水基鉆井廢泥漿及鉆屑制備多孔吸附濾料工藝研究

馬文翠，孫恩呈，韓 卓，巖 征，宋春燕

(1.中國石化勝利油田分公司技術檢測中心,山東東營 2570882.勝利油田檢測評價研究有限公司,山東東營 257088 3.中國石化勝利油田安全環(huán)保質量管理部，山東東營 257088)

0 前言

鉆井廢棄物是石油勘探開發(fā)鉆井過程中遺留下來的最大量的廢棄污染物[1]，主要是由黏土、加重材料、各種化學處理劑、污水、污油及鉆屑等組成的多項穩(wěn)態(tài)膠體懸浮體系，危害環(huán)境的主要成分是烴類、鹽類、各種聚合物、磺酸鹽、某些金屬(汞、銅、砷、鉻、鋅及鉛)離子和重晶石中的雜質，這些因素使得鉆井廢棄物成分復雜，各項污染指標可能存在超標現(xiàn)象[2]。目前，鉆井廢棄泥漿固化主要采用水泥、石灰/水泥固化?；凇耙詮U治廢”的治理思路，將油氣開采中廢泥漿及鉆屑進行預處理后，采用廢棄鉆井固廢為主要原料制備出高效率的多孔材料，為油氣開采中鉆屑的處理技術拓展提供了理論參考依據(jù)。主要研究內容包括：以水基鉆井鉆屑為原料，根據(jù)原料的原始組分，配以適當?shù)闹鸁齽?、造孔劑制備出多孔材料。通過改變配料組成及燒成條件進行體積密度、氣孔率、吸水率、壓碎強度等實驗研究，結合測試結果綜合評價不同配方和不同制備條件下多孔材料的物化性能，確定滿足不同需求的多孔材料的最佳工藝配方。

1 鉆井廢泥漿及鉆屑資源化利用優(yōu)化工藝研究

鉆井廢泥漿制備濾料工藝流程如圖1所示。

圖1 濾料制備工藝流程

2 鉆井廢泥漿脫穩(wěn)控水優(yōu)化工藝研究

鉆井廢泥漿主要成分為高分子聚合物、無機物以及膨潤土、黏土、重晶石等，根據(jù)泥漿的形成機理，黏土礦物因晶格取代，其表面帶負電荷，黏土表面易形成水化膜，在靜電斥力的作用下，黏土顆粒可與水溶液形成穩(wěn)定的分散體系；同時高分子材料在水中電離成帶負電的基團，因電荷的作用，分子形態(tài)舒展，有利于其與黏土、水共同形成穩(wěn)定的泥漿體系。要實現(xiàn)廢泥漿無害化改性資源化利用，就必須首先對穩(wěn)定的膠體體系進行脫穩(wěn)控水處理。

2.1 脫穩(wěn)控水劑研究

取某鉆井廢泥漿50 g，加入相同濃度的不同脫穩(wěn)控水劑，與未加脫穩(wěn)控水劑的樣品相比，考察各樣品在不同階段的重量，分析其脫水效率。實驗結果如表1所示。

表1 脫穩(wěn)控水劑種類對干燥過程樣品質量的影響

由表1可知，60 min內脫水劑KNTK的脫水效果最好，耗時少、效率高；CPAM和AL效果次之，樣品在120 min左右達到重量平衡，而未加脫穩(wěn)控水劑的樣品，其干燥速率最慢，150 min后樣品重量才不發(fā)生明顯變化。

從上述實驗分析看出，不同脫穩(wěn)控水劑處理廢泥漿脫水率不同，其中KNTK處理劑處理廢泥漿后，其熱烘脫水率最好；不同熱烘時間脫水率有差異，尤其是在熱烘時間較少時。從實驗分析看出，當脫水時間達到120 min時，脫水率基本不變。

2.2 脫穩(wěn)控水劑對處理后巖屑的污染指標控制影響

分別取3種鉆井廢泥漿200 g，加入相同濃度的不同脫穩(wěn)控水劑，在相同條件下考察脫穩(wěn)控水效率、COD去除率、色度等效果，實驗結果如表2。對于固化后鉆屑不需要添加脫穩(wěn)控水劑。

從表2中5種不同的脫穩(wěn)控水劑對于3種不同的鉆井廢泥漿體系的處理看出，KNTK處理劑的效果最好，其處理后COD降低率、脫水率、分離水色度均在5種脫穩(wěn)控水劑中最好。因此可以選擇KNTK作為廢泥漿的脫穩(wěn)控水劑。

2.3 鉆井廢泥漿脫穩(wěn)控水優(yōu)化工藝研究

分別取3種鉆井廢泥漿200 g，加入不同濃度KNTK，在相同條件下考察處理后脫水、COD去除率、色度效果，實驗結果如表3。

從表4分析看出，不同KNTK加量對同一種廢泥漿膠體體系處理效果不同，隨著加量增加，處理效果變好，當加量達到一定量時，再增加KNTK加量，效果變化不大。當KNTK加量達到2.0%時，其處理后COD降低率、脫水率、處理后的水相色度均達最佳。因此選擇KNTK加量為2.0%。

表2 脫穩(wěn)控水劑種類優(yōu)選

3 水基鉆井廢泥漿及鉆屑熱烘、粉碎工藝研究

實驗室采用烘箱、超聲波、微波對脫穩(wěn)控水后的鉆井巖屑進行熱烘，烘干后采用搗碎機進行粉碎?？疾鞜岷鏁r間、溫度、能耗對巖屑干化情況影響。取3種廢泥漿進行脫穩(wěn)控水后，與固廢堆放場內巖屑混合后，取3個樣品采用稱重(200 g)后，采用3種不同的烘干設備烘干至恒重，考察烘干效果，具體見表4。

表3 KNTK加量對處理效果影響

從實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)分析看出，傳統(tǒng)的加熱烘干方式易于烘干、易于操作，烘干后易于粉碎。超聲波只能對固相進行局部烘干；而微波加熱后巖屑還存在潤濕現(xiàn)象，主要對巖屑中有機污染物進行了分解。鑒于實驗情況，選擇傳統(tǒng)的加熱烘干方式對破膠脫穩(wěn)后的巖屑進行熱烘。

4 多孔材料制備優(yōu)化工藝配方研究

為了使生料球能夠有效地膨脹，達到燒制的目的，需要將頁巖與其他原料進行合理搭配，以達到最佳的燒脹效果。本試驗所使用原料以鉆屑為主，復合增強劑KNZQ、成型劑KNCX、引氣劑KNYQ，應用正交實驗法確定其原材料的配比。因此,原材料配比是否搭配合理直接影響到頁巖陶粒的性能。為了確定燒制超輕陶粒的最佳配比，本實驗以增強劑、成型劑、引氣劑為3因素，依據(jù)各原材料的化學成分、相關科研資料及實驗室的燒制經驗，各因素再選取3水平，成型劑用A來表示，分別選取3水平為3%，5%，7%；增強劑用B表示，分別選取3水平為2%，4%，6%；引氣劑用C來表示，分別選取3水平為1%，3%，5%，構成3因素3水平正交實驗。依據(jù)大量的預備實驗結果和查閱相關的資料，選擇適當?shù)谋簾龡l件：預熱溫度500 ℃、焙燒溫度1 100 ℃、焙燒時間5 min，以密度作為評價因素進行如表5正交實驗。

表4 水基鉆井廢泥漿/巖屑烘干工藝研究

由表5可以看出多研究的配方體系，其強度均大于1.2 MPa，但部分配方體系的氣孔率低于20%，考慮處理及成本，選擇最佳的配方為：5%KNCX+2%KNZQ+3%KNYQ進行下一步實驗研究。

5 多孔吸附濾料制備工藝研究

5.1 制備的多孔材料粒徑優(yōu)化

考察鉆屑、增強劑KNZQ、成型劑KNCX、引氣劑KNYQ對制備多孔陶瓷濾料的影響，選取60，80，100，120，140目篩網(wǎng)篩分出不同粒徑原料，進行造粒焙燒，以表觀密度作為評價標準，表觀密度分別為1.52,1.45,1.17,1.29,1.37 g/cm3。原料粒徑為80～100目時，表觀密度最小，多孔陶瓷濾料的性能達到最好，綜合考慮實際生產，篩分過細花費更多時間，選取100目篩網(wǎng)篩分比較合適。

表5 正交實驗

5.2 預熱溫度優(yōu)化

生料球的膨脹在一定程度上取決于物料在150～550 ℃預熱階段的加熱速度，一般說來，加熱速度越快，物料膨脹越好。選取200，300，400，500，600 ℃進行優(yōu)化，預熱時間15 min，焙燒溫度1 100 ℃，焙燒時間5 min，以表觀密度、陶粒強度和吸水率作為考核指標。具體方案和數(shù)據(jù)如表6。

表6 預熱溫度優(yōu)化

從表6數(shù)據(jù)可以看出：就表觀密度而言，最優(yōu)預熱溫度為350 ℃；就顆粒強度而言，最優(yōu)預熱溫度為550 ℃；就吸水率而言，最優(yōu)預熱溫度為450 ℃?？梢愿鶕?jù)不同的需要選擇不同的預熱溫度。

5.3 預熱時間優(yōu)化

根據(jù)相關資料以及預備實驗總結可得出，預熱時間一般為5～30 min，所以選取5，10，15，20，30 min進行優(yōu)化。預熱溫度350 ℃，焙燒溫度1 100 ℃。焙燒時間5 min。具體數(shù)據(jù)如表7。

從表7可得出，預熱時間15 min，表觀密度最優(yōu)；顆粒強度隨預熱時間的增加而增加，但15 min后增幅減小，可見過長的預熱時間，對強度的增加已無作用；預熱15 min，吸水率達到較低的23.6%，更長的預熱時間對降低吸水率的作用已不大。綜合考慮實際生產和節(jié)約能源，選擇15 min作為最優(yōu)預熱時間。

表7 預熱時間優(yōu)化

5.4 焙燒溫度優(yōu)化

在確定原材料配比的試驗時發(fā)現(xiàn)料球在1 000 ℃開始有好的膨脹，在1 200 ℃時燒制的陶粒表面較光滑，而過高的溫度會發(fā)生料球粘結，因此選擇1 050，1 100，1 150，1 200，1 250 ℃進行優(yōu)化實驗，預熱溫度400 ℃、預熱時間15 min、焙燒時間5 min。具體實驗記錄如表8。

表8 焙燒溫度優(yōu)化

從表8可得出：制備吸附濾料時，燒結溫度在1 000～1 150 ℃內，均可以燒結出合適的濾料，當溫度高于1 150 ℃濾料會玻璃化，低于1 000 ℃時，濾料的氣孔率較低。綜合成本考慮，被燒溫度可以選擇1 100 ℃左右，所制備的濾料強度、氣孔率均能夠達到要求。

5.5 焙燒時間優(yōu)化

根據(jù)查閱的文獻資料可知，焙燒時間一般在5～15 min，選擇2，5，8，11，15 min進行優(yōu)化，優(yōu)化結果如表9。

表9 焙燒時間優(yōu)化

從表9可知：焙燒10 min能得到表觀密度較低；就顆粒強度而言，焙燒10 min強度、氣孔率均能達到要求，因此選擇焙燒10 min作為最佳的焙燒時間。

6 結論

a) 對于采用鉆井廢泥漿制備多孔吸附濾料，需要加入2.0%脫穩(wěn)控水劑KNTK；對于固化后的巖屑，不需要加入脫穩(wěn)控水劑KNTK。

b) 采用加熱烘干設備較其它烘干方式效果好。

c) 制備多孔吸附濾料配方：5%KNCX+2%KNZQ+3%KNYQ。

d) 制備多孔吸附濾料優(yōu)化工藝參數(shù)：粒徑100目過篩；預熱溫度250～450 ℃；預熱時間15 min；焙燒溫度1 000～1 100 ℃；焙燒時間8 min。