油頁巖原位注漿封閉漿液配方研究

王亞斐, 陳 晨, 朱 江, 朱 穎, 翟梁皓

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026; 2.油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130026; 3.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130026)

0 引言

油頁巖是一種含有豐富有機(jī)質(zhì)的沉積巖，低溫干餾可得到頁巖油，含油率大于3.5%，發(fā)熱量是煤的30%～50%。油頁巖主要由藻類等低等浮游生物經(jīng)腐蝕作用和煤化作用產(chǎn)生的。在經(jīng)過數(shù)百萬年沉積和地層壓力之后，有機(jī)質(zhì)和無機(jī)細(xì)粒礦物被降解成為油頁巖。全球油頁巖的資源主要分布在俄羅斯、美國、中國等國家[1-4]。

中國的油頁巖儲量位居世界第三位，主要產(chǎn)于第三系地層，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國的油頁巖資源大致為7199.4億t[5-6]。如果含油率按照6%對油頁巖資源進(jìn)行轉(zhuǎn)化，那么我國油頁巖資源將轉(zhuǎn)化為大概476.44億t的頁巖油，相當(dāng)于1.5倍的傳統(tǒng)石油資源[7-9]。

油頁巖的原位裂解是通過壓裂的方式，提供一個(gè)通道，這個(gè)通道可以運(yùn)移熱載體與通過裂解油頁巖而產(chǎn)生的頁巖氣。但無論是水力壓裂還是爆破，對裂縫的擴(kuò)散范圍與方向都難以準(zhǔn)確控制，這可能導(dǎo)致油頁巖層與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，造成了環(huán)境破壞和經(jīng)濟(jì)損失。

目前，對開采區(qū)進(jìn)行封閉的技術(shù)主要有冷凍墻技術(shù)和原位壓裂-氮?dú)庾⑷爰夹g(shù)。2006年，殼牌公司的電加熱原位開采技術(shù)(E-ICP)開始用于新一輪油頁巖的原位開采中[10]，其中冷凍墻技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)暫時(shí)改變圍巖的模式[11]。雖然可以調(diào)節(jié)制冷劑的溫度來獲得高質(zhì)量的凍結(jié)土[12]，但是由于密封失效、冷凍墻的不穩(wěn)定以及凍漲、解凍等現(xiàn)象，使得冷凍墻技術(shù)具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性[13]。油頁巖原位壓裂-氮?dú)庾⑷腴_采技術(shù)是在氮?dú)夂偷叵滤⒘藟毫ζ胶怆A段時(shí)，氮?dú)獾膲毫υ诹芽p中較高，從而將地下水推出油頁巖層[14]，從而保證了原位開采的無水條件。但是這種技術(shù)難度大，經(jīng)濟(jì)效益低，不適合油頁巖的大規(guī)模生產(chǎn)。

因此，探索一種經(jīng)濟(jì)可靠的原位裂解區(qū)封閉技術(shù)尤為重要。我國研發(fā)了許多高性能的注漿設(shè)備，有很大一部分在技術(shù)水平和施工效果方面達(dá)到了國際領(lǐng)先水平[15]。而且注漿施工工藝簡單、容易操作以及成本低，因此本文基于注漿技術(shù)，通過試驗(yàn)研究一種適于油頁巖的原位封閉技術(shù)。

1 油頁巖裂隙注漿漿液的配置及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

油頁巖原位裂解注漿封閉止水技術(shù)中，選擇一種合適配方的漿液極為重要，漿液不僅關(guān)系到注漿的施工設(shè)備，還影響到注漿效果的良好程度。而影響漿液性能的主要因素就是注漿材料，不同的材料有不同的作用，因此在施工前應(yīng)該選擇合理的注漿材料，以便更好的發(fā)揮注漿材料的作用。

1.1 注漿材料的選擇

分析資料得知，普通水泥的粒徑為50～80 μm，可注入最小裂隙的寬度是2 mm，而油頁巖原位裂解區(qū)的裂隙寬度一般是0.18～0.42 mm，所以普通的水泥不能適用于油頁巖開采注漿封閉工藝中。查閱資料得知，目前注入微裂隙效果最好的是超細(xì)水泥和化學(xué)漿液，但是化學(xué)漿液制備費(fèi)用較高，且大部分有毒，故不選用其作為注漿漿液。超細(xì)水泥實(shí)際上就是用振動(dòng)磨磨細(xì)的普通水泥磨細(xì)而成，它的漿液是一種微粒的水泥懸浮液，具有較高的穩(wěn)定性和滲透能力，并且能夠形成強(qiáng)度高，密度大的結(jié)石體。本次試驗(yàn)選用山東康晶新材料科技有限公司的K1340超細(xì)硅酸鹽水泥，該水泥密度為2.96 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量是36.6%，因?yàn)槌?xì)水泥在制作水泥漿時(shí)需水量較大，故還得選用水泥外加劑——減水劑，來減少水量，而且減水劑可以提升漿液的流動(dòng)性，便于注漿施工，本次試驗(yàn)選用的減水劑是陜西秦奮建材有限公司的聚羧酸系高效減水劑，減水率可達(dá)35%，其次為了保證施工的合理性，需要提高結(jié)石體的強(qiáng)度，故加入微硅粉提升水泥的抗壓強(qiáng)度，最后選用膨潤土作為分散劑，降低水泥漿液的析水率，保證漿液中的顆粒均勻分布。

1.2 漿液的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

因?yàn)椴煌浜媳鹊臐{液會表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，所以為了得到較優(yōu)良的漿液配方，需要對不同配合比的漿液通過試驗(yàn)對其性能進(jìn)行分析，根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果確定一種最優(yōu)的配方。

油頁巖原位裂解區(qū)注漿封閉主要考慮的因素是漿液的析水率和結(jié)石率兩個(gè)因素，故本次試驗(yàn)選擇使用正交試驗(yàn)來考慮漿液的析水率和結(jié)石率兩個(gè)問題，通過對不同配比的漿液進(jìn)行析水率和結(jié)石率的試驗(yàn)，考慮分析其最優(yōu)配比，然后用最優(yōu)配比做單因素即漿液的粘度，強(qiáng)度等試驗(yàn)，從而獲得整個(gè)漿液的全面性能。

根據(jù)注漿材料的選擇可知漿液的組成主要由超細(xì)水泥，微硅粉，聚羧酸減水劑，膨潤土以及自來水組成，通過查詢資料，分析確定各因素的水平為：水灰比為0.6、0.8、1.0；微硅粉摻量占漿液干混合料重的2%、4%、6%；膨潤土摻量占漿液干混合料重的2%、3%、4%；聚羧酸減水劑占拌和液重量的0.2%、0.4%、0.6%，根據(jù)正交試驗(yàn)劃分的不同試驗(yàn)組數(shù)可以得出不同配方的漿液某一性能指標(biāo)，分析比較得出漿液某一性能的最優(yōu)配方。試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案

1.3 配置漿液時(shí)各種成分的計(jì)算

在給定干混合料配比、拌和液值和水灰比的條件下，配置漿液的干混合料需要量按下式計(jì)算[16]：

(1)

式中：G——配置漿液時(shí)混合物的需要量，t；vp——需配置的漿液量，m3；ai——干混合料中某一成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρi——干混合料中某一成分的密度，t/m3；m——拌和液A與干混合料B的質(zhì)量比，m=A/B。

干混合料中漿液成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其密度的關(guān)系：

(2)

式中：a1、a2、…、an——干混合料中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρ1、ρ2、…、ρn——干混合料中各成分的密度，t/m3。

漿液中拌和液成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其密度的關(guān)系：

(3)

通過(1)式計(jì)算得出的干混合料的需要量G，計(jì)算以下各式，得出每一種成分的需要量：

干混合料的每種成分的需要量(t)：Gi=aiG

拌和液的需要量(t)：Ga=mG

漿液密度(t/m3)：ρp=(G+GX)/Vp

1.4 注漿漿液試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 析水率的測定及分析

漿液析水率是指在靜止?fàn)顟B(tài)下水泥漿液中的因水泥顆粒的沉淀作用導(dǎo)致水被析出的比率，其大小是表征漿液穩(wěn)定性的指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，水灰比為0.6和0.8的大部分漿液析水率較低，漿液較穩(wěn)定，分散性較為良好，水灰比為1.0的漿液析水率大，漿液穩(wěn)定性不好，故舍棄水灰比為1.0的配方。由極差可以看出影響析水率的因素由大到小分別是水灰比>膨潤土>減水劑>微硅粉。所以得出最優(yōu)配方是A1B3C3D2，即水灰比為0.6，微硅粉摻量為6%，膨潤土摻量為4%，聚羧酸減水劑為0.4%。但是在做試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)水灰比為0.6時(shí)漿液的粘稠性較大，故選用了第六組試驗(yàn)A2B3C1D2即水灰比為0.8，微硅粉摻量為6%，膨潤土摻量為2%，聚羧酸減水劑為0.4%作為其次配方，待測定2組的漏斗粘度后再選擇最合理的配方。分析結(jié)果可知，水灰比對漿液析水率的影響最大，為了驗(yàn)證外加劑是否對漿液的性能產(chǎn)生影響，又加做了3組對比試驗(yàn)，用0.6、0.8和1.0的水灰比，不添加任何外加劑，分析試驗(yàn)結(jié)果對析水率的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 不同配比正交試驗(yàn)漿液析水率測試結(jié)果

表3 純水泥漿液析水率測試結(jié)果

由純水泥漿試驗(yàn)結(jié)果和圖1可以看出，水灰比不是影響析水率的唯一因素，外加劑對析水率的影響是不可忽略的。故分析析水率隨各因素變化曲線圖可得：由圖2可看出，曲線較為平緩，說明微硅粉摻量對析水率影響不大；由圖3可看出膨潤土加量在一定的范圍內(nèi)(2%～3%)時(shí)，膨潤土加量越大，漿液的析水率也越大，但是膨潤土摻量超過3%時(shí)，析水率又降低，分析其主要原因是膨潤土有一定的分散作用，加量在一定范圍時(shí)，可以使?jié){液中的顆粒在漿液中均勻分散，從而減少沉淀，降低漿液的析水率；圖4可看出減水劑摻量增大，漿液析水率增大，分析其原因是，減水劑增多，拌和漿液需要的水量減小，但是實(shí)際摻入的水量還是正常水灰比要求的需水量，故實(shí)際的拌和漿液的水量大，漿液不飽和，有較多的水析出。

圖1 析水率隨水灰比因素變化曲線

圖2 析水率隨微硅粉因素變化曲線

圖3 析水率隨膨潤土因素變化曲線

圖4 析水率隨減水劑因素變化曲線

1.4.2 結(jié)石率的測定及分析

漿液的結(jié)石率是指漿液結(jié)石體的體積與漿液體積之比，其表達(dá)式如下：

β=V2/V1

(4)

式中：β——漿液結(jié)石率；V1——漿液體積,mL；V2——結(jié)石體體積,mL。

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，水灰比為0.6和0.8的大部分漿液結(jié)石率較高，水灰比為1.0的漿液結(jié)石率低，故也舍棄水灰比為1.0的配方。同析水率測定一樣，得出最優(yōu)配方是A1B3C3D2即水灰比為0.6，微硅粉摻量為6%，膨潤土摻量為4%，聚羧酸減水劑為0.4%。但在做試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)水灰比為0.6時(shí)漿液的粘稠性較大，故選用了第六組試驗(yàn)即水灰比為0.8，微硅粉摻量為6%，膨潤土摻量為2%，聚羧酸減水劑為0.4%作為其次配方。從圖5可以看出，隨著水灰比的增大，漿液結(jié)石率降低，主要原因是水灰比增大使?jié){液的析水率增大，從而使結(jié)石體的體積減小。從圖6、7可以看出，微硅粉和膨潤土摻量的增加使?jié){液的結(jié)石率都在90%以上，故二者的摻量對結(jié)石率的影響不大。從圖8可以看出，減水劑的摻量在一定的范圍內(nèi)(0.2%～0.4%)時(shí)，漿液結(jié)石率增大，但是超過0.4%時(shí)，漿液的結(jié)石率可能會下降，主要原因也是減水劑摻量的增大會使?jié){液的析水率增大，從而形成的結(jié)石體體積將會減小，導(dǎo)致結(jié)石率降低。

表4 不同配比正交試驗(yàn)漿液結(jié)石率測試結(jié)果

圖5 結(jié)石率隨水灰比因素變化曲線

圖6 結(jié)石率隨微硅粉因素變化曲線

圖7 結(jié)石率隨膨潤土因素變化曲線

圖8 結(jié)石率隨減水劑因素變化曲線

1.4.3 漏斗粘度的測定及分析

漏斗粘度是以流出一定體積漿液所經(jīng)歷的時(shí)間來衡量。經(jīng)歷的時(shí)間與漿液的塑性粘度、動(dòng)切力、儀器的結(jié)構(gòu)尺寸等因素有關(guān)。它粗略地反映漿液稠度的大小。測試結(jié)果見表5。

表5 漿液漏斗粘度測試結(jié)

通過對兩組配方(A1B3C3D2、A2B3C1D2)漏斗粘度的測定，發(fā)現(xiàn)第一組(A1B3C3D2)漿液配方(試驗(yàn)組數(shù)1)，粘度測試時(shí)，漿液以液滴的形式從漏斗下端流出，因此該配方粘度較大，不適用于灌漿施工作業(yè)。第二組(A2B3C1D2)漿液配方(試驗(yàn)組數(shù)2、3、4)粘度平均值為39.97 s，查閱資料發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)下，漿液粘度在使用蘇氏漏斗測試下粘度應(yīng)小于40 s，以25～35 s為好，故第二組(A2B3C1D2)配方基本適用。所以從實(shí)際施工出發(fā)，選擇最合適的配方是第二組A2B3C1D2即水灰比為0.8，微硅粉摻量為6%，膨潤土摻量為2%，聚羧酸減水劑為0.4%。

1.4.4 六速粘度的測量及分析

漏斗粘度不能反映漿液的表觀粘度，所以用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測得的表觀粘度(剪切速率為1020 s-1)才能更好地表征和比較漿液的性能特點(diǎn)。漿液按塑性流體計(jì)算(式5)其塑性粘度，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

(5)

分析資料發(fā)現(xiàn)漿液的塑性粘度一般應(yīng)小于40mPa·s，否則漿液濃度太大，到達(dá)不了指定位置，不易灌注施工，故這組配方即A2B3C1D2水灰比為0.8，微硅粉摻量為6%，膨潤土摻量為2%，聚羧酸減水劑為0.4%基本適合。

表6 漿液六速粘度測試結(jié)果

1.4.5 抗壓強(qiáng)度的測定及分析

分別測定3 d和7 d的抗壓強(qiáng)度，估算出28 d的抗壓強(qiáng)度(見表7)?？箟涵h(huán)境強(qiáng)度通過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測定，抗壓強(qiáng)度Rc以N/mm2(MPa)為單位，按下式進(jìn)行計(jì)算：

Rc=Fc/A

(6)

式中：Fc——破壞時(shí)的最大荷載，N；A——受壓部分面積 (40 mm×40 mm=1600 mm2)。

表7 抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果 MPa

由抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果得出，水泥漿配方A2B3C1D2的早期強(qiáng)度較大，完全符合工程所要求的實(shí)際抗壓強(qiáng)度要求，保證了施工的合理性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 結(jié)論

油頁巖原位裂解區(qū)開采時(shí)沒有一種造價(jià)低、效果好的地下封閉技術(shù)，造成了一定的環(huán)境污染以及資源浪費(fèi)，論文對此開展油頁巖地下開采封閉注漿技術(shù)研究，從漿液材料的選擇以及配方的優(yōu)選得出了以下重要結(jié)論。

(1)由于油頁巖開采區(qū)裂隙寬度較小，采用了K1340超細(xì)水泥作為漿液的主劑，又從超細(xì)水泥的性質(zhì)與實(shí)際工程的要求出發(fā)，確定了聚羧酸減水劑，微硅粉以及膨潤土作為外加劑。

(2)采用正交試驗(yàn)優(yōu)選配方，從漿液的析水率和結(jié)石率2個(gè)最重要的性質(zhì)出發(fā)，利用影響注漿效果的粘度因素，得到了合理的配方，即水灰比為0.8，微硅粉摻量為6%，膨潤土摻量為2%，聚羧酸減水劑為0.4%。

(3)上述漿液配方析水率為0.4%，結(jié)石率為101%，漿液的粘度與結(jié)石體的強(qiáng)度均符合工程要求。