页岩气钻井水基岩屑制备烧结砖工艺研究
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【摘 要】页岩气开发已成为天然气开发的重要组成部分，川南某页岩气田作为近年来发现的大型页岩气田，具有极高的勘探开发及科研价值，由于该气田地处山区，自然环境脆弱，钻井产生的大量水基岩屑难以安全环保的妥善处置。本文探讨了水基岩屑烧结制成品砖的可行性，采用合理的工艺技术，可将水基岩屑进行烧结砖妥善处理，降低安全环保风险。
【关键词】页岩气;水基岩屑;自然环境;成品砖
中图分类号： X741 文献标识码： A 文章编号： 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
川南某页岩气矿在川南地区从事页岩气勘探开发工作，由于采用平台式钻井模式，随着平台钻井的进行，钻井过程中产生的水基钻屑通过固化治理后进入井场填埋池。由于填埋池容积有限，钻井平台填埋池无法满足岩屑存放，影响后期钻井工作的继续开展，需要将填埋池内的水基钻井固化体进行最终处置，以腾出有效空间存放下步钻井产生的水基固化体。
1 工艺技术选择
当前，各大油气田针对水基废泥浆（钻屑）的处理方式有三种方式：
一是现场随钻治理后安全填埋。这种方式需要在井场修建足够容积的填埋池，钻井过程中产生的水基废泥浆（钻屑）首先进入池内暂存，达到一定量后进行固化治理，固化体经监测合格后进行填埋池封盖。
二是建设集中处理场进行集中治理，固化体监测合格后转运至专业的固体废物填埋场进行集中填埋。该方式一次性投资较大，需要钻井井位相对集中，缩短运输距离，且在井区内建设有集中处理场和填埋池。
三是在现场进行固化治理，固化体经监测合格后进行激活处理后制备烧结砖。该方式能彻底解决固化体的最终处置问题，节约征地，并实现固化体资源化利用。
由于川南地区地处山区，生态环境脆弱，无条件在井场周边扩大征地建设填埋池对固化体进行填埋，故采用激活处理制砖是解决固化体最终处置的最佳方式。
2 工艺技术思路
烧结普通砖主要采用页岩等粘土类矿物作为原料，烧结砖的许多重要的物料性质如可塑性、强度等都取决于粘土矿物的成分，只有在粘土中含有一定比例的高岭石、蒙脱石、水云母（伊利石）或相似组分时，此种粘土才适合制备烧结砖。
水基废泥浆（钻屑）中粘土的成分由于固化处理发生了较大的变化，一些新增组份降低了废泥浆（钻屑）原有的活性，其大部分组份在高温烧结过程中都变成瘠性材料，对烧结强度很不利，烧结后的砖制品强度很低或者没有强度，因此不能满足直接烧结砖的要求。
水基固化体综合利用（制备烧结砖）技术是指向水基固化体中投加激活处理剂进行激活处理，调节固化体的矿物组成和化学组分，从而提高固其烧结活性，使激活处理后的固化体能够满足烧结砖制备的条件要求，能够作为烧结砖原料使用。通过烧结工艺，达到降解减低固化体中有机物、石油类等污染指标，同时稳定固化体中的各类离子态污染物。该技术为国家发明专利技术，（专利号：ZL 2006 1 0021077.2），且通过四川省科技厅组织进行的科技成果鉴定，建议大力推广该技术，解决油气田勘探开发过程中水基固化体最终处置问题。
3 工艺技术原理
根据前期实验分析，钻井固废物之所以不能完全满足烧结砖需要的根本原因有两个，一是钻井固废物本身有效成分含量偏低，二是由于传统固化劑的使导致引入部分瘠性材料，致使成分发生变化，进而更加降低了有效成分含量。因而激活处理的基本原理就在于根据钻井固废物的实际成分情况，向原料中补充利于烧结砖制备的有效成分，同时对引入的部分瘠性材料进行激活处理，提高物料活性，增加原料中有效成分的含量比例，使之能够满足烧结制砖的原料要求。
通常激发物质活性的方法有两种：环境法和化学法。
环境法激发物质的活性机理：在强酸（一般H2SO4、HNO3、H3PO4）或强碱（一般为Ca（OH）2、NaOH、KOH）的环境下破坏原有物质的分子结构组成。但由于固体废弃物浸出液监测指标中规定pH值在6-9之间，因此环境法不适合用来激发废弃钻井液的潜在活性。 化学法是激发物质潜在活性的重要方法之一。由于固体废弃物中含大量的具有潜在活性的SiO2，所以激发的关键是使Si-O。在少量OH-的作用下废弃钻井液体系表面Si-O键断裂，Si-O-Al网络聚合度降低，对Si-O和Al-O键的破坏作用越强。
激活反应主要是在少量的OH-的作用下，部分网络状铝硅酸盐的玻璃体结构解体，并与固体废弃物中的少量钙离子生成水化硅酸钙和水化硅酸铝钙等胶凝性产物，然后在水化硅酸钙和水化硅酸铝钙等胶凝性产物和固废中的氢氧根离子侵蚀下，硅氧四面体和铝氧四面体发生了网络解聚，四面体自由度逐渐增加，直至Si-O-Si键和Al-O-Al键断裂，激活剂通过水化和其他离子的作用下，成为激发钻井固体废弃物潜在活性的改性剂，促使原有网络解聚。部分水化，铝酸钙与少量的硫酸钙反应生成了Aft相，并形成纤维状或网络状包裹层，其紧密度要小于水化硅酸钙层，这样有利于少量的钙离子扩散到固体废弃物体系内部，与内部活性物质SiO2、Al2O3反应，同时硫酸根、铝酸根也能置换出C-S-H凝胶中的部分硅酸根离子，被置换出的硅酸根在外层又与Ca2+作用生成C-S-H，使活性激发又得以继续进行;同时硅酸根的存在又促进活性三氧化二铝的溶出;并且硅酸根还可以吸附于玻璃体表面铝离子网络中间体活化点上，使Si-O和Al-O键断裂。
4 工艺流程
4.1 预处理
水基钻井固化体掺杂有大小不等的砾石、建筑垃圾及塑料等废弃物，湿度大，且pH值较高。激活处理前需要进行人工检选，捡出固化体中大的砾石，建筑垃圾，尤其是塑料制品。因这些杂质影响砖的胶结，甚至使砖松散不能成型。针对湿度大，含水率高的固化体，需要进行晾晒或干燥处理，使含水率控制在45%-55%，以便下步研磨成粉。
4.2 激活处理
激活处理作为工艺的核心单元，关系到最终处理质量是否合格，因此做好激活处理是项目实施成败的关键。根据试验配方向固化体投加激活处理剂，利用装载机进行搅拌，须保证搅拌均匀，每次搅拌时间不得少于30分钟，并保证2小时以上的激活反应时间。
4.3 砖坯制作
经激活处理后的固化体进入内燃煤混合工序，按烧结砖工艺要求比例添加内燃煤，并搅拌均匀。然后进入双齿式破碎机进行初次破碎，破碎粒径小于100mm。破碎后的物料在通过皮带运输到锤式破碎机进行深度破碎，最终粒径小于3mm。破碎完成后的物料传送到练泥机中，加水进行搅拌、捏合、匀化。控制含水率在22%左右。
经练泥机后，通过皮带输送至螺旋挤压机中成型，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，切成标准烧结砖尺寸，成型水分18-25%。
制作完成的生坯分批次进入干燥室，干燥温度约80度，干燥时间为8-12小时。
4.4 烧制
按普通内燃砖烧制方法，经烘干、入窑烧制、出窑分选等一系列制砖工艺后烧制成红砖。
1）烘干阶段：烘干可以使砖坯中的自由水逐渐脱去，坯体颗粒彼此紧缩靠拢，这样可以消除或减少水分急剧蒸发引起的热膨胀破坏作用。一般是在95℃—100℃的湿热条件下。降温时一定要控制降温的速度，每30min的降温不宜超过10℃。因为快速降温，将导致砖体表里之间产生温差应力，使表层受拉，易形成微裂纹。普通页岩砖的烘干时间为12小时左右。
2）入窑烧制：烧结砖的烧结温度在900-1100℃左右，烧成时间为30-36小时。
5 结论
页岩气钻井水基钻井固化体综合治理利用技术通过引入激活工艺和热处理工艺，能够完全实现固化体的无害化，并将水基钻井固化体制烧结砖，彻底解决最终处置问题，同时实现废弃物综合利用，在实现环保治理的同时，也实现了资源化利用。烧结砖可由砖厂直接销售投放市场。
【参考文献】
[1]万书宇，谢昆，胡恒.水基钻屑制备烧结砖技术研究及应用[J].油气田环境保护，2018，28（05）：26-29+65.
[2]沈曉莉，杨金忠，徐天有.典型地区油气田水基钻井岩屑污染特征研究[J].环境污染与防治，2017，39（5）：480-483.
[3]牟长清，徐遵宏，蒋明，王赢.岩屑甩干机在水基钻井液中应用[J].化工管理，2018，502（31）：213-214.
[4]王朝强，梅绪东，张春.页岩气水基钻屑制备烧结砖性能研究[J].非金属矿，2018，v.41;No.248（03）：49-51.
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