CN111100651A - 一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂和土壤改良方法，及改良后的土壤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂和土壤改良方法，及改良后的土壤；该土壤改良剂由生物炭粉、聚丙烯酰胺和粉煤灰组成，同时限制了土壤改良剂中各个物质的组成含量；该土壤改良剂中生物炭具有高pH值、高碳氮比、高多孔性和对土壤养分具有较强吸附能力的特点，不易被微生物分解利用，残存时间长，有利于提高土壤碳固定、改良土壤理化性质；阴离子聚丙烯酰胺为水溶性高分子聚合物，可有效抑制土壤水分蒸发，防止水土流失，同时可改善土壤结构，促进土壤微生物发育；粉煤灰的主要成分与土壤类似，颗粒呈多孔型蜂窝状组织，比表面积较大，具有较高的吸附活性，并可增加土壤中的粉粒含量。
Description
【技术领域】
本发明属于油气田固体废物处理与资源化利用技术领域，具体涉及一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂和土壤改良方法，及改良后的土壤。
【背景技术】
油气田水基钻井岩屑是采用水基钻井液进行钻进时由井口返排出的地层岩石碎屑，为一般工业固体废物。一口3000m深的油气井产生钻井岩屑约为500-700m3，由于缺乏有效的处置手段，只能占用大量的土地进行堆放，可能会对当地环境造成一定的影响。
固体废物再生利用技术主要分为物理与化学处理技术、物质分离与回收技术、材料回收、土地还原技术等类型。在城镇生活垃圾及污水处理、金属矿产开发、燃煤发电等领域，其产生的固体废物目前主要用于能量回收、建材、农用、化工/矿产原料等，并且制定了相关的标准规范。以能源工业废物粉煤灰为例，其主要再生利用途径为直接利用、生产建材、制新型材料、回收矿产品、制农业肥料等。其中，直接利用包括：铺设路面路基、充填采空区或塌陷区、复垦造田和作吸附脱硫材料等；建材利用包括：制砖、制砌块、水泥原料、制轻集料和制陶瓷原料等。以冶炼工业废物钢渣为例，其主要再生利用途径包括：直接利用、生产建材、回收废钢、制农业肥料等，再生利用工艺单元包括：破碎、粉磨、分选、固化/稳定化、焙烧/煅烧/烧结等。
目前，在钻井岩屑资源化利用方面的研究基本处于起步阶段，相关领域还没有成熟的处理及再利用技术，也缺乏相关的标准依据，90％的油气田企业主要采取固化填埋的方式进行处理。只有少数油田对其进行资源化利用，例如中国石油南方石油勘探开发有限责任公司利用废弃泥浆制免烧砖技术，将处理后的泥浆固相压饼作为新型建材原料用于油田基础建设，实现固体废弃物资源的再利用；但是如何利用钻井岩屑资源，并无成熟的技术。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂和土壤改良方法，及改良后的土壤。该改良剂及方法使油气田水基钻井岩屑的结构特征、物理性能、渗透性及肥效得到有效改善，成为可进行植物种植的土壤，最终实现废弃物的资源化利用。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂，所述改良剂包括生物炭粉、聚丙烯酰胺和粉煤灰；按照质量分数计，生物炭粉的含量为60-65％，聚丙烯酰胺的含量为20-25％，粉煤灰的含量为10-20％。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述生物炭粉由农作物秸秆通过低温热裂解后制得。
优选的，生物炭粉的粒径≤0.02mm。
优选的，聚丙烯酰胺的平均分子量为1500-2000万。
优选的，粉煤灰中，以质量百分比计，氧化钙含量不大于3％。
优选的，粉煤灰的比表面积≥600m2/kg。
优选的，粉煤灰中，以体积百分比计，0～5μm的颗粒含量≥30％，大于50μm的颗粒含量≤15％，余量为5～50μm的颗粒。
一种使用权利要求1所述的油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂的土壤改良方法，土壤化改良剂的加入量根据水基钻井岩屑含水率确定，加入量如下：
(1)水基钻井岩屑含水率在10-15％之间，土壤化改良剂加量为水基钻井岩屑质量的4-5％；
(2)水基钻井岩屑含水率在15-20％之间，土壤化改良剂加量为水基钻井岩屑质量的5-6％；
(3)水基钻井岩屑含水率在20-30％之间，土壤化改良剂加量为水基钻井岩屑质量的6-8％；
(4)水基钻井岩屑含水率大于30％，应进行干化处理后添加土壤化改良剂。
一种通过上述土壤改良方法改良后的土壤。
优选的，改良后的土壤中，粉粒及黏粒含量大于40％，孔隙度≥41％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂；该土壤改良剂由生物炭粉、聚丙烯酰胺和粉煤灰组成，同时限制了土壤改良剂中各个物质的组成含量；该土壤改良剂中生物炭具有高有机质、高碳氮比、高多孔性和对土壤养分具有较强吸附能力的特点，不易被微生物分解利用，残存时间长，有利于提高土壤肥力及土壤碳固定、改良土壤理化性质；阴离子聚丙烯酰胺为水溶性高分子聚合物，可有效抑制土壤水分蒸发，防止水土流失，同时可改善土壤结构，促进土壤微生物发育；粉煤灰的主要成分与土壤类似，颗粒呈多孔型蜂窝状组织，比表面积较大，具有较高的吸附活性，并可增加土壤中的粉粒含量；该土壤化改良剂加入到钻井岩屑中时，能够改善钻井岩屑的物理结构，增强钻井岩屑保水保肥的能力，提高有机质的含量。
进一步的，生物炭粉由农作物秸秆经过低温热裂解后制得，主要组成物为碳分子，能够促进植物的生长。
进一步的，生物炭粉的粒径≤0.02mm，能够明显提高钻井岩屑的有机质含量；且生物炭粉的粒径较小，则具有较大的比表面积，对土壤养分有很好的吸附能力，有利于提高土壤碳固定，改良土壤理化性质。
进一步的，粉煤灰的比表面积越大，其吸附活性越大。
进一步的，限制粉煤灰中不同粒径的含量，利用粒径较小的粉煤灰颗粒可有效提高钻井岩屑的粉粒含量，降低砂粒含量，有利于土壤结构的改良。
本发明还公开了一种土壤改良方法，该方法根据水基钻井岩屑中不同的含水率加入土壤化改良剂，含水量越高，加入的土壤化改良剂比重越大，与传统的固化填埋处理方法对比，具有三方面的优势：一是有效解决了长期以来困扰油气田企业的环境保护难题，减少了现场环保隐患；二是实现了水基钻井岩屑的资源化，为井场植被恢复工作奠定了坚实的基础；三是大大降低了水基钻井岩屑处理成本，具有明显的经济效益。
本发明还公开了一种通过土壤改良方法改良后的土壤，通过试验验证，改良后的土壤中砂粒的含量明显降低，原钻井岩屑的物理结构发生改变，粉粒含量、孔隙度、有机物、及利于植物生长元素的含量升高，土壤由砂质土转变为壤土，该土壤的保水保肥能力强，有机质的含量高，土壤的质量得到提高。
【具体实施方式】
下面结合具体过程和实施例对本发明做进一步详细描述，本发明公开了一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂及土壤改良方法；钻井岩屑本身因为砂粒含量高、粉粒和黏粒偏少，导致其硬度较高，无法得到有效的利用。
本发明中的土壤化改良剂包括生物炭粉、作为阴离子的聚丙烯酰胺和粉煤灰，按照质量百分比计，其含量为：60-65％的生物炭粉、20-25％的阴离子聚丙烯酰胺和10-20％的粉煤灰。其中生物炭粉为农作物秸秆在缺氧或绝氧环境中，通过低温热裂解后生成的固态产物经粉碎至一定粒径的颗粒物，生物炭粉粒径≤0.02mm；阴离子聚丙烯酰胺分子量为1500-2000万；所述粉煤灰比表面积≥600m2/kg，以体积百分比计，小于5μm的颗粒含量≥30％，大于50μm的颗粒含量≤15％，其余颗粒粒径应在5～50μm之间。
当采用本发明的土壤化改良剂时，生物炭具有高pH值、高碳氮比、高多孔性和对土壤养分具有较强吸附能力的特点，不易被微生物分解利用，残存时间长，有利于提高土壤碳固定、改良土壤理化性质；阴离子聚丙烯酰胺为水溶性高分子聚合物，可有效抑制土壤水分蒸发，防止水土流失，同时可改善土壤结构，促进土壤微生物发育；粉煤灰的主要成分与土壤类似，颗粒呈多孔型蜂窝状组织，比表面积较大，具有较高的吸附活性，并可增加土壤中的粉粒含量。
向拟进行土壤化改良的水基钻井岩屑中加入一定量的土壤化改良剂并混合均匀，土壤化改良剂具有良好的吸水保水功能，其加量应根据水基钻井岩屑含水率加以确定，以质量百分比计，具体加量如下：
(1)水基钻井岩屑含水率在10-15％之间，土壤化改良剂加量为水基钻井岩屑质量的4-5％；
(2)水基钻井岩屑含水率在15-20％之间，土壤化改良剂加量为水基钻井岩屑质量的5-6％；
(3)水基钻井岩屑含水率在20-30％之间，土壤化改良剂加量为水基钻井岩屑质量的6-8％；
(4)水基钻井岩屑含水率大于30％，应进行干化处理后添加土壤化改良剂；
通过上述描述可以看出含水率越高，加入的土壤化改良剂比重越大，由于钻井岩屑土壤化改良剂具有良好的吸水功能，钻井岩屑的含水率越高，其吸水膨胀后物理化学性能将发生变化，如粉煤灰吸水后发生水化反应而结块，会影响其对钻井岩屑的改良效果。因此，在钻井岩屑的含水率过高的情况下，通过增加土壤化改良剂的添加量，一方面可以起到干化钻井岩屑的作用，同时可确保钻井岩屑土壤化改良的效果。
水基钻井岩屑按照上述方法进行改良后，其中粉粒及黏粒含量大于40％，可达到壤土标准，为较适宜种植的土壤类型；容重由1.61g/cm3降至1.38g/cm3，孔隙度增至41％，在壤土范围内通透性较好，适合植物生长；可以迅速减小水分在钻井固废中的入渗能力，有效减弱其导水性，大大增强保水能力。
实施例1
西部某油田X23-78井，钻井过程中产生的水基钻井岩屑经过干化处理后，体积约为500m3，含水率在15-20％之间，密度1.5t/m3，现对其进行土壤化改良。
1、土壤化改良剂：生物炭粉、阴离子聚丙烯酰胺及粉煤灰；
土壤化改良剂配方(以质量百分比计)：60％生物炭粉+25％阴离子聚丙烯酰胺+15％粉煤灰。
所述生物炭粉为农作物秸秆在缺氧或绝氧环境中，通过低温热裂解后生成的固态产物经粉碎至一定粒径的颗粒物，生物炭粉粒径≤0.02mm。
所述阴离子聚丙烯酰胺分子量为1500万。
所述粉煤灰比表面积为606m2/kg，以体积百分比计，0～5μm的颗粒含量为32％，大于50μm的颗粒含量为9.67％，余量为5～50μm的颗粒。
2、土壤化改良方法
水基钻井岩屑质量为750t，加入6％(即45t，其中生物炭粉27t，阴离子聚丙烯酰胺11.25t，粉煤灰6.75t)的土壤化改良剂混合均匀即可。土壤化改良效果见表1。
表1 X23-78井水基钻井岩屑土壤化改良效果
实施例2
西部某气田S33-59井，钻井过程中产生的水基钻井岩屑经过干化处理后，体积约为700m3，含水率在10-15％之间，密度1.55t/m3，现对其进行土壤化改良。
1、土壤化改良剂：生物炭粉、阴离子聚丙烯酰胺及粉煤灰
土壤化改良剂配方(以质量百分比计)：65％生物炭粉+22％阴离子聚丙烯酰胺+13％粉煤灰。
所述生物炭粉为农作物秸秆在缺氧或绝氧环境中，通过低温热裂解后生成的固态产物经粉碎至一定粒径的颗粒物，生物炭粉粒径≤0.02mm。
所述聚丙烯酰胺的平均分子量为1800万。
所述粉煤灰比表面积为680m2/kg，以体积百分比计，小于5μm的颗粒含量35％，大于50μm的颗粒含量10％，其余颗粒粒径在5～50μm之间。
2、土壤化改良方法
水基钻井岩屑质量为1085t，加入4％(即43.4t，其中生物炭粉28.21t，阴离子聚丙烯酰胺9.548t，粉煤灰5.642t)的土壤化改良剂混合均匀即可。土壤化改良效果见表2。
表2 S33-59井水基钻井岩屑土壤化改良效果
实施例3
西部某气田井，钻井过程中产生的水基钻井岩屑经过干化处理后，体积约为800m3，含水率在15-20％之间，密度1.55t/m3，现对其进行土壤化改良。
1、土壤化改良剂：生物炭粉、阴离子聚丙烯酰胺及粉煤灰
土壤化改良剂配方(以质量百分比计)：63％生物炭粉+20％阴离子聚丙烯酰胺+17％粉煤灰。
所述生物炭粉为农作物秸秆在缺氧或绝氧环境中，通过低温热裂解后生成的固态产物经粉碎至一定粒径的颗粒物，生物炭粉粒径≤0.02mm。
所述聚丙烯酰胺的平均分子量为2000万。
所述粉煤灰比表面积为650m2/kg，以体积百分比计，0～5μm的颗粒含量为35％，大于50μm的颗粒含量为8.57％，余量为5～50μm的颗粒。
2、土壤化改良方法
水基钻井岩屑质量为850t，加入7％(即43.4t，其中生物炭粉28.21t，阴离子聚丙烯酰胺9.548t，粉煤灰5.642t)的土壤化改良剂混合均匀即可。
实施例4
西部某气田井，钻井过程中产生的水基钻井岩屑经过干化处理后，体积约为700m3，含水率在15-20％之间，密度1.55t/m3，现对其进行土壤化改良。
1、土壤化改良剂：生物炭粉、阴离子聚丙烯酰胺及粉煤灰
土壤化改良剂配方(以质量百分比计)：65％生物炭粉+25％阴离子聚丙烯酰胺+10％粉煤灰。
所述生物炭粉为农作物秸秆在缺氧或绝氧环境中，通过低温热裂解后生成的固态产物经粉碎至一定粒径的颗粒物，生物炭粉粒径≤0.02mm。
所述聚丙烯酰胺的平均分子量为1700万。
所述粉煤灰比表面积为620m2/kg，以体积百分比计，0～5μm的颗粒含量为38％，大于50μm的颗粒含量为10.5％，余量为5～50μm的颗粒。
2、土壤化改良方法
水基钻井岩屑质量为900t，加入5％(即45t，其中生物炭粉29.25t，阴离子聚丙烯酰胺11.25t，粉煤灰4.5t)的土壤化改良剂混合均匀即可。
实施例5
西部某气田井，钻井过程中产生的水基钻井岩屑经过干化处理后，体积约为700m3，含水率在15-20％之间，密度1.55t/m3，现对其进行土壤化改良。
1、土壤化改良剂：生物炭粉、阴离子聚丙烯酰胺及粉煤灰
土壤化改良剂配方(以质量百分比计)：61％生物炭粉+19％阴离子聚丙烯酰胺+20％粉煤灰。
所述生物炭粉为农作物秸秆在缺氧或绝氧环境中，通过低温热裂解后生成的固态产物经粉碎至一定粒径的颗粒物，生物炭粉粒径≤0.02mm。
所述聚丙烯酰胺的平均分子量为1600万。
所述粉煤灰比表面积为670m2/kg，以体积百分比计，0～5μm的颗粒含量为34％，大于50μm的颗粒含量为12.35％，余量为5～50μm的颗粒。
2、土壤化改良方法
水基钻井岩屑质量为950t，加入5.5％(即52.25t，其中生物炭粉31.87t，阴离子聚丙烯酰胺9.93t，粉煤灰10.45t)的土壤化改良剂混合均匀即可。
实施例6
西部某气田井，钻井过程中产生的水基钻井岩屑经过干化处理后，体积约为700m3，含水率在10-15％之间，密度1.55t/m3，现对其进行土壤化改良。
1、土壤化改良剂：生物炭粉、阴离子聚丙烯酰胺及粉煤灰
土壤化改良剂配方(以质量百分比计)：64％生物炭粉+22％阴离子聚丙烯酰胺+14％粉煤灰。
所述生物炭粉为农作物秸秆在缺氧或绝氧环境中，通过低温热裂解后生成的固态产物经粉碎至一定粒径的颗粒物，生物炭粉粒径≤0.02mm。
所述聚丙烯酰胺的平均分子量为1500万。
所述粉煤灰比表面积为608m2/kg，以体积百分比计，0～5μm的颗粒含量为35％，大于50μm的颗粒含量为11.24％，余量为5～50μm的颗粒。
2、土壤化改良方法
水基钻井岩屑质量为1050t，加入4.5％(即47.25t，其中生物炭粉30.24t，阴离子聚丙烯酰胺10.4t，粉煤灰6.62t)的土壤化改良剂混合均匀即可。
实施例7
西部某气田井，钻井过程中产生的水基钻井岩屑经过干化处理后，体积约为700m3，含水率在10-15％之间，密度1.55t/m3，现对其进行土壤化改良。
1、土壤化改良剂：生物炭粉、阴离子聚丙烯酰胺及粉煤灰
土壤化改良剂配方(以质量百分比计)：62％生物炭粉+22％阴离子聚丙烯酰胺+16％粉煤灰。
所述生物炭粉为农作物秸秆在缺氧或绝氧环境中，通过低温热裂解后生成的固态产物经粉碎至一定粒径的颗粒物，生物炭粉粒径≤0.02mm。
所述聚丙烯酰胺的平均分子量为1800万。
所述粉煤灰比表面积为630m2/kg，以体积百分比计，0～5μm的颗粒含量为36％，大于50μm的颗粒含量为8.61％，余量为5～50μm的颗粒。
2、土壤化改良方法
水基钻井岩屑质量为1100t，加入5％(即55t，其中生物炭粉34.1t，阴离子聚丙烯酰胺12.1t，粉煤灰8.8t)的土壤化改良剂混合均匀即可。
实施例8
西部某气田井，钻井过程中产生的水基钻井岩屑经过干化处理后，体积约为700m3，含水率在20-30％之间，密度1.55t/m3，现对其进行土壤化改良。
1、土壤化改良剂：生物炭粉、阴离子聚丙烯酰胺及粉煤灰
土壤化改良剂配方(以质量百分比计)：60％生物炭粉+22％阴离子聚丙烯酰胺+18％粉煤灰。
所述生物炭粉为农作物秸秆在缺氧或绝氧环境中，通过低温热裂解后生成的固态产物经粉碎至一定粒径的颗粒物，生物炭粉粒径≤0.02mm。
所述聚丙烯酰胺的平均分子量为2000万。
所述粉煤灰比表面积为640m2/kg，以体积百分比计，0～5μm的颗粒含量为38％，大于50μm的颗粒含量为7.35％，余量为5～50μm的颗粒。
2、土壤化改良方法
水基钻井岩屑质量为1025t，加入8％(即82t，其中生物炭粉49.2t，阴离子聚丙烯酰胺18.04t，粉煤灰14.76t)的土壤化改良剂混合均匀即可。
实施例9
西部某气田井，钻井过程中产生的水基钻井岩屑经过干化处理后，体积约为700m3，含水率在20-30％之间，密度1.55t/m3，现对其进行土壤化改良。
1、土壤化改良剂：生物炭粉、阴离子聚丙烯酰胺及粉煤灰
土壤化改良剂配方(以质量百分比计)：65％生物炭粉+23％阴离子聚丙烯酰胺+12％粉煤灰。
所述生物炭粉为农作物秸秆在缺氧或绝氧环境中，通过低温热裂解后生成的固态产物经粉碎至一定粒径的颗粒物，生物炭粉粒径≤0.02mm。
所述聚丙烯酰胺的平均分子量为1700万。
所述粉煤灰比表面积为660m2/kg，以体积百分比计，0～5μm的颗粒含量为40％，大于50μm的颗粒含量为9.24％，余量为5～50μm的颗粒。
2、土壤化改良方法
水基钻井岩屑质量为780t，加入6％(即46.8t，其中生物炭粉30.42t，阴离子聚丙烯酰胺10.76t，粉煤灰5.62t)的土壤化改良剂混合均匀即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。
Claims (10)
1.一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂，其特征在于，所述改良剂包括生物炭粉、聚丙烯酰胺和粉煤灰；按照质量分数计，生物炭粉的含量为60-65％，聚丙烯酰胺的含量为20-25％，粉煤灰的含量为10-20％。
2.根据权利要求1所述的一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂，其特征在于，所述生物炭粉由农作物秸秆通过低温热裂解后制得。
3.根据权利要求1所述的一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂，其特征在于，生物炭粉的粒径≤0.02mm。
4.根据权利要求1所述的一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂，其特征在于，聚丙烯酰胺的平均分子量为1500-2000万。
5.根据权利要求1所述的一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂，其特征在于，粉煤灰中，以质量百分比计，氧化钙含量不大于3％。
6.根据权利要求1所述的一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂，其特征在于，粉煤灰的比表面积≥600m2/kg。
7.根据权利要求1所述的一种油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂，其特征在于，粉煤灰中，以体积百分比计，0～5μm的颗粒含量≥30％，大于50μm的颗粒含量≤15％，余量为5～50μm的颗粒。
8.一种使用权利要求1所述的油气田水基钻井岩屑土壤化改良剂的土壤改良方法，其特征在于，土壤化改良剂的加入量根据水基钻井岩屑含水率确定，加入量如下：
(1)水基钻井岩屑含水率在10-15％之间，土壤化改良剂加量为水基钻井岩屑质量的4-5％；
(2)水基钻井岩屑含水率在15-20％之间，土壤化改良剂加量为水基钻井岩屑质量的5-6％；
(3)水基钻井岩屑含水率在20-30％之间，土壤化改良剂加量为水基钻井岩屑质量的6-8％；
(4)水基钻井岩屑含水率大于30％，进行干化处理后添加土壤化改良剂。
9.一种通过权利要求8的土壤改良方法改良后的土壤。
10.根据权利要求9所述的通过土壤改良方法改良后的土壤，其特征在于，改良后的土壤中，粉粒及黏粒含量大于40％，孔隙度≥41％。
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|---|---|---|---|---|
| CN103396808A (zh) * | 2013-07-29 | 2013-11-20 | 湖北省农业科学院植保土肥研究所 | 一种用于冷浸田土壤的改良剂及其应用 |
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