石油用高炉矿渣的研究现状分析

闫国柱 肖能辉 何灿 潘远超(西南石油大学材料科学与工程学院，四川 成都 610500)

1 引言

我国钢铁、有色金属的冶炼产生了大量的工业废渣，会给周边生态环境造成危害[1]。例如，攀钢集团有限公司1965年建厂以来，经过几十年的累积，工厂附近高炉渣堆积如山，已接近7000万吨，现在还以每年产出320万吨的速度增加，不但占用了大量的土地资源，还会造成水资源和空气污染[2]。若找不到合理处置高炉矿渣的方法，会阻碍企业及国家经济的发展。

2 国内外研究现状

20世纪80年代，出现了钻井液转化为水泥浆技术(MTC)，这是一项具开创性的技术[3]，现在已有人提出使用矿渣作为胶凝材料来替代油井水泥，通过加入激活剂来激活矿渣的潜在活性，并致使矿渣固井液能够形成具有一定强度的固化体，由于相容性良好，能够固化环形空间残留的泥饼和钻井液，实现钻井液和泥饼的整体固化，还能有效解决钻井液和泥饼对影响固井质量的情况，保证套管壁-井壁的界面良好胶结，进而提高界面的胶结质量，最终实现提高固井质量的目的[4]。在固井技术中，普通高炉矿渣能够作为矿渣MTC工作液、多功能钻井液、可固化隔离液和固化堵漏工作液的胶凝材料。

多功能钻井液一般是将磨细矿渣加入水基钻井液中，使其既具有普通钻井液的功能，在非碱环境下呈化学惰性，长期具有流动性，在碱的激发下，滤饼和残留在环空的钻井液会全部固化。

许雯婧用20%高炉矿渣配合其他外加剂得到密度为1.20～1.80g/cm3的钻井液，能够改善二界面胶结质量差问题。Gu将矿渣作为钻井液的滤饼调节剂提高水泥界面剪切强度。Tare、Mueller和Saasen等用高炉矿渣配制了多功能钻井液，可解决由层间封隔差和循环漏失等引起的井壁稳定性问题，提高层间封隔能力，提高水平井和大位移井的固井质量。Shell公司开发的多功能钻井液技术，能够解决水泥返高不足和钻井液循环漏失问题。目前，多功能钻井液的难题就是油井水泥浆很难激发多功能钻井液泥饼的活性，难以实现固井液与多功能钻井液泥饼的整体胶结。顾军探究了油井水泥浆水化离子不能扩散进入多功能钻井液泥饼的机理，由于油井水泥富含的Ca2+能与多功能钻井液进行反应，在界面处生成沉淀物质CaCO3、CaSO4、Ca(OH)2导致堵塞。柳洪华研究发现滤饼自身不具备固化能力，所以要实现滤饼与固井液的整体胶结固化，需要加入一些胶凝材料在钻井液中。曾欣和马文英发现多功能钻井液必须与MTC固井液配套使用时才能提高第二界面固井质量。

泥浆转化为水泥浆(MTC)技术就是将高炉矿渣加入到钻井液中，再加入合适的处理剂使其达到固井液性能以达到固井目的。矿渣MTC水泥浆由钻井液转变而来，与钻井液兼容性很好，固化体收缩率低，有利于提高顶替效率和第二界面胶结强度，能够替代水泥用于油气井封固。Caenn发现高炉炉渣和钻井液混合用于固井与常规硅酸盐水泥的相比具有相当的流动性和固化性能。Cowan多次运用高炉矿渣MTC技术在油田固井，质量优良。Song研究发现矿渣MTC静胶凝结时间较短，不超过25min，矿渣MTC的体积收缩率为-2%～0.5%，有利于防止环空气窜。

矿渣MTC存在的高温脆裂和流变性差等问题引起了国内外学者的广泛关注。矿渣MTC固化体开裂的本质原因是在高温下，矿渣水化产物不稳定引起发生结构改变，形成的凝胶体胶结质量差，易发生晶形转变，宏观上表现为固化体微裂纹。何育荣从控制水化反应速度上着手，复配开发出一种新型激活剂MJH可以很好地解决矿渣MTC固化体高温开裂问题。国安平在常规MTC基础上，研究出了一种具有一定韧性的高强低密度体系。Wilson研究了将硅酸盐水泥和配套分散剂与速凝剂的MTC技术，并成功固井。Hou优选的分散剂C9可以使矿渣MTC浆的流变性能更好。

隔离液是用来隔离钻井液与水泥浆的浆体，避免二者间接触污染的一种工作液。将矿渣加入隔离液，辅之以配套处理剂可以配置成矿渣可固化隔离液。矿渣可固化隔离液具有固化能力，能够固化钻井液滤饼和环空残存的絮凝钻井液，实现钻井液、隔离液、水泥浆以及钻井液滤饼的整体固化胶结，套管壁、水泥环和井壁能较好地固结在一起，提高界面胶结质量。张林海等为了解决裂缝性地层易漏、封堵失效等问题，研发了具有隔离和堵漏双重效果的可固化工作液体系。邓慧等研究了可固化隔离液技术，流变性和悬浮稳定性较好，固化体具有较高的抗压强度，能够应用于深井、超深井固井。LI研究了无机组分对可固化隔离液体系的相容性、流变性、沉降稳定性的影响，发现膨润土能调节流变性能和沉降稳定性，调整CaO、MgO、Al2O3等无机成分的比例，可明显改善可固化隔离液性能。西南石油大学已将可固化隔离液在油田进行多次现场试验，均取得良好效果，可固化隔离液的密度能有效调节，流变性和悬浮稳定性良好，固化体有很高的抗压强度，满足工程施工要求。可固化隔离液在25～150℃范围内，能固化形成一定强度，稠化时间可通过激活剂和缓凝剂来调节，可以运用在深井固井。

水泥石、矿渣固化体具有脆性大、容易开裂的问题，为了提高其塑性，国内外学者已经利用纤维对其性能进行改性，并已经在工程中得到了应用。宋学锋考察了钢纤维、玄武岩纤维、钢纤维对矿渣地质聚合物复合材料的弯曲强度和弯曲韧性的影响，发现碳纤维具有明显的增强效果，钢纤维具有优异的增韧效果，碳纤维与钢纤维掺混能够协同发挥出碳纤维的增强效应和钢纤维的增韧效应，适当比例下混杂纤维具有明显的增强与增韧效果。刘璐考察了高强度、高模量的水镁石纤维对高温条件下对矿渣固化体性能的影响，发现水镁石纤维在4%的加量下，固化体的抗压强度和抗拉强度均得到了很高的提升，在改善矿渣固化体的力学性能方面具有明显作用。

近年来，玄武岩纤维逐渐进入建筑行业，是新兴的一种无机纤维材料。它的原料多为天然玄武岩矿石，在经过一定规格的处理之后，在1500℃左右的窑洞中高温处理，最后形成的纤维。玄武岩纤维由于其组成成分中有较多的SiO2，所以它是众多硅酸盐纤维中的一种，是一种纯天然的纤维，它与物质能很好的互容，同时对物质的力学性具有增强作用，在高温下也能工作，在酸碱度较为明显的区域也不会发生其他反应，所以在国内外被应用于耐高温材料、增强材料、耐酸碱材料等。与其他纤维比较，玄武岩更具特色。除去由于高弹高模量而产生的力学性能优异，在酸碱液中不发生反应，稳定性一流，还有着与各种纤维、树脂等材料混合使用时，材料间往往互容的优点。

3 结论与建议

(1)矿渣在建筑及石油行业中的应用已有不少案例，但很少完全使用矿渣替代油井水泥来配制固井液。

(2)矿渣在建筑方面的应用已经有不少案例，但是在固井领域的应用还较少。

(3)针对矿渣固井液固化体脆性大、强度低这类问题的研究较少。可考虑通过添加增韧材料在矿渣固井液中来改善固化之后的力学性能，延伸矿渣的可应用范围，推进矿渣固井液的实际应用。