CN111517738B - 一种天然气钻井岩屑的固化处理方法及资源化应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天然气开采钻井岩屑的无害化及资源化处理，具体地公开了一种天然气钻井岩屑的固化处理方法及资源化应用。所述方法以钻井岩屑为原料，加入适当比例的破胶剂、石灰和粉煤灰，得到固化岩屑土，经养护后得到环保指标达标的固化物，其塑限、液限、塑限指数、有机质含量、CBR、烧失量等性能指标均显示其可作为建筑基土使用。本发明对钻井岩屑和粉煤灰的资源化再利用，带来了良好的社会效益和经济效益。

Description

一种天然气钻井岩屑的固化处理方法及资源化应用
技术领域
本发明涉及天然气开采钻井岩屑的无害化及资源化处理，具体地说，涉及一种天然气钻井岩屑的固化处理方法及资源化应用。
背景技术
为加快能源结构优化工作，首先要大力促进天然气行业发展，从2013年-2018年，天然气产量增长明显，预计到2030年，天然气在一次能源中的占比会由2020年的10％提升到15％。同时伴随着天然气开采，钻井、压裂过程中产生了大量钻井岩屑，给气田周边生态环境安全造成了较大的风险。我国气田开采每年有上万口井，据测算和统计，一般打2500～4000m深的井，每个井场产生废弃泥浆和岩屑500～700m3，目前钻井岩屑经固液分离后基本堆存于贮存场。
钻井过程产生的岩屑随着添加剂的种类和数量的增加，其环境危害性也随之增加。其中危害环境的主要化学成份有盐类、各类大分子聚合物，部分还含有重金属离子如Pb，Zn，Cu，Ge，As，Hg，Ag等，并且具有高COD、高碱性等特性。固体废弃物露天堆存或填埋，不但占用大量土地，而且其含有的有毒有害成分也存在渗入到土壤之中的风险，导致土壤的板结(主要是盐、碱和岩盐地层的影响)，对植物生长不利，甚至无法生长，致使土壤无法返耕，另外破坏土壤中微生物的生存条件，影响动植物生长发育。
固化技术是指将污染物囊封入惰性基材中或在污染物外面加上低渗透性材料，通过减少污染物暴露的淋滤面积达到限制污染物迁移的目的。固体废物、破胶剂和添加剂混合均匀，并加水使混合物形成具有一定流动性的破胶剂浆，然后进行一定时间的养护，使其形成坚硬的固化体。稳定化技术是指从污染物的有效性出发，通过形态转化，将污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形式来实现无害化，以降低其对生态系统的危害风险。固化稳定化技术施工简单，成本低廉、实用性强，在技术上比较成熟，对环境的潜在影响相对较小。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种天然气钻井岩屑的固化处理方法及资源化应用。
为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种天然气钻井岩屑的固化处理方法，所述方法包括如下步骤：
(1)预处理：将钻井岩屑过筛处理，获得粒径不大于5mm的岩屑样品；
(2)调节含水率：利用水将岩屑样品的含水率调节至20％±2％；
(3)固化处理：向步骤(2)所得的岩屑样品中加入破胶剂、石灰和粉煤灰，混合搅拌均匀，得到固化岩屑土；
其中，步骤(2)所得的岩屑样品与破胶剂、石灰和粉煤灰的质量用量份分别为：岩屑样品25～40份、破胶剂1.5～2.5份、石灰15～17.5份、粉煤灰45～52.5份；
(4)养护：将固化岩屑土置于室温环境中进行养护，即得。
作为优选，步骤(3)中，步骤(2)所得的岩屑样品与破胶剂、石灰和粉煤灰的质量用量份分别为：岩屑样品38份、破胶剂2份、石灰15份、粉煤灰45份。
进一步地，所述破胶剂为PAC(聚合氯化铝)与FeSO4的混合物，且PAC与FeSO4的质量比为3:1。
进一步地，为确保养护后的固化岩屑土达到环保要求，可将养护后的固化岩屑土按照GB5086.1-1997方法进行浸出，根据相关检测方法检测COD浓度及pH，达标后即得。达标标准参照GB8978-1996污水综合排放最高允许限值。
例如，根据《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(HJ828-2017)检测COD浓度。
同时，在本发明的具体实施方式中可以看出，在按照本发明上述方法对钻井岩屑进行固化处理的基础上，进一步将养护时间控制在3d以上，即可实现养护后的固化岩屑土达到环保标准。
第二方面，本发明提供了前述方法在生产建筑基土方面的应用，例如，可生产路基土。
即前述方法可作为一种建筑基土的制备方法。
因此第三方面，本发明提供一种建筑基土，其制备方法包括如下步骤：
S1、向粒径不大于5mm的钻井岩屑样品中加水，调节含水率至20％±2％；
S2、向含水率为20％±2％的岩屑样品中加入破胶剂、石灰和粉煤灰，混合搅拌均匀，得到固化岩屑土；
其中，步骤(2)所得的岩屑样品与破胶剂、石灰和粉煤灰的质量用量份分别为：岩屑样品25～40份、破胶剂1.5～2.5份、石灰15～17.5份、粉煤灰45～52.5份；
S3、养护：将固化岩屑土置于室温环境中进行养护，即得。
作为优选，S2中，所述含水率为20％±2％的岩屑样品与破胶剂、石灰和粉煤灰的质量用量份分别为：岩屑样品38份、破胶剂2份、石灰15份、粉煤灰45份。
进一步地，所述破胶剂为PAC(聚合氯化铝)与FeSO4的混合物，且PAC与FeSO4的质量比为3:1。
进一步地，为确保养护后的固化岩屑土达到环保要求，可将养护后的固化岩屑土按照GB5086.1-1997方法进行浸出，根据相关检测方法检测COD浓度及pH，达标后即得。达标标准参照GB8978-1996污水综合排放最高允许限值。
例如，根据《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(HJ828-2017)检测COD浓度。
同时，在本发明的具体实施方式中可以看出，在按照本发明上述方法对钻井岩屑进行固化处理的基础上，进一步将养护时间控制在3d以上，即可实现养护后的固化岩屑土达到环保标准。
第四方面，本发明进一步提供一种固化剂，由以下质量份的组分组成：破胶剂1.5～2.5份、石灰15～17.5份、粉煤灰45～52.5份；其中，所述破胶剂为PAC与FeSO4的混合物，且PAC与FeSO4的质量比为3:1。
本发明涉及到的原料或试剂均为普通市售产品，涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种天然气钻井岩屑的固化处理方法及应用，以钻井岩屑为原料，经固化稳定化处理后制备建筑基土(铺路基土)，并达到相应的环保指标和性能指标。
在本发明的技术方案中，粉煤灰中存在大量的玻璃体，在有水存在的条件下，其中的二氧化硅和氧化铝受到石灰的激发，产生水化硬化作用，生成稳定的水化产物。水化产物受激发再加速反应生产钙矾石(钙铝硫酸盐矿物)，进一步提高钻井废弃物的胶凝组分和硬化质量。另外粉煤灰的颗粒结构为比表面积大的多孔结构，可以吸附钻井废弃物中的污染物。
石灰、粉煤灰相结合的反应固化，通过固化包裹、吸附沉淀更大程度上降低固化体浸出液的污染成分，再加上可以增强固化强度、改善液塑限、提高密实度，为固化体作路基填料的可能性提供了理论支持。
一般的固化方法固化后，经水浸泡后污染物容易泄漏，是因为即使经过固化，污染物的活性和水溶性没有改变，在强烈震荡条件下也会浸出，所以需要对钻井岩屑中的污染物进行破胶处理，破坏其稳定性。破稳固化的特点是釆用化学方法对钻井废弃物进行强制破稳，破坏其胶体状态，使固相物和有机物同时分离出来，使废弃物更好的完成固化反应。分离出的固相物中污染物稳定，有机物吸附束缚在形成的固化体中，水浸泡后不会转移到液相中，与现在广泛釆用的常规固化方法相比，具有显著降低COD的作用。
不仅如此，本发明所用的固化剂成本低廉，容易获取，粉煤灰为我国火电厂产生的主要固体废物，也是我国当前排量较大的工业废渣之一。本发明在提高固化效率、固化后物料的环保指标及性能指标的基础上，大量使用了工业废渣粉煤灰，同时解决了粉煤灰的污染问题，对钻井岩屑和粉煤灰的资源化再利用，带来了良好的、不可忽视的社会效益和经济效益。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1～实施例5
实施例1～5分别按照以下步骤对钻井岩屑进行固化处理：
(1)预处理：将钻井岩屑过筛处理，获得粒径不大于5mm的岩屑样品；
(2)调节含水率：利用水将岩屑样品的含水率调节至20％；
(3)固化处理：向步骤(2)所得的岩屑样品中加入破胶剂、石灰和粉煤灰，混合搅拌均匀，得到固化岩屑土；
所述破胶剂为所述破胶剂为PAC(聚合氯化铝)与FeSO4的混合物，且PAC与FeSO4的质量比为3:1；
(4)养护：将固化岩屑土置于室温环境中进行养护，养护时间为3d。
其中，步骤(3)中，破胶剂、石灰和粉煤灰以及含水率为20％的钻井岩屑各占所得固化岩屑土混合物总量的质量百分比如表1所示。
固化前，将钻井岩屑按照GB5086.1-1997方法进行浸出，根据《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(HJ828-2017)检测COD值，测得钻井岩屑的COD值为201mg/L，并测得pH为8.5。
完成上述处理步骤后，将养护后的固化物按照GB5086.1-1997方法进行浸出，根据《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(HJ828-2017)检测COD值，并检测pH值，对各实施例进行对比，实验过程中同时做三个平行样，数据取平均值，结果如表1所示。
表1实施例1～实施例5的对比
Figure BDA0002474921340000061
由上述结果可以明显看出，在其他掺加原料比例不变的情况下，随着破胶剂加入量的增加，养护后的固化岩屑土经浸出处理后，COD值逐渐降低，添加量在1.5％～2.5％之间时，COD值基本降到100mg/L以下，在保证COD既能达标，成本又低的情况下，选择复合破胶剂的比例为2％。即以总量为100质量份计，破胶剂的最佳用量分别为2份。
实施例6～实施例9
实施例6～9同样按照是实施例1～5的步骤对钻井岩屑进行固化处理。不同的是，在经过实施例1～5确定出的破胶剂最佳添加比例为2％后，实施例6～9的步骤(3)中，破胶剂、石灰和粉煤灰各占所得固化岩屑土混合物总量的质量百分比如表2所示。
固化前，将钻井岩屑按照GB5086.1-1997方法进行浸出，根据相关检测方法检测COD值，测得钻井岩屑的COD值为232mg/L。
完成上述处理步骤后，将养护后的固化岩屑土模块按照GB5086.1-1997方法进行浸出，根据《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(HJ828-2017)检测COD值，并检测pH值，对各实施例进行对比，结果如表2所示。
表2实施例6～实施例9的对比
Figure BDA0002474921340000071
实验对比结果发现，COD值随着粉煤灰的添加比例的增加，呈明显下降，在掺加比例为20％以下时，固化物的COD值均未达到规范要求的100mg/L以下，而当掺加比例为50％时，固化物的COD值呈现出大幅的降低，在粉煤灰掺配比例为60％、70％固化后的COD值均在规范要求内，按照最低量原则，粉煤灰的添加比例为50％。即以总量为100质量份计，粉煤灰的最佳用量分别为50份。
检测COD值随着石灰和粉煤灰添加比例的增加，呈明显下降，在二者总掺加比例为40％与50％时，COD值均未达到规范要求100mg/L以下，可以看出，二者总掺加比例为40％时，固化岩屑土呈现的数值与钻井岩屑本体值接近，而二者总掺加比例为50％时，COD值呈现大幅的降低，当二者总掺加比例为60％和70％时，COD值均达到规范要求。
综上所述，本发明筛选得到最佳的固化剂配方，按照成本最低的原则，优选破胶剂添加比例为2％、石灰和粉煤灰的总添加比例为60％。即以总量为100质量份计，石灰和粉煤灰的最佳总用量为60份。
需要说明的是，本发明为实现对钻井岩屑固化处理，并将固化物用作路基土的目的，将石灰和粉煤灰的添加比例确定为1:3，因此在上述实施例中，均按此比例添加。
实施例10
本实施例用于说明一种优选的具体实施方式。
一种天然气钻井岩屑的固化处理方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将钻井岩屑过筛处理，获得粒径不大于5mm的岩屑样品；
(2)调节含水率：利用水将岩屑样品的含水率调节至20％；
(3)固化处理：向步骤(2)所得的岩屑样品中加入破胶剂、石灰和粉煤灰，混合搅拌均匀，得到固化岩屑土；
其中，岩屑样品与破胶剂、石灰和粉煤灰的质量用量份分别为：岩屑样品38份、破胶剂2份、石灰15份、粉煤灰45份；
(4)将所述固化岩屑土置于室温环境中进行养护，养护时间为3天。
按照《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)、《公路路基施工技术规范》(JTG/T3610-2019)、《公路路面基层施工技术细则》(JTG F20-2015)及《公路土工试验规程》(JTJ051)中的指标及方法，对固化物(固化岩屑土模块)的液限(液限塑限联合测定法/T0118-93)、塑限指数(液限塑限联合测定法/T0118-93)、有机质含量(T0151-93)、CBR(承载比试验/T0134-93)、烧失量(烧失量试验/T0150-93)进行检测，结果如表3所示。
表3实施例10制备的固化物的性能指标
Figure BDA0002474921340000091
通过上表可以看出，固化物的液塑限、承载比、有机质含量、烧失量等检测结果均达到《公路路基设计规范》中路基填料的标准，是一种较好的路基土填料。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种天然气钻井岩屑的固化处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）预处理：将钻井岩屑过筛处理，获得粒径不大于5mm的岩屑样品；
（2）调节含水率：利用水将岩屑样品的含水率调节至20%±2%；
（3）固化处理：向步骤（2）所得的岩屑样品中加入破胶剂、石灰和粉煤灰，混合搅拌均匀，得到固化岩屑土；
其中，步骤（2）所得的岩屑样品与破胶剂、石灰和粉煤灰的质量用量份分别为：岩屑样品38份、破胶剂2份、石灰15份、粉煤灰45份；所述破胶剂为PAC与FeSO4的混合物，且PAC与FeSO4的质量比为3:1；
（4）养护：将固化岩屑土置于室温环境中进行养护，即得。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将养护后的固化岩屑土按照GB5086.1-1997方法进行浸出，检测COD浓度及pH，达标后即得。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，养护时间为3d以上。
4.权利要求1~3任一项所述的方法在生产建筑基土方面的应用。
5.一种建筑基土，其特征在于，其制备方法包括如下步骤：
S1、向粒径不大于5mm的钻井岩屑样品中加水，调节含水率至20%±2%；
S2、向含水率为20%±2%的岩屑样品中加入破胶剂、石灰和粉煤灰，混合搅拌均匀，得到固化岩屑土，
其中，岩屑样品与破胶剂、石灰和粉煤灰的质量用量份分别为：岩屑样品38份、破胶剂2份、石灰15份、粉煤灰45份；所述破胶剂为PAC与FeSO4的混合物，且PAC与FeSO4的质量比为3:1；
S3、养护：将固化岩屑土置于室温环境中进行养护，即得。
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