閆國柱 肖能輝 何燦 潘遠(yuǎn)超(西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610500)

1 引言

我國鋼鐵、有色金屬的冶煉產(chǎn)生了大量的工業(yè)廢渣，會(huì)給周邊生態(tài)環(huán)境造成危害[1]。例如，攀鋼集團(tuán)有限公司1965年建廠以來，經(jīng)過幾十年的累積，工廠附近高爐渣堆積如山，已接近7000萬噸，現(xiàn)在還以每年產(chǎn)出320萬噸的速度增加，不但占用了大量的土地資源，還會(huì)造成水資源和空氣污染[2]。若找不到合理處置高爐礦渣的方法，會(huì)阻礙企業(yè)及國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了鉆井液轉(zhuǎn)化為水泥漿技術(shù)(MTC)，這是一項(xiàng)具開創(chuàng)性的技術(shù)[3]，現(xiàn)在已有人提出使用礦渣作為膠凝材料來替代油井水泥，通過加入激活劑來激活礦渣的潛在活性，并致使礦渣固井液能夠形成具有一定強(qiáng)度的固化體，由于相容性良好，能夠固化環(huán)形空間殘留的泥餅和鉆井液，實(shí)現(xiàn)鉆井液和泥餅的整體固化，還能有效解決鉆井液和泥餅對(duì)影響固井質(zhì)量的情況，保證套管壁-井壁的界面良好膠結(jié)，進(jìn)而提高界面的膠結(jié)質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)提高固井質(zhì)量的目的[4]。在固井技術(shù)中，普通高爐礦渣能夠作為礦渣MTC工作液、多功能鉆井液、可固化隔離液和固化堵漏工作液的膠凝材料。

多功能鉆井液一般是將磨細(xì)礦渣加入水基鉆井液中，使其既具有普通鉆井液的功能，在非堿環(huán)境下呈化學(xué)惰性，長期具有流動(dòng)性，在堿的激發(fā)下，濾餅和殘留在環(huán)空的鉆井液會(huì)全部固化。

許雯婧用20%高爐礦渣配合其他外加劑得到密度為1.20～1.80g/cm3的鉆井液，能夠改善二界面膠結(jié)質(zhì)量差問題。Gu將礦渣作為鉆井液的濾餅調(diào)節(jié)劑提高水泥界面剪切強(qiáng)度。Tare、Mueller和Saasen等用高爐礦渣配制了多功能鉆井液，可解決由層間封隔差和循環(huán)漏失等引起的井壁穩(wěn)定性問題，提高層間封隔能力，提高水平井和大位移井的固井質(zhì)量。Shell公司開發(fā)的多功能鉆井液技術(shù)，能夠解決水泥返高不足和鉆井液循環(huán)漏失問題。目前，多功能鉆井液的難題就是油井水泥漿很難激發(fā)多功能鉆井液泥餅的活性，難以實(shí)現(xiàn)固井液與多功能鉆井液泥餅的整體膠結(jié)。顧軍探究了油井水泥漿水化離子不能擴(kuò)散進(jìn)入多功能鉆井液泥餅的機(jī)理，由于油井水泥富含的Ca2+能與多功能鉆井液進(jìn)行反應(yīng)，在界面處生成沉淀物質(zhì)CaCO3、CaSO4、Ca(OH)2導(dǎo)致堵塞。柳洪華研究發(fā)現(xiàn)濾餅自身不具備固化能力，所以要實(shí)現(xiàn)濾餅與固井液的整體膠結(jié)固化，需要加入一些膠凝材料在鉆井液中。曾欣和馬文英發(fā)現(xiàn)多功能鉆井液必須與MTC固井液配套使用時(shí)才能提高第二界面固井質(zhì)量。

泥漿轉(zhuǎn)化為水泥漿(MTC)技術(shù)就是將高爐礦渣加入到鉆井液中，再加入合適的處理劑使其達(dá)到固井液性能以達(dá)到固井目的。礦渣MTC水泥漿由鉆井液轉(zhuǎn)變而來，與鉆井液兼容性很好，固化體收縮率低，有利于提高頂替效率和第二界面膠結(jié)強(qiáng)度，能夠替代水泥用于油氣井封固。Caenn發(fā)現(xiàn)高爐爐渣和鉆井液混合用于固井與常規(guī)硅酸鹽水泥的相比具有相當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性和固化性能。Cowan多次運(yùn)用高爐礦渣MTC技術(shù)在油田固井，質(zhì)量優(yōu)良。Song研究發(fā)現(xiàn)礦渣MTC靜膠凝結(jié)時(shí)間較短，不超過25min，礦渣MTC的體積收縮率為-2%～0.5%，有利于防止環(huán)空氣竄。

礦渣MTC存在的高溫脆裂和流變性差等問題引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。礦渣MTC固化體開裂的本質(zhì)原因是在高溫下，礦渣水化產(chǎn)物不穩(wěn)定引起發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，形成的凝膠體膠結(jié)質(zhì)量差，易發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變，宏觀上表現(xiàn)為固化體微裂紋。何育榮從控制水化反應(yīng)速度上著手，復(fù)配開發(fā)出一種新型激活劑MJH可以很好地解決礦渣MTC固化體高溫開裂問題。國安平在常規(guī)MTC基礎(chǔ)上，研究出了一種具有一定韌性的高強(qiáng)低密度體系。Wilson研究了將硅酸鹽水泥和配套分散劑與速凝劑的MTC技術(shù)，并成功固井。Hou優(yōu)選的分散劑C9可以使礦渣MTC漿的流變性能更好。

隔離液是用來隔離鉆井液與水泥漿的漿體，避免二者間接觸污染的一種工作液。將礦渣加入隔離液，輔之以配套處理劑可以配置成礦渣可固化隔離液。礦渣可固化隔離液具有固化能力，能夠固化鉆井液濾餅和環(huán)空殘存的絮凝鉆井液，實(shí)現(xiàn)鉆井液、隔離液、水泥漿以及鉆井液濾餅的整體固化膠結(jié)，套管壁、水泥環(huán)和井壁能較好地固結(jié)在一起，提高界面膠結(jié)質(zhì)量。張林海等為了解決裂縫性地層易漏、封堵失效等問題，研發(fā)了具有隔離和堵漏雙重效果的可固化工作液體系。鄧慧等研究了可固化隔離液技術(shù)，流變性和懸浮穩(wěn)定性較好，固化體具有較高的抗壓強(qiáng)度，能夠應(yīng)用于深井、超深井固井。LI研究了無機(jī)組分對(duì)可固化隔離液體系的相容性、流變性、沉降穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)膨潤土能調(diào)節(jié)流變性能和沉降穩(wěn)定性，調(diào)整CaO、MgO、Al2O3等無機(jī)成分的比例，可明顯改善可固化隔離液性能。西南石油大學(xué)已將可固化隔離液在油田進(jìn)行多次現(xiàn)場試驗(yàn)，均取得良好效果，可固化隔離液的密度能有效調(diào)節(jié)，流變性和懸浮穩(wěn)定性良好，固化體有很高的抗壓強(qiáng)度，滿足工程施工要求?？晒袒綦x液在25～150℃范圍內(nèi)，能固化形成一定強(qiáng)度，稠化時(shí)間可通過激活劑和緩凝劑來調(diào)節(jié)，可以運(yùn)用在深井固井。

水泥石、礦渣固化體具有脆性大、容易開裂的問題，為了提高其塑性，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)利用纖維對(duì)其性能進(jìn)行改性，并已經(jīng)在工程中得到了應(yīng)用。宋學(xué)鋒考察了鋼纖維、玄武巖纖維、鋼纖維對(duì)礦渣地質(zhì)聚合物復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲韌性的影響，發(fā)現(xiàn)碳纖維具有明顯的增強(qiáng)效果，鋼纖維具有優(yōu)異的增韌效果，碳纖維與鋼纖維摻混能夠協(xié)同發(fā)揮出碳纖維的增強(qiáng)效應(yīng)和鋼纖維的增韌效應(yīng)，適當(dāng)比例下混雜纖維具有明顯的增強(qiáng)與增韌效果。劉璐考察了高強(qiáng)度、高模量的水鎂石纖維對(duì)高溫條件下對(duì)礦渣固化體性能的影響，發(fā)現(xiàn)水鎂石纖維在4%的加量下，固化體的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均得到了很高的提升，在改善礦渣固化體的力學(xué)性能方面具有明顯作用。

近年來，玄武巖纖維逐漸進(jìn)入建筑行業(yè)，是新興的一種無機(jī)纖維材料。它的原料多為天然玄武巖礦石，在經(jīng)過一定規(guī)格的處理之后，在1500℃左右的窯洞中高溫處理，最后形成的纖維。玄武巖纖維由于其組成成分中有較多的SiO2，所以它是眾多硅酸鹽纖維中的一種，是一種純天然的纖維，它與物質(zhì)能很好的互容，同時(shí)對(duì)物質(zhì)的力學(xué)性具有增強(qiáng)作用，在高溫下也能工作，在酸堿度較為明顯的區(qū)域也不會(huì)發(fā)生其他反應(yīng)，所以在國內(nèi)外被應(yīng)用于耐高溫材料、增強(qiáng)材料、耐酸堿材料等。與其他纖維比較，玄武巖更具特色。除去由于高彈高模量而產(chǎn)生的力學(xué)性能優(yōu)異，在酸堿液中不發(fā)生反應(yīng)，穩(wěn)定性一流，還有著與各種纖維、樹脂等材料混合使用時(shí)，材料間往往互容的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論與建議

(1)礦渣在建筑及石油行業(yè)中的應(yīng)用已有不少案例，但很少完全使用礦渣替代油井水泥來配制固井液。

(2)礦渣在建筑方面的應(yīng)用已經(jīng)有不少案例，但是在固井領(lǐng)域的應(yīng)用還較少。

(3)針對(duì)礦渣固井液固化體脆性大、強(qiáng)度低這類問題的研究較少。可考慮通過添加增韌材料在礦渣固井液中來改善固化之后的力學(xué)性能，延伸礦渣的可應(yīng)用范圍，推進(jìn)礦渣固井液的實(shí)際應(yīng)用。