CN116239365B - 一种利用复杂深井jfs钻井岩屑制备烧结砖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气田钻井岩屑废弃物处理技术领域，特别是涉及一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，所述JFS钻井具体指即时封堵防塌水基钻井，通过对复杂深井JFS钻井岩屑进行预热处理，添加改性剂及补强材料，使复杂深井JFS钻井岩屑能作为烧结砖制砖原料进行资源化利用。通过本方法，能有效解决目前钻井过程中复杂深井JFS钻井岩屑传统处置方式产生的环境问题，实现了复杂深井JFS钻井岩屑无害化处理，同时将复杂深井JFS钻井岩屑作为烧结砖制备原料。
Description
技术领域
本发明涉及油气田钻井岩屑废弃物处理技术领域，特别是涉及一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法。
背景技术
随着深井、超深井及特殊地层的油气田开发，钻井难度越来越大，对钻井液体系要求越来越高。近年来，随着水平井的增多，在四川盆地多个构造大斜度穿越长页岩井段时，发生了不同程度的井壁失稳，以致无法保证安全钻进，成为制约钻井提速的瓶颈。JFS钻井液作为一种即时封堵防塌水基钻井液，其中J代表即时，F代表封堵防塌，S代表水基。JFS钻井液具有良好的抗温能力，钻井液性能稳定，同时其较好的钻井液流变性能减少对井壁的冲刷，有效保护井壁。另外，JFS钻井液还具有良好的携砂能力、封堵效果及润滑性，有效实现了优快钻进，在化学封堵和物理支撑双重作用下，有效支撑了井壁，保证了井下安全，有效降低了摩阻，钻进过程中扭矩平稳，无脱压现象。因此，JFS钻井液成为深井高温井段钻进过程的优良选择。
JFS钻井液系产生的岩屑、废弃钻井液污染环境且处理量大，对应的固化剂市场需求量大。复杂深井JFS钻井废弃物具有色度高（棕褐色～黑褐色）、悬浮固体含量高、COD含量高、PH值高等特点。处理钻井废弃物主要采用加药固化后就地填埋的方式进行处理，每个井场需要1500～2000m3的固化填埋池，占地大，污染物没有得到彻底治理，环境风险高。若废弃物处置不当，易造成土壤和地下水的污染隐患，对生态环境造成严重的破坏。
目前对于钻井岩屑制备烧结砖的技术研究主要针对上部地层一般聚合物钻井水基岩屑，例如现有技术中，授权公告号为CN107459337B，授权公告日为2020年04月28日的中国发明专利文件，该专利文献所公开的技术方案如下：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。
与上部地层一般聚合物钻井水基岩屑相比，JFS钻井岩屑的化学成分更为复杂，通过对比研究可知，上部地层一般聚合物钻井水基岩屑中的制砖必需成分SiO2的含量可达到39.99%～60.53%，而JFS钻井岩屑中SiO2含量仅为11.96%～15.87%，上部地层一般聚合物钻井水基岩屑中的制砖有害成分SO3及CaO含量分别为1.07%～8.02%和9.19%～9.62%，而JFS钻井岩屑中SO3和CaO含量分别高达19.12%～22.35%及20.01%～32.28%。与此同时，复杂深井JFS钻井液体系废弃岩屑矿物组分、塑性指数及有机物含量等性质与上部地层一般聚合物钻井水基岩屑存在着相当的差别，结合大量的室内烧制试验及砖厂烧制研究，发现运用已有的技术将复杂深井JFS钻井岩屑用于制备烧结砖，无法生产出合格的烧结砖。
复杂深井JFS钻井废弃物的环境污染问题是油气田企业面临的主要环境风险之一，目前针对复杂深井JFS钻井岩屑资源化利用的处置方法较少。随着国家环保要求的日益严格，钻井废弃物的有效处理处置是油气田企业亟需解决的一个问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，能有效解决目前钻井过程中复杂深井JFS钻井岩屑传统处置方式产生的环境问题，实现了复杂深井JFS钻井岩屑无害化处理，同时将复杂深井JFS钻井岩屑作为烧结砖制备原料，实现变废为宝，减少土地资源浪费，对保护生态环境、合理利用资源具有重要意义。
本发明是通过采用下述技术方案实现的：
一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1. 将复杂深井JFS钻井岩屑进行预烧处理；
S2. 将预烧处理后的JFS钻井岩屑与内燃材料、页岩混合后进行破碎并过筛，得到制砖原料混合物；
S3. 往制砖原料混合物中加入水、改性剂和补强材料，并进行充分搅拌，使均匀化；
S4. 制作烧结砖湿胚；干燥后，烧结得到烧结砖制品。
所述步骤S1具体指：将复杂深井JFS钻井岩屑在200℃～300℃的温度下煅烧40min～60min。
所述复杂深井JFS钻井岩屑是利用隧道窑余热进行预烧处理。
所述步骤S3具体包括：往制砖原料混合物中加入10%～13%的水、质量百分比为0.2%～0.6%的改性剂和质量百分比为5%～10%的补强材料，并进行充分搅拌，使均匀化。
所述改性剂为木质素磺酸钙、氧化剂和磷渣的混合物，其中，木质素磺酸钙、氧化剂和磷渣的混合比例为40～65：10～25：9～25。
所述补强材料为硅酸钠、二氧化硅和硅石粉的混合物，其中，硅酸钠、二氧化硅和硅石粉的混合比例为45～65：30～45：15～35。
所述步骤S2中，JFS钻井岩屑、内燃材料及页岩的混合比例为15～40：10～25：30～60，所述内燃材料为煤或煤矸石或两者的混合物。
所述步骤S4包括：制作烧结砖湿胚；分批进行干燥，干燥24h后，输送至隧道窑中，在1000～1200℃的温度下烧结15～20h，冷却后得到烧结砖制品。
所述步骤S2中的破碎具体指：先利用双齿式破碎机进行初次破碎，再利用锤式破碎机进行深度破碎；过筛具体指：进行过2mm筛，得到粒径不超过2mm的制砖原料混合物。
所述复杂深井JFS钻井岩屑为油气田开采钻井过程中产生的JFS钻井废弃物经过固化处理后的JFS钻井岩屑。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
1、本发明通过对复杂深井JFS钻井岩屑及常规水基钻井岩屑的基本性质对比分析发现，二者存在较大的差别。复杂深井JFS钻井岩屑化学成分及矿物组成更为复杂，有机物含量较高，具有更为复杂及不易处置的特性。同时通过大量室内试烧试验发现，利用已有的技术将复杂深井JFS钻井用于制备烧结砖时，生产出的烧结砖出现严重的开裂、变形和石灰爆裂等现象，烧结砖成品无法满足相关规范要求。因此，本发明针对复杂深井JFS钻井岩屑特有的复杂性质，将其应用于烧结砖制备中，解决了复杂深井JFS钻井岩屑用于制备烧结砖的难题。
针对复杂深井JFS钻井岩屑特有的复杂化学成分、矿物组成及物理性质，本发明在经过大量的室内试烧试验及砖厂烧制研究后，提出一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，通过对复杂深井JFS钻井岩屑进行预烧处理、加入相应配合比的改性剂及补强材料，制备出符合相关规范要求的合格烧结砖。并且，在烧结砖制备工艺中无需额外的处理工序，操作较为简单，适用于目前市场上绝大多数砖厂的烧结砖制备工艺，具有良好的推广使用前景。
本发明将复杂深井JFS钻井岩屑作为烧结砖掺料应用于烧结砖制备中，不仅解决了钻井废弃物处置费用高昂、填埋选址困难和环境污染等难题，同时，通过对复杂深井JFS钻井岩屑的再生利用，实现了钻井固体废物的资源化利用。
2、本发明中，将复杂深井JFS钻井岩屑通过预烧处理，能有效减少JFS钻井岩屑中的有机物含量，降低JFS钻井岩屑含水率，避免制成的烧结砖出现“黑斑”现象，增强胚体密实度，从而提高烧结砖的强度性能。同时，复杂深井JFS钻井岩屑是利用隧道窑余热进行预烧处理，有效地降低能耗，节约资源。
3、针对复杂深井JFS钻井岩屑的化学特性，通过大量试烧试验、性能检测试验及配合比试验研究，确定采用木质素磺酸钙、氧化剂和磷渣的混合物作为改性剂对JFS钻井岩屑进行改性优化，能有效增强烧结砖泥料的结合能力，使烧结砖泥料颗粒分散度增加，从而使砖胚干燥后堆积密度加大，干强度提高。改性后的固体废弃物能作为建材掺料应用于普通烧结砖的制备中，实现复杂深井JFS钻井岩屑的再生利用。改性过程简单易上手，通过在混合料搅拌阶段中加入改性剂，使复杂深井JFS钻井岩屑与改性剂进行充分反应，即可得到可应用于烧结砖制备中的改性后的JFS钻井岩屑。经改性后的JFS钻井岩屑能有效改善制成烧结砖的性能，并有增强抗压强度、防止龟裂等良好效果。
4、通过大量试烧试验、性能测试研究及对比实验研究，最终确定采用硅酸钠、二氧化硅和硅石粉的混合物作为性能补强材料，对复杂深井JFS钻井岩屑缺少的化学成分进行补强，同时提高结晶骨架的数量，促使生成骨架性的新结晶体，从而提高制成烧结砖的强度，进一步提高复杂深井JFS钻井岩屑的资源化利用率。在制砖混合料阶段，加入适量补强材料，不改变制砖工艺流程，步骤简单易推广，能有效地提高烧结砖性能，提高复杂深井JFS钻井岩屑资源化利用率。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
实施例1
一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，包括以下步骤：
S1。将复杂深井JFS钻井岩屑输送至隧道窑，利用隧道窑余热进行预烧处理，温度控制在200℃，煅烧60min，得到预烧处理后的JFS钻井岩屑。其中，所述复杂深井JFS钻井岩屑为油气田开采钻井过程中产生的JFS钻井废弃物经过固化处理后的JFS钻井岩屑。所述JFS钻井具体指即时封堵防塌水基钻井。
S2。将预处理后的JFS钻井岩屑与内燃材料、页岩按照40：10：60的比例进行混合，经皮带输送机送入双齿式破碎机进行初次破碎，再利用锤式破碎机进行深度破碎，破碎完成后的物料传送至过筛区进行过2mm筛，得到粒径不超过2mm的制砖原料混合物。其中，所述内燃材料为煤。
S3。制砖原料混合物经传送带传送到练泥机中，加入10%的自来水、质量百分比为0.2%的改性剂及质量百分比为5%的补强材料，并进行充分搅拌，使匀化。其中，改性剂为木质素磺酸钙、氧化剂和磷渣按40：25：25的比例混合而成，所述补强材料为硅酸钠、二氧化硅和硅石粉按45：30：35的比例混合而成。
S4。经练泥机后，通过皮带输送至真空挤压机中挤压成型，成型压力为2MPa，经机口挤出后成型为条形生坯，通过切坯机进行切坯，得到烧结砖湿胚。将制作完成的湿坯码放至窑车，分批次进入干燥室，干燥24h后，送入隧道窑进行烧结，烧结温度控制在1000℃，烧成时间为15h，焙烧完成后冷却出窑，即可得到烧结砖制品。
实施例2
一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，包括以下步骤：
S1. 将复杂深井JFS钻井岩屑输送至隧道窑，利用隧道窑余热进行预烧处理，温度控制在270℃，煅烧40min，得到预烧处理后的JFS钻井岩屑。所述复杂深井JFS钻井岩屑为油气田开采钻井过程中产生的JFS钻井废弃物经过固化处理后的JFS钻井岩屑。所述JFS钻井具体指即时封堵防塌水基钻井。
S2. 将预处理后的JFS钻井岩屑与内燃材料、页岩按照32：14：51的比例进行混合，经皮带输送机送入双齿式破碎机进行初次破碎，再通过锤式破碎机进行深度破碎，破碎完成后的物料传送至过筛区进行过2mm筛，得到粒径不超过2mm的制砖原料混合物。其中，所述内燃材料为煤矸石。
S3. 制砖原料混合物经传送带传送到练泥机中，加入12%的自来水、质量百分比为0.2%的改性剂及质量百分比为6%的补强材料，并进行充分搅拌，使匀化。其中，改性剂为木质素磺酸钙、氧化剂和磷渣按50：20：10的比例混合而成，所述补强材料为硅酸钠、二氧化硅和硅石粉按65：32：15的比例混合而成。
S4. 经练泥机后，通过皮带输送至真空挤压机中挤压成型，成型压力为2MPa，经机口挤出后成型为条形生坯，通过切坯机进行切坯，得到烧结砖湿胚。将制作完成的湿坯码放至窑车，分批次进入干燥室，干燥24h后，送入隧道窑进行烧结，烧结温度控制在1000℃左右，烧成时间为17h，焙烧完成后冷却出窑，即可得到烧结砖制品。
实施例3
一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，包以下步骤：
S1. 将复杂深井JFS钻井岩屑输送至隧道窑，利用隧道窑余热进行预烧处理，温度控制在280℃，煅烧40min，得到预处理后的JFS钻井岩屑。所述复杂深井JFS钻井岩屑为油气田开采钻井过程中产生的JFS钻井废弃物经过固化处理后的JFS钻井岩屑。所述JFS钻井具体指即时封堵防塌水基钻井。
S2. 将预处理后的JFS钻井岩屑与内燃材料、页岩按照30：17：45的比例进行混合，经皮带输送机送入双齿式破碎机进行初次破碎，再通过锤式破碎机进行深度破碎，破碎完成后的物料传送至过筛区进行过2mm筛，得到粒径不超过2mm的制砖原料混合物。其中，所述内燃材料为煤与煤矸石按1:1的比例混合而成。
S3. 制砖原料混合物经传送带传送到练泥机中，加入13%的自来水、质量百分比为0.4%的改性剂及质量百分比为8%的补强材料，并进行充分搅拌，使匀化。其中，改性剂为木质素磺酸钙、氧化剂和磷渣按65：10：10的比例混合而成，所述补强材料为硅酸钠、二氧化硅和硅石粉按55：35：15的比例混合而成。
S4. 经练泥机后，通过皮带输送至真空挤压机中挤压成型，成型压力为2MPa，经机口挤出后成型为条形生坯，通过切坯机进行切坯，得到烧结砖湿胚。将制作完成的湿坯码放至窑车，分批次进入干燥室，干燥24h后，送入隧道窑进行烧结，烧结温度控制在1050℃左右，烧成时间为15h，焙烧完成后冷却出窑，即可得到烧结砖制品。
实施例4
一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，包括以下步骤：
S1. 将复杂深井JFS钻井岩屑输送至隧道窑，利用隧道窑余热进行预烧处理，温度控制在300℃，煅烧50min，得到预处理后的JFS钻井岩屑。所述复杂深井JFS钻井岩屑为油气田开采钻井过程中产生的JFS钻井废弃物经过固化处理后的JFS钻井岩屑。所述JFS钻井具体指即时封堵防塌水基钻井。
S2. 将预处理后的JFS钻井岩屑与内燃材料、页岩按照15：13：55的比例进行混合，经皮带输送机送入双齿式破碎机进行初次破碎，再通过锤式破碎机进行深度破碎，破碎完成后的物料传送至过筛区进行过2mm筛，得到粒径不超过2mm的制砖原料混合物。其中，所述内燃材料为煤与煤矸石按1:2的比例混合而成。
S3. 制砖原料混合物经传送带传送到练泥机中，加入11%的自来水、质量百分比为0.4%的改性剂及质量百分比为10%的补强材料，并进行充分搅拌，使匀化。其中，改性剂为木质素磺酸钙、氧化剂和磷渣按58：20：9的比例混合而成，所述补强材料为硅酸钠、二氧化硅和硅石粉按55：38：20的比例混合而成。
S4. 经练泥机后，通过皮带输送至真空挤压机中挤压成型，成型压力为2MPa，经机口挤出后成型为条形生坯，通过切坯机进行切坯，得到烧结砖湿胚。将制作完成的湿坯码放至窑车，分批次进入干燥室，干燥24h后，送入隧道窑进行烧结，烧结温度控制在1100℃左右，烧成时间为16h，焙烧完成后冷却出窑，即可得到烧结砖制品。
实施例5
一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，包括以下步骤：
S1. 将复杂深井JFS钻井岩屑输送至隧道窑，利用隧道窑余热进行预烧处理，温度控制在300℃，煅烧40min，得到预处理后的JFS钻井岩屑。所述复杂深井JFS钻井岩屑为油气田开采钻井过程中产生的JFS钻井废弃物经过固化处理后的JFS钻井岩屑。所述JFS钻井具体指即时封堵防塌水基钻井。
S2. 将预处理后的JFS钻井岩屑与内燃材料、页岩按照27：25：30的比例进行混合，经皮带输送机送入双齿式破碎机进行初次破碎，再通过锤式破碎机进行深度破碎，破碎完成后的物料传送至过筛区进行过2mm筛，得到粒径不超过2mm的制砖原料混合物。其中，所述内燃材料为煤与煤矸石按2:1的比例混合而成。
S3. 制砖原料混合物经传送带传送到练泥机中，加入12%的自来水、质量百分比为0.6%的改性剂及质量百分比为10%的补强材料，并进行充分搅拌，使匀化。其中，改性剂为木质素磺酸钙、氧化剂和磷渣按60：11：10的比例混合而成，所述补强材料为硅酸钠、二氧化硅和硅石粉按50：45：15的比例混合而成。
S4. 经练泥机后，通过皮带输送至真空挤压机中挤压成型，成型压力为2MPa，经机口挤出后成型为条形生坯，通过切坯机进行切坯，得到烧结砖湿胚。将制作完成的湿坯码放至窑车，分批次进入干燥室，干燥24h后，送入隧道窑进行烧结，烧结温度控制在1050℃左右，烧成时间为15h，焙烧完成后冷却出窑，即可得到烧结砖制品。
实施例6
一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，包括以下步骤：
S1. 将复杂深井JFS钻井岩屑输送至隧道窑，利用隧道窑余热进行预烧处理，温度控制在260℃，煅烧55min，得到预处理后的JFS钻井岩屑。所述复杂深井JFS钻井岩屑为油气田开采钻井过程中产生的JFS钻井废弃物经过固化处理后的JFS钻井岩屑。所述JFS钻井具体指即时封堵防塌水基钻井。
S2. 将预处理后的JFS钻井岩屑与内燃材料、页岩按照33：12：55的比例进行混合，经皮带输送机送入双齿式破碎机进行初次破碎，再经过锤式破碎机进行深度破碎，破碎完成后的物料传送至过筛区进行过2mm筛，得到粒径不超过2mm的制砖原料混合物。其中，所述内燃材料为煤。
S3. 制砖原料混合物经传送带传送到练泥机中，加入13%的自来水、质量百分比为0.6%的改性剂及质量百分比为7%的补强材料，并进行充分搅拌，使匀化。其中，改性剂为木质素磺酸钙、氧化剂和磷渣按40：25：20的比例混合而成，所述补强材料为硅酸钠、二氧化硅和硅石粉按56：32：25的比例混合而成。
S4. 经练泥机后，通过皮带输送至真空挤压机中挤压成型，成型压力为2MPa，经机口挤出后成型为条形生坯，通过切坯机进行切坯，得到烧结砖湿胚。将制作完成的湿坯码放至窑车，分批次进入干燥室，干燥24h后，送入隧道窑进行烧结，烧结温度控制在1200℃左右，烧成时间为16h，焙烧完成后冷却出窑，即可得到烧结砖制品。
参照《烧结普通砖》（GB/T 5101-2017）、《砌墙砖试验方法》（GB/T 2542-2012）及《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566-2010）中相关要求对上述实施例1～6制成的烧结砖进行抗压强度和抗风化性能等相关测试，各项测试结果见下表：
从上表可以看出，本发明利用复杂深井JFS钻井岩屑制备出的烧结砖制品各项性能均符合规范标准要求，达到合格标准。
参照《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级标准对实施例1～6制成的烧结砖进行浸出液环境影响评价，具体测试结果见下表：
由上表可以看出，本发明制备的烧结砖各项浸出液测试结果均符合相关规范要求，环境性能良好。本发明利用预处理后复杂深井JFS钻井岩屑改性制备烧结砖不仅解决了JFS钻井岩屑处置的难题，避免了传统岩屑处置方式面临的环境风险，同时，本发明简单易推广，生产出的烧结砖符合国家标准的建材性能及环境性能。
综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。
Claims (3)
1.一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1. 将复杂深井JFS钻井岩屑在200℃～300℃的温度下煅烧40min～60min，进行预烧处理；其中，所述复杂深井JFS钻井岩屑为油气田开采钻井过程中产生的JFS钻井废弃物经过固化处理后的JFS钻井岩屑；
S2. 将预烧处理后的JFS钻井岩屑与内燃材料、页岩混合后进行破碎并过筛，得到制砖原料混合物；其中，JFS钻井岩屑、内燃材料及页岩的混合比例为15～40：10～25：30～60，所述内燃材料为煤或煤矸石或两者的混合物；
S3. 往制砖原料混合物中加入10%～13%的水、质量百分比为0.2%～0.6%的改性剂和质量百分比为5%～10%的补强材料，并进行充分搅拌，使均匀化；其中，所述改性剂为木质素磺酸钙、氧化剂和磷渣的混合物，木质素磺酸钙、氧化剂和磷渣的混合比例为40～65：10～25：9～25；所述补强材料为硅酸钠、二氧化硅和硅石粉的混合物，硅酸钠、二氧化硅和硅石粉的混合比例为45～65：30～45：15～35；
S4. 制作烧结砖湿胚；分批进行干燥，干燥24h后，输送至隧道窑中，在1000～1200℃的温度下烧结15～20h，冷却后得到烧结砖制品。
2.根据权利要求1所述的一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，其特征在于：所述复杂深井JFS钻井岩屑是利用隧道窑余热进行预烧处理。
3.根据权利要求1所述的一种利用复杂深井JFS钻井岩屑制备烧结砖的方法，其特征在于：所述步骤S2中的破碎具体指：先利用双齿式破碎机进行初次破碎，再利用锤式破碎机进行深度破碎；过筛具体指：进行过2mm筛，得到粒径不超过2mm的制砖原料混合物。
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