WO2021143549A1 - 一种磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉，所述干凝粉由硅酸钙、活性炭或石墨粉、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸盐、氧化镁、纳米吸附剂和催化剂组成。用以针对磺化泥浆钻屑进行无害化处理，可将磺化泥浆钻屑无害化、干燥化、环保资源化；处理的泥浆、钻屑可用于制作建材原料或筑路材料，也可用于种植观赏植物。

Description

一种磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉及其制备方法 技术领域
本发明涉及钻井废弃物无害化处理技术领域，具体涉及一种磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉及其制备方法。
背景技术
钻井水基泥浆钻屑是油井、页岩气井开采过程中产生的固体污染物，它是一种含有酚类化合物及重金属的复杂多相体系。这些钻井废弃物含有大量的化学助剂(烃类、盐类、各种聚合物、表面活性剂、有机处理剂及碱类物质等)、污水、钻屑、重金属(如汞、铜、砷、铬、锌、铅及重晶石中的杂质)等有害物质，具有毒性强、污染性强及处理费用高的问题。
其主要污染物成分来自钻井过程中所使用的钻井液添加剂。其中使用磺化泥浆添加剂体系的钻井过程所产生的钻井泥浆钻屑，称为磺化泥浆钻屑。由于磺化泥浆添加剂的有机结构中含有高水溶性的阴离子基团，该类磺化泥浆钻屑经过多次混凝也不能达标排放。
现有技术中，本领域技术人员为解决上述技术问题所采用的方案为，集中贮存、安全填埋、压滤固液分离(固体梵烧及污水处理)等方法，用于对水基磺化泥浆钻屑的无害化处理。但是，集中贮存和安全填埋只是暂时对污染物进行了封闭和隔离，并未完全消除污染物，存在泄漏和游离状重金属飘游等安全隐患。梵烧及污水处理工艺设备投资大，运行成本高，处理量又小，并且占地面积大，增加了企业成本。
如果对其不进行安全的无害化处理或处理不当，会对其周边的土壤、植被、地表水和地下水造成严重的污染，尤其是其中的重金属及其化合物，可以长期积累于水环境或生物中，给人类生活带来极大的危害，势必要对生态环境造成持续的、甚至是不可挽回的严重破坏。
目前油气田每年产生的废弃水基磺化泥浆钻屑上千万吨，处理成本又非常高，所以研发一种简易的无害化、资源化的废弃水基磺化泥浆钻屑处理新工艺、新方法，对于废弃物循环开发利用、改善当地环境、污染物无害化、资源化治理具有十分重要意义。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉，用以针对磺化泥浆钻屑进行无害化处理。通过组分的选择和各组分含量的调节，使得所述干凝粉能够直接用于磺化泥浆钻屑无害化处理，用量少，处理效果好。本发明可将磺化泥浆钻屑无害化、干燥化、环保资源化；处理的泥浆、钻屑可用于制作建材原料或筑路材料，也可用于种植观赏植物。本发明实施例还提供了所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉的制备方法。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉，所述干凝粉由硅酸钙、活性炭或石墨粉、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸盐、氧化镁、纳米吸附剂和催化剂组成，其质量比为(20-40)∶(5-15)∶(3-7)∶(20-40)∶(7-13)∶(2-4)∶(6-10)∶(3-5)∶(0.03-0.07)。
进一步的，所述硅酸钙、活性炭或石墨粉、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸盐、氧化镁、纳米吸附剂和催化剂的质量比为(25-35)∶(3-13)∶(4-6)∶(26-34)∶(8-12)∶(2.5-3.5)∶(7-9)∶(3.5-4.5)∶(0.04-0.06)。
进一步的，所述交联木质素磺酸盐为交联木质素磺酸钠或交联木质素磺酸钙或交联木质素磺酸铵，优选交联木质素磺酸钠。
进一步的，所述交联木质素磺酸盐通过以木质素磺酸盐为原料，环氧氯丙烷或甲醛为交联剂进行交联得到。所述交联剂优选为环氧氯丙烷。
木质素磺酸盐(LS)来源广泛，例如可以来自于造纸工业的副产物，其分子中存在大量芳香结构和羟基、磺酸基及甲氧基等极性基团，通过适当的交联剂和交联方法，例如采用反相乳液聚合法和溶液聚合法，制备的交联木质素磺酸盐聚合物材料具有吸附金属离子例如重金属离子和有机物的作用。本发明技术方案中采用例如环氧氯丙烷作为交联剂对木质素磺酸盐进行交联改性，使得得到的材料尤其适用于作为处理油基磺化泥浆钻屑的有效成分；并同其他成分结合并调整含量配比，可以达到理想的无害化处理效果。
进一步的，所述纳米吸附剂为纳米结构硅基材料。具体可以包括SiO 2气凝胶、多孔性SiO 2纳米粒子、硅纳米管等。
由于纳米结构硅基材料比表面大、表面能量高、化学反应活性大，可与聚合物基体发生界面反应，并具有超强的吸附性能。本发明技术方案中采用纳米结构硅基材料作为吸附剂，并同其他成分如交联木质素磺酸盐、活性炭或石墨粉等相结合，可以有效吸附和固化磺化泥浆钻屑中对环境有害的成分。另外，使用纳米 吸附剂还能对吸附固化后的产物起到增强、增韧的作用，提高无害化处理的效果。
进一步的，所述催化剂为对甲基苯磺酸盐，优选碱土金属对甲基苯磺酸盐。所述对甲基苯磺酸盐例如可以包括对甲基苯磺酸钠、对甲基苯磺酸钾、对甲基苯磺酸钙、对甲基苯磺酸钡等，但不限于此。
在一个优选实施方案中，所述硅酸钙、活性炭或石墨粉、偏硅酸锂和氢氧化钙的质量比为3∶1∶3∶1。此四种成分作为所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉的主体成分，构成无害化处理的胶凝主体。当上述四种成分为所述比例时，能够取得胶凝固化效果和反应速度及成本的最佳平衡。
在一个优选实施方案中，所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉过200～600目筛。粒度控制的目的在于调节对磺化泥浆钻屑无害化处理时的反应速度，并在制备成本和处理效果之间取得较佳平衡。
本发明实施例的另一个方面还提供了所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉的制备方法，所述方法包括下列步骤：
(1)按质量配比分别称量硅酸钙、活性炭或石墨粉、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸盐、氧化镁、纳米吸附剂和催化剂，备用；
(2)将硅酸钙、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙和氧化镁混合并搅拌均匀，获得第一混合物；
(3)向所述第一混合物中依次加入活性炭或石墨粉、交联木质素磺酸盐和催化剂，混合并搅拌均匀，获得第二混合物；其中每加入一种成分混合均匀后再加入另一种成分；
(4)向所述第二混合物中加入纳米吸附剂，混合并搅拌均匀，获得所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉。
进一步的，步骤(2)中混合温度为40℃～50℃，搅拌转速为1000～3000转/min，混合时间为30min～60min；
步骤(3)中混合温度为30℃～40℃，搅拌转速为800～1500转/min，混合时间为20min～30min；
步骤(4)中混合温度为20℃～30℃，搅拌转速为600～800转/min，混合时间为15min～20min。
本发明实施例的另一个方面还提供了所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉的使用方法，包括：将磺化泥浆钻屑与所述干凝粉按(800～1200)∶1的质量比混合均匀，然后静置24～36小时；其中所述磺化泥浆钻屑的含水率控制在12％～15％。
本发明可将磺化泥浆钻屑无害化、干燥化、环保资源化。其中通过干凝粉各组分的吸附、固化、胶凝作用，可以将泥浆钻屑中的金属离子和有机物吸附、分解和固化，并通过胶凝作用封闭起来。静置处理后，所得产物中金属离子24小时水浸出率小于0.01％，其中重金属离子24小时水浸出率小于0.001％；有机物包括烃类、VoC类及各种聚合物的24小时水浸出率小于0.005％。处理的泥浆、钻屑可用于制作建材原料或筑路材料，也可用于种植观赏植物。
本发明实施例具有如下优点：
1、本发明产品为干粉状，制备方便、成本低；便于储存和运输；在钻井现场施工方便，便于一体化生产；处理后的泥浆钻屑既可以回填，也可以外运以用于建筑等其它用途。
2、将磺化泥浆钻屑无害化、干燥化、环保资源化；处理的泥浆、钻屑可用于制作建材原料或筑路材料，也可用于种植观赏植物。
3、操作简单，使用方便，处理效果好，满足无害化处理的环保要求。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例中所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉由硅酸钙、活性炭、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸钠、氧化镁、SiO 2气凝胶和对甲基苯磺酸钙组成，其质量比为30∶10∶5∶30∶10∶3∶8∶4∶0.05。所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉过600目筛.
所述干凝粉的制备方法包括：
(1)按质量配比分别称量硅酸钙、活性炭、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸盐、氧化镁、纳米吸附剂和催化剂，备用；
(2)将硅酸钙、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙和氧化镁混合并搅拌均匀，获得第一混合物；其中混合温度为45℃，搅拌转速为2000转/min，混合时间为50min；
(3)向所述第一混合物中依次加入活性炭、交联木质素磺酸盐和催化剂，混合并搅拌均匀，获得第二混合物；其中每加入一种成分混合均匀后再加入另一种成分；其中混合温度为35℃，搅拌转速为1200转/min，混合时间为25min；
(4)向所述第二混合物中加入纳米吸附剂，混合并搅拌均匀，获得所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉；其中混合温度为25℃，搅拌转速为800转/min，混合时间为15min。
实施例2
本实施例中所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉由硅酸钙、活性炭、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸钠、氧化镁、多孔性SiO 2纳米粒子和对甲基苯磺酸钡组成，其质量比为27∶9∶4∶30∶10∶2.5∶7∶3.5∶0.04。所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉过500目筛。
其制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例中所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉由硅酸钙、活性炭、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸钙、氧化镁、SiO 2气凝胶和对甲基苯磺酸钠组成，其质量比为33∶11∶6∶30∶10∶3.5∶9∶4.5∶0.06。所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉过400目筛。
其制备方法同实施例1。
实施例4
本实施例中所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉由硅酸钙、活性炭、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸钙、氧化镁、多孔性SiO 2纳米粒子和对甲基苯磺酸钡组成，其质量比为24∶7∶4∶26∶7∶2∶6∶3∶0.03。所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉过500目筛。
其制备方法同实施例1。
实施例5
本实施例中所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉由硅酸钙、活性炭、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸钠、氧化镁、SiO 2气凝胶和对甲基苯磺酸钾组成，其质量比为34∶13∶6∶34∶13∶4∶10∶5∶0.07。所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉过500目筛。
其制备方法同实施例1。
实验例
对某油田钻井油基磺化泥浆钻屑采用本发明技术的无害化处理干凝粉进行处理，其中每1吨泥浆钻屑控制含水率在12％，取5份所述泥浆钻屑，并分别掺入实施例1-5的干凝粉1kg，混合均匀后静置36小时。
通过分别取实施例1-5的干凝粉处理后的泥浆钻屑1千克，浸入20℃水中24小时，测量浸出金属离子、重金属离子和有机物的含量并根据未处理的泥浆钻屑中所含相应成分含量来计算浸出比例，结果见下表1。
表1磺化泥浆钻屑无害化处理后产物中有害物质浸出比例
  金属离子％ 重金属离子％ 有机物类％
实施例1处理 0.002％ 0.0005％ 0.002％
实施例2处理 0.005％ 0.0006％ 0.003％
实施例3处理 0.003％ 0.0005％ 0.002％
实施例4处理 0.008％ 0.0007％ 0.005％
实施例5处理 0.006％ 0.0007％ 0.004％
由表1可见，通过使用本发明实施例1-5所得干凝粉对磺化泥浆钻屑进行无害化处理所得产物中金属离子24小时水浸出率小于0.01％，其中重金属离子24小时水浸出率小于0.001％；有机物包括烃类、VoC类及各种聚合物的24小时水浸出率小于0.005％。处理的泥浆、钻屑可用于制作建材原料或筑路材料，也可用于种植观赏植物。
此技术经过研究和实践，大胆改变传统的处理方法，本着无害化、资源化的方向，成功的开发了磺化泥浆钻屑干凝剂，可对石油钻井废弃物实现无害化、资源化利用。各项指标满足环保要求。对于保护环境，保障石油工业长期稳定发展，实现人类社会可持续发展具有非常重要的意义。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例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 (10)

  1. 一种磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉，其特征在于，所述干凝粉由硅酸钙、活性炭或石墨粉、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸盐、氧化镁、纳米吸附剂和催化剂组成，其质量比为(20-40)∶(5-15)∶(3-7)∶(20-40)∶(7-13)∶(2-4)∶(6-10)∶(3-5)∶(0.03-0.07)。
  2. 根据权利要求1所述的干凝粉，其特征在于，所述硅酸钙、活性炭或石墨粉、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸盐、氧化镁、纳米吸附剂和催化剂的质量比为(25-35)∶(3-13)∶(4-6)∶(26-34)∶(8-12)∶(2.5-3.5)∶(7-9)∶(3.5-4.5)∶(0.04-0.06)。
  3. 根据权利要求1或2所述的干凝粉，其特征在于，所述交联木质素磺酸盐为交联木质素磺酸钠或交联木质素磺酸钙或交联木质素磺酸铵。
  4. 根据权利要求3所述的干凝粉，其特征在于，所述交联木质素磺酸盐通过以木质素磺酸盐为原料，环氧氯丙烷或甲醛为交联剂进行交联得到。
  5. 根据权利要求1或2所述的干凝粉，其特征在于，所述纳米吸附剂为纳米结构硅基材料，包括SiO 2气凝胶、多孔性SiO 2纳米粒子或硅纳米管。
  6. 根据权利要求1或2所述的干凝粉，其特征在于，所述催化剂为对甲基苯磺酸盐。
  7. 根据权利要求1或2所述的干凝粉，其特征在于，所述硅酸钙、活性炭或石墨粉、偏硅酸锂和氢氧化钙的质量比为3∶1∶3∶1。
  8. 根据权利要求1或2所述的干凝粉，其特征在于，所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉过200～600目筛。
  9. 根据权利要求1-8中任一项所述的磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉的制备方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
    (1)按质量配比分别称量硅酸钙、活性炭或石墨粉、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙、交联木质素磺酸盐、氧化镁、纳米吸附剂和催化剂，备用；
    (2)将硅酸钙、无水硫酸钠、偏硅酸锂、氢氧化钙和氧化镁混合并搅拌均匀，获得第一混合物；
    (3)向所述第一混合物中依次加入活性炭或石墨粉、交联木质素磺酸盐和催化剂，混合并搅拌均匀，获得第二混合物；其中每加入一种成分混合均匀后再加入另一种成分；
    (4)向所述第二混合物中加入纳米吸附剂，混合并搅拌均匀，获得所述磺化泥浆钻屑无害化处理干凝粉。
  10. 根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，
    步骤(2)中混合温度为40℃～50℃，搅拌转速为1000～3000转/min，混合时间为30min～60min；
    步骤(3)中混合温度为30℃～40℃，搅拌转速为800～1500转/min，混合时间为20min～30min；
    步骤(4)中混合温度为20℃～30℃，搅拌转速为600～800转/min，混合时间为15min～20min。
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