技术领域
[0001] 本
发明涉及
水泥节能领域，具体为一种利用钻井废弃物生产水泥的方法。本
申请通过在水泥生产过程中，添加特定比例的钻井废弃物，制备出具有抗
辐射效果的水泥，能用于普通建筑领域，提高
建筑物的抗辐射性能，具有较好的应用前景。
背景技术
[0002] 水泥窑熟料烧成过程如下：
生料进入
回转窑后，依次发生干燥、
粘土矿物脱水分解、
碳酸盐分解、固相反应、熟料
烧结以及冷却过程，最终由生料变成熟料。《2017年中国水泥
质量分析报告》(中国水泥，2018年8期，崔健等，75～78页)中记载，截止2017年6月底，全国共水泥生产企业3465家，其中熟料生产企业46家，含熟料的水泥生产企业1234家，水泥粉磨站企业2173家，水泥配置站企业12家。全国实际熟料产能20.2亿吨，水泥产能38.30亿吨。我国作为水泥生产大国，每年都会生产数以亿吨的水泥。
[0003] 另一方面，在石油、
天然气或其他矿物的深层钻探和开采钻井过程中，会不可避免地产生大量钻井废弃物(钻井废弃物主要是钻井废弃泥浆和
钻屑)。若对这些钻井废弃物不进行安全的无害化处理或处理不当，那么会对排放点及附近地带的环境产生长期的不良影响，给人类生活带来极大危害。为此，人们针对钻井废弃物的处理进行了大量的研究，也取得了一定的效果。但现有钻井废弃物处理方法也存在一些不足，主要包括处理成本较高、处理量小等问题，无法有效解决钻井废弃物的处理难题。
[0004] 为此，
发明人通过长期研究后认为，利用利用钻井废弃物生产水泥能够有效解决上述问题，并给出了相应的技术方案。
发明内容
[0005] 本发明的发明目的在于：针对现有钻井废弃物处理方法存在成本较高、处理量小的问题，提供一种利用钻井废弃物生产水泥的方法。本申请以钻井废弃物为原料，通过对加入钻井废弃物的配比控制，在保证水泥质量的前提下，实现了对钻井废弃物的有效处理。采用本申请，能够实现钻井废弃物的无害化、减量化和资源化综合利用。同时，由于利用现有的水泥窑，在水泥生产过程中，实现对钻井废弃物的有效处理，无需采用其他物质，能够大幅降低处理成本。同时，我国每年的水泥生产量高达数亿吨，能够有效解决钻井废弃物处理的问题。进一步，本申请使钻井废弃物中的
硫酸钡得到有效利用，制备出的水泥具有防辐射的效果，并能满足相应的水泥强度等级要求。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种利用钻井废弃物生产水泥的方法，包括如下步骤：
[0008] (1)对钻井废弃物进行取样分析，测定钻井废弃物样品的热值、pH值、水分、元素分析和
粘度；测定后，将钻井废弃物存储于存储库中，存储库全封闭，并将存储库产生的废气通过管道连接入篦冷机焚烧；
[0009] (2)基于步骤1测定的钻井废弃物的热值、水分、元素分析和粘度，确定钻井废弃物的预处理条件，将钻井废弃物依次进行干燥、
破碎、磨粉，直到符合水泥窑入窑指标后，再通过计量设备配伍、投料装置投加入回转窑，形成生料；其中，钻井废弃物含硫酸钡，硫酸钡占配伍后生料质量的0.5～2.0wt％，钻井废弃物占配伍后生料质量的2～12wt％；
[0010] (3)将步骤2中的生料投加入回转窑，其投料
位置为回转窑三次
风管处或
分解炉内；
[0011] (4)生料进入回转窑后，依次发生干燥、粘土矿物脱水分解、碳酸盐分解、固相反应、熟料烧结、冷却过程，从而制成硫酸钡
水泥熟料；
[0012] (5)步骤(4)制备的硫酸钡水泥熟料经冷却、粉磨后，制备成水泥成品。
[0013] 所述步骤1中，硫酸钡占钻井废弃物质量的6wt％～45wt％。
[0014] 所述步骤(4)中，较生料不添加钻井废弃物时相比，生料中碳酸
钙的分解
温度降低80～120℃。
[0015] 所述步骤(5)中，较生料不添加钻井废弃物时相比，所得水泥成品
早期强度提高20％～25％。
[0016] 该方法采用的设备包括水泥生产单元、预处理单元、物料添加单元、废气处理单元、废液处理单元；
[0017] 所述水泥生产单元包括用于生产水泥的水泥窑、与水泥窑相配合的篦冷机；
[0018] 所述预处理单元包括用于对钻井废弃物进行存储的存储库、干燥破碎磨粉组件、预处理产品仓、密封输送设备、计量设备、投加设备，所述干燥破碎磨粉组件与存储库相连且干燥破碎磨粉组件能对存储库内检测后的钻井废弃物依次进行干燥、破碎、磨粉，所述干燥破碎磨粉组件与预处理产品仓相连且经干燥破碎磨粉组件处理后的物料能送入预处理产品仓内进行暂存，所述预处理产品仓通过密封输送设备、计量设备、投加设备与水泥生产单元相连且预处理产品仓内的物料经密封输送设备输送、计量设备计量、投加设备投料后能进入水泥生产单元与生料进行混合并用于生产水泥；
[0019] 所述废气处理单元包括废气收集风机、集风管道，所述集风管道分别与预处理单元、篦冷机相连且预处理单元中的废气经集风管道后能送至篦冷机、水泥窑进行高温燃烧分解，所述废气收集风机设置在集风管道上；
[0020] 所述废液处理单元包括废液收集管沟、密封输送设备、油水分离设备、油类废液入窑设备、废
水处理设备，所述废液收集管沟与预处理单元相连且废液收集管沟能对预处理单元产生的废液进行收集，所述废液收集管沟通过密封输送设备与油水分离设备相连且废液收集管沟收集的废液经密封输送设备输送后进入油水分离设备内进行两相分离并分别得到油类废液、
废水，所述油水分离设备通过油类废液入窑设备与水泥生产单元相连且油水分离设备分离出的油类废液能通过油类废液入窑设备进入水泥生产单元作为
燃料进行处理，所述油水分离设备与废水处理设备相连且油水分离设备分离出的废水能经废水处理设备进行回收处理至达标后排放。
[0021] 还包括与预处理单元相配合的取样单元，所述取样单元包括取样器、检测设备且检测设备能对取样器所取样品进行检测。
[0022] 所述预处理单元为全封闭结构。
[0023] 所述投加设备与水泥生产单元中水泥窑的三次风管口或水泥生产单元中水泥窑的分解炉相连。
[0024] 所述投加设备为管道皮带机、槽型
输送机、刮板机、螺旋供料装置中的一种或多种。
[0025] 所述水泥窑为回转窑。
[0026] 针对前述问题，本申请提供一种利用钻井废弃物生产水泥的方法，其包括钻井废弃物处理、水泥生产两部分。其中，所涉及的钻井废弃物包括油基泥浆钻井岩屑、含油
土壤、水基泥浆。
[0027] 在钻井过程中，为了对付高压
地层和稳定井壁，需将硫酸钡添加到
钻井液中，以提高钻井液的
密度。因此，钻井废弃物中含有大量的硫酸钡。若直接对钻井废弃物进行处理，其中所含有的硫酸钡处理将是一大难题，会导致处理成本上升。另外，若直接将钻井废弃物废弃，其中所含的硫酸钡无法得到有效
回收利用，也是一种资源的浪费。
[0028] 基于含硫酸钡钻井废弃物的特性，本申请对原有水泥窑进行局部适用性改造，在全封闭状态下，将钻井废弃物进行预处理后，送入水泥生产系统，与水泥生料混合反应，生成硫酸钡水泥熟料；另外，钻井废物中油类物质替代部分燃料，有利于降低
能源消耗；另外，利用水泥窑高温段分解VOC、二噁英等有机废气，通过水泥窑现有末端治理设施处理烟粉尘、氮化物、二
氧化硫等大气污染物，解决了硫酸钡水泥生产过程中的二次污染的问题，实现了对钻井废弃物的无害化、减量化和资源化综合利用。
[0029] 进一步，基于水泥窑生产水泥的形成过程，将其划分为六个带：干燥带、预热带、分解带、放热反应带、烧成带、冷却带。由于本申请的钻井废弃物中天然含有硫酸钡，这使得本申请的钻井废弃物作为水泥原料制备水泥时，有利于碳酸钙的分解和促进C3S形成；更具体地，这表现在碳酸钙分解温度降低80-120℃，水泥早期强度大约可提高20～25％。采用本申请制备的水泥具有一定的抗辐射效果，还能有效减少水泥生料的使用量，降低水泥生产的能耗，并实现对含硫酸钡钻井废弃物的有效利用，具有较好的协同增效作用。
[0030] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0031] 1)本申请将钻井废弃物送入回转窑中与生料发生固相反应，生成硫酸钡水泥熟料；其中，钻井废弃物中的重金属固溶在熟料的各类矿物相晶格中，取代Ca、Al、Si等元素，而不再以简单的化合物形式存在，水泥水化形成的水泥石可完全稳定封固金属元素，使钻井废弃物达到无害处理的目的，且具有处理成本低的优点；
[0032] 2)本申请对钻井废弃物的利用量大，以一条4600吨/d的水泥生产线计算，钻井废弃物的掺量以6.5wt％(水泥生料占比)计算，每天可处理300吨，每年处理量可达10万吨，能够有效解决现有钻井废弃物处理量小的问题；
[0033] 3)本申请中，钻井废弃物特别通过水泥窑的高温区进入，利用水泥窑高温、
碱性气氛
停留时间长等优势，实现钻井废弃物中所含有机物的无害化处置，且不影响水泥熟料质量，使制备的水泥制备具备与现有水泥产品相同或更优的性能；
[0034] 4)本申请采用钻井废弃物生产硫酸钡水泥，钻井废弃物作为全替代料，能有效减少水泥原料的用量；同时，钻井废弃物中的
废油类物质可作为燃料，部分替代
煤粉，进而减少吨产品燃料消耗，且不会新增污染物排放；本申请能够将钻井废弃物这类危险固体废弃物进行有效处置，实现其资源化、减量化、无害化处理，具有较高的应用价值；
[0035] 5)本申请以钻井废弃物为原料，其中含有硫酸钡，有利于碳酸钙的分解和促进C3S形成，降低碳酸钙分解温度80-120℃；以一条4600吨/d的水泥生产线计算，可节约标煤8000-12000吨/年；另外，水泥早期强度大约可提高20～25％，后期强度约提高8-12％，熟料质量得到了改善；
[0036] 6)采用本申请制备的水泥对
X射线具有一定阻隔作用，能够起到屏蔽作用；
[0037] 7)本申请利用水泥窑原有设施，不新增土地，投资成本低，且工艺简单，使用方便，产品质量稳定、可靠，能够满足市场化应用的需求，具有较高的应用价值。
附图说明
[0038] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0040] 图2为实施例1中设备的结构简图。
[0041] 图中标记：1、存储库，2、废气收集风机，3、投加设备，4、三次风管，5、水泥窑，6、集风管道，7、篦冷机。
具体实施方式
[0042] 本
说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0043] 本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0044] 结合附图，以下各含量均为重量百分比含量，单位：wt％。
[0045] 如图所示，本实施例包括水泥生产单元、预处理单元、物料添加单元、废气处理单元、废液处理单元。其中，水泥生产单元包括用于生产水泥的水泥窑、与水泥窑相配合的篦冷机。本实施例中，预处理单元包括存储库、干燥破碎磨粉组件、预处理产品仓、密封输送设备、计量设备、投加设备，干燥破碎磨粉组件与存储库相连，干燥破碎磨粉组件与预处理产品仓相连，预处理产品仓通过密封输送设备、计量设备、投加设备与水泥生产单元相连。更具体地，投加设备与水泥生产单元中水泥窑的三次风管口相连。其中，存储库用于对钻井废弃物进行存储，干燥破碎磨粉组件用于对存储库内检测后的钻井废弃物依次进行干燥、破碎、磨粉，经干燥破碎磨粉组件处理后的物料能送入预处理产品仓内进行暂存，预处理产品仓内的物料经密封输送设备输送、计量设备计量、投加设备投料后进入水泥生产单元与生料进行混合并用于生产水泥。本实施例中，预处理单元采用全封闭结构，投加设备可采用管道皮带机、槽型输送机、刮板机或螺旋供料装置，水泥窑采用回转窑。
[0046] 同时，废气处理单元包括废气收集风机、集风管道，集风管道分别与预处理单元、篦冷机相连。本实施例中，废气收集风机为
负压风机。预处理单元中的废气经集风管道后，被送至篦冷机进行高温燃烧分解，废气收集风机设置在集风管道上。
[0047] 废液处理单元包括废液收集管沟、密封输送设备、油水分离设备、油类废液入窑设备、废水处理设备，废液收集管沟与预处理单元相连，废液收集管沟通过密封输送设备与油水分离设备相连，油水分离设备通过油类废液入窑设备与水泥生产单元相连，油水分离设备与废水处理设备相连。本实施例中，废液收集管沟用于对预处理单元产生的废液进行收集；废液收集管沟收集的废液经密封输送设备输送后，进入油水分离设备内进行两相分离，分别得到油类废液、废水；油水分离设备分离出的油类废液通过油类废液入窑设备进入水泥生产单元，作为燃料进行处理；油水分离设备分离出的废水则进入废水处理设备内进行回收处理，至达标后，排放。
[0048] 作为优选，本申请还包括与预处理单元相配合的取样单元，取样单元包括取样器、检测设备且检测设备能对取样器所取样品进行检测。
[0049] 实施例1
[0050] 本例的油基泥浆取自四川某
页岩气钻井经岩屑。其利用钻井废弃物生产水泥的方法(其工艺流程如图1所示)，步骤如下：
[0051] (1)对钻井废弃物进行取样分析，测定钻井废弃物样品的热值、pH值、水分、元素分析和粘度；测定后，将钻井废弃物存储于存储库中，存储库全封闭，并将存储库产生的废气通过管道连接入篦冷机焚烧；
[0052] (2)基于步骤1测定的钻井废弃物的热值、水分、元素分析和粘度，确定钻井废弃物的预处理条件，将钻井废弃物依次进行干燥、破碎、磨粉，直到符合水泥窑入窑指标后，再通过计量设备配伍、投料装置投加入回转窑，形成生料；其中，钻井废弃物含硫酸钡，硫酸钡占配伍后生料质量的0.5～2.0wt％，钻井废弃物占配伍后生料质量的2～12wt％；
[0053] (3)将步骤2中的生料投加入回转窑，其投料位置为回转窑三次风管处或分解炉内；
[0054] (4)生料进入回转窑后，依次发生干燥、粘土矿物脱水分解、碳酸盐分解、固相反应、熟料烧结、冷却过程，从而制成硫酸钡水泥熟料；硫酸钡水泥熟料经冷却、粉磨后，制备成水泥成品；其中，经预处理系统干燥磨粉、计量配伍后，通过投加设备送入三次风管后，进入水泥窑，熟料烧成温度由1360℃，预处理单元的废气进入基风管道，最终进入篦冷机，进行焚烧
净化处理后，达标排放；
[0055] 其中，该油基泥浆的化学成分检测结果如下表1所示。
[0056] 表1油基泥浆钻井岩屑的化学成分组成及含量，单位：wt％；
[0057]成分 Na2O MgO A12O3 SiO2 SO3 K2O CaO Fe2O3 SrO BaO Cl 烧失量
(CO2)
含量％ 0.64 4.92 5.21 23.98 17.64 0.66 12.39 2.29 0.52 30.06 0.35 0.64[0058] 步骤2的配料方案如表2所示，步骤4为制备的熟料化学成分如表3所示，表4给出了制备水泥的物理性能。
[0059] 表2原料配比
[0060]
[0061] 表3熟料化学成分检测，单位：wt％；
[0062]名称 LOI SiO2 AL2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O BaSO4
指标 0.48 21.62 5.4 3.4 64.74 2.38 0.71 0.40 0.10 1.28
名称 f-CaO KH KH- N P C3S C2S C3A C4AF
指标 1.28 0.89 0.87 2.46 1.61 49.57 23.6 8.67 10.24
[0063] 表4水泥物理性能
[0064]
[0065] 根据检测结果可知，采用钻井废弃物制备的硫酸钡水泥熟料化学成分正常，f-CaO含量低，硫酸钡含量达到1.28wt％。根据表4水泥物理性能结果可知，水泥强度性能达到65.1的强度等级，
凝结时间亦满足标准中的相关要求。
[0066] 本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
