CN116969707A - 一种基于水基钻屑的水泥矿物外加剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水基钻屑的水泥矿物外加剂及其制备方法，涉及水泥添加剂技术领域，该水泥矿物外加剂制备方法包括以下步骤，选取井筒中的水基钻屑充分混合至均匀，干燥后采用搅拌式粉碎机将水基钻屑磨碎至细小颗粒，将玻璃渣加入得到的细小颗粒中混合均匀，之后置于马弗炉中煅烧，将所得煅烧后产物于球磨机中以四个不同质量钢球为介质研磨球磨40min，收集45μm方孔筛筛余质量分数小于5.0％时的过筛产品作为所述水泥矿物外加剂；本发明中的水泥外加剂制备方法简单易行、成本低廉，且能实现对水基钻屑这类工业固废的资源化和高值化利用。
Description
技术领域
本发明涉及水泥添加剂技术领域，特别是一种基于水基钻屑的水泥矿物外加剂及其制备方法。
背景技术
水基钻屑是页岩气开发过程中产生的混有化学处理剂和地层岩屑的固体废物。随着我国生态文明建设不断推进，资源化利用已成为固体废物处理的重要方向。近年来，随着水泥价格的逐步上升以及能源枯竭问题，人们发现用矿物外加剂代替一部分水泥，制作出的水泥具有低水化热、高水泥工作性、强耐久性等一系列优点。矿物外加剂具有火山灰活性效应、微集料填充效应和颗粒形态效应，对水泥的流动性、力学性能、耐久性等有显著的改善作用。如今，经过一定质量控制获得的优质矿物外加剂应用在水泥和水泥中，不仅仅是在水泥生产中利用了工业固废，达到减少了固废引起的环境污染及土地占用，降低了水泥的制造成本，减少了由于生产波特兰水泥造成的环境污染及能源、资源消耗的目的，还能改善硅酸盐水泥自身难以克服的组成、结构等方面的缺陷，超越了传统的节约成本和环境保护的意义。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种基于钻屑的水泥矿物外加剂及其制备方法，以及采用该水泥矿物外加剂的水泥体系，以实现对于作为页岩气开采固废的水基钻屑进行资源化处理。
本发明公开的一种基于钻屑的水泥矿物外加剂，以重量份数计，包括以下原料：
水基钻屑 50-80
玻璃渣 4-32。
其中，所述玻璃渣中SiO2的含量大于70％，且在800℃以上完全熔解，所述水基钻屑中CaO含量大于20％、SiO2含量大于30％、Al2O3含量大于10％。
同时，本发明还公开了所述基于钻屑的水泥矿物外加剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：选取井筒中的水基钻屑充分混合至均匀，并在105℃条件下干燥8h；
步骤S2：采用搅拌式粉碎机将水基钻屑磨碎至细小颗粒；
步骤S3：将玻璃渣加入步骤S2中的细小颗粒中混合均匀，之后置于马弗炉中于1000℃煅烧1h；
步骤S4：将所得煅烧后产物于球磨机中以四个不同质量钢球为介质研磨球磨40min，收集45μm方孔筛筛余质量分数小于5.0％时的产品作为所述水泥矿物外加剂，其中，四个不同质量钢球分别为钢球一、钢球二、钢球三、钢球四，钢球一质量占所有钢球总质量的15％，其直径为18mm，钢球二质量占所有钢球总质量的20％，其直径为12mm，钢球三质量占所有钢球总质量的25％，其直径为8mm，钢球三质量占所有钢球总质量的40％，其直径为4mm。
进一步的，步骤S1中所述水基钻屑在105℃条件下干燥8h后，以质量分数计，其减量大于15％。
进一步的，步骤S2中细小颗粒的平均细度不大于8.0μm。
进一步的，步骤S4中得到的所述水泥矿物外加剂的平均细度不大于8.0μm。
本发明的技术效果在于：
1、水基钻屑是页岩气开采过程产生的主要固废，其本身就是水基泥浆和碎岩石的组合，所以具有较多的活性组分，即具有潜在活性。
2、对水基钻屑经过煅烧减量以及球磨变细的处理之后，能达到水泥矿物外加剂的标准规定的相关指标要求。
3、煅烧过程加入粘结剂玻璃渣，不仅可以改善水基钻屑的内部结构，同时也能提供额外的SiO2提供水泥水化的成核位点。
4、制备方法简单易行、成本低廉，且能实现对水基钻屑这类工业固废的资源化和高值化利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本发明所述矿物外加剂中水基钻屑和玻璃渣煅烧前后的晶相变化图。
图2为本发明水泥矿物外加剂不同天数水化产物的微观结构对比图。
图3为本发明所述矿物外加剂3天的水化热分析对比图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此，其中，下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；其所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
取水基钻屑共72.0g，其中，水基钻屑中CaO含量大于20％、SiO2含量大于30％、Al2O3含量大于10％，将所述钻屑混合均匀后于105℃下干燥8h，减重10.836g。接着取干燥后的水基钻屑在搅拌式粉碎机中研磨成为细小颗粒，之后向所得的细小颗粒中加入SiO2含量约于76％，且能在800℃及以上完全熔解的玻璃渣18.0g，在马弗炉中以1000℃烧结1h，烧结完成后将烧结产物放入球磨机中，以四个不同质量钢球为介质研磨球磨40min，四个不同质量钢球分别为钢球一、钢球二、钢球三、钢球四，钢球一质量占所有钢球总质量的15％，其直径为18mm，钢球二质量占所有钢球总质量的20％，其直径为12mm，钢球三质量占所有钢球总质量的25％，其直径为8mm，钢球三质量占所有钢球总质量的40％，其直径为4mm间，收集45μm方孔筛筛余质量分数为2.3％时的过筛产品作为水泥矿物外加剂。
实施例2
本实施例的制备方法与原料与实施例1基本相同，其区别点在于水基钻屑为84.5g，干燥后减重13.52g，玻璃渣为4.5g。
实施例3
本实施例的制备方法与原料与实施例1基本相同，其区别点在于水基钻屑为63g，干燥后减重9.954g，玻璃渣为27g。
对比例1
本对比例的制备方法与原料与实施例1基本相同，其区别点在于未向细小颗粒中添加玻璃渣。
对比例2
本对比例的制备方法与原料与实施例1基本相同，其区别点在于水基钻屑的取样总量为45.0g，同时也未向细小颗粒中添加玻璃渣。
为进一步说明本发明的具体效果，下面将结合实施例及对比例对本发明中的产品性能进行评价。
一、外加剂性能测试
本发明采用的水基钻屑来自泸州地区页岩气开发钻井二开斜井段，玻璃渣来自四川某家平板玻璃厂。试验中所用到的其他材料如水、标准砂和水泥均是符合《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)中材料的规定。本发明制备的水泥材料也是通过该标准，以水基钻屑与玻璃渣混合后共热处理，按20％的掺量替代水泥进行测试。
测试实施例中实施例1与对比例1、2中的水泥矿物外加剂的活性指数(3天、28天和90天)、三氧化硫含量、烧失量、需水量比等指标。其各项测试结果均符合GB/T 18736-2017的限值。测试结果如表1所示。
表1外加剂性能测试结果
(注a：参考标准为《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GB/T 18736-2017)，对比对象为偏高岭土；注b：参考标准为《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T1346-2011))。
由表1中的结果可知，总水泥替代量相同的情况时，实施例1中的具有更高的抗压强度；而相较于水泥替代量更低的情况，实施例也具有更好的性能，以及更高的水基钻屑掺量。
二、晶相分析
如图1所示，经物相分析鉴定，实施例1中采用的水基钻屑原样包括石英、方解石和重晶石晶体和其他无定型物质，而1000℃煅烧后晶体结构明显，新生成的晶体黑柱石是一种含钙铁的硅酸盐矿物，具有一定的火山灰活性和强度；未煅烧的玻璃渣呈无定型晶体，煅烧后的晶体以二氧化硅为主，还有少部分的莫来石。两者结合产生的新型晶体——副硅灰石，这是一种致密板状型偏硅酸盐，具有较高的机械强度并能减少配体收缩率。
三、微观结构分析
本发明中的作为原料的水基钻屑主要来源于页岩气开采过程中的二开斜井阶段。在用钻头破碎页岩后，以水基泥浆为主要载体的钻进液会带出这些碎岩石，经过固控系统分离、破胶后压滤等环节后形成。水基钻屑本身是黏土类物质，其富含的硅、钙和铝等成分经过一系列处理(如煅烧)具有一定火山灰活性，所谓的火山灰活性是指钙、硅、铝和铁等氧化物参与水泥水化反应生成额外或者新型的水化产物，反应过程见式(1)。
CnCSnSAnA+nHH→nSC(C/S)SA(A/S)Hx (1)
其中，C、S、A和H分别代表CaO、SiO2、Al2O3和H2O；n表示氧化物的物质的量；C/S和A/S指的是CaO与SiO2的比例，以及Al2O3与SiO2的比例；x是C-S-H中的H/S(H2O与SiO2的比例)。
研究表明玻璃渣在高温下具有较高的粘结能力，可以改善材料的机械性能，而且玻璃渣二氧化硅含量高(通常大于70％)，将具有火山灰活性的水基钻屑与高粘结能力的二氧化硅相结合之后，能够得到如图2所示微观结构的水泥矿物外加剂，可以看到其提供了更多的水化反应成核位点。
四、水化热分析
球磨后的水泥矿物外加剂粒径小于水泥颗粒，使其可均匀分散于水泥的水化产物中，填充水泥石的孔隙并提供额外的成核位点。对制备的水泥矿物外加剂在水化反应中进行了3天的等温量热分析，其水化热和总热对比图见图3。从图中可以看出水基钻屑与玻璃渣的混合物可以加速早期水化并有比水泥更高的总放热量，说明该矿物外加剂能促进早期的水泥水化反应。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于水基钻屑的水泥矿物外加剂，其特征在于，以重量份数计，包括以下原料：
水基钻屑50-80
玻璃渣4-32；
其中，玻璃渣中SiO2的含量大于70％，且在800℃以上完全熔解；水基钻屑中CaO含量大于20％、SiO2含量大于30％、Al2O3含量大于10％。
2.如权利要求1所述的基于水基钻屑的水泥矿物外加剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：选取井筒中的水基钻屑充分混合至均匀，并在105℃条件下干燥8h；
步骤S2：采用搅拌式粉碎机将水基钻屑磨碎至细小颗粒；
步骤S3：将玻璃渣加入步骤S2中的细小颗粒中混合均匀，之后置于马弗炉中于1000℃煅烧1h；
步骤S4：将所得煅烧后产物于球磨机中以四个不同质量钢球为介质研磨球磨40min，收集45μm方孔筛筛余质量分数小于5.0％时的过筛产品作为所述水泥矿物外加剂，其中，四个不同质量钢球分别为钢球一、钢球二、钢球三、钢球四，钢球一质量占所有钢球总质量的15％，其直径为18mm，钢球二质量占所有钢球总质量的20％，其直径为12mm，钢球三质量占所有钢球总质量的25％，其直径为8mm，钢球三质量占所有钢球总质量的40％，其直径为4mm。
3.根据权利要求2所述的基于水基钻屑的水泥矿物外加剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述水基钻屑在105℃条件下干燥8h后，以质量分数计，其减量大于15％。
4.根据权利要求2所述的基于水基钻屑的水泥矿物外加剂的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中细小颗粒的平均细度不大于8.0μm。
5.根据权利要求2所述的基于水基钻屑的水泥矿物外加剂的制备方法，其特征在于：步骤S4中得到的所述水泥矿物外加剂的平均细度不大于8.0μm。
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| CN202310991724.6A CN116969707A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种基于水基钻屑的水泥矿物外加剂及其制备方法 |
Publications (1)
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| CN116969707A true CN116969707A (zh) | 2023-10-31 |
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ID=88481303
Family Applications (1)
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| CN202310991724.6A Pending CN116969707A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种基于水基钻屑的水泥矿物外加剂及其制备方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN116969707A (zh) |
-
2023
- 2023-08-08 CN CN202310991724.6A patent/CN116969707A/zh active Pending
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