鸿运国际

      摘要：本文较为详细地叙述了利用钻井岩屑原料制砖的试验研究结果，分析了岩屑的化学成分、物理性能及干燥焙烧性能，提出了利用岩屑制砖的一次半和二次码烧工艺及主要设备调整方案。针对半工业性生产试验结果，提出了一些主要工艺技术参数及设备选型优化。并提出钻井岩屑原料用于制砖的几点建议。

关键词：钻井岩屑；制砖性能；工业试验

      岩屑是采油钻井时产生的废渣。据资料介绍，未来3～5年，中国石油国内新钻井预计将保持在年均2万左右，深度3000m以上。在采油钻井过程中，大量的钻井岩屑星罗棋布的分布在全国各地钻井场(见图1)，产生的废渣不仅占用大片土地，而且造成环境和土地污染。如何将这些岩屑固体废渣徖合利用，使其化害为利，变废为宝，用于生产烧结墙材制品，成为砖瓦行业实验研究的方向之一。钻井岩屑主要成分为黏土、钻屑、化学添加剂、无机盐等。某些废弃的钻井岩屑泥浆，其主要污染物有盐类、油类、杀菌剂、某些化学添加剂、重金属、高分子有机化合物、生物降解产生的低分子化合物和一些碱性物质。经对陕西榆林、内蒙鄂尔多斯和宁夏盐池的钻井岩屑原料进行了制砖性能试验研究，其化学成分、物理性能等符合制砖性能的要求。在此基础上，鸿运国际进行了制砖性能小试验和半工业性生产试验，取得了理想的试验结果和指导生产的工艺技术参数。
   
                                 图1：钻井台旁堆放的岩屑

                                图2：内蒙某地钻井岩屑堆放场                            
  
               图3：陕西某地钻井岩屑堆放场                             图4：压滤后钻井岩屑泥饼

1、钻井岩屑外加剂对制砖性能的影响

钻井岩屑是钻井时钻头研磨或破碎了的岩石颗粒(见图2和图3)。在产生过程中，加入了冲洗液介质、絮凝剂和加重剂等，这些物质的存在是否对制砖性能构成破坏，需要由试验来给出结论。首先是冲洗液，钻井循环冲洗液介质，它连续地通过钻井杆柱从井内将岩屑带出地面，产生的泥浆水经加药、絮凝、固液压滤分离后形成泥饼(见图4)，可与粘土或页岩按比例掺配用来烧砖。根据钻井岩层结构不同，钻井液采用粘土类(水基、有机膨润土)和碱性〔硫酸镁(MgCO3、氢氧化钠(NaOH)、纯碱碳酸钠(NaCO3、小苏打(NaHCO)、氢氧化钾(KOH)〕等，这些物质虽然混合到岩屑中，但含量不高，对制砖性能影响不大。再就是絮凝剂，普遍用于钻井岩，因其具有凝胶、沉降、粘合性、降阻性和增稠性，加入后再进行压滤脱水。常用的絮凝剂聚丙稀酰胺，分子量100～500万，虽然难容于有机容剂，但温度超过120℃时分解，中性无毒，也不会对制砖性能产生大的影响。其次是加重剂，主要是石灰石(CaCO3)和重晶石，将钻井液密度加重到1.3t/m3以上。以上三种情况，是钻井岩屑中存在的必然物质，由于含量较低，综合试验分析后对制砖生产影响不大。

2、小试讨论分析

2.1、岩屑试验分析

2.1.1、化学成分

由于制砖原料多属于硅铝酸盐质原料，因此，化学成分主要有二氧化硅（SiO2）及三氧

化二铝（Al2O3）。另根据生成的条件不同，同时含有少量的碱金属及碱土金属氧化物，如氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化钠（Na2O）、氧化钾（K2O）等。原料主要化学成分要求：二氧化硅（SiO2）要求范围在45%～70%，三地岩屑在59.04%～62.94%(见表1)；三氧化二铝（Al2O3）要求范围在10%～20%，三地岩屑在11.69%～14.02%；Fe2O3要求范围在3%～10%，三地岩屑在3.68%～4.66%；氧化钙（CaO）要求范围在15%以下，三地岩屑在5.85%～6.66%；氧化镁（MgO）要求范围在5%以下，三地岩屑在1.79%～1.89%；三氧化硫(SO3)要求范围在3%以下，三地岩屑在0.25%～0.35%；烧失量小于15%，三地岩屑在6.10%～7.95%。从表中可以看出，化学成分全部符合制砖要求。其有害成分氧化钙（CaO）高含量为6.66%，不会发生产品“石灰爆裂”现象；三氧化硫(SO3)高含量仅为0.35%，不会对产品烧成时产生影响。

钻井岩屑原料中Fe2O3、CaO、K2O、Na2O和MgO几种化合物，在焙烧砖时会起到助溶剂的作用，但在表现形式和起的作用各不相同。 Fe2O3在焙烧过程中的是一种着色剂，含量的高低会引起烧结砖制品的颜色变化。在焙烧氧化气氛中以高价铁的形式存在，制品在一定含量下呈红色，而在还原气氛时氧化铁被还原成低价铁，烧结砖制品呈黑色或青蓝色，这是其一；其二是焙烧过程中的一种助熔剂，在还原气氛中可降低烧结砖的耐火度，而在氧化气氛中不明显；其三，大颗粒的氧化铁会在烧结砖表面出现褐色或黑色斑点。故钻井岩屑含量适宜。CaO是一种助溶剂，钻井岩屑中的CaO颗粒小于1mm，不会形成烧结砖石灰爆裂，但要防止大颗粒的CaO混入，即使含量小于6%也会产生烧结砖爆裂，应引起重视。K2O 和Na2O 在烧结砖制品焙烧中主要起助溶剂作用，并能提高砖的强度。这两种化合物能降低湿坯成型含水率。如果用钻井岩霄生产墙地砖，K2O 和Na2O含量略高时助溶效果更明显，砖的密度和强度会更高一些。 MgO氧化镁在烧成制品中同样起助溶剂作用,也会降低制品的耐火度，但没有氧化钙那样明显。氧化镁在制砖原料中,主要存在于菱镁矿(MgCO3)、硫酸镁(MgSO4)、白云石﹝MgCa﹝CO3﹞2﹞中，其中硫酸镁为有害成分，它会形成白霜，体积膨胀，使砖制品受到破坏。其他镁化合物危害不大,在加热焙烧时或产品本身不致产生破坏，反而产生各种液相使制品更加致密。SO3是有害成分，在焙烧过程中会逸出，使烧结制品发生膨胀,并可能产生气泡。其他含硫化合物也对烧结砖瓦制品有害，如硫酸钙、硫酸镁等也会引起烧结砖瓦制品泛白、起霜、膨胀等。因此，硫化合物越少越好。应当特别注意，为了满足钻井岩屑一次码烧工艺，往往要改变原料性能，加入煤矸石做内燃料,而我国许多地区的煤矸石硫含量偏高，除会引起制品缺陷外，还会加大脱硫的投入。因此,在确定内燃料时应尽可能选择低含硫量的煤矸石。有机物含量高时,制品干燥烧成收缩较大，可能会产生制品开裂，制品孔隙率较高，强度略有下降，但制品的导热系数有所降低。根据以上化学成分分析，三地钻井岩屑均与黏土、页岩等原料相近，生产烧结砖从化学成分看没有问题。由于钻井岩屑废渣掺配比例在70%以上，制砖性能主要在于岩屑，加入粘土、页岩等原料后，制砖性能会有所提高，重点试验研究岩屑原料，其它掺配料不在分析。（见下表1：钻井岩屑化学成分%）
 

1.1.2 物理性能分析

⑴颗粒级配分析：钻井岩屑不需要再粗碎。经细碎后的颗粒具体测定数据为(陕西)：大于 0.5mm 颗粒为 17%；0.5mm~ 0.25mm之间颗粒为10%；0.25mm~0.1mm颗粒为26%； 小于0.1mm颗粒为47%。以钻井岩屑为主要原料，小于0.5mm颗粒占到83%；0.25mm以下颗粒占到73%。根据生产实钱，颗粒主要控制小于0.5mm以下的含量应大于60%，大于 0.5mm 颗粒为40%以下，最大颗粒不超过2mm。从实际测试的颗粒级配看符合要求。

⑵ 塑性指数：虽然细颗粒成分较高，但由于岩屑尘粒和黏粒含量较少，塑性指数在6.8～7.0之间，属于低塑性原料。塑性指数是判断坯体成型和能否满足码坯要求的重要指标。三地的岩屑属于低塑性指数，应注意成型设备工作压力和直空度的选择，尽可能避免高层码垛。低塑性原料韧性差，挤出成型颗粒聚合能力不足，坯体承受压力小，码坯层数应低于12层。

⑶ 干燥性能：在普氏拌和水为 23% 时，临界含水率为 16%；干燥敏感性系数为 0.4；干燥线收缩为2.2%。一般黏土原料临界含水率在10%～13%，较高的临界含水平率，湿坯体只脱少量的水，就出现继续干燥脱水而体积基本不收缩。钻井岩屑属于低干燥敏感性系数和湿坯体低收缩，干燥时可适当提高送风温度，加大风速，实现快速干燥。

⑷.低位发热量：某地部分钻井岩屑低位发热量为负值78cal/g，说明有吸热反应的矿物存在，在生产烧结砖时需要更多的外燃料加以补充，也可选择发热量较高的煤矸石作为内掺燃料。由于钻井时加入的冲洗剂等不同，有的岩屑中含有一定的热量。内蒙岩屑测试样品含270Kcal/kg热量。因此，在选择内燃原料计算时，应考虑热量平衡问题。 

⑸.放射性核素限量：根据国家标准GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》，委托国

家建筑材料工业墙体屋面材料质量监督检验测试中心进行检测，陕西和宁夏两地的钻井岩屑内照射指数IRa分别为0.2和0.1；外照射指数Ir分别为0.5和0.3。放射性核素限量低于国家标准＜1的规定。

2.2、内燃料煤矸石物理性能分析

2.2.1、发热量

钻井岩屑烧结砖烧成时需要的热量大多来自煤矸石。我国地源辽阔，煤矿地质构造复杂多变，产生的煤矸石发热量相差甚大。宁夏某煤矿煤矸石低位发热量为 4.722MJ/kg (1129kcal/ kg)；陕西某矿煤矸石低位发热量为 12114MJ/ kg (2898kcal/kg)；内蒙某矿煤矸石低位发热量为 2.324MJ/ kg (556kcal/kg)。三地发热量最高与最低相差5倍多。要满足岩屑烧结砖所需热量，不同的煤矸石应调整原料的掺配比例。

2.2.2塑性指数

陕西和宁夏两地提供的煤矸石，测试结果无塑性，而内蒙煤矸石测试的塑性指数为6.2。前两种煤矸石掺入岩屑中，会明显降低岩屑塑性指数，对挤出成型产生不利影响。好在发热量高，掺入量会大大减少，塑性指数6以上时，在高压力和高真空度下可以顺利成型。但其掺配量不宜太大，否则会影响成型。内蒙原料掺入量超过25%，也能保证成型所需要的塑性指数。当然，塑性指数过低时可少量掺入当地丰富的膨润土原料，来改善岩屑的成型性能。 

2.2.3颗粒组成

陕西和宁夏两地取样的煤矸石测试前破碎到粒径1mm以下，其颗粒组成为0.5mm以上30%；0.5mm～0.25mm为 16%；0.25mm～0.1mm 和 0.1mm 以下均为 27%。从破碎后颗粒分析，粒径大于0.5mm颗粒远高于钻井岩屑，而 0.1mm 以下颗粒则远低于钻井岩屑，中间颗粒相差不大。由于大颗粒过高，而0.1mm以下颗粒又低，无法测试出塑限和液限，无塑性指数很正常。生产烧结砖时两地应控制混合料中掺入量不宜超过25%。

2.3、成型、焙烧试验

2.3.1、原料配比

钻井岩屑、煤矸石按照化学成分及物理性能测试分析结果，确定小型试验原料配比分别为，陕西和宁夏：钻井岩屑：荒山土：煤矸石＝75：15：10；内蒙：钻井岩屑：煤矸石＝75：25。考虑到陕西和宁夏两地煤矸石无塑性的实地，加入了15% 荒山土，塑性指数在10以上，解决了试验用的无真空小砖机成型问题。

2.3.2、成型试验

陕西和宁夏两种原料按照以上配比充分混合均匀、加水搅拌，在陈化24h后进行挤出空心砖模拟成型试验。成型采用JZK/10型真空挤出机，并在机口取料测试成型含水率。原料成型含水率分别为 18.5% 和18.2%。挤出的泥条分为两种尺寸，一种是作为确定焙烧温度范围及焙烧温度的小试样，尺寸为40mm×15mm×25mm；另一种作为最终烧成的3孔空心小样，尺寸为60mm×40mm×25mm。内蒙原料按钻井岩屑：煤矸石＝75：25配料后混合搅拌，陈化48h后再混合搅拌成型。原料成型水分略高，但挤出成型顺利。经机口挤出的试样为单孔空心小样，尺寸为50.0mmX50.0mm，成型情况见表2，外形状见图5和图6。挤出试样平整、光滑、无裂纹。
（见下表：成型含水率和塑性指数     表2）
 

2.3.3、干燥焙形状

干燥；用于试烧的样品先要进行干燥。室温下干燥 3d。室内常温干燥后再用电热鼓风干燥箱烘干，进行试验。三种原料干燥收缩小于4%，干燥敏感性系数小于0.5，干燥质量好，末发生收缩产生的应力裂纹，可以实施高温快速干燥，缩短干燥周期。样品干燥后含水率小于3%时再进行焙烧试验。

焙烧：将干燥好的小样品放入高温梯度炉中进行焙烧试验，以确定煤矸石砖半工业性试验的焙烧温度、风量及升温速度。试验升温速度≥150℃，两次最高焙烧温度分别为 950℃和 1130℃，保温时间 30min，冷却方式为保温时间到了以后，炉温下降，并自然冷却至室内温度。烧成的试样见图5和图6。烧成样品的过程进行了温度、收缩及吸水率分析，得出的陕西砖样曲线图(见图7)。从曲线图可以看出，钻井岩屑小样空心砖在1010℃前随焙烧温度升高而吸水率有所降低，其烧成收缩随温度升高而有所增大，这与页岩、黏土等原料试验结果基本一致。但1040℃后变化有一定的差距。从两组梯度炉焙烧的样品看，1100℃和1130℃。
 
                         图5：陕西岩屑砖小样                                图6：内蒙岩屑砖小样

                              注：蓝色为吸水率--温度曲线、橙色为烧成收缩--温度曲线

                                    图7：烧成温度与收缩率--温度与吸水率曲线   

时，样品颜色发深发暗，很明显过烧。

烧成温度高低对样品吸水的影响：从得出的吸水率—温度曲线可以看出，以钻井岩屑为主烧成的砖样品，从在800℃～1010℃时，吸水率变化不大，焙烧温度升高至1010℃～1070℃，吸水率随温度再升高有所降低，但降低幅度较小。当温度升高至 1070℃后，吸水率急速下降。在同一原料时，吸水率是产品的重要技术指标之一，可以间接的反映砖的强度、抗冻抗风化性能。可以借鉴该烧成曲线来控制岩屑砖烧成温度，调整产品吸水率指标。

烧成温度高低对样品收缩的影响：一般情况下，烧成收缩随温度升高而明显升高。从得出的烧成收缩—温度曲线图可以看出，烧成的砖样品从 800℃～1040℃看，样品收缩变化不大 ；焙烧温度升高至1040℃～1070℃，收缩率从不到 0.3% 快速增长到1.5%；当温度再升高30℃，即1100℃时，烧成收缩急速增加到7.5%。这一温度变化非常重要，对于钻井岩屑来说，是确定最高烧成温度的重要依据。

从以上分析可知，确定烧成温度范围和最佳焙烧温度的原则，一是满足吸水率；二是烧成收缩率限制在一定范围，否则钻井岩屑烧结砖会在焙烧时出现较大的收缩应力而严重变形或断裂。经综合分析，陕西钻井岩屑最佳焙烧温度为970℃，烧成温度范围900℃ ～1070℃；宁夏钻井岩屑最佳焙烧温度为 950℃，烧成温度范围900℃～1050℃；内蒙钻井岩屑最佳焙烧温度为1010℃，烧成温度范围900℃ ～1090℃。在最佳烧成温度下烧制的样品空心砖，产品呈红色，表面较为光滑，无裂纹产生。烧成后的小试块的干燥收缩率、烧成收缩率、总收缩率见表3。（参看下表：干燥收缩率、烧成收缩率、总收缩率 -表3） 
 

       

        ---- 摘自2022.2. 《砖瓦世界》