石油用高爐礦渣的研究現狀分析

閆國柱 肖能輝 何燦 潘遠超(西南石油大學材料科學與工程學院，四川 成都 610500)

1 引言

我國鋼鐵、有色金屬的冶煉產生了大量的工業廢渣，會給周邊生態環境造成危害[1]。例如，攀鋼集團有限公司1965年建廠以來，經過幾十年的累積，工廠附近高爐渣堆積如山，已接近7000萬噸，現在還以每年產出320萬噸的速度增加，不但占用了大量的土地資源，還會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，會阻礙企業及國家經濟的發展。

2 國內外研究現狀

20世紀80年代，出現了鉆井液轉化為水泥漿技術(MTC)，這是一項具開創性的技術[3]，現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度的固化體，由于相容性良好，能夠固化環形空間殘留的泥餅和鉆井液，實現鉆井液和泥餅的整體固化，還能有效解決鉆井液和泥餅對影響固井質量的情況，保證套管壁-井壁的界面良好膠結，進而提高界面的膠結質量，最終實現提高固井質量的目的[4]。在固井技術中，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，在非堿環境下呈化學惰性，長期具有流動性，在堿的激發下，濾餅和殘留在環空的鉆井液會全部固化。

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質量差問題。Gu將礦渣作為鉆井液的濾餅調節劑提高水泥界面剪切強度。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漏失等引起的井壁穩定性問題，提高層間封隔能力，提高水平井和大位移井的固井質量。Shell公司開發的多功能鉆井液技術，能夠解決水泥返高不足和鉆井液循環漏失問題。目前，多功能鉆井液的難題就是油井水泥漿很難激發多功能鉆井液泥餅的活性，難以實現固井液與多功能鉆井液泥餅的整體膠結。顧軍探究了油井水泥漿水化離子不能擴散進入多功能鉆井液泥餅的機理，由于油井水泥富含的Ca2+能與多功能鉆井液進行反應，在界面處生成沉淀物質CaCO3、CaSO4、Ca(OH)2導致堵塞。柳洪華研究發現濾餅自身不具備固化能力，所以要實現濾餅與固井液的整體膠結固化，需要加入一些膠凝材料在鉆井液中。曾欣和馬文英發現多功能鉆井液必須與MTC固井液配套使用時才能提高第二界面固井質量。

泥漿轉化為水泥漿(MTC)技術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到固井液性能以達到固井目的。礦渣MTC水泥漿由鉆井液轉變而來，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強度，能夠替代水泥用于油氣井封固。Caenn發現高爐爐渣和鉆井液混合用于固井與常規硅酸鹽水泥的相比具有相當的流動性和固化性能。Cowan多次運用高爐礦渣MTC技術在油田固井，質量優良。Song研究發現礦渣MTC靜膠凝結時間較短，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外學者的廣泛關注。礦渣MTC固化體開裂的本質原因是在高溫下，礦渣水化產物不穩定引起發生結構改變，形成的凝膠體膠結質量差，易發生晶形轉變，宏觀上表現為固化體微裂紋。何育榮從控制水化反應速度上著手，復配開發出一種新型激活劑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MTC基礎上，研究出了一種具有一定韌性的高強低密度體系。Wilson研究了將硅酸鹽水泥和配套分散劑與速凝劑的MTC技術，并成功固井。Hou優選的分散劑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空殘存的絮凝鉆井液，實現鉆井液、隔離液、水泥漿以及鉆井液濾餅的整體固化膠結，套管壁、水泥環和井壁能較好地固結在一起，提高界面膠結質量。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，流變性和懸浮穩定性較好，固化體具有較高的抗壓強度，能夠應用于深井、超深井固井。LI研究了無機組分對可固化隔離液體系的相容性、流變性、沉降穩定性的影響，發現膨潤土能調節流變性能和沉降穩定性，調整CaO、MgO、Al2O3等無機成分的比例，可明顯改善可固化隔離液性能。西南石油大學已將可固化隔離液在油田進行多次現場試驗，均取得良好效果，可固化隔離液的密度能有效調節，流變性和懸浮穩定性良好，固化體有很高的抗壓強度，滿足工程施工要求。可固化隔離液在25～150℃范圍內，能固化形成一定強度，稠化時間可通過激活劑和緩凝劑來調節，可以運用在深井固井。

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，國內外學者已經利用纖維對其性能進行改性，并已經在工程中得到了應用。宋學鋒考察了鋼纖維、玄武巖纖維、鋼纖維對礦渣地質聚合物復合材料的彎曲強度和彎曲韌性的影響，發現碳纖維具有明顯的增強效果，鋼纖維具有優異的增韌效果，碳纖維與鋼纖維摻混能夠協同發揮出碳纖維的增強效應和鋼纖維的增韌效應，適當比例下混雜纖維具有明顯的增強與增韌效果。劉璐考察了高強度、高模量的水鎂石纖維對高溫條件下對礦渣固化體性能的影響，發現水鎂石纖維在4%的加量下，固化體的抗壓強度和抗拉強度均得到了很高的提升，在改善礦渣固化體的力學性能方面具有明顯作用。

近年來，玄武巖纖維逐漸進入建筑行業，是新興的一種無機纖維材料。它的原料多為天然玄武巖礦石，在經過一定規格的處理之后，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，它與物質能很好的互容，同時對物質的力學性具有增強作用，在高溫下也能工作，在酸堿度較為明顯的區域也不會發生其他反應，所以在國內外被應用于耐高溫材料、增強材料、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生的力學性能優異，在酸堿液中不發生反應，穩定性一流，還有著與各種纖維、樹脂等材料混合使用時，材料間往往互容的優點。

3 結論與建議

(1)礦渣在建筑及石油行業中的應用已有不少案例，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用已經有不少案例，但是在固井領域的應用還較少。

(3)針對礦渣固井液固化體脆性大、強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性能，延伸礦渣的可應用范圍，推進礦渣固井液的實際應用。