硅酸盐-硫铝酸盐复合浆液灌注性能与水化协同效应研究

摘要

钻孔漏失作为地质钻探工程中最普遍、也最难解决的技术难题之一，严重制约着地质勘探的进展。水泥作为一种传统的灌浆固结材料，广泛应用于地质勘探钻孔灌注堵漏，具有使用方便、利于灌注、性能可调、耐久稳定和经济环保等优点。因此，开展满足复杂地层钻孔堵漏要求的新型水泥基灌注材料研究，对解决复杂地层钻孔堵漏技术难题提供了理论基础与科学依据，为推动地质钻探技术的发展具有重要的研究价值与现实意义。硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥是两种常用于地质勘探钻孔堵漏的无机胶凝材料。但硅酸盐水泥因其稳定性差，凝结时间长，早期强度低，且易被孔内地下水稀释，堵漏效果往往不够理想。硫铝酸盐水泥具有快硬、早强、抗冻和抗渗性能好等优点，然而由于其凝结速度过快，粘度时变特性无法得到良好调控，因而往往也无法达到理想的灌注堵漏效果，并且也存在价格偏贵的问题。为了克服和改善无机胶凝材料在灌注堵漏方面的弱点，国内外专家学者对此进行了大量的探索和研究。复合化是改善水泥灌注性能的有效途径。研究表明，硅酸盐-硫铝酸盐复合浆液具有独特的水化协同效应，表现出了水化凝结速度快、直角稠化、初终凝时间间隔极短等优良的水化凝结特性。因此，开展对硅酸盐-硫铝酸盐复合浆液灌注性能和水化协同效应的研究，可望为解决松散破碎、陡倾宽大裂缝等复杂地层钻孔堵漏技术难题提供全新的思路。
　　本文首先分别对硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的灌注性能进行了测试分析，并且采用合适的外加剂分别对其进行改性研究，为复合水泥浆液的研究做好了技术准备。论文重点研究了不同配合比的硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥浆液的灌注性能，进而通过正交试验确定了灌注性能满足钻孔堵漏要求的硅酸盐-硫铝酸盐复合浆液优化配方。为了进一步探索硅酸盐-硫铝酸盐复合浆液独特的水化协同效应，论文通过采用数字式水泥水化热测量系统测试分析了复合水泥体系的水化放热速率从而间接反映了水泥的水化过程，揭示了复合水泥体系不同于单一体系水泥的水化过程，并且结合扫描电子显微镜以及X射线衍射仪等先进试验仪器，研究了复合水泥体系的微观组构特征，进一步对复合水泥体系的水化硬化机理进行了探究。最后结合阳山矿区典型复杂漏失地层，将研制的硅酸盐-硫铝酸盐复合浆液优化配方用于现场钻孔堵漏，并且取得了初步的应用效果，为其在钻探堵漏的进一步应用积累了宝贵的实践经验。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水泥堵漏研究现状

1．2．2 水泥水化机理研究现状

1．2．3 复合水泥体系研究现状

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 特色与创新点

第2章 硅酸盐-硫铝酸盐复合浆液原材料性能研究

2．1 水泥原材料及化学组成分析

2．1．1 硅酸盐水泥原料组成分析

2．1．2 硫铝酸盐水泥原料组成分析

2．2 水泥的灌注性能测试

2．2．1 水泥的主要灌注性能

2．2．2 硅酸盐水泥灌注性能测试

2．2．3 硫铝酸盐水泥灌注性能测试

2．3 水泥的改性研究

2．3．1 硅酸盐水泥的改性研究

2．3．2 硫铝酸盐水泥的改性研究

2．4 本章小结

第3章 硅酸盐-硫铝酸盐复合浆液性能研究

3．1 引言

3．2 复合体系浆液的灌注性能测试

3．2．1 浆液的稳定性

3．2．2 浆液的可灌性

3．2．3 浆液的粘度时变性

3．2．4 浆液的凝结时间

3．2．5 浆液硬化体的强度

3．3 复合体系浆液优化设计

3．3．1 钻探堵漏对水泥的性能要求

3．3．2 复合体系浆液改性研究

3．3．3 正交试验设计

3．3．4 正交试验结果分析

3．4 本章小结

第4章 硅酸盐-硫铝酸盐复合浆液水化协同效应研究

4．1 引言

4．2 水泥水化放热行为研究

4．2．1 水化热测试仪器

4．2．2 水化热测试方法及步骤

4．2．3 水化热测试结果分析

4．3 水泥结石体微观特性分析

4．3．1 水泥结石体XRD测试

4．3．2 水泥结石体SEM测试

4．4 水泥水化硬化机理探讨

4．4．1 硅酸盐水泥水化硬化机理

4．4．2 硫铝酸盐水泥水化硬化机理

4．4．3 复合体系水泥水化硬化机理

4．5 本章小结

第5章 硅酸盐-硫铝酸盐复合浆液应用研究

5．1 工程概况

5．1．1 工程地质特征

5．1．2 钻探施工技术

5．1．3 主要技术难题

5．2 灌注堵漏方案

5．2．1 施工工艺

5．2．2 现场灌注与质量控制

5．3 应用效果评价

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果