸盐矿物[11]，其层间依靠范德华力结合，键合力较弱，因此当叶蜡石受到剪切力时，其层状薄片容易滑移，使叶蜡石成为一种理想的传压介质[12]。目前，为满足科学研究和工业生产的需求，世界上的工厂和实验室已投入超过10000台大腔体压机，并且每个大腔体压机每天消耗约25个叶蜡石立方块[13]。然而，伴随着天然叶蜡石矿产资源的逐渐枯竭与开采限制，利用其他矿物开发新型传压介质已成为科学技术上的一个重大挑战。

SHATSKIY等[14]发现使用半烧结的ZrO 2作为传压介质可以提高传压效率，且在15.50 GPa的超高压力下，使用半烧结的ZrO 2作为传压介质的传压效率比使用MgO的高4%。WU等[7]发现使用Co掺杂的MgO作为传压介质可以提高热量的传输效率。然而，关于叶蜡石中矿物组分的改变对传压性能影响的研究报道很少。本实验研究4种不同产地叶蜡石矿物组成的差异对传压特性的影响，并在6×8 MN大腔体六面顶压机中完成4种不同产地的叶蜡石在室温下的压力标定工作，建立不同产地叶蜡石在室温下的加载力与腔体压力关系，且通过X射线衍射研究了叶蜡石中矿物组 成的变化对传压效率和密封效果的影响。

1实验部分

1.1叶蜡石立方块

4种不同产地的叶蜡石分别是北京门头沟叶蜡石（命名为叶蜡石1）、南非Ottosdal五号坑叶蜡石（命名为叶蜡石2）、南非Ottosdal四号坑叶蜡石（命名为叶蜡石3）和浙江叶蜡石（命名为叶蜡石4）。与天然叶蜡石相比，通过模压法制备的叶蜡石具有化学成分和密度均匀，良好的各向同性，易于制备等优点[5]。4种不同产地叶蜡石（模压法制备）的密度和颜色如表1所示。叶蜡石块体密度通过公式ρ=M/V计算得到，其中ρ代表叶蜡石块体的密度，M代表叶蜡石块体的质量，V代表叶蜡石块体的体积。叶蜡石1和叶蜡石4的密度一致；叶蜡石2的密度比叶蜡石1高约0.38%；而叶蜡石3的密度比叶蜡石1高约1.15%。

1.2大腔体压机的标压实验

标压实验在国产铰链式6×8 MN六面顶大腔体压机中完成，其原理如图1所示。6个压砧（硬质合金顶锤）固定在6个活塞上，且6个活塞分别由6个液压缸以相同的油压同时推动。6个压砧组成了笛卡尔坐标系，并在压机中心形成一个立方腔体，如图1a所示。进行高压实验时，将叶蜡石传压介质放置在立方腔体中，6个压砧的移动会压缩叶蜡石。伴随着叶蜡石体积的减小，腔体压力逐渐增大。在标压实验中，加载力在15 min内从0升到6.25 MN，升压完毕后保压2 min，再在10 min内完成卸压过程。实验过程中的油压和电压由多通道记录仪监控。每次腔体压力的标定重复3次。

1.3腔体压力测量方法

某些特定金属材料（如Bi、TI、Ba）的电阻在高压下会发生突变[15-16]。在室温下金属Bi、Tl、Ba的压力诱导相变常用于压力标定。据报道，金属Bi、Tl、Ba的相变压力分别为2.55、3.68、5.50 GPa[17-20]。将标压金属丝（Bi、Tl或Ba）放置在叶蜡石块体表面的中心，两端通过铜箔（厚为0.05 mm）连接至硬质合金压砧。固定好标压金属丝与铜箔后，将另一半叶蜡石盖在当前叶蜡石上，后放入高压腔体中标压。用屏蔽线将恒流源与前、后硬质合金压砧连通，为标压电路提供恒定的电流。通过双引线的方法及多通道记录仪同时记录电压（电阻）随油压（加载力）的变化，当腔体压力达到标压物质的相变压力时，电压（电阻）会发生突变，同时多通道记录仪也会记录相变所对应的加载力（油压），从而建立腔体压力和加载力的关系。详细的组装方式和标压电路如图1b所示。

2结果与讨论

叶蜡石块体的尺寸为32.50 mm×32.50 mm×16.25 mm，其光学图片和XRD图谱如图2所示。对叶蜡石块进行X射线衍射分析，分析其矿物组成。图2b为4种不同叶蜡石的XRD图谱。4种不同产地叶蜡石的主要组分为单斜结构的叶蜡石（1TC），1TC型叶蜡石在所有叶蜡石样品中占主导地位。另外，借助XRD图谱可以确定叶蜡石样品中还含有其他矿物，如高岭石、勃姆石、水铝石等。

图3为高压实验过程中标压物质Bi、TI、Ba的电阻与4种叶蜡石对应的加载力的关系。由图3可知，在加载力的作用下，金属Bi、Tl和Ba的电阻突变范围约在0.40～2.00 Ω，表明这些标压物质在该压力区间内发生相变。在目前的实验中，将电阻曲线的斜率第一次发生突变的点（相变的开始点）定义为相变点[5，21]，相变点通过电阻曲线的一阶导数的极值确定。

表2所示为4种不同叶蜡石对应的腔体压力与平均加载力的标定结果[22]。标压物质相变所对应的加载力（油压）都会重复测试3次，以确保实验数据的可靠性与真实性[23]。每种叶蜡石的压力标定数据波动较 小，与之前报道的基本一致[24]。从表2的数据中可以得出：当达到金属Bi的相变点时，叶蜡石1比叶蜡石2及叶蜡石3所需的加载力都小，而叶蜡石2和叶蜡石3所需的加载力基本相同；当达到金属Tl的相变点时，叶蜡石1和叶蜡石2所需加载力基本相同，且都比叶蜡石3所需的加载力低；当达到金属Ba的相变点时，叶蜡石2所需的加载力比叶蜡石1及叶蜡石3都低。因此，当腔体压力较低时（腔体压力为2.55～3.68 GPa），叶蜡石1比叶蜡石2及叶蜡石3有相对较高的传压效率；当腔体压力较高时（腔体压力为5.50 GPa），叶蜡石2比叶蜡石1及叶蜡石3有更高的传压效率。当腔体压力达到标压物质的相变压力时，叶蜡石4所需的加载力比其他3种叶蜡石的加载力都低。当腔体压力较低时（腔体压力为2.55～3.68 GPa），叶蜡石4所需的加载力比叶蜡石3的减少了9.32%～13.41%；当腔体压力较高时（腔体压力为5.50 GPa），叶蜡石4所需的加载力比叶蜡石3减少了13.01%，因而相比其他3种叶蜡石，叶蜡石4有最佳的传压效率。

图4为4种不同产地叶蜡石的腔体压力和加载力的关系图。由图4可知：当腔体压力＞3.00 GPa时，腔体压力和加载力的关系开始偏离线性，说明当腔体压力超过3.00 GPa时，叶蜡石的传压效率开始逐渐下降。当腔体压力＞5.00 GPa时，施加更大的加载力（油压）并不会使腔体压力更加显著地增大，这与之前报道的规律基本一致[25]。

图5所示为4种不同产地叶蜡石经高压处理前后 的XRD图谱（腔体压力均达5.50 GPa）。叶蜡石1和叶蜡石3在高压处理前后成分并未发生明显变化。在高压处理后，叶蜡石2中的高岭石特征峰消失，同时出现白云母特征峰。在高压处理前，叶蜡石4中检测到勃姆石特征峰。然而，在高压处理后的叶蜡石4中未能观察到勃姆石的特征峰，此外还发现高岭石和水铝石的特征峰。说明叶蜡石的成分变化将影响叶蜡石的宏观力学性能，进而影响叶蜡石的传压特性。

据报道，当叶蜡石原料中含有硬度超过叶蜡石的矿物时，模压后可制成更硬的垫片，其屈服强度更高。高的屈服强度导致更陡峭的压力梯度，使得在垫片区域的压力载荷损失更小，更多的压力载荷传递至腔体。因此，叶蜡石的传压效率将提高[5，26]。如图2b所示：叶蜡石1中含有更多的水铝石，叶蜡石4中含有更多的勃姆石。这2种矿物的硬度比叶蜡石的硬度高，导致这2种叶蜡石块的硬度高于其他叶蜡石块的硬度。这可能是叶蜡石1和叶蜡石4比其他叶蜡石在低压阶段（腔体压力为2.55～3.68 GPa）具有更高传压效率的原因。

从图4中还可以得出：叶蜡石2和叶蜡石4在高压阶段（腔体压力为5.50 GPa）具有相对较高的传压效率，这可能与叶蜡石2和叶蜡石4在高压处理后的矿物成分有关。由图5可知：经过高压处理后，叶蜡石2含有较多的白云母，叶蜡石4含有较多的高岭石和水铝石，而白云母、高岭石以及水铝石的硬度比叶蜡石的高。因此在高压阶段，叶蜡石2和叶蜡石4的硬度比其他叶蜡石的硬度高，这可能是叶蜡石2和叶蜡石4在高压阶段具有更高传压效率的原因。叶蜡石3的矿物成分在高压处理前后未发生明显改变，说明叶蜡石3的相变硬化程度低于叶蜡石2和叶蜡石4的，因此随着压力的增大，叶蜡石3的传压效率比叶蜡石2及叶蜡石4的低。

当卸压时，叶蜡石4容易发生密封失效，这种密封失效在高压领域称为“放炮”。这可能与叶蜡石4在高压处理后矿物成分的改变有关。开始卸压时，叶蜡石的弹性回复效果变差，导致叶蜡石密封边的密封性能下降，腔体真实压力和密封边压力相差较大，容易导致“放炮”。因此，叶蜡石4作为传压介质时，很容易发生密封失效的情况。叶蜡石2在高压处理后，虽然也有矿物相变的发生，但能够保持合适的强度与弹性回复效果，所以当卸压时，叶蜡石2能够保持良好的密封性能，维持腔体和密封边稳定的压力差，成功完成卸压任务。因此，从实际应用的经济效益分析，叶蜡石2具有最佳的应用价值。

3结论

利用国产铰链式6×8 MN六面顶大腔体压机研究4种不同产地叶蜡石的传压性能，建立4种不同叶蜡石在室温下的腔体压力和加载力的关系，并分析叶蜡石中矿物组成的变化对传压效率的影响。得出如下结论：

（1）当达到相同的腔体压力时，叶蜡石4所需的实际加载力比其他3种叶蜡石的低约10%，表明叶蜡石4具有最佳的传压效率。

（2）随着腔体压力增大，腔体压力和加载力的关系开始偏离线性，叶蜡石的传压效率逐渐下降。当腔体压力超过5.00 GPa时，施加更高的油压不能使腔体压力有更明显的增大。

（3）叶蜡石中含有硬度超过叶蜡石的矿物（如水铝石、勃姆石）时能有效提高叶蜡石在低压阶段（腔体压力为2.55～3.68 GPa）的传压效率。叶蜡石中的矿物在高压阶段（腔体压力为5.50 GPa）发生相变生成新的且硬度超过叶蜡石的矿物（如白云母、高岭石）时，能有效提升其高压阶段的传压效率。

（4）高压阶段叶蜡石4比叶蜡石2有更高的传压效率，但高压处理后叶蜡石4较差的密封性容易导致卸压“放炮”，而高压处理后叶蜡石2有良好的弹性回复效果和密封性，能够稳定完成卸压工作。综合考虑，叶蜡石2具有最佳的应用价值和经济效益。

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作者简介

刘力，男，1987年生，硕士，高级工程师。主要研究方向：钻井工艺技术、钻井提速工具研发。

E-mail：liulidri@cnpc.com.cn

通信作者：邵方源，男，1990年生，博士，工程师。主要研究方向：PDC钻头高效破岩技术。

E-mail：shaofydr@cnpc.com.cn

（编辑：王洁）

Pressure-transmitting properties of pyrophyllites from different localities

LIU Li1，SHAO Fangyuan 1，LUO Yucai 2，WU Qiang 1，YU Jiantao 2，YU Jinping 1，WANG Haikuo3，HOU Zhiqiang 3，WANG Chao 3，YANG Yikan 3

（1.CNPC Engineering Technology Ramp;D Company Limited，Beijing 102206，China）

（2.PetroChina Huabei Oilfield Company，Renqiu 062552，Hebei，China）

（3.College of Energy Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Abstract Objectives：Pyrophyllite，as asealed pressure medium，has been widely used in high-pressure research for laboratories and industrial synthesis.A highly efficient pressure transfer medium can generate higher cell pressure at the same loading force.The use of ahighly efficient pressure transfer medium reduces the risk of anvil rupture and produc-tion costs.Therefore，it is important to develop asuitable and efficient pressure-transmitting pyrophyllite.Methods：The pressure calibration of four pyrophyllites from different localities at room temperature was conducted in a 6×8 MN multi-anvil large-volume press.The relationship between loading force and cell pressure at room temperature was estab-lished.The influence of mineral composition changes in pyrophyllite on pressure-transmitting efficiency was studied us-ing X-ray diffraction.Results：By investigating the influence of mineral composition changes in pyrophyllite on pres-sure-transmitting efficiency，the results are as follows：（1）When achieving the same cell pressure，the required loading force for Pyrophyllite 4 is 10%lower than those for the other three pyrophyllites，indicating that Pyrophyllite 4 has the best pressure-transmitting efficiency.（2）As cell pressure increases，the relationship between cell pressure and loading force begins to deviate from linearity，and the pressure-transmitting efficiency of pyrophyllite gradually decreases.When the cell pressure exceeds 5.00 GPa，applying higher loading force does not significantly increase the cell pressure.（3）Higher hardness minerals（such as Diaspore，Boehmite）in pyrophyllite can effectively improve pressure-transmit-ting efficiency in the low-pressure stage（cell pressure 2.55-3.68 GPa）.When the minerals in pyrophyllite undergo phase transformation to form new minerals with higher hardness（such as Muscovite and Kaolinite）in the high-pressure stage（cell pressure of 5.50 GPa），pressure-transmitting efficiency can be effectively improved.Conclusions：Pyrophyllite 4has better pressure-transmitting efficiency than Pyrophyllite 2 does in the high-pressure stage，but it is prone to failure in sealing due to the changes in mineral composition.However，Pyrophyllite 2 shows good elastic recovery effect and seal-ing performance and can stably complete compression and decompression work.Considering both pressure-transmit-ting efficiency and sealing effect，Pyrophyllite 2 has better application value and economic benefits.

Key words pyrophyllite；pressure-transmitting efficiency；cell pressure；loading force；mineral composition