CN110357462A - 一种矿渣基干粉地聚物及制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿渣基干粉地聚物及制备方法与应用,其原料组分及各组分的重量份分别为:负载有碱性激发剂的废弃多孔陶瓷粉末30‑45份,矿渣100‑140份,空心玻璃微珠0‑20份。先配制碱性激发剂溶液;将废弃多孔陶瓷浸泡于碱性激发剂溶液中;将浸泡后的废弃多孔陶瓷沥干后烘干至恒重,冷却后破碎并研磨至30‑60微米的粉体;最后将矿渣、空心玻璃微珠和废弃多孔陶瓷粉末按重量份均匀混合,获得所述矿渣基干粉地聚物。将矿渣基干粉地聚物按水灰质量比为0.4‑0.6混合后,制成地聚物胶凝材料,替代油气井固井环节中的低密度水泥浆。本发明能较好地解决上述干粉地聚物凝结时间不可控以及强压强度不稳定的问题。
Description
技术领域:
本发明涉及一种无机聚合物及制备方法和应用,更具体地,涉及一种利用废弃多孔陶瓷作为载体的固体激发剂与矿渣生产的矿渣基干粉地聚物及制备方法与应用,可用作油气井固井材料。
背景技术:
传统的硅酸盐水泥,作为基础建设必不可少的建筑材料,在世界范围内都广泛的应用,在中国,2011年开始水泥的年产量已经超过了20亿吨。大量的水泥生产,就必然会带来大量的能量消耗。每生产1吨水泥就会排放约850公斤的碳,全球生产水泥所产生的二氧化碳占总排放量的5%以上,并且上升的趋势还将持续到2050年。因此,大量的热量消耗以及CO2的排放,将给环境造成很大的伤害,开发利用环境友好型的建筑材料将是一个紧迫的问题。
矿渣作为国内产量较高的工业副产品,是制作无机聚合物的主要原料之一,无机聚合物是一种富硅铝相的物质与碱性或偏中性的无机盐反应生成无定型或有一定结晶程度的胶凝产物。其表现形式与水泥相似,却有着更好的早期强度,更快的强度发展,在耐高温、耐化学腐蚀方面性能优异。由于所使用的富硅铝相前驱体以工业副产物为主,因此在成本以及环保方面都有着水泥无法比拟的优势。但是由于矿渣较高的活性,使用强碱性激发剂进行无机聚合物制作的过程中,虽然有着很高的抗压强度和物理性能表现,但是其过短的凝结时间以及强碱性液体激发剂操作的危险性限制了其大范围的应用。因此基于上述的不足,亟需开发一种新型固体激发剂代替液体激发剂,同时,使得矿渣基无机聚合物凝结时间延长而便于实际工程应用。目前国内的研究主要分为两个方向:利用固体物质与碱性物质混合煅烧,研磨成粉,作为固体前驱物与水混合形成地聚物以及直接寻找固体物质作为激发剂制备地聚物。
利用固体物质如赤泥高岭土钠长石等与固体氢氧化钠或者碳酸钠在高温(1000℃左右)环境下煅烧后制备出固体前驱体,与水混合后制备出的地聚物,存在强度偏低,并且凝结时间不确定的问题,并且煅烧过程会伴随着能量消耗,这与地聚物的绿色环保理念相矛盾。而利用固体激发剂如固体氢氧化钠,硅酸钠,碳酸钠等,与矿渣、粉煤灰等富硅铝相的前驱体混合制成干粉地聚物,直接加水制成的胶凝材料,强度高,耐久性好,性能优异,但是凝结时间非常短,不利于工程施工应用,因此也存在一定的缺陷。
低密度水泥浆体系是固井技术中非常重要的材料体系,主要在一些特殊井施工中如低压易漏失地层和深井长封固段中应用。低密度水泥浆体系应用主要分为两种,一种是通过添加吸水材料如膨润土,膨胀珍珠岩以及粉煤灰等增大原浆体的水灰比来降低其密度;另一种则是通过添加低密度的减轻剂如空心玻璃微珠和化学发泡剂来降低浆体密度。由于矿渣基地质聚合物具有优异的力学性能,因此即使降低浆体密度也能保留很大一部分的强度和抗渗透性,只是因为其特殊的施工方式限制了工程应用。其次矿渣基地聚物本身密度较低,在降低浆体密度方面可节省一定的成本。
发明内容:
本发明的目的是为了解决上述干粉地聚物凝结时间不可控以及强压强度不稳定的问题,而提供了一种凝结时间足够长,抗压强度高的矿渣基干粉地聚物,本发明另一目的还提供了上述矿渣基干粉地聚物的制备方法,本发明还有一目的是提供上述矿渣基干粉地聚物应用到固井用低密度水泥浆体系中。
本发明的技术方案为:一种矿渣基干粉地聚物,其原料组分及各组分的重量份分别为:负载有碱性激发剂的废弃多孔陶瓷粉末30-45份,矿渣100-140份,空心玻璃微珠0-20份;其中负载有碱性激发剂的废弃多孔陶瓷粉末粒径范围在30-60微米。
优选上述的负载有碱性激发剂的废弃多孔陶瓷粉末具有疏松多孔的结构;负载有碱性激发剂的废弃多孔陶瓷粉末的孔径分布在1-10微米,孔隙率为40%-50%,密度为1.35-1.45g/cm3。
优选所述的矿渣为高炉矿渣。
优选所述的空心玻璃微珠的主要成分为SiO2的质量含量≥77%。
本发明还提供了一种制备上述的矿渣基干粉地聚物的方法,其具体步骤如下:(1)用氢氧化钠与工业水玻璃配制碱性激发剂溶液;(2)将废弃多孔陶瓷浸泡于碱性激发剂溶液中24-48小时;(3)将步骤(2)中的废弃多孔陶瓷捞出沥干后放入烘箱中烘干至恒重,冷却后破碎并将废弃多孔陶瓷研磨至粒径范围在30-60微米的粉体;(4)将矿渣、空心玻璃微珠和步骤(3)制得的废弃多孔陶瓷粉末按重量份均匀混合,获得所述矿渣基干粉地聚物。
优选上述步骤(1)配制的碱性激发剂溶液的质量浓度为40-50%、模数为1-2。
上述的废弃多孔陶瓷(以堇青石制成)为生产柴油车尾气净化处理的催化转化器载体材料的边角料废弃物,具有疏松多孔的结构。
本发明还提供了上述的矿渣基干粉地聚物在油气井固井中的应用。将水与矿渣基干粉地聚物按水灰质量比为0.4-0.6混合后,制成地聚物胶凝材料,替代油气井固井环节中的低密度水泥浆。
有益效果:
本发明通过多孔材料对液体碱性激发剂的吸附承载作用,使液体激发剂在浆体中缓慢释放以达到控制矿渣基地聚物凝结时间的目的,由此解决现有的矿渣基无机聚合物凝结时间过短而无法进行工程应用以及操作碱性激发剂溶液的危险性的问题,并且提供了利用本发明替代固井用低密度水泥浆体系的途径。本发明所选用的废弃多孔陶瓷为制作柴油车尾气净化处理的催化转化载体——蜂窝陶瓷,并且选用的是产品生产过程中的废料,陶瓷废料不可降解,难以再生利用,且使用途径单一,而本发明提供了一种新的技术思路,可以实现废弃多孔陶瓷的大量利用,与矿渣联合使用制备地聚物干粉,直接与水混合便可使用,充分体现出绿色环保的理念。
具体实施方式:
实施例1:
(1)利用氢氧化钠与工业水玻璃配制碱性激发剂溶液,质量浓度为45%,模数为1.3;
(2)将多孔陶瓷浸泡于步骤(1)中的碱性激发剂溶液中24小时,其中处理后的多孔陶瓷孔隙率为43%,密度为1.41g/cm,主要孔径为4微米;
(3)将步骤(2)中的多孔陶瓷捞出沥干后放入烘箱中烘至恒重,冷却后破碎并将多孔陶瓷研磨至粒径为34微米的粉体;
(4)将步骤(3)中的多孔陶瓷粉末与矿渣均匀混合,包括以下重量份的原料:多孔陶瓷粉末40份,矿渣100份。
(5)将步骤(4)中的混合粉体以0.45的水灰比与水充分搅拌混合后,倒入测量凝结时间的圆环模具中,利用维卡仪进行凝结时间的测定(采用GB1346-《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》)。浆体在20℃下终凝时间为425min。另外倒入20×20×20mm3的模具中,放置密封袋中于20℃下养护48h至脱模后继续密封养护。样品28d抗压强度可达46.1MPa。
实施例2
(1)利用氢氧化钠与工业水玻璃配制碱性激发剂溶液,质量浓度为45%,模数为1.5;
(2)将多孔陶瓷浸泡于步骤(1)中的碱性激发剂溶液中40小时,其中处理后的多孔陶瓷孔隙率为48%,密度为1.36g/cm,主要孔径为8微米;
(3)将步骤(2)中的多孔陶瓷捞出沥干后放入烘箱中烘干至恒重,冷却后破碎并将多孔陶瓷研磨至粒径为45微米的粉体;
(4)将步骤(3)中的多孔陶瓷粉末与矿渣均匀混合,包括以下重量份的原料:多孔陶瓷粉末40份,矿渣100份。
(5)将步骤(4)中的混合粉体以0.45的水灰比与水充分搅拌混合后,倒入测量凝结时间的圆环模具中,利用维卡仪进行凝结时间的测定(采用GB1346-《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》)。浆体在20℃下终凝时间为960min。另外倒入20×20×20mm3的模具中,放置密封袋中于20℃下养护48h至脱模后继续密封养护。样品28d抗压强度可达41.1MPa。
实施例3
(1)利用氢氧化钠与工业水玻璃配制碱性激发剂溶液,质量浓度为50%,模数为1.9;
(2)将多孔陶瓷浸泡于步骤(1)中的碱性激发剂溶液中24小时,其中处理后的多孔陶瓷孔隙率为43%,密度为1.36g/cm,主要孔径为4微米;
(3)将步骤(2)中的多孔陶瓷捞出沥干后放入烘箱中烘干至恒重,冷却后破碎并将多孔陶瓷研磨至粒径为56微米的粉体;
(4)将步骤(3)中的多孔陶瓷粉末与矿渣均匀混合,包括以下重量份的原料:多孔陶瓷粉末35份,矿渣130份。
(5)将步骤(4)中的混合粉体以0.45的水灰比与水充分搅拌混合后,倒入测量凝结时间的圆环模具中,利用维卡仪进行凝结时间的测定(采用GB1346-《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》)。浆体在20℃下终凝时间为780min。另外倒入20×20×20mm3的模具中,放置密封袋中于20℃下养护48h至脱模后继续密封养护。样品28d抗压强度可达35.3MPa。
实施例4
(1)利用氢氧化钠与工业水玻璃配制碱性激发剂溶液,质量浓度为45%,模数为1.5;
(2)将多孔陶瓷浸泡于步骤(1)中的碱性激发剂溶液中40小时,其中处理后的多孔陶瓷孔隙率为43%,密度为1.36g/cm,主要孔径为4微米;
(3)将步骤(2)中的多孔陶瓷捞出沥干后放入烘箱中烘干至恒重,冷却后破碎并将多孔陶瓷研磨至粒径为34微米的粉体;
(4)将步骤(3)中的多孔陶瓷粉末与矿渣均匀混合,包括以下重量份的原料:多孔陶瓷粉末40份,矿渣120份,空心玻璃微珠10份。
(5)将步骤(4)中的混合粉体以0.6的水灰比与水充分搅拌混合后,倒入测量凝结时间的圆环模具中,利用维卡仪进行凝结时间的测定(采用GB1346-《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》)。浆体的密度为1.56g/cm3,流动度为26.7cm,浆体在20℃下终凝时间为1915min,80℃下终凝时间270min。另外倒入20×20×20mm3的模具中,放置密封袋中分别于20℃和80℃下养护48h至脱模后继续密封养护。样品20℃下28d抗压强度可达30.5MPa,80℃下28d抗压强度可达31.8MPa,均高于同等密度下低密度油井水泥石抗压强度。
实施例5
(1)利用氢氧化钠与工业水玻璃配制碱性激发剂溶液,质量浓度为45%,模数为1.3;
(2)将多孔陶瓷浸泡于步骤(1)中的碱性激发剂溶液中40小时,其中处理后的多孔陶瓷孔隙率为43%,密度为1.36g/cm,主要孔径为4微米;
(3)将步骤(2)中的多孔陶瓷捞出沥干后放入烘箱中烘干至恒重,冷却后破碎并将多孔陶瓷研磨至粒径为34微米的粉体;
(4)将步骤(3)中的多孔陶瓷粉末与矿渣均匀混合,包括以下重量份的原料:多孔陶瓷粉末35份,矿渣100份,空心玻璃微珠15份。
(5)将步骤(4)中的混合粉体以0.5的水灰比与水充分搅拌混合后,倒入测量凝结时间的圆环模具中,利用维卡仪进行凝结时间的测定(采用GB1346-《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》)。浆体的密度为1.53g/cm3,流动度为21cm,浆体在20℃下终凝时间为275min,80℃下终凝时间120min。另外倒入20×20×20mm3的模具中,放置密封袋中分别于20℃和80℃下养护48h至脱模后继续密封养护。样品20℃下28d抗压强度可达31.7MPa,80℃下28d抗压强度可达36.8MPa,均高于同等密度下低密度油井水泥石抗压强度。
本领域的技术容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种矿渣基干粉地聚物,其原料组分及各组分的重量份分别为:负载有碱性激发剂的废弃多孔陶瓷粉末30-45份,矿渣100-140份,空心玻璃微珠0-20份;其中负载有碱性激发剂的废弃多孔陶瓷粉末粒径范围在30-60微米。
2.如权利要求1所述的矿渣基干粉地聚物,其特征在于所述的负载有碱性激发剂的废弃多孔陶瓷粉末具有疏松多孔的结构;负载有碱性激发剂的废弃多孔陶瓷粉末的孔径分布在1-10微米,孔隙率为40%-50%,密度为1.35-1.45g/cm3。
3.如权利要求1所述的矿渣基干粉地聚物,其特征在于所述的矿渣为高炉矿渣。
4.如权利要求1所述的矿渣基干粉地聚物,其特征在于所述的空心玻璃微珠的主要成分为SiO2的质量含量≥77%。
5.一种制备如权利要求1所述的矿渣基干粉地聚物的方法,其具体步骤如下:(1)用氢氧化钠与工业水玻璃配制碱性激发剂溶液;(2)将废弃多孔陶瓷浸泡于碱性激发剂溶液中24-48小时;(3)将步骤(2)中的废弃多孔陶瓷捞出沥干后放入烘箱中烘干至恒重,冷却后破碎并将废弃多孔陶瓷研磨至粒径范围在30-60微米的粉体;(4)将矿渣、空心玻璃微珠和步骤(3)制得的废弃多孔陶瓷粉末按重量份均匀混合,获得所述矿渣基干粉地聚物。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于所述的碱性激发剂溶液的质量浓度为40-50%、模数为1-2。
7.如权利要求5所述的方法,其特征在于所述的废弃多孔陶瓷为生产柴油车尾气净化处理的催化转化器载体材料的边角料废弃物,具有疏松多孔的结构。
8.如权利要求1所述的矿渣基干粉地聚物在油气井固井中的应用。
9.如权利要求8所述的应用,其特征在于水与矿渣基干粉地聚物按水灰质量比为0.4-0.6混合后,制成地聚物胶凝材料,替代油气井固井环节中的低密度水泥浆。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20191022 |