專利名稱：一種超深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合物及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及緩凝水泥漿組合物，具體涉及一種超深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合 物。
背景技術(shù)：
凍結(jié)法鑿井是在井筒開鑿前，用人工制冷的方法，將井筒周圍地層凍結(jié)成封閉的 圓筒凍結(jié)壁，以抵抗地壓，隔絕地下水和井筒的聯(lián)系，然后在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行掘砌工作 的一種特殊施工方法。近年來，隨著深層煤炭及各種礦體的開發(fā)，井筒深度不斷加大。為確保井筒安全順 利施工，常采用表土段凍結(jié)和基巖段注漿的方法施工。這種做法需要凍結(jié)、注漿兩套工藝， 工期長、投資多、速度慢，為此，不少井筒采用一次凍全深的方法，將凍結(jié)深度延長到井筒底 部IOm左右，對表土層和基巖一起凍結(jié)，為打干井創(chuàng)造條件，都取得了很好的效果。特別是 西部地區(qū)部分井筒上覆巖層均為破碎軟巖，含水量大，也基本采用一次凍全深的方法進(jìn)行 施工。采用一次凍全深方法施工時，由于凍結(jié)管需穿過井底馬頭門等硐室，井筒到底后，凍 結(jié)壁自然解凍，大量涌水和泥砂可能通過凍結(jié)管與圍巖間的環(huán)形空間涌入井底，嚴(yán)重時可 能造成突水淹井事故。如山東兗州楊莊煤礦，就曾因大量涌水通過凍結(jié)管與圍巖間的環(huán)形 空間涌入井底而發(fā)生淹井事故，不僅造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還延長了建井工期。為了保證 施工安全，防止突水淹井事故發(fā)生，應(yīng)在凍結(jié)孔施工時采取一定措施，實際工程中，常采用 緩凝水泥漿置換凍結(jié)孔內(nèi)粘土漿，封堵凍結(jié)管與圍巖間的環(huán)形空間，做到既不影響凍結(jié)管 下放，又能使環(huán)形空間不透水。但是隨著一次凍全深井筒凍結(jié)深度的不斷加深，對置換用緩 凝水泥漿漿液穩(wěn)定性、漿液凝固時間、水泥漿固結(jié)體強(qiáng)度等都有了更高的要求，因此開展超 深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿對凍結(jié)法施工具有重要的意義和很強(qiáng)的實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種漿液穩(wěn)定，初凝時間> 20小時，水泥漿結(jié)石體觀天抗壓 強(qiáng)度達(dá)到地下水壓力的2倍以上，有良好的和易性與可泵性，結(jié)石率要大于90%，泌水率為 3 % 9 %的一種深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合物。本發(fā)明的另一目的是提供組合物的制備方法。為了實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣解決的一種超深凍結(jié)孔置換用緩 凝水泥漿組合物，該組合物由硅酸鹽水泥、緩凝減水劑、穩(wěn)定劑，水組成，本發(fā)明的特殊之處 在于按質(zhì)量比由水水泥=1份0. 7份 1份1. 5份制備成緩凝硅酸鹽水泥漿，其中 添加的緩凝減水劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的0. 1份 0. 3份，添加的穩(wěn)定劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的0份 10份，所述穩(wěn)定劑為膨潤土。所述的緩凝減水劑為JS-I型緩凝劑，所述的JS-I型緩凝劑由羥基羧酸及其無機(jī) 鹽類組成，所述的羥基羧酸為檸檬酸或酒石酸的一種，或兩種同時添加，所述的無機(jī)鹽類為 硫酸鹽、硼酸鹽的一種，或兩種同時添加，按質(zhì)量比其中羥基羧酸占50份 70份，無機(jī)鹽類占30份 50份。一種緩凝水泥漿組合物的制備方法，按下述步驟進(jìn)行(1)、制作攪拌箱，安裝電動攪拌器；(2)、按比例稱取水的重量，將水倒入攪拌箱內(nèi)；(3)、按比例稱取緩凝劑的重量，倒入攪拌箱內(nèi)，攪拌3分鐘 5分鐘；(4)、按比例稱取膨潤土的重量，倒入攪拌箱內(nèi)，繼續(xù)攪拌6分鐘 10分鐘；(5)、按比例稱取水泥的重量，倒入攪拌箱內(nèi)，繼續(xù)攪拌10分鐘 20分鐘。本發(fā)明具有以下特點漿液穩(wěn)定，初凝時間> 20小時，水泥漿結(jié)石體觀天抗壓 強(qiáng)度達(dá)到地下水壓力的2倍以上，有良好的和易性與可泵性，結(jié)石率要大于90%泌水率為 3% 9%。具有緩凝時間長、可置換性好、結(jié)石體強(qiáng)度高的綜合優(yōu)點，廣泛用于煤礦，石油等 行業(yè)。


圖1為本發(fā)明井筒主視剖面結(jié)構(gòu)示意圖圖2為不同摻量JS-I型緩凝劑各配比初凝時間曲線圖；圖3為摻JS-I型緩凝劑0. 1 %時各配比漿體的泌水率曲線圖；圖4為摻JS-I型緩凝劑0. 2%時各配比漿體的泌水率曲線圖；圖5為不摻JS-I型緩凝劑時各配比漿體的泌水率曲線圖；圖6為不同JS-I摻量情況下各配比漿體的初凝時間曲線圖；圖7為不同水灰比各齡期的抗壓強(qiáng)度曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說明實施例1一種超深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合物，該組合物由硅酸鹽水泥、緩凝減水劑、 穩(wěn)定劑，水組成，該組合物由硅酸鹽水泥、緩凝減水劑、穩(wěn)定劑，水組成，按質(zhì)量比由水水 泥=1份0. 7份 1份1. 5份制備成緩凝硅酸鹽水泥漿，其中添加的緩凝減水劑應(yīng)占 水泥質(zhì)量的0. 1份 0. 3份，添加的穩(wěn)定劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的0份 10份，所述穩(wěn)定劑為膨 潤土。所述的緩凝減水劑為JS-I型緩凝劑，所述的JS-I型緩凝劑由羥基羧酸及其無機(jī) 鹽類組成，所述的羥基羧酸為檸檬酸或酒石酸的一種，或兩種同時添加，所述的無機(jī)鹽類為 硫酸鹽、硼酸鹽的一種，或兩種同時添加，按質(zhì)量比其中羥基羧酸占50份 70份，無機(jī)鹽類 占30份 50份。一種緩凝水泥漿組合物的制備方法，按下述步驟進(jìn)行(1)、制作攪拌箱，安裝電動攪拌器；(2)、按比例稱取水的重量，將水倒入攪拌箱內(nèi)；(3)、按比例稱取緩凝劑的重量，倒入攪拌箱內(nèi)，攪拌3分鐘 5分鐘；(4)、按比例稱取膨潤土的重量，倒入攪拌箱內(nèi)，繼續(xù)攪拌6分鐘 10分鐘；(5)、按比例稱取水泥的重量，倒入攪拌箱內(nèi)，繼續(xù)攪拌10分鐘 20分鐘。
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實施例2一種超深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合物，按質(zhì)量比由水水泥=1份0.8 份 1份1.4份制備成緩凝硅酸鹽水泥漿，其中添加的緩凝減水劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的0.2 份 0. 25份，添加的穩(wěn)定劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的2份 8份，制備方法同實施例1。實施例3一種超深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合物，按質(zhì)量比由水水泥=1份1. 5份 制備成緩凝硅酸鹽水泥漿，其中添加的緩凝減水劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的0. 3份，添加的穩(wěn)定劑 應(yīng)占水泥質(zhì)量的10份，所述穩(wěn)定劑為膨潤土，制備方法同實施例1。實施例4—種超深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合物，該組合物由硅酸鹽水泥、緩凝減水劑、 穩(wěn)定劑，水組成，該組合物由硅酸鹽水泥、緩凝減水劑、穩(wěn)定劑，水組成，按質(zhì)量比由水水 泥=0. 7份1份制備成緩凝硅酸鹽水泥漿，其中添加的緩凝減水劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的0. 2 份，添加的穩(wěn)定劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的8份，所述穩(wěn)定劑為膨潤土，制備方法同實施例1。實施例5一種超深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合物，該組合物由硅酸鹽水泥、緩凝減水劑、 穩(wěn)定劑，水組成，該組合物由硅酸鹽水泥、緩凝減水劑、穩(wěn)定劑，水組成，按質(zhì)量比由水水 泥=0.9份1.1份制備成緩凝硅酸鹽水泥漿，其中添加的緩凝減水劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的 0. 25份，添加的穩(wěn)定劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的7份，所述穩(wěn)定劑為膨潤土，制備方法同實施例1。參照圖1所示為本發(fā)明井筒主視剖面結(jié)構(gòu)示意圖，在井筒圓周上至少布置外圈凍 結(jié)鉆孔1和內(nèi)圈凍結(jié)鉆孔2，所述外圈凍結(jié)鉆孔1的下部已被置換成緩凝硅酸鹽水泥漿，上 部還剩余有粘土 4，內(nèi)圈凍結(jié)鉆孔2已全部被置換成緩凝硅酸鹽水泥漿。圖2為不同摻量JS-I型緩凝劑各配比初凝時間曲線圖；(1)、與HN-I緩凝劑比較，JS-I型高效緩凝劑的摻入可在保證漿液穩(wěn)定性良好的 前提下大幅度的延緩其凝結(jié)時間。O)、當(dāng)緩凝劑摻量為水泥重量的0. 2%時，對于不同水灰比漿體的凝結(jié)時間可延 緩至35-40小時。當(dāng)摻量為水泥重量的0. 時，對于不同水灰比漿體的凝結(jié)時間可延緩至 16-24小時。(3)、同時可以看出，JS-I型高效緩凝劑的摻入提高了漿液的流動性，他可插入程 度與HN-I緩凝劑比較有明顯提高，大大有利于凍結(jié)管的沉降。圖3、圖4為摻JS-I型緩凝劑0. 1份和0. 2份時各配比漿體的泌水率曲線圖；摻 入JS-I型緩凝劑后，水泥漿液的初始流動性提高到30 32. 5cm ；漿液他泌水率一般不大 于10% Jh結(jié)石率達(dá)到90%以上，從實驗結(jié)果可以看出，JS-I型緩凝劑不但能較大幅度的 延緩漿體的初凝時間，同時也具有較大減水作用，提高漿體的初始流動性，漿液的初凝時間 也隨水灰比的減小而加快，當(dāng)JS-I摻量為0. 1時，一般在14 M小時之間。當(dāng)JS-I摻量 為0. 2時，初凝時間可達(dá)35 41小時之間。圖5為不摻緩凝劑時水泥漿液性能試驗結(jié)果可以看出，漿液的初始流動性23 24. 5cm ；漿液6h泌水率一般小于5%，6h結(jié)石率達(dá)到95%以上。圖6為不同JS-I摻量情況下各配比漿體的初凝時間曲線圖，漿液的初凝時間也隨 水灰比的減小而加快，當(dāng)JS-I摻量為0. 1時，一般在14 M小時之間。當(dāng)JS-I摻量為0. 2時，初凝時間可達(dá)35 41小時之間。圖7為不同水灰比各齡期的抗壓強(qiáng)度曲線圖，圖7給出的抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果來看， 漿體的各齡期強(qiáng)度總體上實隨著水灰比的減小而提高，當(dāng)水灰比從1 0.8減小到1 1.4 時，其抗壓強(qiáng)度可從5. OOMPa提高到12. OOMPa0原材料的技術(shù)要求一、緩凝水泥漿的技術(shù)要求1.漿液穩(wěn)定性在工地下放凍結(jié)管的要求時間內(nèi)，漿液在孔內(nèi)沉淀少而不離析， 一般充填材料結(jié)石率要大于95 %，沉淀厚度也能達(dá)到設(shè)計要求。2.凝固時間根據(jù)井筒凍結(jié)深度確定每根凍結(jié)管從置換鉆孔內(nèi)粘土漿一提鉆一 下放凍結(jié)管一焊接一打壓試漏整個過程施工約需的時間，再確定緩凝水泥漿的初凝時間。 設(shè)計的緩凝水泥漿初凝時間，一定要滿足下放凍結(jié)管最長時間的要求，初凝時間20小時或 30小時以上。3.固結(jié)體強(qiáng)度水泥漿結(jié)石體28天抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到地下水壓力的2倍以上。4.緩凝劑(緩凝減水劑)緩凝減水劑為JS-I型緩凝劑，由羥基羧酸(檸檬酸、酒石酸)及無機(jī)鹽類(硫酸 鹽、硼酸鹽等)成分組成，按質(zhì)量比其中羥基羧酸及其鹽類占50份 70份，無機(jī)鹽類占30 份 50份。通過無機(jī)與有機(jī)緩凝劑的復(fù)合可以得到適合工程的緩凝劑。主要技術(shù)性能外觀白色粉末；細(xì)度0. 315mm篩上篩余量彡15% ；PH值9士 1 ； 減水率10 15%，抗壓強(qiáng)度比R3 ^ 120%, R7 ^ 115%, R28 ^ 110% ；緩凝在常溫下?lián)?JS-I型緩凝劑，比不摻者延長水泥凝結(jié)時間15 30小時，增塑水泥漿體的流動性可增大 約10cm，有良好的和易性與可泵性；降低溫升摻本劑的混凝土內(nèi)部溫升比不摻者的低5 7°C，溫峰推遲15-20小時左右。該劑具有超緩凝、早強(qiáng)、降低溫升、推遲熱峰、提高結(jié)石體抗 滲性的綜合效益。適用于特殊工程超緩凝水泥漿液的配制，也適用于夏季炎熱氣候條件下 的砼施工。5.漿液穩(wěn)定劑工業(yè)用膨潤土。6.漿液穩(wěn)定性初步優(yōu)化試驗要使緩凝水泥漿滿足漿液穩(wěn)定性要求，必須加入適量的漿液穩(wěn)定劑。為確保實驗 結(jié)果的合理性，分別按照表1中配比添加緩凝劑、穩(wěn)定劑，并按相應(yīng)水灰比制作緩凝水泥漿 液8組，對每組漿液泌水率、結(jié)石率及流動性進(jìn)行了測試。加入穩(wěn)定劑后漿液各性能測試結(jié) 果如表1所示。7、采用JS-I型高效緩凝劑配制的漿液凝結(jié)時間試驗根據(jù)漿液穩(wěn)定性和凝結(jié)時間的測定結(jié)果分析，可以看出，要使?jié){液穩(wěn)定必須根據(jù) 水灰比的變化摻加0-10%的膨潤土，凝結(jié)時間采用HN-I緩凝劑顯然不能達(dá)到30小時以上 的使用要求，配置的JS-I型高效緩凝劑。分別按照表1中配比添加緩凝劑、穩(wěn)定劑膨潤土， 并按相應(yīng)水灰比制作緩凝水泥漿液8組，對每組漿液泌水率、他可插入程度、初始流動性及 初凝時間進(jìn)行了測試。試驗結(jié)果如表1所示。表1摻JS-I緩凝水泥漿液凝結(jié)時間試驗
權(quán)利要求
1.一種超深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合物，該組合物由硅酸鹽水泥、緩凝減水劑、穩(wěn) 定劑，水組成，其特征在于按質(zhì)量比由水水泥=1份0.7份 1份1.5份制備成緩凝 硅酸鹽水泥漿，其中添加的緩凝減水劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的0. 1份 0. 3份，添加的穩(wěn)定劑應(yīng)占 水泥質(zhì)量的0份 10份，所述穩(wěn)定劑為膨潤土。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合物，其特征在于按質(zhì) 量比由水水泥=1份0. 8份 1份1. 4份制備成緩凝硅酸鹽水泥漿，其中添加的緩 凝減水劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的0. 2份 0. 25份，添加的穩(wěn)定劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的2份 8份。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合物，其特征在于所述 的緩凝減水劑為JS-I型緩凝劑，所述的JS-I型緩凝劑由羥基羧酸及其無機(jī)鹽類組成，所述 的羥基羧酸為檸檬酸或酒石酸的一種，或兩種同時添加，所述的無機(jī)鹽類為硫酸鹽、硼酸鹽 的一種，或兩種同時添加，按質(zhì)量比其中羥基羧酸占50份 70份，無機(jī)鹽類占30份 50 份。
4.一種權(quán)利要求1所述的緩凝水泥漿組合物的制備方法，按下述步驟進(jìn)行(1)、制作攪拌箱，安裝電動攪拌器；O)、按比例稱取水的重量，將水倒入攪拌箱內(nèi)；(3)、按比例稱取緩凝劑的重量，倒入攪拌箱內(nèi)，攪拌3分鐘 5分鐘；(4)、按比例稱取膨潤土的重量，倒入攪拌箱內(nèi)，繼續(xù)攪拌6分鐘 10分鐘；(5)、按比例稱取水泥的重量，倒入攪拌箱內(nèi)，繼續(xù)攪拌10分鐘 20分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超深凍結(jié)孔置換用緩凝水泥漿組合物及制備方法。該組合物由硅酸鹽水泥、緩凝劑、穩(wěn)定劑，水組成，按質(zhì)量比由水∶水泥＝1份∶0.7份～1份∶1.5份制備成緩凝硅酸鹽水泥漿，其中添加的緩凝劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的0.1份～0.3份，添加的穩(wěn)定劑應(yīng)占水泥質(zhì)量的0份～10份。上述的緩凝劑為JS-1型緩凝劑由羥基羧酸及其鹽類及無機(jī)鹽類組成，其中羥基羧酸及其鹽類占50份～70份，無機(jī)鹽類占30份～50份。制備方法為稱取水重量，將水倒入攪拌箱內(nèi)；稱取緩凝劑重量，攪拌；稱取膨潤土重量，繼續(xù)攪拌；稱取水泥的重量，繼續(xù)攪拌均勻即可。具有緩凝時間長、可置換性好、結(jié)石體強(qiáng)度高的綜合優(yōu)點。廣泛用于煤礦，石油等行業(yè)。
文檔編號C04B28/04GK102060487SQ20101055484
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者奚家米, 宋波, 王宗金, 陳新年 申請人:中煤特殊鑿井(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 西安科技大學(xué)