煤氣送風(fēng)孔管外空間封堵用水泥泥漿特

1、.煤氣送風(fēng)孔管外空間封堵用水泥泥漿特性的選配和研究.斯米爾諾夫， .彼特羅維切娃全蘇煤炭地下氣化科學(xué)研究所在現(xiàn)有的無豎（斜）井煤炭地下氣化方式下，地下氣化爐的準(zhǔn)備都是采用從地表向煤層鉆開一系列孔眼來實(shí)現(xiàn)?？籽郯惭b套管，以便固定孔壁并防止孔眼坍塌。在氣化過程中，這些孔眼用作送風(fēng)通道或排氣通道。為了防止氣體漏向地面或上伏裂隙巖層，以及為預(yù)防潛水流入，套管的管外空間采用固孔水泥灌漿，直到孔口。要完全密封，必需使水泥環(huán)處于與套管和孔壁的接觸區(qū)內(nèi)。為了確保這些要求， 通常要消耗大量固孔水泥和稀缺昂貴的套管， 它們在大多數(shù)情況下在地下氣化爐氣化之后就不再取出，所以不能重復(fù)使用。假如重復(fù)使用套管，則在相當(dāng)程

2、度上降低新管的消耗量，也就降低了煤氣生產(chǎn)的成本。進(jìn)行的試驗(yàn)工作表明，取出套管，甚至部分被水泥卡住的套管，具有很大的難度，并且要求相當(dāng)大的功率以破壞水泥環(huán)與套管的結(jié)合力。因此選配這樣一種固孔材料的必要性就出現(xiàn)了，這種材料應(yīng)該能保證孔眼密封并且同時(shí)具有不大的強(qiáng)度， 以確保能夠?qū)⑻坠軓膹U棄孔中以最小的力取出。為了找到更合理的和更便宜的有助于解決上述課題的固孔液， 全蘇煤炭地下氣化科學(xué)研究所 11 實(shí)驗(yàn)室于 1956 年進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室作業(yè)，旨在確定利西昌斯克和莫斯科郊外當(dāng)?shù)卣惩恋馁|(zhì)量，并研究由固孔水泥和泥漿配制而成的水泥泥漿混合物的物理機(jī)械特性。對固孔溶液提出的要求考慮到將來從這些孔眼取出套管，煤炭地下

3、氣化條件下孔眼管外空間灌注水泥用的固孔液，應(yīng)該具有下列特性：1）凝結(jié)和凝固的能力，能夠以不長的時(shí)間從當(dāng)前混合狀態(tài)過渡到固體狀態(tài)；2）流動(dòng)性，能夠保證用泵自由地注入溶液；3）同質(zhì)性，沒有分層能力；4）熱強(qiáng)度，即：約400500 度溫度下保留機(jī)械性能；5）密封能力，保證管外空間不透氣。這些溶液的配制工藝應(yīng)該簡單和便于就地取材在生產(chǎn)條件下實(shí)施。為了找到配方并測定水泥泥漿的特性，進(jìn)行了旨在配制粘土與400 標(biāo)號(hào)固孔水泥混合物的一系列試驗(yàn)，粘土取自利西昌斯克和莫斯科郊外地下氣化站粘土采礦場。106/7.實(shí)驗(yàn)室研究包括：（ 1）測定被研究粘土的質(zhì)量； （ 2）選配水泥粘土溶液的成分；（ 3）驗(yàn)證水泥粘土溶

4、液的主要特性。用于配制水泥泥漿（水泥、粘土）的材料預(yù)先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了研究。固孔水泥按照部門標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)分析。為了確定可使用的粘土的質(zhì)量， 提取的試樣與水混合直至得到同質(zhì)的糊狀物。 完成后按照野外標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì) 5（-5 ）測量了粘度。為了比較用各種粘土配制而成的泥漿的參數(shù)，將其粘度換算成 1920 秒。在獲得粘度19 20 秒的溶液時(shí)，按照野外標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)5 測定了泥漿的個(gè)別參數(shù)：1）單位重量； 2）30 分鐘的濾失量，立方厘米；3）濾泥厚度，毫米；4）晝夜沉淀物， %；5）含砂量， %。上述泥漿參數(shù)的分析使得可以確定利用某些粘土用來配制水泥泥漿的可能性。為了驗(yàn)證水泥泥漿， 每批次泥漿都與按照水水泥

5、因子0.5 預(yù)先混合成水泥漿的水泥混合。得到的混合物再仔細(xì)地?cái)嚢?，此后測定各種比例的水泥泥漿的下列主要參數(shù)：1）流動(dòng)性；2）單位重量： 3）凝結(jié)開始時(shí)間；4）凝結(jié)結(jié)束時(shí)間：5）抗破裂強(qiáng)度；6）抗壓縮強(qiáng)度。對混合物與許多利西昌斯克露天采礦場（伊薩耶夫山溝露天采礦場，15 地下氣化爐地區(qū)露天采礦場，等等）的粘土，以及一個(gè)土拉露天采礦場的粘土一起進(jìn)行了研究。然而，最適于在利西昌斯克配制水泥泥漿的合格粘土是取自市公用事業(yè)局磚廠露天采礦場的粘土和 3地下氣化爐地區(qū)露天采礦場的粘土，以及莫斯科郊外地下氣化站露天采礦場的粘土。各種混合物按照這些露天采礦場進(jìn)行研究的結(jié)果，見表1。市公用事業(yè)局磚廠露天采礦場的

6、3 地下氣化爐地區(qū)露天采礦場的 2 地下氣化爐地區(qū)露天采礦場的表 1（ 8地下氣化站）I利西昌斯克露天采礦場粘土水泥比重克凝結(jié)開始凝結(jié)結(jié)束初始?jí)嚎s后流動(dòng)性始時(shí)間強(qiáng)度強(qiáng)度粘土比例/cm 3cm時(shí)間時(shí) -分時(shí) -分kg/cm 2kg/cm 2水泥1.8612.55-003-4013.1111.51:11.80153-506-407.338.2液態(tài)易1:21.77153-455-405.922.0流動(dòng)的1:31.76154-008-005.016.0混合物1:41.73154-0012-004.312.7水泥1.84164-405-1014.386.01:11.83164-107-258.744.6

7、液態(tài)易1:21.80153-2010-006.121.0流動(dòng)的1:31.76163-0015-005.115.9漿狀物1:41.72193-0018-404.69.5II 土拉露天采礦場粘土水泥1.88184-553-25-120輕質(zhì)流1:11.78183-504-00-26動(dòng)性液1:21.76182-403-25-18態(tài)溶液1:31.74172-154-30-8107/7.1:51.72172-104-15-41:101.70172-356-45-2對水泥泥漿的其它物理機(jī)械特性的進(jìn)一步研究，僅僅與3地下氣化爐地區(qū)露天采礦場粘土一起進(jìn)行， 同時(shí)考慮到該粘土位于在鉆孔的所在地區(qū)，并且與莫斯科郊外

8、露天采礦場粘土在一起。從上述粘土的得到的水泥泥漿，就其流動(dòng)性、同質(zhì)性、混合物凝結(jié)開始到結(jié)束的時(shí)間都完全符合對固孔溶液提出的要求。水泥泥漿成份的選配為了得到符合前面所述要求的水泥泥漿，必需選配最佳的水泥與粘土比例。為此目的，進(jìn)行了成份選配的實(shí)驗(yàn)室作業(yè)，此作業(yè)在于配制出1： 1 到 1：10 范圍內(nèi)具有各種水泥與粘土比例的水泥泥漿系列。為了配制出這種溶液，其組成部分按照下列次序進(jìn)行了仔細(xì)攪拌：開始準(zhǔn)備好泥漿。為了配制泥漿，取一定數(shù)量的空氣干燥粘土均勻試樣，并按照10.4（用 1 千克粘土 400 立方厘米水）的比例浸泡1 小時(shí)。溶解開的粘土用2.5 篩子篩過，同時(shí)添加必要數(shù)量的水，直至得到符合阿塞

9、拜疆比雪夫石油研究所（）錐體的流動(dòng)性1020 厘米的泥漿。測定配制成的每份溶液的流動(dòng)性、溶液的單位重量、粘土調(diào)和所需要的水量。在混合之前，將固孔水泥調(diào)和成水泥漿，其水水泥因子為0.5。進(jìn)行上述溶液混合直至得到完全同質(zhì)的混合物。按照下列組份比例（見表2）配制水泥泥漿：表 2水泥：粘土的比例水泥，（千克）粘土，（千克）1:11.501.501:21.002.001:30.752.251:40.602.401:50.502.501:100.2720.728按照水泥泥漿的每個(gè)成份測定：a）單位重量，按照石油工業(yè)采用的方法使用-1 比重計(jì)；b）流動(dòng)性，利用阿塞拜疆比雪夫石油研究所（）錐體；c）凝結(jié)用時(shí)間

10、，利用維卡針；進(jìn)行的試驗(yàn)表明， 對水泥粘土質(zhì)混合物凝結(jié)時(shí)間產(chǎn)生影響的（在相同的所用水泥標(biāo)號(hào)下）是所添加粘土的數(shù)量和質(zhì)量。從表 3 中可以看出，用利西昌斯克礦床粘土配制而成的水泥粘土混合物凝結(jié)開始要快于108/7.純水泥，同時(shí)觀察到，具有最大粘土含量的混合物凝結(jié)用時(shí)最少。粘土含量較大的混合物，凝結(jié)結(jié)束時(shí)間就增大。表 3水泥 /粘土單位重量，克 /流動(dòng)性，凝結(jié)開始凝結(jié)結(jié)束凝結(jié)時(shí)間比例立方厘米厘米時(shí)分時(shí)分時(shí)分利西昌斯克粘土水泥1.88187-304-1511-451:11.80164-406-2011-001:21.76174-008-3012-301:31.7017.53-0010-0013-00

11、莫斯科郊外粘土水泥1.88194-553-258-201:11.78183-504-007-501:21.76172-404-257-051:31.74172-154-306-451:51.72172-104-156-251:101.70172-356-459-20含有莫斯科郊外粘土的水泥粘土混合物凝結(jié)開始和結(jié)束都要快于水泥含量較小的。d）水的數(shù)量。為了測定粘土和水泥調(diào)和時(shí)所需水的數(shù)量，考慮到了配制泥漿和將水泥調(diào)和成水泥漿所需水的數(shù)量，以及獲得要求的水泥泥漿稠度所需添加水的數(shù)量。e）水的數(shù)量。為了測定粘土和水泥調(diào)和時(shí)所需水的數(shù)量，考慮到了配制泥漿和將水泥調(diào)和成水泥漿所需水的數(shù)量，以及獲得要求的

12、水泥泥漿稠度所需添加水的數(shù)量。測量了所列參數(shù)之后，剩下的水泥泥漿倒入模型，呈8 字形狀用于測定破裂強(qiáng)度，倒入立方形的可拆卸壓縮模型，另一部分倒入剪切模型。澆鑄后的第一個(gè)晝夜，樣品存放在玻璃上面的模型中，放置于封閉柜子內(nèi)，那里敞口容器中盛有水（用于濕潤空氣） 。樣品制成后過24 小時(shí)，呈 8 字形狀和立方形的樣品脫開模型，放置到水槽中，并且在那里存放到試驗(yàn)時(shí)刻。注入斷面模型的樣品，混合后經(jīng)過24 小時(shí)與模型一起放置到帶水的容器中，并且一直保存到試驗(yàn)時(shí)刻。破裂試驗(yàn)存放在水槽中的試樣，在混合后7 個(gè)晝夜期滿后，從水中取出進(jìn)行試驗(yàn)。破裂試驗(yàn)在雙桿破裂機(jī)上進(jìn)行。為了得到試驗(yàn)結(jié)果的平均值，做了2 3 個(gè)平

13、行試樣。剩下的試樣在水槽中靜置 7 晝夜后，放入馬弗爐，鍛燒后測定耐熱性和溫度強(qiáng)度。試樣加熱到100 度、 200 度、 300度和 400 度。試驗(yàn)加熱時(shí)間持續(xù)2 3 個(gè)小時(shí)，此后將試樣冷卻到室溫，并進(jìn)行破裂強(qiáng)度測定。表 4 和圖 1 曲線中列出了利西昌斯克礦床粘土配制而成的試樣在破裂試驗(yàn)時(shí)得到的平均數(shù)據(jù)。研究這些結(jié)果可以做出以下結(jié)論：109/7.水泥粘土質(zhì)試樣加熱后的強(qiáng)度在很窄的范圍內(nèi)波動(dòng)。在0100 度區(qū)間內(nèi)，加熱時(shí)試樣的強(qiáng)度少許上升，在100 300 度區(qū)間內(nèi)，從圖1 可以觀察到試樣強(qiáng)度下降不大。表 4不加熱，千克 /加熱時(shí)水泥：粘土100 度，千克 /200 度，千克 /300 度，

14、千克 /400 度，千克 /的比例平方厘米平方厘米平方厘米平方厘米平方厘米水泥13.015.0-12.713.51 16.56.86.66.46.51 25.86.05.45.05.21 34.54.94.33.84.2圖 1在 300 400 度區(qū)間內(nèi)，試樣逐漸強(qiáng)化的明顯趨勢壓縮試驗(yàn)采用相同的利西昌斯克和莫斯科郊外礦床粘土按照各種比例配制而成的試樣進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)。試樣在水槽中存放了7 個(gè)晝夜，此后將它們放在壓床上進(jìn)行試驗(yàn)。計(jì)算采用2 3 個(gè)試樣取得的平均數(shù)據(jù)。剩下的試樣放在馬弗爐上加熱到100、200、300、400、500 和 600 度溫度。冷卻到室溫之后，對其進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)。表5 中列

15、出了試樣壓縮試驗(yàn)時(shí)取得的平均數(shù)據(jù)。采用莫斯科郊外礦床粘土配制而成的水泥粘土混合物，具有的特征是： 當(dāng)溫度從 0 度上升到 600 度時(shí)，均勻增大抗壓縮力。同時(shí)，在500 600 度區(qū)間內(nèi)，可以觀察到壓縮指標(biāo)穩(wěn)定。采用利西昌斯克粘土配制而成的水泥粘土混合物，在 0100 度區(qū)間內(nèi)具有上升的壓縮強(qiáng)度，在 100300 度溫度區(qū)間內(nèi)壓縮強(qiáng)度下降，而在300 400 度溫度區(qū)間內(nèi)強(qiáng)度重新升高。110/7.試樣的壓縮強(qiáng)度變化取決于溫度變化，這對于1 1 混合物表現(xiàn)最明顯。隨著添加粘土數(shù)量的增大，溫度變化時(shí)試樣壓縮強(qiáng)度的變化在更窄的范圍內(nèi)波動(dòng)。表 5水泥、不加熱千加熱時(shí)粘土比克 /平方100 度，千克 /

16、 200 度，千克 / 300 度，千克 / 400 度，千克 / 500 度，千克 / 600 度，千克 /例厘米平方厘米平方厘米平方厘米平方厘米平方厘米平方厘米利西昌斯克粘土1144.649.843.837.443.21225.429.027.827.031.81316.821.818.015.918.3莫斯科郊外粘土水泥1111251039610111311711273944465361661218253029414546138101315222527154811121616131 102587666剪切力試驗(yàn)為了測定抗剪切力，制作了二個(gè)專用模型。一個(gè)由幾段50 毫米拉桿和長5 厘米的

17、4 吋管子制成。第二個(gè)模型內(nèi)部不用內(nèi)部拉桿，而是規(guī)定采用金屬棒，它帶有磨成的特殊緣圓用于模擬套管上的管接頭。管間空間注入水泥泥漿從注入時(shí)刻起滿 24 個(gè)小時(shí)后， 將模型中的試樣沉入水下。 分別靜置 2 晝夜和 7 晝夜之后，試樣從水中取出， 并在水壓機(jī)上測定抗剪切力。 得到的結(jié)果顯示了試樣的整個(gè)接觸面積的抗剪切力。單位抗剪切力按照公式計(jì)算：P F/（h×h）得到的數(shù)據(jù)列表6。表 62 晝夜后的抗剪切力7 晝夜后的抗剪切力水泥：無緣圓帶緣圓粘土無緣圓帶不加熱400 度不加熱400 度比例總抗力，單位抗力，緣總抗力，單位抗力， 總抗力，單位抗力，總抗力，單位抗力，總抗力，單位抗力，kgk

18、g/cm 2圓kgkg/cm 2kgkg/cm 2kgkg/cm 2kgkg/cm 2水泥111.51.42-111.51.4260.50.77-1195.61.22-1263.60.81-38.20.4819.10.2479.61.01-1338.20.48-31.80.4015.90.2057.60.73-111/7.抗剪切力是實(shí)質(zhì)性參數(shù)看出，它決定了從廢棄孔中取出套管的可能性。分析表中反映出的單個(gè)測量參數(shù)，表明隨著加熱溫度增大到400 度，剪切力減小一半。然而，由條件所限旨在測定該參數(shù)的試驗(yàn)沒有充分實(shí)施，并且只是在0 度和 400 度進(jìn)行?？紤]到研究該參數(shù)的重要性，必需進(jìn)一步進(jìn)行更詳細(xì)的研究，以更揭示出水泥粘土質(zhì)試樣的剪切強(qiáng)度因溫度因素而變化的規(guī)律。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究的結(jié)果是可以做出下列結(jié)論：1. 水泥泥漿可以在生產(chǎn)條件下運(yùn)用于鉆孔管外空間注水泥，因?yàn)樗鼈儩M足在煤炭地下氣化條件下孔眼注水泥對