一种用于水基钻屑固化后制砖的固化剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及油田水基钻屑环保治理技术领域，具体为一种用于水基钻屑固化后制砖的固化剂及其制备方法与应用。
背景技术
水基钻屑是水基钻井液使用过程中必须产生的废弃物，根据钻井液成胶机理，粘土矿物因晶格取代，使其表面带负电荷，在碱性条件下，粘土表面易形成水化膜，在静电斥力的作用下，粘土颗粒与水溶液形成稳定的胶体分散体系；高分子材料(如KPAM、CMC、SMP等)在水中电离成带负电的基团，因电荷的作用，分子形态舒展，有利于它们与粘土、水共同形成稳定的钻井液胶体。因此，水基钻屑中因含有大量的钻井液、钻井液助剂等，也具有一定的胶体性能，钻屑与水形成的胶体结构破坏困难，未经处理的水基钻屑含水率大于80％，甚至更高。
制砖是水基钻屑有效的资源化方法之一，目前在四川、重庆等地区应用较广。在制备烧结砖原料中，对CaO、硫酐、氧化镁均有较高的限值要求，普通烧结砖制备原料成分要求55％～75％SiO2、3％～10％Fe2O3、10％～20％Al2O3、SO3＜3％、CaO＜10％、MgO＜3％、烧失量3％～15％。其中CaO在原料中常以碳酸钙的形式出现，是一种制备烧结砖中的有害成分，当其含量超过10％时，不仅会缩小制品的烧结温度范围，给焙烧带来困难。当制砖原料中含有较多的石灰质(CaCO3)，且破碎后原料颗粒较大时，焙烧过程中在砖体内形成尺寸较大的生石灰(CaO)颗粒。生石灰颗粒不断吸收空气中的水分，逐步水化成消石灰Ca(OH)2。CaO水化形成消石灰的过程是一个体积膨胀的过程。随着CaO不断水化成消石灰,砖体内CaO聚集物体积不断增大，砖体承受CaO聚集物膨胀所产生的拉应力也越来越大，当该压力大于砖体的抗拉强度时，即会对砖体形成破坏。少量的CaO聚集物可形成砖体表面破坏，大量的CaO聚集物则造成砖体酥裂。钻井过程中，水基钻屑含水率一般＞80％，而拉运至砖厂的钻屑含水率要求低于60％，尽量减少水基钻屑黏结，因为原料的粘性增大，将造成运料破损和筛网孔堵塞。
由此可见，水基钻屑固化后用于制砖，对于固化剂至少有以下要求：
(1)不宜直接添加CaO、CaCO3，固化剂添加的主要组分对烧结砖原料组分影响尽量小或不影响，添加材料烧失量小；
(2)固化后水基钻屑尽量控制较低的含水率，含水率＜60％；
(3)避免固化后的水基钻屑固化物黏结成块状、团状，最好能呈粗砂状，孔隙发达有利于内部水分蒸发。且固化物易黏结。
现有水基钻屑固化剂主要存在以下问题：
(1)现有固化剂为了处理高含液水基岩屑时浸出液相可以重复利用于配制钻井液或CaO遇水生成Ca(OH)2吸水量大且伴随放热现象加快促进水分蒸发等原因，选用直接添加了大量CaO或使用在熟料中添加了CaCO3的水泥为原材料，易导致制砖原料中CaO超标而引起砖体酥裂；
(2)水基钻屑中粘度组分较高，随着固化剂的加入，易黏结在一起，多呈团状或块状，固化剂加入后均匀混合困难。
(3)现有固化剂处理后的水基钻屑固化物外表面经过数天后含水率较低，但正因如此，缺乏内部水分迁移蒸发孔隙通道，内部仍大量存在含水率超标而导致整体含水率不能达到制砖要求，且这种成团、块状固化物因黏性好，不易破碎，影响制砖时筛分工艺效率；
(4)现有固化剂处理后的固化物自身热值低，烧结砖时能耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于水基钻屑固化后制砖的固化剂及其制备方法与应用，本固化剂能有效解决砖体酥裂、原料黏结、含水率超标等问题。本发明的方案如下：
一种用于水基钻屑固化后制砖的固化剂，按质量百分数计，由以下材料组成：
以上各组分质量含量之和为100％，其中，固体表面活性剂为磺酸盐类阴离子型表面活性剂，具体为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基萘磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种；工业废渣为煤矸石、煤渣、石煤中的一种；所述水泥选用不在熟料中添加CaCO3的水泥，如双快水泥。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
优选的，上述植物壳皮为锯末、花生壳粉末、椰壳粉末、秸秆粉末、芦苇粉末中一种或几种的混合物。
优选的，上述无机盐为氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化铝、氯化铁中的一种。
优选的，上述工业废渣粒径≤3mm。
优选的，上述植物壳皮粒径≤3mm。
一种上述固化剂的应用，使用时，固化剂添加量为水基钻屑质量的3％～10％。
一种上述固化剂的制备方法为：
第一步：将工业废渣粉碎，干燥，得到产物G1；
第二步：将植物壳皮筛分，筛余粉末进一步粉碎、筛分，将过筛粉末干燥，得到产物G2；
第三步：将无机盐与水泥混合并搅拌均匀得到产物G3，将G1与G2混合并混拌均匀得到产物G3、G4；
第四步：将固体表面活性剂加入G4中，混拌均匀，得到产物G5；
第五步：将G3与G5混合，密封包装后即得一种水基钻屑经机械脱水-固化后用于制砖的固化剂。
进一步，上述第一步和第二步中干燥后产物G1、G2的含水率要求控制＜5％。
与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)“以废治废”，将低燃烧值的工业废渣如煤矸石、煤渣、石煤作为固化剂的主要添加材料之一，可以节约烧结砖烧制过程中热量需求，其疏水性能可以减少水基钻屑黏结，还可以增加水泥固化效果，资源化利用煤矸石等工业废渣。
(2)固化剂所采用的水泥为不直接添加碳酸钙的水泥，减少了从固化剂向水基钻屑中引入氧化钙量，有利于降低固化后的水基钻屑中的氧化钙含量，从而降低水基钻屑制砖时的酥裂率。
(3)植物壳皮具有较小的密度和较大的表面积，一方面植物壳皮黏附在水基钻屑表面后，会产生屏蔽作用，减少水基钻屑中的吸附水，增加固化物的抗渗透性，利用表面活性剂改变土粒表面亲水性质，使其具有憎水性，形成有效的抗水能力，在固化物制砖压实的基础上，可以得到较好的抗压强度。另一方面在钻井现场增加了水基钻屑固化物多孔结构，加快了水分蒸发速率，从而加快降低水基钻屑含水率，还同时节约烧结砖烧制过程中热量需求。
(4)无机盐含有大量的阳离子电解质，可以中和水基钻屑表面负电荷，降低ζ电位，剥离水基钻屑吸附水和部分结晶水成为自由水，无机盐也能加速水泥固化，加快水基钻屑固化物干化。
具体实施方式
下面将结合实例对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本实施例中的百分数如没有特殊说明，均为质量百分数。
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：该用于水基钻屑固化后制砖的固化剂，由5％十二烷基磺酸钠、45％煤矸石、7％锯末、40％双快水泥、3％氯化钠组成，先将煤矸石粉碎至3mm以内，干燥，控制含水率＜5％，得到产物G1；再将锯末筛分，大于3mm的粉末进一步粉碎，与过筛粉末混合，干燥，控制含水率＜5％,得到产物G2；分别将氯化钠与双快水泥、G1与G2混合，混拌均匀，得到产物G3、G4；将十二烷基磺酸钠加入G4中，混拌均匀，得到产物G5；将G3与G5混合，即得目标产物。
实施例2：该用于水基钻屑固化后制砖的固化剂，由2％十二烷基磺酸钠、40％煤矸石、5％锯末、50％双快水泥、3％氯化钠组成，先将煤矸石粉碎至3mm以内，干燥，控制含水率＜5％，得到产物G1；再将锯末筛分，大于3mm的粉末进一步粉碎，与过筛粉末混合，干燥，控制含水率＜5％,得到产物G2；分别将氯化钠与双快水泥、G1与G2混合，混拌均匀，得到产物G3、G4；将十二烷基磺酸钠加入G4中，混拌均匀，得到产物G5；将G3与G5混合，即得目标产物。
实施例3：该用于水基钻屑固化后制砖的固化剂，由5％十二烷基磺酸钠、40％煤矸石、10％锯末、40％双快水泥、5％氯化铝组成，先将煤矸石粉碎至3mm以内，干燥，控制含水率＜5％，得到产物G1；再将锯末筛分，大于3mm的粉末进一步粉碎，与过筛粉末混合，干燥，控制含水率＜5％,得到产物G2；分别将氯化铝与双快水泥、G1与G2混合，混拌均匀，得到产物G3、G4；将十二烷基磺酸钠加入G4中，混拌均匀，得到产物G5；将G3与G5混合，即得目标产物。
实施例4：该用于水基钻屑固化后制砖的固化剂，由5％十二烷基磺酸钠、30％煤矸石、10％锯末、50％双快水泥、5％氯化钠组成，先将煤矸石粉碎至3mm以内，干燥，控制含水率＜5％，得到产物G1；再将锯末筛分，大于3mm的粉末进一步粉碎，与过筛粉末混合，干燥，控制含水率＜5％,得到产物G2；分别将氯化钠与双快水泥、G1与G2混合，混拌均匀，得到产物G3、G4；将十二烷基磺酸钠加入G4中，混拌均匀，得到产物G5；将G3与G5混合，即得目标产物。
实施例5：该用于水基钻屑固化后制砖的固化剂，由5％十二烷基磺酸钠、50％煤矸石、10％锯末、30％双快水泥、5％氯化钠组成，先将煤矸石粉碎至3mm以内，干燥，控制含水率＜5％，得到产物G1；再将锯末筛分，大于3mm的粉末进一步粉碎，与过筛粉末混合，干燥，控制含水率＜5％,得到产物G2；分别将氯化钠与双快水泥、G1与G2混合，混拌均匀，得到产物G3、G4；将十二烷基磺酸钠加入G4中，混拌均匀，得到产物G5；将G3与G5混合，即得目标产物。
实施例6：该用于水基钻屑固化后制砖的固化剂，由5％十二烷基苯磺酸钠、45％煤渣、7％椰壳粉末、40％双快水泥、3％氯化铁组成，先将煤渣粉碎至3mm以内，干燥，控制含水率＜5％，得到产物G1；再将椰壳粉末筛分，大于3mm的粉末进一步粉碎，与过筛粉末混合，干燥，控制含水率＜5％,得到产物G2；分别将氯化铁与双快水泥、G1与G2混合，混拌均匀，得到产物G3、G4；将十二烷基苯磺酸钠加入G4中，混拌均匀，得到产物G5；将G3与G5混合，即得目标产物。
测试方法：
(1)钻屑固化物含水率：根据CJ/T221-2005《城市污水处理厂污泥检验方法》测定；
(2)筛余率：取100.0g待检测固化物经10mm筛网筛分，筛余物占100.0g待测固化物的质量百分数。
取四川页岩气水平井钻井某平台不同时段的水基钻屑1#、2#、3#共三个样品，分别加入10％以上实施例固化剂和市售固化剂JX-GH1，20℃条件下静止放置72h，固化前后主要参数变化见表1，固化后的水基钻屑筛余率见表2：
表1：添加10％固化剂前后各水基钻屑含水率变化表(单位：％)
由表1可以看出，水基钻屑中加入10％实施例固化剂，含水率由71.09％～83.53％降低至48.22％～59.17％，固化物含水率均低于60％，市售固化剂加入后含水率降低至64.92％～71.38％，均高于60％。
表2：添加10％固化剂后筛余率对比表(单位：％)
水基钻屑固化后的固化物含水率越高，越容易成团、块状，筛余率越大，未加入固化剂的钻屑黏结成块、团状，筛余率均大于90％，由表2可以看出，水基钻屑中加入10％实施例固化剂，筛余率为25.5％～55.2％，而加入10％市售固化剂，筛余率为62.8％～85.5％，对比发现，对于同一种含水率的水基钻屑，加入本发明固化剂后，筛余率降低了35.44％～54.39％，本发明固化剂可以明显降低因固化物黏结造成筛余率，提高制砖时原料筛分效率。
实施例7：四川某烧结砖砖厂，分别接收了添加了3％本发明固化剂的水基钻屑和3％其他现有固化剂的水基钻屑，检测平均含水率小于50％后，按20％掺混各制砖，烧结后成品砖酥裂量占总量分别为6.3％、52.6％，同时，两者相比，添加本发明的固化剂后节约烧结过程中燃煤用量22.8％。
本发明在上文已优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描述本发明，而不应理解为限制本发明的范围。在不脱离本发明原理的前提下，还能进一步改进，这些改进也应视为本发明的保护。
