CN111154466B - 一种可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆体系 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆体系，包括如下组分及其质量份数：油井水泥100份，淡水50‑55份，油基钻屑灰10‑40份，激活剂1‑3份，界面润湿剂1‑2份，降失水剂1‑2份，膨胀剂1‑1.5份，缓凝剂0.2‑1.0份，消泡剂0.1‑0.3份；所述激活剂为弱碱无机盐与硫酸铝盐的复配溶液；所述界面润湿剂为HLB值在13‑15之间的非离子表面活性剂的复配溶液。本发明可将油基钻屑环保处理残留的油基钻屑灰有效转化为固井水泥浆体系的外掺料，实现油基钻屑灰的资源化利用，使油基钻屑灰不再占用土地和污染环境，保障页岩气勘探开发的绿色可持续发展。

Description

一种可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆体系
技术领域
本发明涉及建筑装饰材料制造技术领域，具体涉及一种可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆体系及其制备方法。
背景技术
油基钻屑作为非常规油气开发的产物，其含油率高达15％-25％，属于危险废弃物(国家危险废物名录，HW08)。若不经处理就直接排放，将会对周边生态环境造成严重危害。国内众多高校及企业对油基钻屑开展了众多无害化处理技术研究，取得了一定的进展，主要是通过高温煅烧、LRET萃取和高温热解析等方法进行环保处理，对灰渣的处理手段主要是制作建筑砖或垫底修路，处理量和应用规模受到限制，且依然存在潜在环保风险。随着国家对环保要求越来越高，对油基钻屑灰的处理受限，造成大量的堆积和存放，已成为亟待解决的环保隐患，严重制约着页岩气的安全生产和高效勘探开发的发展。
目前国内外的对油基钻屑的处理研究较多，涉及油基钻屑灰的后处理的研究较少，大部分研究还停留在室内实验阶段，离无害工业化应用还有距离。中国专利公开号为CN201610300674.2提供了一种以油基钻屑残渣作为掺合料的混凝土，将水泥、细集料、粗集料、油基钻屑残渣和粉煤灰混合搅拌均匀，再加入水和减水剂混合搅拌均匀而成，各组份的重量百分比为，水泥9-15％、细集料22-29％、粗集料40-46％、油基钻屑残渣3-15％、粉煤灰2-5％、水6-8％、减水剂0.15-0.25％，满足普通商品混凝土的生产要求。该专利申请中的对油基钻屑灰的利用主要在建筑领域，仍存在潜在的环保风险，且其油基钻屑灰掺灰量较小，故对油基钻屑灰的资源化利用还有待研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆体系，可将油基钻屑环保处理残留的油基钻屑灰有效转化为固井水泥浆体系的外掺料，实现油基钻屑灰的资源化利用，使油基钻屑灰不再占用土地和污染环境，保障页岩气勘探开发的绿色可持续发展。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆体系，包括如下组分及其质量份数：油井水泥100份，淡水50-55份，油基钻屑灰10-40份，激活剂1-3份，界面润湿剂1-2份，降失水剂1-2份，膨胀剂1-1.5份，缓凝剂0.2-1.0份，消泡剂0.1-0.3份；所述激活剂为弱碱无机盐与硫酸铝盐的复配溶液；所述界面润湿剂为HLB值在13-15之间的非离子表面活性剂的复配溶液。
根据以上方案，所述油基钻屑灰为页岩气开发过程中的油基钻屑经环保高温热解析后粉碎过筛处理的灰渣，比表面积不小于10m2/kg、平均粒径400-500μm，40目筛余不超过1.0％。
根据以上方案，所述弱碱无机盐包括磷酸盐、硅酸盐或碳酸盐等，所述非离子表面活性剂包括酰胺类、聚醚或醇胺类等。
根据以上方案，所述激活剂的制备方法为：将弱碱无机盐材料搅拌溶解形成20-35wt％的浓缩液，再配合补充2-5wt％的硫酸铝复配而成。所述激活剂通过对油基钻屑灰中的二氧化硅和三氧化二铝等晶相结构进行溶蚀分解，有效激发其潜在化学反应活性，与水泥水化进行互补，提高水泥石的强度和密实度，可将水泥石48h抗压强度提高40％以上。
根据以上方案，所述非离子表面活性剂为HLB值在13-15之间的椰汁油二乙醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、二乙醇单异丙醇胺中任意一种或两种的混合物，复配成浓度为10-30wt％的溶液。所述非离子表面活性剂通过对油基钻屑灰表面的残余油进行清洗和包裹，提高油基钻屑灰水泥石的亲水性，实现固井一、二界面的胶结密封，可将水泥石界面胶结强度提高50％以上。
根据以上方案，所述降失水剂为分子量为800-1000万、1.0wt％溶液表观粘度为35-53mPa.s的丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物。
根据以上方案，所述膨胀剂为硫铝酸钙与方镁石混合物，粒径为200-400目。
根据以上方案，所述缓凝剂为葡萄糖酸盐与硼酸混合物。
根据以上方案，所述消泡剂为聚乙烯醚类消泡剂。
本发明的有益效果是：
1)本发明的水泥浆体系配制简单，外加剂之间相容性良好，稠化时间在90-360min内任意可调，转化过渡时间在15min以内，具有优良的稠化防窜性能；
2)本发明的水泥浆体系所添加的激活剂现场实施方便、激活效果明显，且与水泥浆具有良好相容性，可有效激发油基钻屑灰潜在的化学反应活性，与水泥水化进行互补，提高水泥石的强度和密实度，可将水泥石48h抗压强度提高40％以上；
3)本发明的水泥浆体系所添加的界面润湿剂润湿反转、界面胶结改善明显且与水泥浆具有良好相容性，可有效提高油基钻屑灰水泥石的亲水性，实现固井一、二界面的胶结密封，可将水泥石界面胶结强度提高50％以上；
4)本发明通过选用油基钻屑灰的粒径，以满足现场混灰与搅浆施工要求，并与水泥灰形成颗粒级配提高水泥石的致密度，从而进一步提高抗压强度。
附图说明
图1是本发明实例2产品的颗粒粒径分布图；
图2是本发明实例2产品的稠化曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明的技术方案进行说明。
实施例1：
本发明提供一种可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆体系，包括如下组分及其质量：油井水泥600g，淡水300g，油基钻屑灰96g，激活剂9g，界面润湿剂6g，降失水剂9g，膨胀剂6g，缓凝剂1.5g，消泡剂1g；所述油基钻屑灰为页岩气开发过程中的油基钻屑经过环保高温热解析后粉碎过筛处理的灰渣；所述激活剂为硅酸钠与硫酸铝的复配溶液；所述界面润湿剂为HLB值在13-15之间的椰子油二乙醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的复配溶液；所述降失水剂为丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物；所述膨胀剂为硫铝酸钙与方镁石混合物；所述缓凝剂为葡萄糖酸盐与硼酸混合物；所述的消泡剂为聚乙烯醚类。
所述适合可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆的制备方法，包括如下步骤：
(1)在室温条件下，按照油井水泥、油基钻屑灰、降失水剂和膨胀剂的顺序依次添加混合，每添加一种物料需搅拌均匀后再添加下一种物料，混合均匀后得配浆灰备用；
(2)按照淡水、激活剂、界面润湿剂、缓凝剂和消泡剂的顺序依次添加到浆杯中，每添加一种物料需搅拌均匀后再添加下一种物料，混合均匀后得配浆药品水备用；
(3)在搅拌速度为3000-4000RPM的条件下，将所述配浆灰在10-15s内加入所述配浆药品水中搅拌混合均匀，然后将搅拌速度调高至10000-12000转/min，搅拌30-35s即可。
实施例2：
本发明提供一种可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆体系，包括如下组分及其质量：油井水泥600g，淡水315g，油基钻屑灰150g，激活剂12g，界面润湿剂6g，降失水剂9g，膨胀剂6g，缓凝剂1.5g，消泡剂1g；所述油基钻屑灰为页岩气开发过程中的油基钻屑经过环保高温热解析后粉碎过筛处理的灰渣；所述激活剂为硅酸钠与硫酸铝的复配溶液；所述界面润湿剂为HLB值在13-15之间的椰子油二乙醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的复配溶液；所述降失水剂为丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物；所述膨胀剂为硫铝酸钙与方镁石混合物；所述缓凝剂为葡萄糖酸盐与硼酸混合物；所述的消泡剂为聚乙烯醚类。
制备方法同实施例1。
实施例3：
本发明提供一种可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆体系，包括如下组分及其质量：油井水泥600g，淡水328g，油基钻屑灰240g，激活剂12g，界面润湿剂6g，降失水剂9g，膨胀剂6g，缓凝剂1.5g，消泡剂1g；所述油基钻屑灰为页岩气开发过程中的油基钻屑经过环保高温热解析后粉碎过筛处理的灰渣；所述激活剂为硅酸钠与硫酸铝的复配溶液；所述界面润湿剂为HLB值在13-15之间的椰子油二乙醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的复配溶液；所述降失水剂为丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物；所述膨胀剂为硫铝酸钙与方镁石混合物；所述缓凝剂为葡萄糖酸盐与硼酸混合物；所述的消泡剂为聚乙烯醚类。
制备方法同实施例1。
将本发明实施例1至3所得的固井水泥浆体系产品按照石油行业标准的测试方法对其性能进行测试，测试结果如下表1。
表1实施例产品性能参数对比
项目 实施例1 实施例2 实施例3
失水量(mL) 44 46 42
稠化时间(min/52℃) 123 90 105
抗压强度(MPa/48h*30℃) 19.5 18.0 16.7
界面胶结强度(MPa) 1.06 0.98 0.87
渗透率(mD) 0.0123 0.0116 0.0132
其中，水泥浆的稠化时间、失水量、抗压强度测定按照油井水泥应用性能试验方法SY/T5546-1992执行；其他水泥浆性能要求按照油井水泥浆性能要求SY/T6544-2003执行。
由上述表1的测试数据可见，本发明所述可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆体系具有失水量低、强度高、稠化防窜能力突出、水泥石渗透率和界面胶结能力等综合性能优异、配方组成及现场施工简单等特性，可将油基钻屑环保处理残留的油基钻屑灰有效转化为固井水泥浆体系的外掺料，实现油基钻屑灰的资源化利用，使油基钻屑灰不再占用土地和污染环境，保障页岩气勘探开发的绿色可持续发展。
本发明将实施例2所得的固井水泥浆体系产品分别进行油基钻屑灰颗粒粒径和水泥浆稠度变化测试。粒径分析测试的结果见图1，所述颗粒粒径分布图，其表明实施例2所用油基钻屑灰颗粒粒径大、比表面积小，潜在化学反应活性较低。稠度变化测试的结果见图2，所述稠化曲线，其表明实施例2所得固井水泥浆体系产品具有初始稠度低、稠化性能稳定、过渡时间短的优良性能。同样的，对实施例1、3也做了相应的粒径测试和稠度变化测试，测试结果与实施例2的结果无明显差别。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (1)

1.一种可实现油基钻屑灰资源化利用的固井水泥浆体系，其特征在于，包括如下组分及其质量份数：油井水泥100份，淡水50-55份，油基钻屑灰10-40份，激活剂1-3份，界面润湿剂1-2份，降失水剂1-2份，膨胀剂1-1.5份，缓凝剂0.2-1.0份，消泡剂0.1-0.3份；所述激活剂为弱碱无机盐与硫酸铝盐的复配溶液；所述界面润湿剂为HLB值在13-15之间的非离子表面活性剂的复配溶液；
所述油基钻屑灰为页岩气开发过程中的油基钻屑经环保高温热解析后粉碎过筛处理的灰渣，比表面积不小于10m2/kg、平均粒径400-500μm，40目筛余不超过1.0％；
所述弱碱无机盐包括磷酸盐、硅酸盐或碳酸盐，所述非离子表面活性剂包括酰胺类、聚醚或醇胺类表面活性剂；
所述激活剂的制备方法为：将弱碱无机盐材料搅拌溶解形成20-35wt％的浓缩液，再配合补充2-5wt％的硫酸铝复配而成；
所述非离子表面活性剂为HLB值在13-15之间的椰汁油二乙醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、二乙醇单异丙醇胺中任意一种或两种的混合物，复配成浓度为10-30wt％的溶液；
所述降失水剂为分子量为800-1000万、1.0wt％溶液表观粘度为35-53mPa.s的丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物；
所述膨胀剂为硫铝酸钙与方镁石混合物，粒径为200-400目；
所述缓凝剂为葡萄糖酸盐与硼酸混合物；
所述消泡剂为聚乙烯醚类消泡剂。
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