CN115403327B - 一种加固注浆材料及其在碎粉岩地层加固中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地下工程封堵材料技术领域，涉及一种加固注浆材料及其在碎粉岩地层加固中的应用。按照重量份数计，包括以下原料：丙烯酰胺14～18份，四甲基乙二胺0.5～1.5份，引发剂1～3份，交联剂0.5～1.5份，水泥44～180份，水150～200份。制备方法，包括如下步骤：将丙烯酰胺、TEMED、一部分水泥加入至一部分水中，混合均匀获得A组分；将引发剂、交联剂、另一部分水泥加入至另一部分水中，混合均匀获得B组分；将A组分与B组分混合，即得。本发明提供的加固注浆材料可高效地治理碎粉岩地层突涌水，改善并提高涌水封堵效率。
Description
技术领域
本发明属于地下工程封堵材料技术领域，涉及一种加固注浆材料及其在碎粉岩地层加固中的应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
据发明人研究了解，现有注浆材料对碎粉岩的治理存在“三差”特征：胶结强度差、渗透性差及浆液留存率差，难以满足碎粉岩地层注浆堵水加固过程中对突水、突泥灾害的治理要求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种加固注浆材料及其在碎粉岩地层加固中的应用，本发明提供的加固注浆材料可高效地治理碎粉岩地层突涌水，改善并提高涌水封堵效率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种加固注浆材料，按照重量份数计，包括以下原料：丙烯酰胺14～18份，四甲基乙二胺(TEMED)0.5～1.5份，引发剂1～3份，交联剂0.5～1.5份，水泥44～180份，水150～200份。
本发明提供的材料通过渗透材料与劈裂材料进行有机无机复合，基于碱激发反应矿物调控，采用复合调凝、超塑化调控、复合活性激发制备碎粉岩治理专项材料，有效减小材料作用模式压力差，实现有机-无机复合高效协同。该材料在达到起劈压力时，发生劈裂注浆，劈裂过程中，随着压力逐渐升高，极易达到起渗压力，浆液渗透到周围砂体中，进一步交联加固碎粉岩，有效实现对碎粉岩地层的大范围有效加固。
另一方面，一种上述加固注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
将丙烯酰胺、TEMED、一部分水泥加入至一部分水中，混合均匀获得A组分；
将引发剂、交联剂、另一部分水泥加入至另一部分水中，混合均匀获得B组分；
将A组分与B组分混合，即得。
丙烯酰胺与引发剂容易反应，若直接将丙烯酰胺与引发剂，其在混合过程中易反应凝结，因而将丙烯酰胺与引发剂分为A、B组分分别添加。水泥为粉末状固体，若直接添加A组分或B组分，容易降低组分的流动性，而当A、B组分混合后再添加水泥，难以在丙烯酰胺与引发剂反应前混合均匀，从而丧失流动性。
本发明的制备方法，能够更好的保证各组分在溶液中的分散均匀性，从而在A、B组分混合后，能够保证材料流动性，保证注浆效果。
第三方面，一种上述加固注浆材料在碎粉岩地层加固中的应用。
第四方面，一种上述加固注浆材料在具备渗虑效应的地层突涌水封堵中应用。
(1)本发明以基于丙烯酰胺的溶液作为渗透交联液，有效提高材料的渗透性，解决了碎粉岩地层渗透性差，常规注浆材料无法有效渗透的问题；以水泥作为浆脉骨架液，有效解决了丙烯酸溶液单独作用下强度较低，无法满足工程强度需求的问题。通过解决上述问题，能够有效地解决现有注浆材料治理碎粉岩地层只劈不渗、无法对浆脉外地层有效加固的问题。
(2)本发明通过丙烯酰胺溶液(液体)与水泥颗粒(固体)进行复合形成注浆液，通过压力注入碎粉岩，满足对粉细岩体地层的渗透-劈裂-压密多重作用模式，起到加固地层的效果；通过丙烯酰胺溶液与水泥颗粒的液固比调节，能够有效提高无机有机材料的复合效应。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明对比例1制备的渗透交联液(丙烯酰胺溶液)渗透性展示的实物效果图。
图2为本发明实施例1对碎粉岩多功能加固模式效果示意图。
图3为本发明实施例1制备注浆材料的流程图。
图4为本发明验证过程中所用的注浆模拟装置。
图5为本发明实施例1制备的注浆材料的注浆效果图。
图6为本发明实施例1制备的注浆材料结石体7天的电子显微镜照片。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明所述的粉碎岩的粒径小于0.02mm。
现有注浆材料对碎粉岩地层注浆堵水加固存在胶结强度差、渗透性差及浆液留存率差等问题，本发明提出了一种加固注浆材料及其在碎粉岩地层加固中的应用。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种加固注浆材料，按照重量份数计，包括以下原料：丙烯酰胺14～18份，TEMED0.5～1.5份，引发剂1～3份，交联剂0.5～1.5份，水泥44～180份，水150～200份。
在一些实施例中，所述交联剂为乙二醇二丙烯酸酯，该交联剂具有以下特点：①常温下为透明液体，分子结构中含有两个反应活性很高的双键；②能在水中乳化；③毒性低，大鼠经口的半数致死量(LD50)≥5000mg/kg。
在一些实施例中，还包括缓凝剂，所述缓凝剂为铁氰化钾。缓凝剂用量越多，浆液凝结时间越长，因此缓凝剂用量可根据实际工程需求进行确定。缓凝剂为丙烯酰胺质量的0.1～2％时，丙烯酰胺凝胶时间在几十秒至几百秒可调。
在一些实施例中，还包括促凝剂，所述促凝剂为水玻璃。所述水玻璃的模数优选为3。促凝剂的添加量为水泥颗粒质量的0～50％，优选为2～8％。
在一些实施例中，所述水泥为425水泥。能够有效提高注浆材料的渗透性。
在一些实施例中，所述引发剂为过硫酸铵。
在一些实施例中，丙烯酰胺、TEMED、引发剂、交联剂和水的总质量与水泥的质量比为1～4:1。
本发明的另一种实施方式，提供了一种上述加固注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
将丙烯酰胺、TEMED、一部分水泥加入至一部分水中，混合均匀获得A组分；
将引发剂、交联剂、另一部分水泥加入至另一部分水中，混合均匀获得B组分；
将A组分与B组分混合，即得。
在一些实施例中，A组分中，丙烯酰胺、TEMED、水泥和水的质量比为14～18：0.5～1.5:24～97:75～100。
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述加固注浆材料在碎粉岩地层加固中的应用。
本发明的第四种实施方式，提供了一种上述加固注浆材料在具备渗虑效应的地层突涌水封堵中应用。所述具备渗虑效应的地层例如中砂层、中细砂层、孔隙砂岩层、碎粉岩等。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
对比例1
一种用于碎粉岩地层加固的注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份计，取丙烯酰胺16份，TEMED 1份、水80份，将上述材料混合并充分搅拌，制备A组分备用；
(2)取过硫酸铵2份、交联剂(乙二醇二丙烯酸酯)1份、水80份，将上述材料混合并充分搅拌，制备B组分备用。
(3)将A、B组分混合，并加入0.1％的铁氰化钾(占丙烯酰胺质量)作为缓凝剂，加入5％水玻璃(模数为3)作为水泥浆液的促凝剂(占水泥质量)，充分搅拌混合均匀，获得渗透交联液(丙烯酰胺溶液)。
如图1所示，采用该渗透交联液，具有较高的渗透性，固砂效果较好。但是形成的浆脉强度过低(触碰可形变)，无法满足治理需求。
实施例1
一种用于碎粉岩地层加固的注浆材料的制备方法，如图3所示，包括如下步骤：
(1)按重量份计，取丙烯酰胺16份，TEMED 1份、水80份，425水泥24份，将上述材料混合并充分搅拌，制备A组分备用；
(2)取过硫酸铵2份、交联剂(乙二醇二丙烯酸酯)1份、水80份，425水泥20份，将上述材料混合并充分搅拌，制备B组分备用。此时固液比为4:1。
(3)将A、B组分混合，并加入0.1％的铁氰化钾(占丙烯酰胺质量)作为缓凝剂，加入5％水玻璃(模数为3)作为水泥浆液的促凝剂(占水泥质量)，充分搅拌混合均匀。即可用于注浆。
此实施例下，注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果如表1所示。加固模式效果如图2所示。采用的注浆模拟装置如图4所示，注浆材料的注浆效果如5所示。注浆材料结石体7天的微观形貌如图6所示。
表1实施例1注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果
实施例2
一种用于碎粉岩地层加固的注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份计，取丙烯酰胺16份，TEMED 1份、水80份，425水泥32份，将上述材料混合并充分搅拌，制备A组分备用；
(2)取过硫酸铵2份、交联剂(乙二醇二丙烯酸酯)1份、水80份，425水泥29份，将上述材料混合并充分搅拌，制备B组分备用。此时固液比为3:1。
(3)将A、B组分混合，并加入0.2％的铁氰化钾(占丙烯酰胺质量)作为缓凝剂，加入5％水玻璃(模数为3)作为水泥浆液的促凝剂(占水泥质量)，充分搅拌混合均匀。即可用于注浆。
此实施例下，注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果如表2所示。
表2实施例2注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果
实施例3
一种用于碎粉岩地层加固的注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份计，取丙烯酰胺16份，TEMED 1份、水80份，425水泥49份，将上述材料混合并充分搅拌，制备A组分备用；
(2)取过硫酸铵2份、交联剂(乙二醇二丙烯酸酯)1份、水80份，425水泥41份，将上述材料混合并充分搅拌，制备B组分备用。此时固液比为2:1。
(3)将A、B组分混合，并加入0.4％的铁氰化钾(占丙烯酰胺质量)作为缓凝剂，加入10％水玻璃(模数为3)作为水泥浆液的促凝剂(占水泥质量)，充分搅拌混合均匀。即可用于注浆。
此实施例下，注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果如表3所示。
表3实施例3注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果
实施例4
一种用于碎粉岩地层加固的注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份计，取丙烯酰胺16份，TEMED 1份、水80份，425水泥97份，将上述材料混合并充分搅拌，制备A组分备用；
(2)取过硫酸铵2份、交联剂(乙二醇二丙烯酸酯)1份、水80份，425水泥83份，将上述材料混合并充分搅拌，制备B组分备用。此时固液比为2:1。
(3)将A、B组分混合，并加入0.3％的铁氰化钾(占丙烯酰胺质量)作为缓凝剂，加入8％水玻璃(模数为3)作为水泥浆液的促凝剂(占水泥质量)，充分搅拌混合均匀。即可用于注浆。
此实施例下，注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果如表4所示。
表4实施例4注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果
实施例5
一种用于碎粉岩地层加固的注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份计，取丙烯酰胺16份，TEMED 1份、水80份，425水泥49份，将上述材料混合并充分搅拌，制备A组分备用；
(2)取过硫酸铵2份、交联剂(乙二醇二丙烯酸酯)1份、水80份，425水泥41份，将上述材料混合并充分搅拌，制备B组分备用。此时固液比为2:1。
(3)将A、B组分混合，并加入1％的铁氰化钾(占丙烯酰胺质量)作为缓凝剂，加入50％水玻璃(模数为3)作为水泥浆液的促凝剂(占水泥质量)，充分搅拌混合均匀。即可用于注浆。
此实施例下，注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果如表5所示。
表5实施例5注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果
实施例6
一种用于碎粉岩地层加固的注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份计，取丙烯酰胺16份，TEMED 1份、水80份，425水泥49份，将上述材料混合并充分搅拌，制备A组分备用；
(2)取过硫酸铵2份、交联剂(乙二醇二丙烯酸酯)1份、水80份，425水泥41份，将上述材料混合并充分搅拌，制备B组分备用。此时固液比为2:1。
(3)将A、B组分混合，并加入2％的铁氰化钾(占丙烯酰胺质量)作为缓凝剂，不加水玻璃，充分搅拌混合均匀。即可用于注浆。
此实施例下，注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果如表6所示。
表6实施例6注浆模拟实验及室内试验获得的结石体性质测试结果
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种应用于碎粉岩地层加固的加固注浆材料，其特征是，按照重量份数计，包括以下原料：丙烯酰胺14～18份，TEMED 0.5～1.5份，引发剂1～3份，交联剂0.5～1.5份，水泥44～180份，水150～200份；
粉碎岩的粒径小于0.02mm；
所述交联剂为乙二醇二丙烯酸酯；所述引发剂为过硫酸铵；
丙烯酰胺、TEMED、引发剂、交联剂和水的总质量与水泥的质量比为1～4:1。
2.如权利要求1所述的加固注浆材料，其特征是，还包括缓凝剂，所述缓凝剂为铁氰化钾。
3.如权利要求2所述的加固注浆材料，其特征是，缓凝剂为丙烯酰胺质量的0.1～2％。
4.如权利要求1所述的加固注浆材料，其特征是，还包括促凝剂，所述促凝剂为水玻璃。
5.如权利要求4所述的加固注浆材料，其特征是，所述水玻璃的模数为3。
6.如权利要求4所述的加固注浆材料，其特征是，促凝剂的添加量为水泥颗粒质量的0～50％。
7.如权利要求6所述的加固注浆材料，其特征是，促凝剂的添加量为水泥颗粒质量的2～8％。
8.如权利要求1所述的加固注浆材料，其特征是，所述水泥为425水泥。
9.一种权利要求1所述的加固注浆材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
将丙烯酰胺、TEMED、一部分水泥加入至一部分水中，混合均匀获得A组分；
将引发剂、交联剂、另一部分水泥加入至另一部分水中，混合均匀获得B组分；
将A组分与B组分混合，即得。
10.如权利要求9所述的加固注浆材料的制备方法，其特征是，A组分中，丙烯酰胺、TEMED、水泥和水的质量比为14～18：0.5～1.5:24～97:75～100。
11.一种权利要求1～8任一所述的加固注浆材料在具备渗虑效应的地层突涌水封堵中应用。
12.如权利要求11所述的应用，其特征在于，所述具备渗虑效应的地层为中砂层、中细砂层、孔隙砂岩层或碎粉岩。
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