頁巖氣鉆井水基巖屑制備燒結(jié)磚工藝研究

汪廷洪　李和君　裴恩榆　韓思楷

【摘 要】頁巖氣開發(fā)已成為天然氣開發(fā)的重要組成部分，川南某頁巖氣田作為近年來發(fā)現(xiàn)的大型頁巖氣田，具有極高的勘探開發(fā)及科研價(jià)值，由于該氣田地處山區(qū)，自然環(huán)境脆弱，鉆井產(chǎn)生的大量水基巖屑難以安全環(huán)保的妥善處置。本文探討了水基巖屑燒結(jié)制成品磚的可行性，采用合理的工藝技術(shù)，可將水基巖屑進(jìn)行燒結(jié)磚妥善處理，降低安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

【關(guān)鍵詞】頁巖氣;水基巖屑;自然環(huán)境;成品磚

中圖分類號(hào)： X741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）28-0243-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.113

【Abstract】Shale gas development has become an important part of natural gas development.As a large-scale shale gas field discovered in recent years，a shale gas field in southern Sichuan has very high exploration and development and scientific research value.Because the gas field is located in a mountainous area and the natural environment is fragile，a large number of water-based cuttings produced by drilling are difficult to be disposed of safely and environmentally.In this paper，the feasibility of sintered bricks from water-based rock debris is discussed.By adopting reasonable technology，the water-based rock debris can be properly treated to reduce the safety and environmental protection.

【Key words】Shale gas;Water-based cuttings;Natural environment;Finished brick

0 前言

川南某頁巖氣礦在川南地區(qū)從事頁巖氣勘探開發(fā)工作，由于采用平臺(tái)式鉆井模式，隨著平臺(tái)鉆井的進(jìn)行，鉆井過程中產(chǎn)生的水基鉆屑通過固化治理后進(jìn)入井場(chǎng)填埋池。由于填埋池容積有限，鉆井平臺(tái)填埋池?zé)o法滿足巖屑存放，影響后期鉆井工作的繼續(xù)開展，需要將填埋池內(nèi)的水基鉆井固化體進(jìn)行最終處置，以騰出有效空間存放下步鉆井產(chǎn)生的水基固化體。

1 工藝技術(shù)選擇

當(dāng)前，各大油氣田針對(duì)水基廢泥漿（鉆屑）的處理方式有三種方式：

一是現(xiàn)場(chǎng)隨鉆治理后安全填埋。這種方式需要在井場(chǎng)修建足夠容積的填埋池，鉆井過程中產(chǎn)生的水基廢泥漿（鉆屑）首先進(jìn)入池內(nèi)暫存，達(dá)到一定量后進(jìn)行固化治理，固化體經(jīng)監(jiān)測(cè)合格后進(jìn)行填埋池封蓋。

二是建設(shè)集中處理場(chǎng)進(jìn)行集中治理，固化體監(jiān)測(cè)合格后轉(zhuǎn)運(yùn)至專業(yè)的固體廢物填埋場(chǎng)進(jìn)行集中填埋。該方式一次性投資較大，需要鉆井井位相對(duì)集中，縮短運(yùn)輸距離，且在井區(qū)內(nèi)建設(shè)有集中處理場(chǎng)和填埋池。

三是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行固化治理，固化體經(jīng)監(jiān)測(cè)合格后進(jìn)行激活處理后制備燒結(jié)磚。該方式能徹底解決固化體的最終處置問題，節(jié)約征地，并實(shí)現(xiàn)固化體資源化利用。

由于川南地區(qū)地處山區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，無條件在井場(chǎng)周邊擴(kuò)大征地建設(shè)填埋池對(duì)固化體進(jìn)行填埋，故采用激活處理制磚是解決固化體最終處置的最佳方式。

2 工藝技術(shù)思路

燒結(jié)普通磚主要采用頁巖等粘土類礦物作為原料，燒結(jié)磚的許多重要的物料性質(zhì)如可塑性、強(qiáng)度等都取決于粘土礦物的成分，只有在粘土中含有一定比例的高嶺石、蒙脫石、水云母（伊利石）或相似組分時(shí)，此種粘土才適合制備燒結(jié)磚。

水基廢泥漿（鉆屑）中粘土的成分由于固化處理發(fā)生了較大的變化，一些新增組份降低了廢泥漿（鉆屑）原有的活性，其大部分組份在高溫?zé)Y(jié)過程中都變成瘠性材料，對(duì)燒結(jié)強(qiáng)度很不利，燒結(jié)后的磚制品強(qiáng)度很低或者沒有強(qiáng)度，因此不能滿足直接燒結(jié)磚的要求。

水基固化體綜合利用（制備燒結(jié)磚）技術(shù)是指向水基固化體中投加激活處理劑進(jìn)行激活處理，調(diào)節(jié)固化體的礦物組成和化學(xué)組分，從而提高固其燒結(jié)活性，使激活處理后的固化體能夠滿足燒結(jié)磚制備的條件要求，能夠作為燒結(jié)磚原料使用。通過燒結(jié)工藝，達(dá)到降解減低固化體中有機(jī)物、石油類等污染指標(biāo)，同時(shí)穩(wěn)定固化體中的各類離子態(tài)污染物。該技術(shù)為國(guó)家發(fā)明專利技術(shù)，（專利號(hào)：ZL 2006 1 0021077.2），且通過四川省科技廳組織進(jìn)行的科技成果鑒定，建議大力推廣該技術(shù)，解決油氣田勘探開發(fā)過程中水基固化體最終處置問題。

3 工藝技術(shù)原理

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)分析，鉆井固廢物之所以不能完全滿足燒結(jié)磚需要的根本原因有兩個(gè)，一是鉆井固廢物本身有效成分含量偏低，二是由于傳統(tǒng)固化劑的使導(dǎo)致引入部分瘠性材料，致使成分發(fā)生變化，進(jìn)而更加降低了有效成分含量。因而激活處理的基本原理就在于根據(jù)鉆井固廢物的實(shí)際成分情況，向原料中補(bǔ)充利于燒結(jié)磚制備的有效成分，同時(shí)對(duì)引入的部分瘠性材料進(jìn)行激活處理，提高物料活性，增加原料中有效成分的含量比例，使之能夠滿足燒結(jié)制磚的原料要求。

通常激發(fā)物質(zhì)活性的方法有兩種：環(huán)境法和化學(xué)法。

環(huán)境法激發(fā)物質(zhì)的活性機(jī)理：在強(qiáng)酸（一般H2SO4、HNO3、H3PO4）或強(qiáng)堿（一般為Ca（OH）2、NaOH、KOH）的環(huán)境下破壞原有物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)組成。但由于固體廢棄物浸出液監(jiān)測(cè)指標(biāo)中規(guī)定pH值在6-9之間，因此環(huán)境法不適合用來激發(fā)廢棄鉆井液的潛在活性。

化學(xué)法是激發(fā)物質(zhì)潛在活性的重要方法之一。由于固體廢棄物中含大量的具有潛在活性的SiO2，所以激發(fā)的關(guān)鍵是使Si-O。在少量OH-的作用下廢棄鉆井液體系表面Si-O鍵斷裂，Si-O-Al網(wǎng)絡(luò)聚合度降低，對(duì)Si-O和Al-O鍵的破壞作用越強(qiáng)。

激活反應(yīng)主要是在少量的OH-的作用下，部分網(wǎng)絡(luò)狀鋁硅酸鹽的玻璃體結(jié)構(gòu)解體，并與固體廢棄物中的少量鈣離子生成水化硅酸鈣和水化硅酸鋁鈣等膠凝性產(chǎn)物，然后在水化硅酸鈣和水化硅酸鋁鈣等膠凝性產(chǎn)物和固廢中的氫氧根離子侵蝕下，硅氧四面體和鋁氧四面體發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)解聚，四面體自由度逐漸增加，直至Si-O-Si鍵和Al-O-Al鍵斷裂，激活劑通過水化和其他離子的作用下，成為激發(fā)鉆井固體廢棄物潛在活性的改性劑，促使原有網(wǎng)絡(luò)解聚。部分水化，鋁酸鈣與少量的硫酸鈣反應(yīng)生成了Aft相，并形成纖維狀或網(wǎng)絡(luò)狀包裹層，其緊密度要小于水化硅酸鈣層，這樣有利于少量的鈣離子擴(kuò)散到固體廢棄物體系內(nèi)部，與內(nèi)部活性物質(zhì)SiO2、Al2O3反應(yīng)，同時(shí)硫酸根、鋁酸根也能置換出C-S-H凝膠中的部分硅酸根離子，被置換出的硅酸根在外層又與Ca2+作用生成C-S-H，使活性激發(fā)又得以繼續(xù)進(jìn)行;同時(shí)硅酸根的存在又促進(jìn)活性三氧化二鋁的溶出;并且硅酸根還可以吸附于玻璃體表面鋁離子網(wǎng)絡(luò)中間體活化點(diǎn)上，使Si-O和Al-O鍵斷裂。

4 工藝流程

4.1 預(yù)處理

水基鉆井固化體摻雜有大小不等的礫石、建筑垃圾及塑料等廢棄物，濕度大，且pH值較高。激活處理前需要進(jìn)行人工檢選，撿出固化體中大的礫石，建筑垃圾，尤其是塑料制品。因這些雜質(zhì)影響磚的膠結(jié)，甚至使磚松散不能成型。針對(duì)濕度大，含水率高的固化體，需要進(jìn)行晾曬或干燥處理，使含水率控制在45%-55%，以便下步研磨成粉。

4.2 激活處理

激活處理作為工藝的核心單元，關(guān)系到最終處理質(zhì)量是否合格，因此做好激活處理是項(xiàng)目實(shí)施成敗的關(guān)鍵。根據(jù)試驗(yàn)配方向固化體投加激活處理劑，利用裝載機(jī)進(jìn)行攪拌，須保證攪拌均勻，每次攪拌時(shí)間不得少于30分鐘，并保證2小時(shí)以上的激活反應(yīng)時(shí)間。

4.3 磚坯制作

經(jīng)激活處理后的固化體進(jìn)入內(nèi)燃煤混合工序，按燒結(jié)磚工藝要求比例添加內(nèi)燃煤，并攪拌均勻。然后進(jìn)入雙齒式破碎機(jī)進(jìn)行初次破碎，破碎粒徑小于100mm。破碎后的物料在通過皮帶運(yùn)輸?shù)藉N式破碎機(jī)進(jìn)行深度破碎，最終粒徑小于3mm。破碎完成后的物料傳送到練泥機(jī)中，加水進(jìn)行攪拌、捏合、勻化。控制含水率在22%左右。

經(jīng)練泥機(jī)后，通過皮帶輸送至螺旋擠壓機(jī)中成型，成型壓力為2MPa，經(jīng)機(jī)口擠出后成型為條形生坯，通過切坯機(jī)進(jìn)行切坯，切成標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)磚尺寸，成型水分18-25%。

制作完成的生坯分批次進(jìn)入干燥室，干燥溫度約80度，干燥時(shí)間為8-12小時(shí)。

4.4 燒制

按普通內(nèi)燃磚燒制方法，經(jīng)烘干、入窯燒制、出窯分選等一系列制磚工藝后燒制成紅磚。

1）烘干階段：烘干可以使磚坯中的自由水逐漸脫去，坯體顆粒彼此緊縮靠攏，這樣可以消除或減少水分急劇蒸發(fā)引起的熱膨脹破壞作用。一般是在95℃—100℃的濕熱條件下。降溫時(shí)一定要控制降溫的速度，每30min的降溫不宜超過10℃。因?yàn)榭焖俳禍兀瑢?dǎo)致磚體表里之間產(chǎn)生溫差應(yīng)力，使表層受拉，易形成微裂紋。普通頁巖磚的烘干時(shí)間為12小時(shí)左右。

2）入窯燒制：燒結(jié)磚的燒結(jié)溫度在900-1100℃左右，燒成時(shí)間為30-36小時(shí)。

5 結(jié)論

頁巖氣鉆井水基鉆井固化體綜合治理利用技術(shù)通過引入激活工藝和熱處理工藝，能夠完全實(shí)現(xiàn)固化體的無害化，并將水基鉆井固化體制燒結(jié)磚，徹底解決最終處置問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢棄物綜合利用，在實(shí)現(xiàn)環(huán)保治理的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了資源化利用。燒結(jié)磚可由磚廠直接銷售投放市場(chǎng)。

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