CN107459337A - 一种水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，包括如下步骤：(1)水基钻井固化物进行初步破碎后，采用除石装置除去其中的大部分石灰石，然后将除去石灰石的水基钻井固化物进行深度破碎，过筛，得到细度低于1mm的粉末；(2)将步骤(1)得到的水基钻井固化物粉末与改性剂钡盐、页岩土、内燃煤混合搅拌均匀，得到混合物料；(3)向步骤(2)得到的混合物料中加水，搅拌，陈化2～3天；(4)将陈化后的混合物料成型制成砖坯，干燥后高温烧结，得到烧结砖成品。本发明的水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法有效解决了现有技术中水基钻井固化物制备的烧结砖存在的砖体泛白，泛霜，砖体爆裂及粉化等问题。

Description

一种水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法
技术领域
本发明涉及一种油气田钻井钻屑废弃物处理技术领域，尤其涉及一种水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法。
背景技术
在采用水基钻井液的油气钻井过程中，钻头切削地层岩石产生的碎屑通过水基钻井液带出，产生水基钻屑。水基钻屑源于水基钻井液的使用，其成份复杂，含有膨润土、润滑剂、KCl、纯碱等物质。目前，水基钻屑处理方式是进行固化处理，经固化处理后的水基钻屑称为水基钻井固化物。当前水基钻井固化物的最终处置方式主要是就地填埋。据统计，单井水基钻井固化物产生量约1400方，我国每年新钻井数量约2万口，我国每年产生水基钻井固化物约2800万方，通过填埋的方式势必占用大量的土地资源，并且还存在一定的环境风险隐患。
“十二五”期间，国家发改委为落实节约资源和保护环境基本国策，印发了《大宗固体废物综合利用实施方案》。明确要求对大宗固体废物进行综合利用，减少大宗固体废物向环境中的排放量。所以，对水基钻井固化物的综合利用，已迫在眉睫。钻井固体废弃物资源化利用最有效的技术工艺就是，针对钻井固体废物开发出高效改质剂材料，从而使固体废弃物与制砖土能够实现低成本制备烧结砖，实现固体废弃物作为建材掺料资源化利用。
目前，水基钻井固体废弃物制备烧结砖的研究已经开展了很多年，其主要存在两个问题：一是砖体泛白、泛霜，二是砖体爆裂、粉化。这些问题直接制约固体废弃物制备烧结砖技术的进一步发展。研究分析发现，掺混水基钻井固化物烧结的砖体，有泛白、泛霜现象主要是因为砖体表面存在的白色物质硫酸钙及少量的硫酸镁。水基钻井固化物的石灰石含量约25～30％，采用水基钻井固化物为原料制备出的烧结砖砖体会出现酥裂，粉化，成为废品。因为水基钻井固化物中的石灰石经高温煅烧后成为氧化钙，烧失量较大，且生成二氧化碳气体，二氧化碳从砖体中逸出时使砖体产生裂纹，即发生爆裂现象。并且，如果氧化钙含量较高，当其遇水后，砖体会出现酥裂现象，因为氧化钙与水生成可溶的氢氧化钙，从而影响其质量。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是针对现有技术中水基钻井固体废弃物制备烧结砖的方法中存在的砖体泛白，泛霜，砖体爆裂及粉化等问题，从原料与生产工艺两方面进行改进优化，提供一种水基钻井固化物改性制备烧结砖的新工艺方法。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，其包括如下步骤：
(1)水基钻井固化物进行初步破碎后，采用除石装置除去其中的大部分石灰石，然后将除去石灰石的水基钻井固化物进行深度破碎，过筛，得到细度低于1mm的粉末；
(2)将步骤(1)得到的水基钻井固化物粉末与改性剂钡盐、页岩土、内燃煤混合搅拌均匀，得到混合物料；
(3)向步骤(2)得到的混合物料中加水，搅拌，陈化2～3天；
(4)将陈化后的混合物料成型制成砖坯，干燥后高温烧结，得到烧结砖成品。
优选的是，所述除石装置为回转式圆筛或除石机。
优选的是，所述步骤(1)具体为：将水基钻井固化物进行初步破碎后，输送至除石机或回转式圆筛中除去其中大部分石灰石直至其含量低于10％，然后将除去石灰石的水基钻井固化物输送至反击锤式破碎机中进行深度破碎处理，再采用筛网孔径10～20目的振动筛筛分，得到细度低于1mm的粉末。
优选的是，所述步骤(2)中各原料组分按如下重量百分比混合：水基钻井固化物粉末15～30％、改性剂钡盐2～7.5％、页岩土50～70％、内燃煤10～20％。
优选的是，所述钡盐为氯化钡或硝酸钡。
进一步优选的是，所述钡盐为氯化钡。
进一步优选的是，所述步骤(2)中各原料组分按如下重量百分比混合：水基钻井固化物粉末25％、氯化钡5％、页岩土55％、内燃煤15％。
优选的是，所述步骤(3)具体为：向步骤(2)得到的混合物料中加水，水与混合物料的重量比为0.12～0.22，搅拌均匀后输送至陈化库，陈化2～3天。
优选的是，所述步骤(4)具体为：将陈化后的混合物料输送至成型车间，真空挤压成型制成砖坯，压力为12～14MPa，砖坯在150～200℃条件下干燥60～100min，然后输送至隧道窑中950～1100℃条件下，烧结100～110min，冷却，得到烧结砖成品。
优选的是，所述水基钻井固化物为经过固化处理后的水基钻屑。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)采用钡盐作为改性剂添加到水基钻井固化物制备烧结砖的原料中，在砖体高温烧结过程中，水基钻井固化物中的硫与处于熔融状态的钡盐发生固液化学反应，将硫改性稳定化，使其不易形成白色的硫酸钙及硫酸镁，从而解决泛白、泛霜问题；
(2)通过剔除水基钻井固化物中的石灰石使石灰石含量低于10％，以及控制原料细度低于1mm这两种途径，解决了砖体爆裂、粉化的问题；
(3)进一步优化了水基钻井固化物改性制备烧结砖的工艺方法，工艺简单，实现了固废资源化利用，解决了石油、天然气等规模性开采的水基钻井岩屑污染土壤和水资源的环境问题，节约了治理成本，实现了污染消除、变废为宝的固废资源化利用的效果，便于工业推广应用。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1本发明一个实施例中水基钻井固化物改性制备烧结砖的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做详细说明。
实施例1
水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，包括以下步骤：
(1)水基钻井固化物进行初步破碎后，输送至回转式圆筛中除去其中大部分石灰石直至其含量低于10％，然后将除去石灰石的水基钻井固化物输送至反击锤式破碎机中进行深度破碎处理，再采用筛网孔径10～20目的振动筛筛分，得到细度低于1mm的粉末；
(2)将步骤(1)得到的水基钻井固化物粉末与改性剂钡盐、页岩土、内燃煤按重量百分比：水基钻井固化物粉末15％、改性剂钡盐2％、页岩土70％、内燃煤13％，混合搅拌均匀，得到混合物料；
(3)向步骤(2)得到的混合物料中加水，搅拌，陈化2天；
(4)将陈化后的混合物料成型制成砖坯，干燥后高温烧结，得到烧结砖成品。
其中陈化的主要作用是使物料充分混合均匀、均化水分，并进行离子交换，使一些硅酸盐矿物与水分接触水解成为胶结物质，从而提高原料的可塑性。
实施例2
水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，包括以下步骤：
(1)水基钻井固化物进行初步破碎后，输送至除石机中除去其中大部分石灰石直至其含量低于10％，然后将除去石灰石的水基钻井固化物输送至反击锤式破碎机中进行深度破碎处理，然后采用筛网孔径10～20目的振动筛筛分，得到细度低于1mm的粉末；
(2)将步骤(1)得到的水基钻井固化物粉末与改性剂钡盐、页岩土、内燃煤按重量百分比：水基钻井固化物粉末30％、硝酸钡7.5％、页岩土50％、内燃煤12.5％，混合搅拌均匀，得到混合物料；
(3)向步骤(2)得到的混合物料中加水，水与混合物料的重量比为12:100，搅拌均匀后输送至陈化库，陈化3天；
(4)将陈化后的混合物料输送至成型车间，真空挤压成型制成砖坯，压力为12～14MPa，砖坯在150℃条件下干燥100min，然后输送至隧道窑中950℃条件下，烧结110min，冷却，得到烧结砖成品。
实施例3
水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，包括以下步骤：
(1)水基钻井固化物的预处理：首先将水基钻井固化物进行破碎，用皮带输送机输送至除石机，将大部分的石灰石去除，然后继续用皮带输送机将去除石灰石的水基钻井固化物输送至反击锤式破碎机中进行深度破碎处理，破碎处理后用振动筛进行筛分，振动筛的筛网孔径为10～20目，得到细度低于1mm的粉末；
(2)配料：按重量百分比掺加以下原料组分及改性剂：水基钻井固化物粉末25％、氯化钡5％、页岩土55％、内燃煤15％，充分搅拌混合均匀，得到混合物料；
(3)陈化：向步骤(2)得到的混合物料中加水，水与混合物料的重量比为22:100，搅拌，搅拌均匀后用皮带输送机输送至陈化库，陈化3天；
(4)成型和烧结：将步骤(3)经陈化的物料混合物输送至成型车间，经搅拌挤出机、细碎对辊机再进入真空挤砖机挤出成型，压力为12～14MPa，制得砖坯，砖坯经干燥车送入干燥室进行干燥，温度200℃条件下，干燥60min，然后将干燥后的砖坯送入隧道窑进行烧结，110℃条件下，烧结100min，冷却，得到尺寸为240mm×115mm×53mm的烧结砖成品。
参照国家标准GB5101-2003《烧结普通砖》与GB/T2542-2012《砌体砖试验方法》中的相关要求执行，对上述实施例1、2、3制备的烧结砖成品的性能进行测试，其结果见表1。
表1烧结砖成品的性能测试结果
由表1看出，烧结砖各项指标均满足MU15等级要求，同时，烧结砖的放射性也符合GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》中的标准要求。因此，本发明的水基钻井固化物可以作为烧结砖的原料使用，通过本发明的制砖方法制备出满足国家标准的烧结砖。
参照国家标准GB8978-1996一级标准对实施例1、2、3制备的烧结砖成品的浸出液指标进行测试，其结果见表2。
表2烧结砖浸出液的各项指标
检测项目 石油类 COD/(mg/L) TOC/(mg/L) NH4 +-N(mg/L) 六价铬
实施例1 未检出 11.6 8.4 未检出 未检出
实施例2 未检出 未检出 9.2 0.6 未检出
实施例3 未检出 未检出 7.2 未检出 未检出
由表2看出，以水基钻井固化物为原料的烧结砖其浸出液中石油类、COD、TOC及氨氮等指标均在污水综合排放标准(GB8978-1996)一级标准以内，故水基钻井固化物烧结砖不会对环境安全存在风险。
与现有技术相比，本发明的水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法具有以下优势：
首先，改性剂钡盐与硫的反应是在高温烧结过程中发生，其反应温度为960℃，改性剂钡盐处于熔融状态，是固液反应。优选的改性剂为氯化钡，其反应方程式为：
BaCl2+CaSO4→BaSO4+CaCl2
BaCl2+MgSO4→BaSO4+MgCl2
通过化学方式将硫改性稳定化，使其不易形成硫酸钙及硫酸镁，从而解决泛白、泛霜问题。
其次，由于石灰石的硬度比其他矿物要高，在粉碎过程中不易破碎得很细，所以将水基钻井固化物先输送至颚式破碎机破碎，再输送至回转式圆筛或除石机，这样可以将石灰石含量降到至10％以下。
再者，大颗粒的生石灰颗粒存在于砖体内，水化产生的膨胀量大，因而在砖体内部产生很大的应力，当内应力超出砖体的弹性形变范围时，砖体即被胀裂。石灰石颗粒尺寸越大，成品砖内熟石灰水化产生的集中应力越大，所以控制细度可以最大限度地减小石灰石颗粒在砖坯中存在的危害。当控制石灰石颗粒细度小于1mm时，爆裂的危害程度降低80％以上；颗粒细度小于0.5mm，爆裂现象基本消失。另外，本发明方法中通过充分搅拌的方式，使原料中石灰石颗粒处于高分散状态，避免成品砖内石灰颗粒聚集，防止水化所产生的集中应力，也大大降低爆裂产生的危害。
综上所述，本发明的水基钻井固化物改性制备烧结砖的工艺方法有效解决了现有技术中水基钻井固化物制备的烧结砖存在的砖体泛白，泛霜，砖体爆裂及粉化等问题，制备出的烧结砖性能指标符合国家标准。实现了固废资源化利用，解决了石油、天然气等规模性开采的水基钻井岩屑污染土壤和水资源的环境问题，节约了治理成本，实现了污染消除、变废为宝的固废资源化利用的效果，便于工业推广应用。
上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)水基钻井固化物进行初步破碎后，采用除石装置除去其中的大部分石灰石，然后将除去石灰石的水基钻井固化物进行深度破碎，过筛，得到细度低于1mm的粉末；
(2)将步骤(1)得到的水基钻井固化物粉末与改性剂钡盐、页岩土、内燃煤混合搅拌均匀，得到混合物料；
(3)向步骤(2)得到的混合物料中加水，搅拌，陈化2～3天；
(4)将陈化后的混合物料成型制成砖坯，干燥后高温烧结，得到烧结砖成品。
2.如权利要求1所述的水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，其特征在于，所述除石装置为回转式圆筛或除石机。
3.如权利要求2所述的水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：将水基钻井固化物进行初步破碎后，输送至除石机或回转式圆筛中除去其中大部分石灰石直至其含量低于10％，然后将除去石灰石的水基钻井固化物输送至反击锤式破碎机中进行深度破碎处理，再采用筛网孔径10～20目的振动筛筛分，得到细度低于1mm的粉末。
4.如权利要求1所述的水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，其特征在于，所述步骤(2)中各原料组分按如下重量百分比混合：水基钻井固化物粉末15～30％、改性剂钡盐2～7.5％、页岩土50～70％、内燃煤10～20％。
5.如权利要求4所述的水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，其特征在于，所述钡盐为氯化钡或硝酸钡。
6.如权利要求5所述的水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，其特征在于，所述钡盐为氯化钡。
7.如权利要求6所述的水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，其特征在于，所述步骤(2)中各原料组分按如下重量百分比混合：水基钻井固化物粉末25％、氯化钡5％、页岩土55％、内燃煤15％。
8.如权利要求1所述的水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：向步骤(2)得到的混合物料中加水，水与混合物料的重量比为0.12～0.22，搅拌均匀后输送至陈化库，陈化2～3天。
9.如权利要求1所述的水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：将陈化后的混合物料输送至成型车间，真空挤压成型制成砖坯，压力为12～14MPa，砖坯在150～200℃条件下干燥60～100min，然后输送至隧道窑中950～1100℃条件下，烧结100～110min，冷却，得到烧结砖成品。
10.如权利要求1所述的水基钻井固化物改性制备烧结砖的方法，其特征在于，所述水基钻井固化物为经过固化处理后的水基钻屑。
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