李洪波，刘徐慧，陈颖袆，杨东梅
（中石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川德阳，618000）
摘要：水泥窑协同处置固体废物是水泥工业提出的一种新的废弃物处置手段，它是指将满足或经过预处理后满足入窑要求的固体废物投入水泥窑，在进行水泥熟料生产的同时实现对固体废物的无害化处置过程。川西油气田开发过程中会产生大量钻井固废，在环保要求日益严格前提下，采用水泥窑可以很好地协同处置川西气田产生的各类钻井固废，在油气勘探开发中发挥了极其重要的环保作用。通过室内试验和现场跟踪已经证实水泥窑处置钻井固废具有处理量大、处理彻底、水泥产品质量符合行业要求等特点。
关键词：水泥窑，钻井固废，无害化处理
1 概述
1.1西南油气田固体废物现状
西南油气田2014-2018年每年钻井固废产量约为7万吨，传统的填埋处理方式存在着占用林地，污染地下水资源等环保问题，由于国家环保政策日益严格，填埋处理方式已于2014年禁止使用。目前钻屑的主要处理方式为烧砖协同处置。随着彭州海相碳酸岩气田的开发，碳酸岩钻屑烧制的脆性大，严重影响砖体强度，而水泥窑协同处置可以很好地解决各种钻井固废的处理问题。
1.2水泥窑处置固体废物现状
早在20世纪70年代，美国、德国、加拿大、日本等发达国家就已经开始研究利用可燃性固体废物作为替代燃料用于生产水泥，该项技术在经济和环保方面显示了巨大的优势，2000年以后得到了广泛的认可和应用，在发达国家城市危险废物和城市垃圾处理中发挥着越来越重要的作用。
我国从20世纪90年代开始进行利用水泥窑处理废弃物的研究和实践，如中挪合作项目《水泥窑协同处置废弃物技术指南》、中瑞合作项目《水泥窑处置过期农药》等。一些水泥企业在科研院所的协作指导下，已经成功地实施了危险废物和城市生活垃圾的处置实践。通过在生产过程中的跟踪监测结果表明，这些水泥生产线的废气排放和产品质量均能达到相关标准，利用新型干法水泥窑处置固体废物的技术可行性得到证实。它具有处理量大、处理彻底无二次污染、处理固废种类多等优势。
2 川西气田岩屑成分分析
2.1彭州海相钻屑成份分析
本次研究，利用室内XRD衍射仪器设备，系统测试了彭州海相区块小塘子组、马鞍塘组泥页岩井下岩心、井下掉块及地面露头矿物组成及含量分布，如表2-1所示。
对比分析测试结果表明，小塘子组泥页岩主要以黏土矿物、石英矿物为主，且石英含量较高，普遍在30%左右，含有少量长石、方解石等。通常该类泥页岩硬度高，力学强度高，脆性强，水化膨胀能力较弱，在高应力及外力环境下容易产生微裂缝，在常规过平衡钻进过程中，井筒流体在井底正压差作用下沿微裂缝压力穿透，可诱发井壁微裂缝形成“尖劈”效应，导致井壁岩石沿裂缝面发生剥落掉块。马鞍塘组灰岩地面露头纯度较高，主要以方解石为主，含有少量石英、白云岩，黏土含量很低，该类灰岩通常岩体坚硬，具有很高的力学强度。马鞍塘组灰岩井下掉块仍以方解石为主，含有少量石英、白云岩等。彭州115井雷口坡组井下掉块以方解石、白云岩为主（雷三段），鸭深1井雷四岩性以方解石、白云石为主，不同井段样品差导较大，含少量硬石膏。
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2.2永川区块岩屑分析
根据已钻井岩心X衍射全岩分析，永川地区五峰-龙马溪组一段页岩储层矿物组成主要包括石英、粘土矿物、长石、碳酸盐矿物(方解石、白云石)、黄铁矿，永川地区脆性矿物包含硅酸盐矿物（石英、长石等）和碳酸盐矿物（方解石、白云石等），其含量为22.7-84.1%，平均53.69%。
经过分析发现，西南油气田产出岩屑的主要成分为含铝、镁等物质的粘土硅酸盐矿物和以石灰石为主的碳酸盐矿物。我国水泥行业中最常见的为硅酸盐水泥，它的主要成分为硅酸三钙（3CaO﹒SiO2）、硅酸二钙（2CaO﹒SiO2）、铝酸三钙（3CaO﹒Al2O3）、铁铝酸四钙（4CaO﹒Al2O3﹒Fe2O3）,其中CaO占62-67%，SiO2占20-24%，Al2O3占4-7%，Fe2O3占2-6%。因此，如果钻屑是碳酸盐岩，基本上是可以完全取代石灰石加入；而如果钻屑是砂泥岩，就可以取代粘土和砂页岩，把比例控制在一定范围内就行。
2.3钻井液原材料分析
钻屑是烧制水泥的原材料，不过由于钻井液的引入，可能会对水泥质量和大气排放造成一定的影响，特别是钻井液中的硫、氯元素，为此本文开展了钻井液原材料分析，通过高温焚烧钻井液原材料来对比焚烧前后损失的物质，进而研究证实硫、氯元素在烧制水泥过程中的变化。实验方法：使用高温马弗炉对钻井液原材料进行焚烧，然后用扫描电镜对原材料进行元素分析。
经过对钻井液原材料的分析对比后发现（表2-2），钻井液大部分原材料性质稳定，高温焚烧前后物质元素无明显变化，只有硫、氯、碳元素会在焚烧过程中发生反应，生产二氧化硫和硫化氢等气体，由于含量少，且水泥窑碱性环境可以很好地综合酸性气体，我们只需要计算好各种物质的加量和添加比例，在烧制水泥过程中就不会影响水泥性能和生产流程。
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2.4硫、氯含量的计算及添加比例
通过成份分析得出，钻屑中BaO所占比例较高，主要是由于油气钻井时会添加重晶石（主要成分为硫酸钡）作为加重剂防止井喷，因此钻屑中钡元素的存在形式为硫酸钡，而硫酸钡的化学性质很稳定，在空气中无还原剂情况下分解温度约为1600℃，水泥窑工作最高温度为1450℃，根据检查的岩屑样品，有两份样品的SO3全部存在于硫酸钡中，有一份硫酸钡中硫元素约占总硫元素的81.5%，其他形式的硫约在19.5%，因此参与生成SO2的SO3只占很少一部分比例，约为1-2%，参与反应的氯离子不到1%。以产量为1000t/d的水泥生产线为例，每天需消耗原料1500t/d，按2—5%比例配比生料混合进入原料中进行烧制，既不影响水泥性能，同时处理量也十分巨大，见表2-3。
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3 现场工艺流程跟踪
3.1水泥窑协同处置钻屑工艺流程
针对固废处理场固化土特点，结合水泥厂生产工艺，确定工艺流程如下：
（1）取固化土样品回公司实验室进行矿物组成和化学成分分析，并进行配伍试验，确定配伍配方。
（2）利用挖掘机将袁家固废处理场的固化土装载至做好防渗处理的槽车中，将原料转运至水泥厂预处理场，转运过程中严禁出现跑、冒、滴、漏等情况。
（3）固化土转运到预处理场后，通过自然晾干及自然晾晒降低水分，并分析其迁移性硫是否符合原料要求，若合格，进入再配伍流程。
（4）将处理后的固化土、活性氧化钙及铁矿粉按一定比例混合，并分析混合物的成份组成，若成份组成符合水泥生料要求，混合物用皮带输送到双齿辊式破碎机和球磨机中进行破碎，破碎后的原料经皮带输送到固废料仓中。
（5）固废粉体按质量比4%-10%输送至原水泥生料线上，与原生料各组分在均化罐中混合均匀，并依次输送至预热系统、煅烧系统，最后经篦冷机处理后，得到水泥熟料产品。
（6）对固废料仓固废、熟料及协同处置过程中窑尾烟气排放进行监测，并出具相关检测报告。
（7）成品水泥熟料加入外加剂后由水泥厂对外进行市场销售。
3.2 烧制过程中的排放监测
监测内容：对水泥窑协同处置钻井固废废气排放监测。监测方式：首先按照由低到高的顺序开展各添加比例的试烧试验，通过在线监测系统评价各种添加比例条件下主要环保指标达标情况，从而初步筛选最高掺烧比例，在线监测表明添加比例从3%增加到8%的过程中颗粒物、二氧化硫和氮氧化物排放浓度均不超标，因此试烧确定的最高添加比例为8%。试烧结束后进行第三方现场监测，对试烧确定的比例从高到低到低进行验证，即从固化土添加比例从8%开始开展第三方监测验证，直至所有监测数据合格，确定该固化土田间比例为最优配比。
表3-1 二氧化硫的排放监测
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表3-2 污染物排放监测
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由表3-1,3-2可知，水泥窑协同处置水机钻屑实施工程各项排放指标符合国家标准。
4 结论
（1）本项目属于“非金属废料和碎屑加工处理 C4220”，属于国家发改委第 21号令《产业政策调整 目录（2011 年本）》（2013 年修正）中“第一类鼓励类，第三十八项环境保护与资源节约综合利用，第27款尾矿、废渣等资源综合利用”，项目符合国家政策。
（2）项目环境质量中的大气、地表水和噪音符合国家排放标准。
（3）烧制的水泥产品质量符合《通用硅酸盐水泥》GB175-2007标准，符合行业使用要求。
参考文献：
[1]王君伟等.新型干法水泥工艺生产计算手册.化学工业出版社.2013.05
[2]刘辉敏等.水泥生产技术基础(第二版).化学工业出版社.2016.01
[3]丁奇生.水泥的原料与燃烧.化学工业出版社.2009.11
Study on the technology of water-based cuttings disposal in cement kiln
LiHongBo，LiuXuHui，ChenYinYi，YangDongMei
Abstract:Co-processing of solid waste in cement kilns is a new method of waste disposal proposed by cement industry. It refers to putting solid waste into cement kilns which meet or meet the requirements of entering the kilns after pre-treatment, the process of harmless disposal of solid waste is realized while the production of cement clinker is carried out. In the process of developing oil and gas fields in Kawanishi, there will be a large amount of drilling solid waste. Under the increasingly strict environmental protection requirements, the cement kiln can be used to deal with all kinds of drilling solid waste produced in Kawanishi gas fields, it plays an extremely important role in environmental protection in oil and gas exploration and development. It has been proved that the disposal of drilling solid waste by cement kiln has the characteristics of large capacity, thorough treatment and the quality of cement products meeting the requirements of the industry.
KEYWORDS: CEMENT KILN, drilling solid waste, harmless treatment
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