用于废弃油气管道的填充材料及其制备方法、注浆工艺与流程

1.本发明涉及石油化工领域，特别涉及一种用于废弃油气管道的填充材料及其制备方法、注浆工艺。


背景技术：

2.当油气管道服役年限达到上限，或者继续输送油气的效益远低于输送成本且管道没有其他潜在用途时，需要对油气管道进行报废处理。注浆是废弃油气长输管道处置的重要技术之一，注浆后的废弃油气管道一般用于穿越公路、铁路、水体及建筑物占压的地段，起到加固并防止塌陷的作用。
3.目前，用于注浆使用的管道填充材料包括：化学浆液和水泥类浆液两大类：化学类浆液具有稳定性好、可注性强、粘度低、凝胶时间易控等优点，但强度较低、耐久性较差、价格较贵，甚至会对周围环境产生污染，因而注浆加固工程较少采用。水泥类浆液则具有原料来源丰富、价格低、固化强度高等优点，但存在凝胶时间较长且不易准确控制、析水率高、稳定性差及强度增长速度慢等缺点，因而很多应用场合需要采用改性水泥浆液，如采用各种化学添加剂(缓凝剂、膨胀剂、发泡剂、碱水剂等)来改善水泥类浆液的特性，提高稳定性、可注性等。
4.油气管道因为距离长，管径大，注浆需要的介质容量也比较大，填充材料的成本较高，利用目前使用的化学浆液和水泥浆液，均具有较高的成本。


技术实现要素：

5.鉴于此，本发明提供一种用于废弃油气管道的填充材料及其制备方法、注浆工艺，能够解决上述技术问题。
6.具体而言，包括以下的技术方案：
7.一方面，本发明实施例提供了一种用于废弃油气管道的填充材料，所述填充材料包括以下重量份的组分：粉土80-100份、水泥5-15份、水120-150份、缓凝剂0.1-0.5份、膨胀剂5-15份。
8.在一些可能的实现方式中，所述粉土为风成粉土。
9.在一些可能的实现方式中，所述水泥为硅酸盐水泥。
10.在一些可能的实现方式中，所述硅酸盐水泥的强度等级为42.5。
11.在一些可能的实现方式中，所述缓凝剂为柠檬酸钠、葡萄糖酸钠、糊精中的至少一种。
12.在一些可能的实现方式中，所述膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂或者氧化钙类膨胀剂。
13.在一些可能的实现方式中，所述膨胀剂为uea膨胀剂。
14.另一方面，本发明实施例提供的上述任一种用于废弃油气管道的填充材料的制备方法，所述制备方法包括：按照填充材料中各组分的重量分数，将粉土、水泥、缓凝剂、膨胀
剂置于水中，搅拌均匀，得到所述用于废弃油气管道的填充材料。
15.再一方面，本发明实施例提供了一种注浆工艺，所述注浆工艺使用上述任一种用于废弃油气管道的填充材料。
16.在一些可能的实现方式中，所述注浆工艺为真空辅助压力注浆。
17.本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
18.本发明实施例提供的填充材料，仅使用了很低重量份数的水泥，大量使用了粉土，具有更好的环境友好性，并且，成本更低。该填充材料具备流动性高、初凝时间长等优点，能够实现长距离注浆需求，特别适应于长距离油气管道。该填充材料在固化后，具有良好的强度和结实率，能够实现永久固化，达到良好的稳定性。
具体实施方式
19.为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
20.本发明实施例提供了一种用于废弃油气管道的填充材料，该填充材料包括以下重量份的组分：粉土80-100份、水泥5-15份、水120-150份、缓凝剂0.1-0.5份、膨胀剂5-15份。
21.举例来说，粉土的重量份数包括但不限于：80份、85份、90份、95份、100份等。
22.水泥的重量份数包括但不限于：5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份等。
23.缓凝剂的重量份数包括但不限于：0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份等。
24.膨胀剂的重量份数包括但不限于：5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份等。
25.水的重量份数包括但不限于：120份、125份、130份、135份、140份、145份、150份等。
26.在一些可能的实现方式中，本发明实施例提供了这样一种用于废弃油气管道的填充材料，该填充材料包括以下重量份的组分：粉土90份、水泥10份、水140份、缓凝剂0.25份、膨胀剂10份。
27.本发明实施例提供的填充材料，仅使用了很低重量份数的水泥，大量使用了粉土，具有更好的环境友好性，并且，成本更低。该填充材料具备流动性高、初凝时间长等优点，能够实现长距离注浆需求，特别适应于长距离油气管道。该填充材料在固化后，具有良好的强度和结实率，能够实现永久固化，达到良好的稳定性。
28.需要说明的是，对于长距离的废弃油气管道，本发明实施例提供的用于注浆的填充材料满足以下要求：
29.(1)填充材料价格便宜便于获取，由于长距离注浆消耗的浆料量大，特别是大口径管道(超过600mm)，否则无法满足工程应用需要。
30.(2)调配的填充材料浆液应该具备流动性高、初凝时间长等基本特性。其中，流动性高是为了适应长距离注浆的需要，而初凝时间长是为了确保现场作业时间足够，避免由于意外事件影响造成有效注浆时间过短，从而导致浆液凝固，无法实现长距离注浆的目标。
31.(3)填充材料浆液固化后的强度和结实率适中。一般而言，结实率越高越好，不过根据国外长输管道废弃处置的实践经验，埋深1m的油气管道，不引起地面沉降或沉降影响最小的管径是300mm。可见，油气管道的注浆并不需要完全填充，存在一定范围内的空隙可
以接受，因此结实率达到90％左右即可获得更佳的效果。
32.在一些可能的实现方式中，粉土为风成粉土，水泥为硅酸盐水泥，并且硅酸盐水泥的强度等级为42.5。如此设置，以进一步优化填充材料的上述效果。
33.在一些可能的实现方式中，缓凝剂为柠檬酸钠、葡萄糖酸钠、糊精中的至少一种，例如，为柠檬酸钠，以达到降低水泥或石膏水化速度和水化热、延长凝结时间的目的。
34.在一些可能的实现方式中，膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂或者氧化钙类膨胀剂。
35.其中，硫铝酸钙类膨胀剂包括：明矾石膨胀剂(主要成分是明矾石与无水石膏或二水石膏)；csa膨胀剂(主要成分是无水硫铝酸钙)；u型膨胀剂(主要成分是无水硫铝酸钙、明矾石、石膏，例如uea膨胀剂)等。
36.氧化钙膨胀剂，例如用一定温度下煅烧的石灰加入适量石膏与水淬矿渣制成；生石灰与硬脂酸混磨而成；以石灰石、粘土、石膏在一定温度下烧成熟料粉磨后再与经一定温度煅烧的磨细石膏混拌而成等。
37.作为优选，该膨胀剂为uea膨胀剂，又称u型膨胀剂(united expansing agent，uea)，以硫酸铝、氧化铝、硫酸铝钾等为主要多种膨胀源。该uea膨胀剂至少具有以下优点：
38.(1)能防止收缩龟裂；(2)能产生化学预应力(3)能产生化学压力。
39.本发明实施例对上述填充材料的粘度、胶结后的结实率以及凝固后的强度进行了测试，测试结果表明，本发明实施例提供的上述填充材料的初始粘度在100mpa
·
s左右，结实率大于90％，凝固后强度大于50kpa。
40.并且，对于本发明实施例提供的上述填充材料，初始粘度为100mpa
·
s左右，在配制完成3h后，粘度为130mpa
·
s，在配制完成10h后，粘度为270mpa
·
s左右，这说明，本发明实施例提供的上述填充材料的粘度一直较低水平，且随时间延长，粘度增长幅度较小，这使得本发明实施例提供的填充材料适用于长距离的油气管道的填充。
41.另一方面，本发明实施例提供了一种用于废弃油气管道的填充材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
42.按照填充材料中各组分的重量分数，将粉土、水泥、缓凝剂、膨胀剂置于水中，搅拌均匀，得到用于废弃油气管道的填充材料。
43.其中，该填充材料包括以下重量份的组分：粉土80-100份、水泥5-15份、水120-150份、缓凝剂0.1-0.5份、膨胀剂5-15份。可以在使用时，现场配制该填充材料，即，随配随用。
44.再一方面，本发明一种注浆工艺，该注浆工艺使用了上述的任一种用于废弃油气管道的填充材料。
45.注浆是将配置好的填充材料(也就是浆液)输送到被注对象的过程，其中浆料搅拌器和注浆泵是注浆过程的关键设备，其合理选型对于注浆的成败至关重要，以下分别对这两种设备进行阐述：
46.对于搅拌器，搅拌器是混合不同浆料的设备，常用的搅拌器类型有推进式、浆式、涡轮式、锚式、框式、螺带式等，其结构性能各不相同，适应的工况差异较大。其中，推进式搅拌器适合低粘度(粘度小于2000mpa.s)料液混合，浆式搅拌器和涡轮式搅拌器适合中等粘度(粘度小于5
×
104mpa.s)料液混合。
47.在管道注浆过程中，浆液的粘度一般均小于1000mpa.s，因此宜采用推进式搅拌器、浆式搅拌器或涡轮式搅拌器，搅拌器的具体选型号可根据浆液粘度、搅拌目的、搅拌器
造成的流动状态来确定。
48.对于注浆泵，往复泵和转子泵是注浆工程常用的流体输送设备。往复泵是通过活塞、柱塞或隔膜在泵缸内往复支线运动输送液体或使之增压的容积泵，泵的性能不随压力和输送介质粘度的变化而变化等优点。转子泵是旋转式的容积泵，由静止的泵体和旋转的转子组成，靠旋转转子的挤压作用将液体排出，同时在流体进入侧形成低压，连续地吸入流体，进而实现流体的连续输送；转子泵按其结构可分为齿轮泵、螺杆泵、凸轮泵、挠性叶轮泵、滑片泵及软管泵等，具有流量不随背压变化和自吸功能特性，可输送的截止粘度范围非常宽，适合输送高粘度、高浓度及含颗粒的介质。
49.由于油气管道注浆采用材料粘度较低，且颗粒较少，因此本发明实施例优选使用往复泵。
50.在一些可能的实现方式中，本发明实施例提供的注浆工艺为真空辅助压力注浆。
51.真空辅助浆液技术的基本原理是，在孔道的一端采用真空泵对预应力管道进行抽真空，使预应力管道产生-0.08mpa左右的真空度，然后用压浆泵将搅拌好的水泥浆体从孔道的另一端压入，直至充满整条孔道，即通过对浆液的推拉作用，实现孔道的密实填充。
52.真空辅助压力注浆方式有助于提高后张预应力混凝土结构的安全度和耐久性，解决了传统灌浆工艺遗留的问题。
53.对于废弃油气管道真空辅助注浆，所使用的工艺设备包括：负压容器，用于对管道末端抽出的浆液进行缓冲，保护真空泵不被破坏；废浆容器，用于对持续排除的浆液进行临时存储；透明观察管，用于观察浆液是否达到管道末端，若负压容器是透明的，则该透明观察管可以省略；泡沫球，用于真空空间与浆液的隔离，防止浆液行进时过于分散。
54.对于废弃油气管道真空辅助注浆的工艺流程，包括以下步骤：
55.1)准备工作，主要是开挖作业坑、切割管道，将注浆段与其他管道隔离，管道开孔，其中浆液出口开孔距离应大于泡沫球的长度，管道两端封堵，并准备好注浆所有材料和配套设备。
56.2)试轴真空，主要是关闭进浆口阀门，打开出浆口阀门，启动真空泵，观察压力表的度数，当压力表接近0时，停泵20min，若压力变化小于0.02mpa，则表明管道能基本达到并维持真空；否则管道未能完全密封，需在压浆前进行检查，并予以调整。
57.3)拌浆，主要是将准备好的注浆材料倒入储浆罐，通过搅拌器进行搅拌，直至混合均匀。
58.4)压浆，主要启动真空泵，打开进浆口阀门，启动注浆泵，并注意观察管道两端的压力数值；当浆体经过透明高压管并准备达到三通接头时，关闭之前打开的阀门，同时打开之前关闭的阀门，关闭真空泵；观察废浆容器处的出浆情况，当出浆流畅、稳定且稠度与罐体的浆体基本一致时，关闭打开的阀门，最后关闭掉注浆泵、出浆口阀门及进浆口阀门，完成注浆。
59.5)现场恢复，保留注浆口和出浆液封堵阀门，卸载其他设备单元，并进行设备清洗、管沟回填、地貌恢复等工作。
60.以下将通过具体实施例进一步地描述本发明：
61.实施例1
62.本实施例1提供了一种用于废弃油气管道的填充材料，该填充材料包括以下重量
份的组分：风成粉土90份、强度等级为42.5的硅酸盐水泥10份、水140份、柠檬酸钠0.25份、uea膨胀剂10份。
63.该实施例提供的填充材料通过以下方法制备得到：按照填充材料中各组分的重量分数，将水置于配液罐中，然后依次将粉土、硅酸盐水泥、柠檬酸钠缓凝剂、uea膨胀剂置于该具有水的配液罐中，搅拌30分钟至搅拌均匀，得到本实施例提供的填充材料。
64.实施例2
65.本实施例2提供了一种用于废弃油气管道的填充材料，该填充材料包括以下重量份的组分：风成粉土80份、强度等级为42.5的硅酸盐水泥12份、水150份、柠檬酸钠0.4份、uea膨胀剂12份。
66.该实施例提供的填充材料通过以下方法制备得到：按照填充材料中各组分的重量分数，将水置于配液罐中，然后依次将粉土、水泥、缓凝剂柠檬酸钠、uea膨胀剂置于该具有水的配液罐中，搅拌30分钟至搅拌均匀，得到本实施例提供的填充材料。
67.实施例3
68.本实施例3提供了一种用于废弃油气管道的填充材料，该填充材料包括以下重量份的组分：粉土100份、硅酸盐水泥15份、水150份、葡萄糖酸钠0.3份、uea膨胀剂15份。
69.该实施例提供的填充材料通过以下方法制备得到：按照填充材料中各组分的重量分数，将水置于配液罐中，然后依次将粉土、硅酸盐水泥、葡萄糖酸钠缓凝剂、uea膨胀剂置于该具有水的配液罐中，搅拌30分钟至搅拌均匀，得到本实施例提供的填充材料。
70.实施例4
71.本实施例4提供了一种用于废弃油气管道的填充材料，该填充材料包括以下重量份的组分：风成粉土80份、强度等级为42.5的硅酸盐水泥6份、水125份、柠檬酸钠0.15份、uea膨胀剂6份。
72.该实施例提供的填充材料通过以下方法制备得到：按照填充材料中各组分的重量分数，将水置于配液罐中，然后依次将粉土、硅酸盐水泥、柠檬酸钠缓凝剂、uea膨胀剂置于该具有水的配液罐中，搅拌25分钟至搅拌均匀，得到本实施例提供的填充材料。
73.实施例5
74.本实施例5提供了一种用于废弃油气管道的填充材料，该填充材料包括以下重量份的组分：风成粉土95份、强度等级为42.5的硅酸盐水泥12份、水145份、柠檬酸钠0.3份、uea膨胀剂12份。
75.该实施例提供的填充材料通过以下方法制备得到：按照填充材料中各组分的重量分数，将水置于配液罐中，然后依次将粉土、硅酸盐水泥、柠檬酸钠缓凝剂、uea膨胀剂置于该具有水的配液罐中，搅拌40分钟至搅拌均匀，得到本实施例提供的填充材料。
76.应用实施例1
77.本应用实施例1对实施例1提供的填充材料的性能进行了测试，测试参数及测试结果参见表1。
78.表1
[0079][0080]
由表1可知，本实施例1提供的填充材料的粘度一直处于较低水平，并且随时间增长粘度变化幅度非常小，10小时的泥浆流动性与水近似，几乎无粘滞，流动速度快。利用该填充材料制作试块时，24h结实率为94％，干缩率为0.1％，7天的无侧限强度为22.5kpa，28天的无侧限强度为72.9kpa，可见，该填充材料在固化后，具有良好的强度和结实率，能够实现永久固化，达到良好的稳定性。
[0081]
应用实施例2
[0082]
本应用实施例2对实施例2提供的填充材料的性能进行了测试，测试参数及测试结果参见表2。
[0083]
表2
[0084][0085]
由表2可知，本实施例2提供的填充材料的粘度一直处于较低水平，并且随时间增长粘度变化幅度非常小，10小时的泥浆流动性与水近似，几乎无粘滞，流动速度快。利用该填充材料制作试块时，24h结实率为93％，干缩率为0.1％，7天的无侧限强度为22kpa，28天
的无侧限强度为71kpa，可见，该填充材料在固化后，具有良好的强度和结实率，能够实现永久固化，达到良好的稳定性。
[0086]
应用实施例3
[0087]
本应用实施例3对实施例5提供的填充材料的性能进行了测试，测试参数及测试结果参见表3。
[0088]
表3
[0089][0090][0091]
由表3可知，本实施例5提供的填充材料的粘度一直处于较低水平，并且随时间增长粘度变化幅度非常小，10小时的泥浆流动性与水近似，几乎无粘滞，流动速度快。利用该填充材料制作试块时，24h结实率为93.5％，干缩率为0.15％，7天的无侧限强度为22kpa，28天的无侧限强度为72kpa，可见，该填充材料在固化后，具有良好的强度和结实率，能够实现永久固化，达到良好的稳定性。
[0092]
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。