Буровой шлам как источник сырья для производства строительной керамики пластического формования

Буровой шлам как источник сырья для производства строительной керамики пластического формования

В.В Дубинецкий Оренбургский государственный университет, Оренбург

Аннотация: Рассмотрена возможность утилизации техногенного продукта получаемого, в процессе бурения нефтяных скважин, на объектах ПАО «Оренбургнефть» в производстве изделий строительной керамики. Исследованы дообжиговые свойства исходного сырья -бурового шлама и глины Бузулукского месторождения, дообжиговые и обжиговые свойства изделий на основе трехкомпонентной шихты. Исследование направлено на утилизацию, обезвреживание и вторичного использования бурового шлама, что в значительной степени улучшит экологическую обстановку и позволит создать резерв дешевого сырья для производства керамических строительных материалов. Ключевые слова: буровой шлам, стремительная керамика, утилизация и переработка, промышленные отходы, обожженный и просушенный шлам, стеклобой.

Производственная деятельность предприятий нефтяной промышленности, в том числе территориально расположенных в Оренбургской области, начиная с этапа разведки и добычи нефти и заканчивая использованием нефтепродуктов, в значительной степени способствует техногенному воздействию на окружающую среду.

В процессе строительства скважин образуется многотоннажный отход - буровой шлам, подлежащий утилизации [1]. Угрожающий рост накапливаемых ежегодно опасных нефтешламов при отсутствии необходимых масштабов их утилизации и переработки приводит к изъятию на длительный срок земельных ресурсов [2].

В настоящий момент на объектах ПАО «Оренбургнефть» хранится более 3 млн. тонн отходов получаемых как побочный продукт при бурении. Для их хранения и утилизации создаются амбары и полигоны для сбора

буровых и тампонажных растворов, буровых сточных вод и шламов, пластовых вод, продуктов испытания скважин, материалов для приготовления и химической обработки буровых и тампонажных растворов, ГСМ, хозяйственно-бытовых сточных вод и твердых бытовых отходов, ливневых сточных вод. На хранение, утилизацию и переработку скопившихся буровых шламов, которые имеют II класс опасности, требуются ежегодные капиталовложения.

Однако до настоящего времени не разработан универсальный способ утилизации и обезвреживания полученного техногенного продукта нефтедобычи, хотя по своему химическому и минералогическому составу данный материал после обезвреживания может быть пригоден для получения строительных материалов [3].

Исходя из химического анализа полигонных шламов ПАО "Оренбургнефть", содержание нефтепродуктов в шламе колеблется в пределах от 800 до 9870 мг/кг. В образцах асфальто-смолистых парафиновых отложений, отобранных из амбаров нефтепромыслов Южного Урала, содержание парафино-церезиновых компонентов с температурами плавления 66-84 °С составляет 40-70% масс.; содержание органической части - 72-90% масс. [4]. В экспериментальной части использован буровой шлам с минимальным процентным содержанием нефтепродукта.

Нефтяная часть отходов распределяется в шламовом амбаре следующим образом: 7-10% нефтеуглеводородов сорбируется на шламе, 510% находится в эмульгированном и растворенном состоянии, остальные углеводороды находятся на поверхности амбара в виде пленки.

Неорганическую часть составляют в основном оксиды кремния и железа (песок, продукты коррозии), небольшие количества (менее 1%) соединений алюминия, натрия, цинка и других металлов. По содержанию

оксидов, определяющих главные свойства шламов, в процентном соотношении их можно отнести к кремнистым БЮ2 > 23.

Исследование сырья с целью определения свойств выполнены по стандартным методикам на лабораторных образцах в соответствии с требованиями ГОСТ 21216.0-81 - ГОСТ 21216.6-81, ГОСТ 21216.8-81 -ГОСТ 21216.11-81.

Химический и минералогический составы минеральной составляющей исследуемого бурового шлама приведены в таблицах 1, 2.

Таблица №1

Химический состав проб минеральной составляющей бурового шлама

Химический состав, сухого вещества, %

Наименование т т

О О О й о ад т О О О п к

и Рн о Е со < к

Буровой шлам месторождений ПАО «Оренбургнефть» 23,84 10,8 21,28 2,28 1,81 10,83 3,72 29,24 100,0

Таблица №2

Минералогический состав минеральной части бурового шлама

Наименование Минеральный состав, содержание, % масс.

Кварц Кальцит Доломит Полевой шпат Гидрослюда

Буровой шлам месторождений ПАО 24,3 17,39 6,86 25,32 18,56

«Оренбургнефть»

Химический, минералогический, гранулометрический составы глины Бузулукского месторождения приведены в таблицах 3 - 5, дообжиговые

свойства - в таблицах 6, 7.

Таблица №3

Развернутый химический состав глины Бузулукского месторождения

Наимено- Химический состав, сухого вещества, %

вание О СО СЯ О Н т О СЯ «3 т О и Рн МпО СаО MgO о ся ей О СЯ «О О СЯ э ю о оп о со п.п.п.

Глина

Бузулукско

-го 41,71 0,23 3,92 2,10 0,01 25,6 0,37 0,18 0,94 0,12 следы 23,05 100,02

месторож-

дений

Таблица №4

Минералогический состав глины Бузулукского месторождения

Наименование месторождения Минеральный состав, содержание, % масс.

Монтмориллонит Гидрослюда Коали-нит Кварц Кальцит Цеолит

Глина Бузулукского месторождений 16 12 1 8 44 20

Таблица №5

:

Гранулометрический состав

Наименование Содержание фракций в % размер фракций в мм

1,0-0,063 0,063-0,01 0,01-0,005 0,0050,001 <0,001

Глина Бузулукского месторождений 14 10 1 6 42

Таблица №6

Чувствительность к сушке

Наименование сырья Формовочная влажность, % абс. Коэффициент чувствительности к сушке по Чижскому, сек Классификация по чувствительности к сушке

Глина Бузулукского месторождений 24,95 111 Среднечувстви-тельное

Таблица №7 Пластичность сырья

Наименование сырья Пределы пластичности, % абс.вл. Число пластичности Классификация сырья по пластичности

Нижняя граница текучести Граница раскатыв ания

Глина Бузулукского месторождений 50,60 37,90 22,80 Высокопластичная

В соответствии с методикой эксперимента разработка составов трехкомпанентной системы проводилась в зависимости от состава сырьевой шихты «глина - буровой шлам - стеклобой» и режима обжига [5].

Для применения бурового шлама в качестве источника вторичной сырьевой базы в керамике важным является показатель спекаемости, который во многом зависит как от вещественного состава исходного сырья, так и от степени его измельчения.

В связи с тем, что предварительно проведенные эксперименты свидетельствуют о низкой спекаемости бурового шлама, взятого в насыпном виде с полигона, то для получения удовлетворительных механических результатов необходимо повысить температуру обжига как для тугоплавкого сырья - в пределах от 1050 до 1350 оС [6]. Однако данное технологическое решение неизбежно приведет к увеличению энергозатрат.

Для решения данной проблемы с целью повышения плотности и прочности синтезированного искусственного композиционного камня была выбрана методика дополнительного введения в шихту тарного стеклобоя в качестве дополнительного плавня в количестве от 10 до 15 масс. %[7,8]. Как наиболее перспективное для этих целей подходит тарное стекло по ГОСТ 54170-2010. Стеклобой предварительно измельчался до крупности частиц 0,3 мм. Химический состав стеклобоя представлен в таблице 8.

Таблица №8

Химический состав стеклобоя

Наименование Химический состав вещества, %

&О2 ЛЬОэ Fe2Oз СяО MgO Ш2О К2О п.п.п I

Тарный стеклобой 67,40 5,81 1,76 7,21 3,38 12,73 2,0 - 100,02

Для проведения оптимизации шихты были приготовлены смеси в виде формовочных масс, в которых количество техногенного сырья составляло от

0 до 30 %. Сырьевые материалы, смеси, образцы подготавливались по стандартной методике, принятой в керамическом производстве [9].

Образцы формовались в виде цилиндров диаметром 50 мм. Сушка проводилась при температуре 100 оС в течение 5 часов до постоянной влажности. Обжиг осуществлялся в интервале от 650 до 1100 оС при скорости нагрева 5 оС/мин и выдержке при максимальной температуре в течение 60 мин. Полученные результаты сырца отображены в таблице 9.

Все отформованные образцы после обжига имели бездефектный вид. Динамика изменения физико-механических свойств образцов приведена на рис. 1 - 3.

Таблица №9

Дообжиговые свойства керамических образцов

Влаж- Сухой образец Влаж-

№обр. Состав шихты ность шихты, ^сух,мм dсух,мм тсух,г Рср. сух, кг/м3 ность образцов,

% %

1-1 Шлам 47,0 51,1 205,670 1979,0 10,23

1-2 30 % 46,4 50,7 200,165 1964,6 10,56

1-3 Глина 25,02 45,6 50,0 190,210 1968,6 10,56

Среднее значение 55 % Стеклобой 15 % 1970,7 10,45

2-1 Шлам 46,5 49,6 176,530 1965,9 11,25

2-2 20 % 47,1 50,0 180,185 1957,1 11,45

2-3 Глина 25,08 47,6 48,4 182,765 1943,4 11,14

Среднее значение 68 % Стеклобой 12 % 1955,5 11,28

3-1 Шлам 25,35 47,5 49,8 179,780 1956,5 10,50

3-2 10 % 47,5 50,0 184,005 1967,6 10,46

3-3 Глина 80 % Стеклобой 10 % 46,5 49,2 176,657 1989,3 10,14

Среднее значение 1971,1 10,36

Рис. 1. - Изменение предела прочности при сжатии изделий в зависимости от состава шихты (глина/шлам/стеклобой) и температуры обжига

Рис. 2. - Изменение плотности в зависимости от состава шихты (глина/шлам/стеклобой) и температуры обжига

Рис. 3. - Изменение водопоглощения в зависимости от состава шихты (глина/шлам/стеклобой) и температуры обжига

Полученные экспериментальные данные указывают на то, что прочностные характеристики, плотность образов с ростом темератры увеличиваются, водопоглошение уменьшается. Активизации процесса спекания способствует присутствие стеклобоя, который, характеризясь низкой эвтектикой плавления, является инициатором образования жидкой фазы в структуре керамики. Образующейся при обжиге расплав расходуется частично на заполнение крупных пор и обволакивание зерен материала, выступая в роли связующего между частицами керамики [10].

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о возможности и целесообразности разработки ресурсосберегающих технологий получения керамики с содержанием в трехкомпонентной шихте

бурового шлама до 30 % при температуре обжига в диапазоне до 1100 оС различной номенклатуры (кирпич, плитка, черепица).

Литература

1. Кувыкин, Н.А., Бубнов А.Г., Гриневич В.И. Опасные промышленные отходы // Иван. гос. хим.-технол. ун-т., 2004. - 148 с.

2. Жуков, А. А. Результаты контрольно-надзорной деятельности в части обращения с отходами производства и потребления Управления Росприроднадзора по Оренбургской области по итогам 9 месяцев и задачи на IV квартал 2012 года // Оренбург: Упр-ние Росприроднадзора, 2012. - 6 с.

3. Полигон по утилизации и переработке отходов бурения и нефтедобычи: Принципиальные технологические решения. Кн. 3. Разработка принципиальных технологических решений по обезвреживанию и утилизации буровых шламов и нефтезагрязненных песков /под ред. Савельева В.Н. // Сургут: НГДУ, 1996. - 101 с.

4. Дубинецкий В.В., Гурьева В. А. Экологические аспекты утилизации нефтешламов Оренбургской области как вторичных материальных ресурсов // материалы Всероссийской научно-практической конференции - ОГУ, 2012. - С. 2091-2094.

5. Дубинецкий В.В., Гурьева В.А., Вдовин К.М. Буровой шлам в производстве изделий строительной керамики // Строительные материалы, 2015, №4, С. 75-76.

6. Дубинецкий В.В., Гурьева В.А., Вдовин К.М. Применение бурового шлама в качестве отощителя для производства керамического кирпича //

материалы Всероссийской научно-методической конференции -ОГУ, 2014. -С. 145-147.

7. Bolelli G., Cannillo V ., Lusvarghi T., Manfredini T., Siligardi C., Bartuli C., Loreto A., V alente T. Plasma - sprayed glass-ceramic coatings on ceramic tiles:nicrostructure, chemical resistanace and mechanical proprties // Jonrnal of the Eukopean Ceranic Sociaty. - 2005. - T.25, №11. - С. 1835-1853.

8. Bessmertnyi V .S., Krokhin V .P., Panasenko V .A., Drichd N.F., Dyumina P.S., Kolchina O.M. Plasma rod dekorating of household class // Glass and Geramics. - 2001. - T. 58. №5-6. - С. 214-215.

9. Зотов С.Н. Исследование влияния различных видов стеклобоя на свойства керамических изделий. Труды НИИСтройкерамики. // М., 1996. Вып. 58. С.24-25.

10. Кетова Г.Б., Пузанов А.И., Пузанов И.С. и др. Проблемы вторичного использования стеклобоя и пути их решения. Сборник. Промышленная экология на рубеже веков. // Пермь, 2001. С. 247-252.

References

1. Kuvykin, NA., Bubnov А^., Grinevich V.I. Opasnye promyshlennye othody. [Hazardous industrial wastes]. Ivan. gos. him.-tehnol. un-t., 2004. 148 p.

2. Zhukov, А.А. Rezultaty control'no-nadzornoj deyatel'nosti v chasti obrashheniya s othodami proizvodstva i potrebleniya Upravleniya Rosprirodnadzora po Orenburgskoj oblasti po itogam 9 mesyacev i zadachi rn IV kvartal 2012 goda. [The results of inspection and enforcement activities in terms of waste production and consumption of Rosprirodnadzor in the Orenburg region in the first 9 months and tasks for the IV quarter 2012]. Orenburg: Upr-nie Rosprirodnadzora, 2012. 6 p.

3. Poligon pо utilizacii i pererabotke othodov bureniya i neftedobychi: Princypial nye tehnologicheskie resheniya. Kn. 3. Razrabotka principial nyh

tehnologicheskih reshenij po obezvrezhivaniju i utilizacii burovyh shlamov i neftezagryaznennyh peskov [Landfill disposal and recycling of drilling and oil production: The principal technological solutions. Bk.3. Working principle of technological solutions for the disposal and recycling of drilling sludge and oil-contaminated sand]. Pod red. Savel'eva V.N. Surgut: NGDU, 1996. 101 p.

4. Dubineckij V.V., Gureva V.A. Materialy Vserossijskoj naucno-practicheskoj konferencii. OGU, 2012. pp. 2091-2094.

5. Dubineckij V.V., Gureva V.A., Vdovin K.M. Stroitel'nye materialy, 2015, №4, pp. 75-76.

6. Dubineckij V.V., Gur eva V.A., Vdovin K.M. Materialy Vserossijskoj naucno -metodicheskoj konferencii. OGU, 2014. pp. 145-147.

7. Bolelli G., Cannillo V ., Lusvarghi T., Manfredini T., Siligardi C., Bartuli C., Loreto A., V alente T. Jonrnal of the Eukopean Ceranic Sociaty. 2005. T.25, №11. pp. 1835-1853.

8. Bessmertnyi V .S., Krokhin V .P., Panasenko V .A., Drichd N.F., Dyumina P.S., Kolchina O.M. Glass and Geramics. 2001. T. 58. №5-6. pp. 214215.

9. Zotov S.N. Trudy NIIStrojkeramiki. M., 1996. Vyp. 58. pp.24-25.

10. Ketova G.B., Puzanov A.I., Puzanov I.S. i dr. Problemy vtorichnogo ispolzovaniya stekloboya i puti ih resheniya. Sbornik. Promyshlennaya jekologiya na rubezhe vekov. [Problems of recycled cullet and solutions. Collection. Industrial Ecology at the turn of the century]. Perm', 2001. pp. 247-252.