CN112500101A

CN112500101A - 一种防开裂钻井液岩屑固化剂及使用方法

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Publication number: CN112500101A
Application number: CN202011157939.0A
Authority: CN
Inventors: 付炜; 张夏艇; 张俊锋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-03-16

Abstract

本发明提供的一种防开裂钻井液岩屑固化剂，所述固化剂含有如下材料：矿渣粉、脱硫石膏、β型半水石膏、粉煤灰、建筑垃圾粉末、钾盐或者铵盐、激发剂和有机重金属螯合剂。本发明提供的一种防开裂钻井液岩屑固化剂和使用方法，在目标岩屑中加入固化剂，使得岩屑中化学需氧量(COD)、pH值、色度、石油类物质都有所改善。岩屑的固化类强度得到6‑9倍提升，而且不需要添加水泥等高成本材料，可以防止固化后岩屑产生裂缝，是一种环保且成本较低的固化技术。

Description

一种防开裂钻井液岩屑固化剂及使用方法

技术领域

本发明属于环保工程材料领域，具体的本发明属于岩屑固化剂领域。

背景技术

固化剂又名硬化剂、熟化剂或变定剂，是一类增进或控制固化反应的物质或混合物，树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性树脂发生不可逆的变化过程，固化是通过添加固化剂来完成的。岩屑固化剂是一种针对石油钻井岩屑的固化剂。

石油钻井液被成为石油钻井的“血液”，目前仍以水中添加各种功能的化学添加剂组成水基钻井液为主，钻井过程中，粘附水基钻井液、各种处理剂等物质的地层岩石被水基钻井液携带出地面，经钻井用固液分离设备后固态或半固态物质被称为水基岩屑。未经处理的水基岩屑其特征污染物以浸出液中COD、氯离子、pH为主，少量石油类及重金属也超量，若直接排放，将会对环境造成一定的影响。

使用固化剂对水基岩屑进行固化处理，可以稳定水基岩屑中重金属，降低浸出液的COD、色度、氯离子，调节pH值，是当前成熟的水基岩屑无害化处理技术。现有针对岩屑固化剂也很多，比如专利公开了一种环保型水基岩屑固化剂，由液体组分A和固体组分B组合而成，所述液体组分A由质量比为 1:1:0.05～0.1生物表面活性剂、生物酶和有机酸复合而成，固体组分B为质量比为99:0.5～1的水泥和甲酸钙复合而成；专利CN1150953C公布了一种废弃水基钻井液固化方法及其固化剂，固化剂由1％～6％硫酸铁或三氯化铁、0.1％～0.6％膨润土、1％～6％MgO、1％～10％425#水泥构成；专利CN109020462A 公布了一种淤泥环保固化剂，按质量份数计，含有如下组分：20～40份普硅水泥、4～8份膨润土、2～5份磷石膏、6～10份硅酸钠、20～40份生石灰、1～4 份减水剂(羧酸系减水剂TH-928、TH-925、TH-904中的任意一种)、3～7份絮凝剂(按质量比4～8：1取聚丙烯酰胺、硫酸铝混合)、1～4份助剂(按质量比2：4～ 7取鸡蛋壳粉、珍珠粉混合)，还含有：20～35份复合基料、15～30份复合固结成分。

但是这些技术中部分技术含有大量无机盐，水基岩屑中已存在无机盐含量高，可能会导致其地表水和地下水盐含量增高，影响土壤质量。基本上所有技术都存在组分复杂、固化剂制备程序复杂，采用的原材料导致成本很高的问题。现有固化主要采用水泥系列、水泥助剂(氯化钠、氯化钾、氯化镁等电解质)、石灰、水泥、石灰+火山灰、石灰+粉煤灰、石灰+炉渣、石灰+粉煤灰+矿渣等，都成本较高。

另外由于钻井液为了提高黏度，加入了大量的膨润土，所以钻井岩屑中也有大量的膨润土，在固化时极容易吸收水，而凝固会造成体积剧烈收缩而产生较多裂缝，岩屑固化效果较差，抗压强度较低。此外，较多裂缝会使胶凝材料无法充分包被岩屑中的有机物和重金属，裂缝中的岩屑容易与外界的水接触，并容易使岩屑中有机物和重金属随水渗出，造成环境污染。

发明内容

针对现有技术中组分复杂、固化剂制备程序复杂，采用的原材料导致成本很高和岩屑中有机物和重金属随水渗出，造成环境污染的技术问题，本发明提供了一种防开裂钻井液岩屑固化剂，通过替换成本较高的水泥，使用建筑垃圾变废为宝，既解决了建筑垃圾处理的难题，也解决了岩屑固化剂成本的问题，而且使用的岩屑固化剂通过特定的配方解决了固体岩屑固化剂容易开裂的问题，通过引入有机重金属螯合剂解决了岩屑固化剂有机物和重金属难以去除的问题，在土壤固化领域具有广泛的适用性。

本发明提供的一种防开裂钻井液岩屑固化剂，所述固化剂含有如下材料：矿渣粉、脱硫石膏、β型半水石膏、粉煤灰、建筑垃圾粉末、钾盐或者铵盐、激发剂和有机重金属螯合剂。

本发明中，固化剂含有如下质量份比的材料：矿渣粉10份-15份，脱硫石膏7.5份-8.5份，β型半水石膏8.5份-10份，粉煤灰35份-40份，建筑垃圾粉末30份-40份，1份-1.5份钾盐或者0.4份铵盐，激发剂和有机重金属螯合剂若干。

优选的，本发明中固化剂含有如下质量份比的材料：矿渣粉12份、脱硫石膏8份、β型半水石膏9份、粉煤灰38份、建筑垃圾粉末35份、氯化钾0.5份 -1份。

更进一步优选的，本发明中建筑垃圾粉末为15份-20份水泥细粉和15份-20 份红砖细粉。

更进一步优选的，本发明中固化剂含有如下质量份比的材料：矿渣粉12份、脱硫石膏8份、β型半水石膏9份、粉煤灰38份、建筑垃圾粉末35份、0.4份铵盐，激发剂和有机重金属螯合剂若干。

本发明中，所述激发剂含有0.5份元明粉、0.5份生石灰、0.5份氢氧化钠、 0.5份硫酸钠、0.5份碳酸钠，所用有机重金属螯合剂为浓度0.1％的二硫代氨基甲酸盐。

优选的，本发明中所述建筑垃圾粉末为18份水泥细粉和17份红砖细粉。

本发明还提供了一种防开裂钻井液岩屑固化剂的使用方法，使用方法含有如下步骤：

(1)按照配比混合好原材料经充分研磨混合成细度为300目左右的固化剂产品。

(2)测定拟使用目标岩屑含水量，根据岩屑含水量确定最佳加水量。

(3)在步骤(1)的固化剂产品加水混合后与岩屑拌合，然后用挖掘机对混合料进行反复揉碾，使固化剂和岩屑充分接触。

更进一步的，本发明中步骤(3)中每立方米掺入80-100KG固化剂并进行充分搅拌。

更进一步的，本发明中所述步骤(1)研磨采用球磨机研磨。

另外从原理上讲，由于钻井液为了提高黏度，加入了大量的膨润土，所以极容易遇水开裂，本发明中加入钾离子或铵离子可以抑制膨润土的遇水膨胀及干燥后开裂。K+离子与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强，水不易进入晶层间。另外K+离子的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧离子网格形的空穴中，起到连接作用，周围有12个氧离子与K离子配位。因此，钾离子连接通常非常牢固，是不容易与其他离子交换的(如纳离子、钙离子)。

而从抑制土壤开裂的原理来说，搅拌时土壤只有表面一层遇水膨胀，总体不吸水膨胀，从而造成土壤开裂。

本发明加入的脱硫石膏(CaSO₄.2H₂O)加水后体积变化不明显，此时可以防止裂纹出现，另外脱硫石膏也作为单独的激发剂使用，。

加入的半水石膏(CaSO₄.、1/2H₂O)，因为土壤凝固会造成体积收缩而产生裂缝的不良效果，半水石膏加水后体积会膨胀，变为脱硫石膏(CaSO₄.2H₂O)，在土壤凝固时体积不会收缩，此时不仅产生了脱硫石膏作为激发剂，也可以弥补土壤凝固的体积收缩。

粉煤灰和矿粉与建筑垃圾粉末加水后，再加入元明粉0.5％、生石灰0.5％、氢氧化钠0.5％、硫酸钠0.5％、碳酸钠0.5％等激发剂，增加了混合物质“浆体”的OH^-根离子浓度，促使SI-O键与AL-O键的断裂，提高其“早期水化”的反应速率，这其中浆体没有水泥参与反应。而固化剂和土壤混合加水之后，产生水化反应，和现有技术相比，使其内部产生了更多的胶凝材料(例如钙矾石)，具有了更多不溶性的SiO₂和AL₂O₃不断溶出，提高了其活性。

另外，建筑垃圾粉末为用过的水泥细粉和红砖细粉，而水泥细粉和红砖细粉的杂质中有沙子、砾石杂质，在粉碎后也能通过激发剂产生胶凝材料。

本发明中用到的二硫代氨基甲酸盐与重金属，如铬、铅等反应，形成不溶物质。

本发明的有益效果:

本发明提供的一种防开裂钻井液岩屑固化剂和使用方法，在目标岩屑中加入固化剂，使得岩屑中化学需氧量(COD)、pH值、色度、石油类物质都有所改善。岩屑的固化类强度得到6-9倍提升，而且不需要添加水泥等高成本材料，可以防止固化后岩屑产生裂缝，是一种环保且成本较低的固化技术。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但本发明的方法不限于下述实施例。

实施例一：本发明防开裂钻井液岩屑固化剂

本发明岩屑固化剂含有矿渣粉、脱硫石膏、β型半水石膏、粉煤灰、建筑垃圾粉末、钾盐或者铵盐和激发剂。所用的矿渣粉是炼铁厂在高炉冶炼生铁时所得到的以硅铝酸钙为主要成分的熔融物等矿渣。

具体的，本实施例使用的配方如下：

在上述配方中，所有配方还都加入了浓度0.1％的二硫代氨基甲酸盐2kg。所用到的建筑垃圾粉末在配方一、六、七、八中存在不同，配方一中的建筑垃圾粉末(1)为18kg水泥细粉和17kg红砖细粉。配方六中建筑垃圾粉末(2) 为15kg水泥细粉和15kg红砖细粉。配方七中建筑垃圾粉末(3)为20kg水泥细粉和20kg红砖细粉。配方八中建筑垃圾粉末(4)为28kg水泥细粉和5kg红砖细粉。

实施例二：本发明防开裂钻井液岩屑固化剂的使用方法

本发明提供了一种防开裂钻井液岩屑固化剂的使用方法，含有如下步骤：

(2)测定拟使用目标岩屑含水量，根据岩屑含水量确定最佳加水量，使得岩屑易于混合而不会太稀难以固化或者太干无法混合均匀。

本发明中，步骤(3)中每立方米掺入80-100KG固化剂并进行充分搅拌。

实施例三：防开裂钻井液岩屑固化剂性能测试

在对本发明的防开裂钻井液岩屑固化剂性能检测时，采用如下检测方法：

(1)化学需氧量(COD)；根据GB/T11914《化学需氧量的测定重铬酸钾法》方法测定。

(2)pH值；根据国标GB/T6920《水质pH值得测定玻璃电极法》方法测定。

(3)色度；根据国标GB/T11903《水质色度的测定稀释倍数法》方法测定。

(4)石油类；根据国标GB/T16488《水质石油类和动植物的测定红外光度法》方法测定。

(5)固化类强度；参照水泥类JX-GH的技术指标。

检测结果如下：

表1本发明实施例一固化剂处理后性能检测结果

表2本发明实施例一固化剂处理后性能检测结果

从上述实施例的配方一、六、七和八中可以看出，建筑粉末的组成对抗压强度和凝固时间有一定影响，从一和四可以看出钾盐和铵盐都有对应的效果，能够使得最终抗压强度和凝固时间达到要求，相比之下钾盐更好一些。这可能是因为铵盐受岩屑中已有成分干扰是未知的，而钾盐已经明确与蒙脱石有关。

实施例四：本发明防开裂钻井液岩屑固化剂性能对比实验

采用本发明实施例一配方一的防开裂钻井液岩屑固化剂与对比例1(市场销售的西安鑫太白环保工程有限公司的岩屑固化剂)、对比例2(本发明配方中不加建筑垃圾粉末的配方)，对比例2(本发明配方中水泥替换同质量的建筑垃圾粉末的配方)，按照每种固化剂标定加入量并进行充分搅拌，然后用挖掘机对固化土混合料进行反复揉碾，使固化剂和岩屑充分接触，最后测定成本、固化强度实际测量值。

在上述数据中，本发明和对比例2、对比例3对有机物和重金属都有效果，主要是因为这几个配方都含有了有机重金属螯合剂，但是从结果看，配方的成分对有机重金属螯合剂性能也有一定的影响，尤其采用水泥后对有机重金属螯合剂干扰较大，而采购的市售岩屑固化剂不具备重金属和有机物去除能力，另外从固化强度上看，虽然加入水泥比加入建筑垃圾粉末固话强度更好，但是岩屑对固化强度要求并不高，而且从成本上看水泥配方的成本是远高于本发明配方成本。

如上所述，即可较好地实现本发明，上述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。

Claims

1.一种防开裂钻井液岩屑固化剂，其特征在于，所述固化剂含有如下材料：矿渣粉、脱硫石膏、β型半水石膏、粉煤灰、建筑垃圾粉末、钾盐或者铵盐、激发剂和有机重金属螯合剂。

2.如权利要求1所述的一种防开裂钻井液岩屑固化剂，其特征在于，所述固化剂含有如下质量份比的材料：矿渣粉10份-15份，脱硫石膏7.5份-8.5份，β型半水石膏8.5份-10份，粉煤灰35份-40份，建筑垃圾粉末30份-40份，1份-1.5份钾盐或者0.4份铵盐。

3.如权利要求2所述的一种防开裂钻井液岩屑固化剂，其特征在于，所述固化剂含有如下质量份比的材料：矿渣粉12份、脱硫石膏8份、β型半水石膏9份、粉煤灰38份、建筑垃圾粉末35份、氯化钾0.5份-1份。

4.如权利要求1所述的一种防开裂钻井液岩屑固化剂，其特征在于，所述建筑垃圾粉末为15份-20份水泥细粉和15份-20份红砖细粉。

5.如权利要求2所述的一种防开裂钻井液岩屑固化剂，其特征在于，所述固化剂含有如下质量份比的材料：矿渣粉12份、脱硫石膏8份、β型半水石膏9份、粉煤灰38份、建筑垃圾粉末35份、0.4份铵盐。

6.如权利要求1所述的一种防开裂钻井液岩屑固化剂，其特征在于，所述激发剂含有0.5份元明粉、0.5份生石灰、0.5份氢氧化钠、0.5份硫酸钠、0.5份碳酸钠，所用有机重金属螯合剂为浓度0.1％的二硫代氨基甲酸盐。

7.如权利要求4所述的一种防开裂钻井液岩屑固化剂，其特征在于，所述建筑垃圾粉末为18份水泥细粉和17份红砖细粉。

8.如权利要求1-7任一项所述的一种防开裂钻井液岩屑固化剂的使用方法，其特征在于，所述使用方法含有如下步骤：

(1)按照配比混合好原材料经充分研磨混合成细度为300目左右的固化剂产品；

(2)测定拟使用目标岩屑含水量，根据岩屑含水量确定最佳加水量；

9.如权利要求8所述的一种防开裂钻井液岩屑固化剂的使用方法，其特征在于，所述步骤(3)中每立方米掺入80-100KG固化剂并进行充分搅拌。

10.如权利要求8所述的一种防开裂钻井液岩屑固化剂的使用方法，其特征在于，所述步骤(1)研磨采用球磨机研磨。