废弃钻井液的固化烧结与再利用研究.pdf

第2 8 卷 第 1 期 2 0 1 1年1月 钻井液与完井液 DRI LLJ NG FLUI D C0M PLETI ON FLUI D V_o 1 ． 2 8 N0 ．1 J a n．2 0l 1 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 1 0 1 0 0 6 6 0 3 废弃钻井液的固化烧结与再利用研究 潘 宝风 ， 兰林 ， 李 尚贵， 杨兵， 孙勇 中石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳 摘 要为解决废弃钻 井液 的污染问题，采用化学滴定 法分析 了废弃钻 井液 化学组成 ，开发 出 了由硅酸盐水 泥、 高铝水泥 、页岩组成的固化剂，并研 究了固化物 的性能。然后采用 热能差值 分析 法研 究 了温度对废弃钻 井液 固化 物 的影响，形成 了烧结制度 ，并进 行 了烧结 实验。最后利用 x 射线衍射 、扫描 电镜等手段进 一步探讨 了废弃钻井 液 固化及烧结机理。结果表 明，固化剂能够水 化生成 c ～s H凝胶和水化铝酸钙等水 化产 物并形成网络结构 ，对 废弃钻井液具有良好的快速固化效果。 根据特定的烧结制度， 在高温下废弃钻井液固化物各组分能够发生固相反应， 生成强度等级达到 MU 2 0以上 的高强度烧结砖 ，解决 了废弃钻 井液长期渗漏污染问题。 关键词 废弃钻井液 ； 固化 ； 烧结 ； 环境保护 中图分类号 T E 9 2 3 文献标识码 A 目前 ，对废弃钻井液处理主要是采用固化剂 固 化后进行掩埋 处理 [ 1 -4 ] o但这样 的处理方法很难长 期防止废弃钻井液中有害物质的泄漏污染。 近年来， 科研人员尝实将废弃钻井液制成高温烧结建筑制品 进行二次利用。要达到这种 目的必须满足 2个要求 一 是 固化剂能够迅速将废弃钻井液固化 ； 二是固化 剂与废弃钻井液的固化物能够在高温下发生有利的 物相反应，形成较高的强度。在利用川中地区废弃 钻井液制备烧结制品可行性的研究过程 中，开发出 了新型固化剂，并确定了高温烧结制度 ，解决 了废 弃钻井液的快速固化及固化物的高温烧结问题 ，得 到了高强度的烧结砖 ，开辟 了废弃钻井液再利用的 新途径 。 1 原材料及 实验 设备 密度约为 1 ． 2 4 g ／ c m 的废弃钻井液 ，取 自l l J i I 龙遂井 ； 棕红色页岩，容重 为 1 ． 3 6 g ／ c m3 ，取 自四 川彭州 ； 硅酸盐水泥 、高铝水泥 、破碎页岩 、粉煤 灰 、高炉矿渣等。 D ／ ma x ． I I I A X射线衍射仪 ，化学 滴定法分析仪器 ，T G A／ S DT A8 5 l e 热重 ／ 热差分析 仪 ，L E O ． 4 4 0扫描电镜 ，破碎 、搅拌 、成型 、干燥 及焙烧等设施。 2 实验 及 结果 2 ． 1 废弃钻井液化学组成分析 采用化学滴定法对烘干废弃钻井液样品进行了 成分分析 ，实验中对适宜烧结的烘干页岩也进行 了 相同的分析 ，结果见表 1 。 表 1 废弃钻井液与页岩 的化学组成 项 目 烧失量 ／S i O 2 ／F e 2 O 3 ／ AI 2 O 3 ／ T i O 2 ／C a O ／Mg O ／ ％ ％ ％ ％ ％ ％ ％ 废弃钻井液1 0 ． 6 5 4 ． 9 5 ． 4 1 3 ． 3 0 ． 8 8 ． 2 6 ． 4 页岩 5 ． 8 5 8 ． 6 7 ． 3 1 6 ．4 0 ．6 5 ． 7 5 ．4 从 表 1 可 以看 出，废 弃 钻 井 液 烧 失量 达 到 1 0 ． 6 ％，几乎是页岩烧失量的 2 倍 ，表明了废弃钻 井液 中存在较多 的矿物 油及有机处理剂 ，废弃钻 井液和页岩主要 由 s i 、F e 、Al 等金属氧化物组成 ， 且含量 比较接近 ，这表明废弃钻井液存在可能的潜 基金项 目 中国石化科学技 术研究开发项 目 “ 非渗透钻井液技术推广应用 西南 ” P 0 8 0 3 1 研 究成果。 第一作者简 介 潘 宝风 ，工程师，1 9 7 3年生 ，现在 主要从事 油田 『 匕 学方面的设计和科研 工作。地址 四川省德 阳市龙 泉山北路 2 9 8号 ； 邮政编码 6 1 8 0 0 0； 电话 1 3 5 4 8 2 6 5 0 3 6； E ma i l p b a o n g s i n a ． t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 1期 潘宝风等废弃钻井液的固化烧结与再利用研 究 6 7 在活性 ， 也能够像页岩一样在高温下进行烧结反应 ， 进而形成具有一定强度的烧结制品。 2 ． 2 固化剂配方优化及废弃钻井液固化 根据废弃钻井液的化学组成分析结果 ，选取高 铝水泥 、硅 酸盐水泥 、粉煤灰 、破碎页岩 、高炉矿 渣 为影响 因素，以各组分的不 同掺量为实验水平 ， 并 以固化强度为优化指标 ，进行 了正交设计实验 ， 结 合合理 的烧结理论 分析 ，最终 得到 由硅 酸盐水 泥 、高铝水泥 、页岩组成 的固化剂。将 含量为 3 5 ％ 的固化剂与废弃钻井液充分搅拌 5 mi n ，静置 2 4 h ， 得到失去流动性的固化物 如图 1 所 示 ，充分说 明了固化剂对废弃钻井液的快速同化效果。 图 1 废钻井液同化物 2 ． 3 固化废弃钻 井液 烧结 工艺的确定 采用热能差值分析方法对 固化废弃钻井液进行 了研究 。实验温度为 2 5 ～ 1 1 5 0。 C，升温速率为 l 0。 C／ mi n ，结果如图 2所示 。 }}舞 】 0 O 9 8 9 6 9 4 9 2 9 0 8 8 8 6 ℃ 图 2 废钻井液 固化物 T G ／ DS C分析 曲线 主 杀 剁 由图 2可知 ，2 0 0。 C以下 的质量损 失为 2 ％左 右 ； 2 0 0 ～6 8 0。 C 时失重 曲线平稳下降 ； 7 4 0 o C 附近 差热 曲线有一个 明显的吸热峰 ，6 8 0 ～7 8 0。 C 时失 重 曲线下 降较 快 ； 9 0 0 ～ 1 0 0 0。 C时体 系吸热产生 急剧 的物相反应 ，而质量几乎没有损失 ； 1 0 0 0 ～ 1 1 0 0。 C以上时失重曲线几乎没发生变化 ，固相反 应基本完成。 根据 以上数据分析确定废弃钻井液固化物烧结 温度如下 2 0 ～4 0 0。 C 是干燥与预热阶段 ，主要是 样品排出结合孔隙水 、分子吸附水 、渗附结合水 以 及在含蒙脱石情况下的层问水 ， 发生的是物理变化 ； 4 0 0 ～9 0 0。 C 是加热 阶段 ，样品失去大部分化学结合 水 ； 7 0 0 ～ 1 0 0 0。 C 为烧成 阶段 ，其 中 9 0 0 ～ 1 0 0 0。 C 为恒温阶段 ，以保证充足的反应时间，砖坯在此阶 段形成具有高强度的制品。 2 ． 4废弃钻井液 固化物 的烧 结成型 及制品性能 将 固化 样 品破 碎、搅 拌，利用制砖 机成 型砖 坯，干燥后将砖坯置于砖窑中进行焙烧，在 9 0 0 ～ 1 0 0 0。 C 下保持 3 6 h ，最后得到烧结砖。 根据 G B 5 1 0 1 一l 9 9 8对烧结砖的强度进行 了检 测 ，结果表明烧结砖 的强度等级达到 MU 2 0以上 ， 属优质砖。此外 ， 尺寸偏差 、 外观质量 、 冻融 、 泛霜 、 石灰爆裂也满足国标优等品指标要求。 根据 GB 8 9 7 8 污水综合排放标准 规定 ，对 废弃钻井液固化前后和烧结砖浸出液水质有害物质 的浓度进行 了测定 ，结果如表 2所示 。 表 2 浸 出液水质项 目分 析 由表 2可知 ，废弃钻井液浸出液水质有害物质 浓度均超过 了污水排放的规定 ； 废弃钻井液经 固化 剂固化后有害物质浓度有所降低 ，但仍有部分指标 未达到排放要求 ； 再将废弃钻井液固化物进一步烧 制成砖后 ，其浸出液有害物质 的浓度 已完全符合国 家一级排放标准。表明利用废弃钻井液烧结制砖 的 方法解决了环境污染的问题 ， 达N--次利用的 目的。 3 废 弃钻井 液的固化及烧 结机理分析 3 ． 1 固化机 理分析 为探讨 固化剂对废弃钻井液的固化机理及可能 对烧结砖性能产生 的影响，对废弃钻井液固化前后 样 品进行 了 X R D对 比分析测实 ，结果见 图 4 。从 冈 4可 以看出，硅酸盐水泥和高铝水泥能水化形成 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年1月 C S H凝胶和水化铝酸钙等水化产物。这些水化 产物的均匀分布和相互搭接形成网络结构 ，对废弃 钻井液起到固化作用。 固 化 兰 二 知 ～ 0 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 2 。 图 4 废钻井液固化前后样品的 XR D 3 ． 2 烧 结机理 分析 固化物烧结样品的 x衍射见图 5 ，扫描 电镜分 析结果见图 6 。 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 O 8 5 2 。 固化烧结样品 X R D 曲线 图 6固化烧结样品 S E M 1 0 0 0 倍 结合图 4 ～图 6分析可知 废弃钻井液固化物 中的蒙脱石 、高岭石 、水化硫铝酸钙 、c s H凝 胶等成分在高温下发生了固相反应，高铝水泥中的 A l O 在烧结过程中起到降低烧结物的共熔点 、降 低烧结温度的作用 。另外石英 、长石的衍射峰形略 有宽化现象 ，而赤铁矿的衍射峰强度变高，说明在 烧结过程中，石英及长石的晶体结构虽然没有被破 坏 ，但却有缺陷或畸变产生。从扫描电镜图可直观 地看 出 烧结样 品内未发生变化的矿物质 石英 、 长石等 在高温下熔融黏结在一起 ，紧邻 的固体颗 粒通过组分离子换位和晶格重排形成颗粒间固体键 合 ，矿物形态已经无法分辨 ，石英、长石、赤铁矿 等均被熔融的玻璃质所包裹胶结 ，各点紧密相连成 为一体 ，使烧结制品的结构较为致密，有利于强度 的提高 4 结 论 1 ． 由硅酸盐水泥 、高铝水泥 、页岩组成的固化 剂 ，对废弃钻井液具有 良好的快速固化效果。固化 剂组分能水化形成 c s H凝胶 和水化铝酸钙等 水化产物并形成网络结构，在固化剂作用下废弃钻 井液很快凝结而失去流动性 ，能够无污染地被运输 到异地进行深度处理利用。 2 ． 固化废弃钻井液在一定的烧结制度和高温下 各组分协同作用发生固相反应 ，固体颗粒通过组分 离子换位和晶格重排形成颗粒间固体键合 ，形成结 构致密的烧结制品，解决了废弃钻井液中有害物质 的渗漏问题。 参 考 文 献 [ 1 ] 赵雄虎 ，王风春 ． 废弃钻井液处理研究进展 [ J ] ． 钻井液 与完井液 ，2 0 0 4 ，2 1 2 4 3 ． 4 7 ． [ 2 ] 张永丽，李莉，刘慧，等 ． 重庆地区废弃钻井液固化处 理技术 钻井液与完井液，2 0 0 8 ，2 5 1 6 1 ． 6 6 ． [ 3 ] 王亮，曾建，何劲 ，等 ． 水淬高炉矿渣无害化处理废 弃 钻 井 液 技 术 【 J ] ． 钻 井 液 与 完井 液 ，2 0 0 7 ， 2 4 4 3 0 3 3． f 4 】 周风山，曾光，何纶，等 ． 废弃钻井完井液固液分离 技术研 究进 展 [ J J ． 钻 井液 与完 井液 ，2 0 0 7 ， 2 4 S O 5 9 ． 6 4． [ 5 ] 左演声 ． 材料现代 测实分析 【 M] ． 北 京 北京工业 大学 出版社 ，1 9 9 0 2 4 8 ． 2 5 9 ． 收稿 日期2 0 1 0 0 6 0 3 ；H GF 1 0 0 6 A3 ；编辑张炳 芹 0 5 2 图 O I O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m