[发明专利]四氧化三锰在钻井泥浆和油井水泥浆中的应用

说明书

本发明涉及得自铁-锰合金熔炼的废弃物作为油井水泥浆和钻采油井时使用的钻井泥浆的增重材料的应用。

在钻油井过程中钻井泥浆在井中循环。为防止不可控制的井喷，钻井泥浆的主要作用是保持井中的静压，使之高于钻井时所穿过的含油和气的地层的压力。此外，钻井泥浆还用于将钻井中产生的土粒移出井外。为使钻井泥浆达到所要求的密度，必须向钻井泥浆中加入所谓增重材料。作为增重材料要使用平均密度高的惰性材料。已知的增重材料的实例有：重晶石、赤铁矿和钛铁矿。增重材料以细粒形式使用，一般粒度为低于75μm，最好低于50μm。

在油井固封时，把水泥浆泵送至在井芯配置的套管与井壁之间的环隙中。加水泥的目的是固封井壁与套管之间的环隙，以防止油气从该环隙泄出。在油井固封中使用的水泥浆的密度应至少相当于油井的静压力。当固封穿过高压地层所钻成的油井时，必须使用高密度的水泥浆。高密度的水泥浆要靠添加增重材料来得到。作为高密度水泥浆的增重材料，通常也使用为增加钻井泥浆密度所使用的同样材料。为满足对用于油井水泥浆的增重材料的要求，增重材料必须具备与水泥浆流变学有关的一些特性。因此，重要的是既可把所需量的增重材料加入，同时又不致于使粘度增加到造成难于泵送水泥浆至井壁与套管间的环隙中。另一重要问题是增重材料的沉降性要低。如果沉降性高，则油井中水泥的密度将随高度而变化，并将造成油井失控的危险。

本发明的目的是提供一种可用于钻井泥浆和水泥浆的增重材料，这种增重材料在钻井泥浆和水泥浆中具有意想不到的优异性能。

据此，本发明涉及四氧化三锰材料作为钻井泥浆和油井水泥浆的增重材料的应用，这种四氧化三锰材料至少含有90%（重量）的四氧化三锰（Mn₃O₄），其余为氧化钙、氧化镁、氧化钾和二氧化硅，以及低于1%（重量）的元素锰。这种材料的密度介于4.50-4.75g/cm³之间，粒度至少98%低于10μm。

本发明所用的四氧化三锰颗粒要比通常所用的增重材料密度高。因而通过本发明所获的钻井泥浆和油井水泥浆有可能比用常规增重材料所得到的具有更高的密度。此外，还令人惊异地发现四氧化三锰颗粒减小了沉降性，因而可以得到高强度的固化水泥浆。

本发明各方面所使用的四氧化三锰颗粒，都是从铁-锰吹氧熔炼过程释放出的气体中回收的。因此这种颗粒是通常必须倾倒的废弃物。

在鼓风炉或冶金电炉中并在1200℃或更高的温度下生产的常规铁-锰合金可能含有达到6%或更高的碳。通常，在要使碳的含量减少时，例如可沿着或面对着铁-锰熔浴的表面鼓入氧或氧和空气的混合物。这一步骤在另一容器中进行，从电炉中排出新鲜的铁-锰溶液盛于此容器中，该溶液的温度一般在大约1000℃或更高，最好在大约1300℃或更高。

1967年2月21日发表的美国专利3，305，352号描述了一种减少铁-锰熔体中碳含量的程序。在这一推荐程序中，为了得到本发明的四氧化三锰烟气从生产电炉中将温度为大约1300℃或更高的铁-锰溶液排入一个处理容器（如料包或炉子）中。最好撇去浮渣，然后用适宜方法向铁-锰熔浴表面顶吹氧，例如在熔浴表面上方约2.5cm处装置一根或多根常规的氧气吹管，在约7.7一约10.5kg/cm²压力下使一股或多股氧气流喷射到熔浴表面上。对于一个高76cm、内径51cm可盛227kg熔浴的料包，氧气流率约为1.8-23kg/分。上述程序可按需要放大。此程序所产生的废气含有很细分散的四氧化三锰烟气的球形颗粒，可用常规的回收设备很容易地从废气中将其回收。

如果需要，本发明的四氧化三锰烟气还可以作为在美国专利3，305，352号所描述的为降低铁锰熔浴中的碳含量的特定方法的副产品。在这种情况下，在熔融金属中碳含量降至1.5%之前，要对铁锰熔浴在足够高的速率下顶吹氧，以加热熔浴使其温度能达1700℃。正如该专利所述要继续吹氧直到熔浴温度达到大约1750℃。用常规方法从废气中回收四氧化三锰烟气。

下列数据给出根据本发明的应用，按上述规定所制得的四氧化三锰烟尘的一些一般特征：化学式：基本为Mn₃O₄。一般含有96-98%（重量）的四氧化三锰，其余为包括氧化钙、氧化镁、氧化钾和氧化硅的混合物，还含有低于1%（重量）的游离金属锰。化学分析（重量百分比的典型数值）：65.27Mn;2.03Fe;0.029Al;0.28Si;0.17C;0.040P;0.045As;0.46Ca;1.43Mg0.072K;0.023Cr和0.002Pb。