CN103819150B

CN103819150B - 碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法

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Publication number: CN103819150B
Application number: CN201410078644.2A
Authority: CN
Inventors: 郭志东
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: CN103819150A

Abstract

本发明提供碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，包括碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠制备、配料、混合、搅拌调浆、试模、强度试验，将G级油井水泥40～50wt%、13μm超细水泥10～15wt%、粒径为5～50μm的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠25～35wt%、烧失量1.1%的粉煤灰5～7wt%、纯度99.9%氧化钙1.5～2wt%、硫酸钠0.5～1.0wt%和微硅粉1～3wt%混合搅拌均匀，以0.5～0.6（W/C）的水灰比在搅拌机中搅拌调浆40秒，倒入试模，在恒温52°C的水浴养护箱中养护24小时、48小时，脱模后在凉水中浸泡1小时，进行性能测试。

Description

碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法

技术领域

本发明涉及碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，属于材料技术领域。

背景技术

目前国内油井固井减轻剂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，之间，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，漂珠主要包含铝硅玻璃微珠和多孔炭粒，除去炭粒后的漂珠主要包括薄壁铝硅玻璃微珠，内外表面光滑，体积大，是一种呈圆形、质轻、闭孔空心、耐磨、耐高温、导热系数小、强度高，漂珠量占粉煤灰总量的0.5～1%，铝硅玻璃微珠是中空圆球体。

其中粉煤灰中的漂珠它是煤粉在热电厂锅炉内经过1100～1500℃燃烧时，粘土质物质熔融成微液滴，在炉内湍流的热空气作用下高速自旋，形成浑圆的硅铝球体，燃烧和裂解反应产生的氮气、氢气和二氧化碳等气体，在熔融的高温铝硅球体内迅速膨胀，在表面张力的作用下，形成中空的玻璃泡，然后进入烟道迅速冷却，硬化后，成为高真空的玻璃态空心微珠，即粉煤灰漂珠。

将粉煤灰放入水中搅拌，静置一段时间，由于漂珠密度小于水密度，将漂浮在水面上捞出晾干，即为漂珠，粉煤灰中的漂珠为灰白色，主要成分为SiO₂占70%和 Al₂O₃占13%，烧失量为0.40%～0.574%，密度0.475～0.574g/cm³，壁厚1.44～5.41μm，粒径范围主要分布在147～84μm，但漂珠的粒径大，抗压强度低。

近几年，由于北方雾霾天气的影响，我国的大中型火力发电采用环保的脱硫技术，粉煤灰中的不含漂珠，造成了供应紧张，只有中小火电厂以及小锅炉未采用脱硫技术供应少量的漂珠，漂珠的紧缺造成价格上涨，并且漂珠不纯掺入了粉煤灰，影响固井质量，漂珠价格每吨至少1万元，且最大抗压强度20MPa，所以采用复合陶瓷材料制作空心微珠替代粉煤灰的漂珠，不受环境条件的限制，经济效益大，市场前景好。

油田固井领域中，油气层分布广，长封井越来越多，长封井主要使用是低密度水泥固井，长封井主要采用低密度水泥浆，要想使水泥浆的密度在1.0g/cm³～1.5g/cm³之间，非漂珠的减轻材料（无机矿物材料和有机合成材料组成）密度必须在0.5g/cm³～0.8g/cm³之间，才能配制出低密度的水泥浆（G级油井水密的密度在3.1g/cm³，减轻剂密度必须小于1g/cm³，才能配置出密度1.0g/cm³～1.5g/cm³之间水泥浆，前提条件是减轻剂添加量不能超过总量的40%，否则会影响水泥试块的抗压强度）。

根据固井深度不同，通常把2000米以下的油井叫低温井，低温油井固井用高密度的水泥浆（油井内的温度在70～90℃之间，即水泥浆密度在1.8g/cm³～1.9g/cm³）；2000～4000米之间的叫中温井，中温油井固井用中密度的水泥浆（油井内的温度在90～150℃之间，即水泥浆密度在1.6g/cm³～1.7g/cm³）；而大于4000米的为高温井，高温油井固井用低密度的水泥浆（油井内的温度在150～240℃之间，即水泥浆密度在1.0g/cm³～1.5g/cm³）。

由于陆地低温油井油气资源在逐步减少，开采逐步由陆地低温油井向陆地深层和海洋深层开发，传统的固井材料漂珠不能满足深层高温油井的需要，需要采用新技术、新工艺、新材料来满足深层高压高温油井的要求，24小时压力25MPa，水泥浆密度在0.7g/cm³～1.5 g/cm³之间可控，复合陶瓷微珠耐静水压强度60MPa～80MPa。

碳化钨二氧化硅复合陶瓷材料制备闭孔空心微珠，二氧化硅含量高达80%以上，碳化钨二氧化硅复合陶瓷材料具有较高硬度、耐磨性和耐腐蚀性，满足中温油井固井材料的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有粉煤灰漂珠技术现状，用复合陶瓷空心微珠替代粉煤灰的漂珠，提供一种成本低，性能优良，使水泥试块的密度变化率小于0.02，达到固井设计密度，用碳化钨二氧化硅复合陶瓷材料制备闭孔空心微珠，经过高温烧结，使抗压、抗折强度等性能指标超过粉煤灰的漂珠，具有较高硬度、耐磨性和耐腐蚀性，闭孔空心复合陶瓷微珠密度范围0.5g/cm³～0.85g/cm³可控，进而配置低密度1.0g/cm³～1.5g/cm³油井固井低密度水泥试块的制备方法，满足4000～6000米深油井长封井固井材料要求。

其技术方案为。

碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，包括碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠制备、配料、混合、搅拌调浆、试模、强度试验，其特征在于：将G级油井水泥40～50wt%、13μm超细水泥10～15wt%、粒径为5～50μm的碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠25～35wt%、烧失量1.1%的粉煤灰5～7wt%、纯度99.9%氧化钙1.5～2wt%、硫酸钠0.5～1.0wt%和微硅粉1～3wt%混合均匀，以0.5～0.6的水灰比在搅拌机中搅拌调浆40秒，取部分试样进行水泥浆性能试验，包括碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠耐静水压强度的测定、水泥浆密度测定、耐压密度试验、沉降稳定性、游离液析出量、降失水量、稠化时间、流动性指标，倒入一组二块长、宽、高分别为53mm*53mm*53mm 的试模中，在恒温52℃的水浴养护箱中分别养护24小时、48 小时，脱模后在凉水中浸泡1小时，进行抗压性能测试。

所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，将粒径10～60μm碳化钨、粒径5～50μm二氧化硅按重量比：15～30wt%：70～85wt%混合粉末搅拌均匀，在真空炉中1600～1850℃保温烧结10～12小时，将碳化钨二氧化硅复合陶瓷烧结体在球化机加工成10～50μm微珠。

所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠液浆的重量百分比组成为：10～50μm碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠70～80 wt%：水20～30wt%。

所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，在碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠液浆中加入发泡剂为轻质碳酸钙、硫酸钾或硫酸钠中的一种，使用的浓度为1～3g/L。

所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，将碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠液浆充分搅拌过滤，采用高压喷射高速离心旋转喷雾法，形成微球，在四区电炉上脱水膨胀温度800～850℃、烘干烧结温度在1400～1600℃、表面熔融温度1700～1800℃、成球温度1400～1500℃，经过分级得到10～50μm碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠。

所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠漂浮率大于95%。

所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，制备的水泥试块8小时抗压强度大于15MPa，24小时抗压强度大于20MPa 。

所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，水泥试块的降失水量小于50ml/30min。

所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，水泥试块密度变化率小于0.02 。

所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠耐静水压强度60～80MPa 。

本发明具有以下优点。

1、可以改变长期固井中对粉煤灰中漂珠的依赖，采用复合陶瓷材料制作油井固井所需的减轻材料，陶瓷微珠的密度、壁厚、膨胀温度低球体小壁越厚、烧结温度等生产工艺可以控制。

2、该技术工艺先进，技术成熟、产品性能稳定，生产成本低，产量高，性能好，开辟了固井合成新料新途径。

3、碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠密度可控制在0.42g/cm³～0.85g/cm³，加入13μm超细水泥可增加水泥石试块的早期强度，根据堆积理论加入微硅粉填充颗粒间的空隙，增加二氧化硅含量以及水泥浆体悬浮稳定性，G级油井水泥、超细水泥、陶瓷微珠经过1000℃以上高温烧结具有较高活性，水化反应快，可形成胶状物，可提高早期强度。

4、利用立式四区高温成珠炉，采用高压喷射高速离心旋转喷雾法，喷雾片孔径决定着颗粒大小，液体充分雾化后进入炉体，液滴在膨胀区受热膨胀，膨胀体积与膨胀温度和发泡剂浓度有关，再经烧结、熔融、最后成球，为了提高产量防止结壁采用热循环抽气鼓风系统，风机采用变频调速风机。

5、由于碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠粒径小，和水泥浆的亲和力强，水泥浆稳定性强。

6、球化技术是物料由风机吹起，物料与物料之间运动相互摩擦，形成圆形或近圆形颗粒。

7、采用纯度99.9%氧化钙，与水反应生成氢氧化钙，放出大量热量，提高水泥试块早起强度。

具体实施方式。

实施例1。

（1）碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠的制备①配料烧制：将粒径10～25μm碳化钨和5～20μm按重量比80wt%：20wt%混合粉末搅拌均匀，在真空炉中1800℃保温烧结10小时，将碳化钨二氧化硅复合陶瓷烧结体在球化机加工成10～20μm微珠，②配液：10～20μm碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠80wt%：水20wt%，在液浆中加入轻质碳酸钙发泡剂，浓度为1g/L，③过滤：将大颗粒和杂质去除，④烧制：采用高压喷射高速离心旋转喷雾法，形成微球，在立式四区电炉上经过脱水膨胀、烘干烧结、表面熔融、成球，在四区电炉上脱水膨胀温度800℃、烘干烧结温度在1400℃、表面熔融1700℃、成球温度1400℃，经过风力清选分级得到5～15μm碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠。

（2）取5～15μm 碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠50g，放入盛有水的烧杯中，用玻璃棒搅拌1分钟，静置5分钟，观察碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠在烧杯中的悬浮状态，将烧杯中的漂珠和沉珠分别取出烘干称重，计算漂浮率。

（3）取5～15μm 的碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠粒100g，放入静水压力仪中，水由水压泵经毛细压力管进入压力腔，漂珠的破碎率随着静水压力的增大而增大，记下静水压力值，试验结束，取出压力腔，将复合漂珠的样品倒入盛有水的烧杯中，将完好的漂珠在烧杯中漂浮，破裂漂珠沉入烧杯的底部，将烧杯中的漂珠和沉珠分别取出烘干称重，计算破碎率和耐静压力，可重复2～3次。

（4）用激光粒度分析仪分析5～15μm碳化钨二氧化硅复合闭孔空心陶瓷微珠粒径分布，将风力清选分级得到碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠称取50g倒入烧杯加入100g水，用玻璃棒搅拌，倒入激光粒度分析仪测试槽中，观察记录样品粒径分布。

（5）低密度油井固井水泥试块配料：将G级油井水泥40wt%、13μm超细水泥15 wt%、粒径为5～15μm的碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠35wt%、烧失量1.1%的粉煤灰5wt%、纯度99.9%氧化钙1.5wt%、硫酸钠0.5wt%和微硅粉3wt%。

（6）混合：取G级油井水泥40wt%、13μm超细水泥15wt%、粒径为5～15μm的碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠35wt%、烧失量1.1%的粉煤灰5wt%、纯度99.9%氧化钙1.5wt%、硫酸钠0.5wt%和微硅粉3wt%放入搅拌机中混合均匀。

（7）取（6）中混合均匀样品少许，倒入烧杯中，按0.5（W/C）的水灰比调制水泥浆，用玻璃棒搅拌均匀，倒入泥浆比重计中称量密度。

（8）在温度28℃±1℃下，以0.5（W/C）的水灰比倒入瓦楞搅拌器，在均匀低速下，在20秒内全部混合，然后盖好搅拌器的盖子，继续在4000r/min的速度下搅拌40秒，静置5分钟观察水泥浆均匀性。

（9）将搅拌好的水泥浆倒入一组二块的试模中，试模的规格为长53mm、宽53mm高53mm。

（10）观察称量并记录游离液析出量、降失水量、稠化时间、流动性指标。

（11）在恒温52℃的水浴养护箱中养护24小时，脱模后在凉水中浸泡1小时，按国标GB/T 177的规定进行抗压强度和抗折强度试验以及密度变化率实验。

（12）在恒温52℃的水浴养护箱中养护48小时，脱模后在凉水中浸泡1小时，按国标GB/T 177的规定进行抗压强度和抗折强度试验以及密度变化率实验。

实施例2。

（1）碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠的制备①配料烧制：将粒径25～35μm碳化钨和25～35μm按重量比75wt%：25wt%混合粉末搅拌均匀，在真空炉中1750℃保温烧结11.5小时，将碳化钨二氧化硅复合陶瓷烧结体在球化机加工成25～35μm微珠，②配液：25～35μm碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠78wt%：水22wt%，在液浆中加入轻质碳酸钙发泡剂，浓度为1.5g/L，③过滤：将大颗粒和杂质去除，④烧制：采用高压喷射高速离心旋转喷雾法，形成微球，在立式四区电炉上经过脱水膨胀、烘干烧结、表面熔融、成球，在四区电炉上脱水膨胀温度820℃、烘干烧结温度在1500℃、表面熔融温度1750℃、成球温度1450℃，经过风力清选分级得到20～30μm 碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠。

（2）取20～30μm 碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠50g，放入盛有水的烧杯中，用玻璃棒搅拌1分钟，静置5分钟，观察碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠在烧杯中的悬浮状态，将烧杯中的漂珠和沉珠分别取出烘干称重，计算漂浮率。

（3）取20～30μm碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠100g，放入静水压力仪中，水由水压泵经毛细压力管进入压力腔，漂珠的破碎率随着静水压力的增大而增大，记下静水压力值，试验结束，取出压力腔，将漂珠的样品倒入盛有水的烧杯中，将完好的漂珠在烧杯中漂浮，破裂漂珠沉入烧杯的底部，将烧杯中的漂珠和沉珠分别取出烘干称重，计算破碎率和耐静压力, 可重复2～3次。

（4）用激光粒度分析仪分析20～30μm碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠粒径分布，将风力清选分级得到碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠称取50g倒入烧杯加入100g水，用玻璃棒搅拌，倒入激光粒度分析仪测试槽中，观察记录样品粒径分布。

（5）低密度油井固井水泥试块配料：取G级油井水泥45wt%、13μm超细水泥15 wt%、粒径为20～30μm的碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠30wt%、烧失量1.1%的粉煤灰6wt%、纯度99.9%氧化钙2wt%、硫酸钠1wt%和微硅粉1wt%。

（6）混合：取G级油井水泥45wt%、13μm超细水泥15wt%、粒径为20～30μm的碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠30wt%、烧失量1.1%的粉煤灰6wt%、纯度99.9%氧化钙2 wt%、硫酸钠1wt%和微硅粉1wt%放入搅拌机中混合均匀。

（7）取（6）中混合均匀样品少许，倒入烧杯中，按0.6（W/C）的水灰比调制水泥浆，用玻璃棒搅拌均匀，倒入泥浆比重计中称量密度。

（8）在温度28℃±1℃下，以0.6（W/C）的水灰比倒入瓦楞搅拌器，在均匀低速下，在20秒内全部混合，然后盖好搅拌器的盖子，继续在4000r/min的速度下搅拌40秒，静置5分钟观察水泥浆均匀性。

（10）观察记录游离液析出量、降失水量、稠化时间、流动性指标。

实施例3。

碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠的制备①配料烧制：将粒径40～60μm碳化钨和40～50μm按重量比72wt%：28wt%混合粉末搅拌均匀，在真空炉中1700℃保温烧结12小时，将碳化钨二氧化硅复合陶瓷烧结体在球化机加工成40～50μm 微球，②配液：40～50μm碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠78wt%：水22wt%，在液浆中加入轻质碳酸钙发泡剂，浓度为2g/L，③过滤：将大颗粒和杂质去除，④烧制：采用高压喷射高速离心旋转喷雾法，形成微珠，在立式四区电炉上脱水膨胀、烘干烧结、表面熔融、成球，在四区电炉上经过脱水膨胀850℃、烘干烧结温度在1600℃、表面熔融温度1800℃、成球温度1500℃，经过风力清选分级得到35～50μm 碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠。

（2）取35～50μm 碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠50g，放入盛有水的烧杯中，用玻璃棒搅拌1分钟，静置5分钟，观察碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠在烧杯中的悬浮状态，将烧杯中的漂珠和沉珠分别取出烘干称重，计算漂浮率，重复2～3次。

（3）取35～50μm 的碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠100g，放入静水压力仪中，水由水压泵经毛细压力管进入压力腔，漂珠的破碎率随着静水压力的增大而增大，记下静水压力值，试验结束，取出压力腔，将漂珠的样品倒入盛有水的烧杯中，将完好的漂珠在烧杯中漂浮，破裂漂珠沉入烧杯的底部，将烧杯中的漂珠和沉珠分别取出烘干称重，计算破碎率和耐静压力。

（4）用激光粒度分析仪分析35～50μm碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠粒径分布，将风力清选分级得到碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠称取50g倒入烧杯加入100g水，用玻璃棒搅拌，倒入激光粒度分析仪测试槽中，观察记录样品粒径分布。

（5）低密度油井固井水泥试块配料：将取G级油井水泥45wt%、13μm超细水泥12 wt%、粒径为35～50μm的碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠33wt%、烧失量1.1%的粉煤灰7wt%、纯度99.9%氧化钙1.5wt%、硫酸钠0.5wt%和微硅粉1wt%。

（6）混合：取G级油井水泥45wt%、13μm超细水泥12wt%、粒径为35～50μm的碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠33wt%、烧失量1.1%的粉煤灰7wt%、纯度99.9%氧化钙1.5wt%、硫酸钠0.5wt%和微硅粉1wt%放入搅拌机中混合均匀。

（7）取（6）中混合均匀样品少许，倒入烧杯中，按0.55（W/C）的水灰比调制水泥浆，用玻璃棒搅拌均匀，倒入泥浆比重计中称量密度。

（8）在温度28℃±1℃下，以0.55（W/C）的水灰比倒入瓦楞搅拌器，在均匀低速下，在20秒内全部混合，然后盖好搅拌器的盖子，继续在4000r/min的速度下搅拌40秒，静置5分钟观察水泥浆均匀性。

注：G级油井水泥为山东齐银水泥厂，纯度99.9%氧化钙山东淄博鑫亚钙业，烧失量1.1%的粉煤灰华能辛店电厂。

Claims

1.碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，包括碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠制备、配料、混合、搅拌调浆、试模、强度试验，其特征在于：将G级油井水泥40～50wt%、13μm超细水泥10～15wt%、粒径为5～50μm的碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠25～35wt%、烧失量1.1%的粉煤灰5～7wt%、纯度99.9%氧化钙1.5～2wt%、硫酸钠0.5～1.0wt%和微硅粉1～3wt%混合均匀，以0.5～0.6的水灰比在搅拌机中搅拌调浆40秒，取部分试样进行水泥浆性能试验，包括碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠耐静水压强度的测定、水泥浆密度测定、耐压密度试验、沉降稳定性、游离液析出量、降失水量、稠化时间、流动性指标，倒入一组二块长、宽、高分别为53mm*53mm*53mm试模中，在恒温52℃的水浴养护箱中分别养护24小时、48 小时，脱模后在凉水中浸泡1小时，进行抗压性能测试。

2.根据权利要求1所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，其特征在于：碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠漂浮率大于95%。

3.根据权利要求1所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，其特征在于：制备的水泥试块8小时抗压强度大于15MPa，24小时抗压强度大于20MPa。

4.根据权利要求1所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，其特征在于：水泥试块的降失水量小于50ml/30min。

5.根据权利要求1所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，其特征在于：水泥试块密度变化率小于0.02。

6.根据权利要求1所述的碳化钨二氧化硅复合陶瓷微珠制备油井固井水泥试块方法，其特征在于：碳化钨二氧化硅复合陶瓷闭孔空心微珠耐静水压强度60～80MPa。