日期：2021-06-21
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201 核心提示：钻井固体废弃物在非固化橡胶沥青防水涂料中的应用研究杨朋威，阮军，冯建虎，高周周（雨中情防水技术集团有限责任公司，西安7100
钻井固体废弃物在非固化橡胶沥青防水涂料中的应用研究
杨朋威，阮军，冯建虎，高周周（雨中情防水技术集团有限责任公司，西安710000）
油气田在采油采气过程中产生大量的固体废弃物，主要有3类：钻井废弃泥浆、落地原油、油泥与油砂。每年相关固体废弃物排放量在100万t以上，这些固体废弃物为强碱性，pH在8～12之间，主要成分包括膨润土、原油、黏土、加重材料、化学添加剂（有机处理剂、无机处理剂和表面活性剂等）以及堵漏材料等[2]。其中的污染物主要是烃类、盐类、各种有机聚合物、木质素磺酸盐及重晶石等杂质，有效处理这些污染物十分困难。现行的处理方法主要有直接排放、回填处理及坑内掩埋，这种方法会对地下水及植被造成严重污染。
近几年，随着建筑行业的兴起，建筑防水越来越受大众的关注，防水材料的好坏直接关系到建筑的寿命，其中非固化橡胶沥青防水涂料作为一种新型防水材料，以其的粘结性、蠕变性、自愈性以及“永不固化”等优点深得防水行业用户喜爱。在生产非固化橡胶沥青防水涂料过程中会添加15%～35%的无机填料，目的在于增加涂料的耐候性及降低生产成本。本研究将油气田固体废弃物引入到非固化橡胶沥青防水涂料中替代部分无机填料，解决油气田固体废弃物难处理问题的同时，探究其对非固化橡胶沥青防水涂料性能的影响。
1 实验部分
1. 1 原料
苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）：YH-1401，中石化巴陵石化；丁苯橡胶粉末（PSBR）：85%含量，山东高氏科工贸有限公司；沥青：70#重交沥青，中国石油燃料油有限公司西北分公司；软化油：芳烃油，山东孚润达化工有限公司；萜烯树脂：HP100，遂川县新海化工有限责任公司；非晶态丙烯共聚物（APAO）：软化点140 ℃，辽阳辽化奇达化工有限责任公司；重钙：800目，石泉大洋钙业有限公司；钻井固体废弃物：陕北某区块取样（经除水粉碎处理，为80～120目固体粉末）。
1. 2 非固化橡胶沥青防水涂料的制备及检测分析方法
向反应釜中加入70#沥青和软化油，开启电热套开始升温，打开变速搅拌器，控制转速1 200 r/min，待温度升到175 ℃开启保温，加入SBS和PSBR搅拌溶胀3 h，加入APAO和萜烯树脂搅拌30 min；加入无机填料混匀30 min后，即可放料，即为非固化橡胶沥青防水涂料。在配方基础上，分别用钻井固体废弃物按比例替代800目重钙，替代比例为0、20%、40%、80%和100%。
分别按照GB/T 4509—2010、GB/T 4507—2014和GB/T 4508—2010 测定涂料的针入度、软化点及延度；分别测试涂料130 ℃、150 ℃和180 ℃时的黏度；按照JC/T 2428—2017 测定涂料低温柔性、热老化后低温柔性、延伸性以及自愈性等性能。
2 结果与讨论
2. 1 钻井固体废弃物对针入度和软化点及延度的影响
分别用0、20%、40%、80%和100%比例的钻井固体废弃物替代非固化橡胶沥青防水涂料中的无机填料，分别按照工艺条件配料制备非固化橡胶沥青防水涂料样品，检测其针入度、软化点及延度，结果如表1所示。
从表1可以看出，随着钻井固体废弃物替代无机填料比例从0 增大至100%，针入度由284（25 ℃）/10-1 mm 增加到319（25 ℃）/10-1 mm，软化点由69. 2 ℃ 升高到75. 0 ℃ ，延度由47 cm 增大到67 cm，3项指标均不同程度增大。这主要是由于钻井固体废弃物中含有原油及部分有机添加剂，会使涂料更软，改性剂SBS和APAO在现有工艺条件下溶胀更充分，因而导致针入度、软化点以及延度均增大。针入度越大表明涂料蠕变性越好，软化点越高涂料耐热性越好，立墙越容易施工，延度越好则延伸性和粘结性能越好，因而3项指标相对于非固化橡胶沥青防水涂料来说均是在满足标准性能要求的条件下是越大越好。其中延度和软化点随替代比例增加而增大的效果更为明显。因此，钻井固体废弃物替代无机填料越多越好，完全替代较也可行。
2. 2 钻井固体废弃物对黏度的影响
分别测试非固化橡胶沥青防水涂料样品在130 ℃、150 ℃和180 ℃时的黏度，结果如表2所示。
从表2可以看出，随着钻井固体废弃物替代无机填料比例增大，180 ℃时黏度由550 mPa·s 降低到390 mPa·s，下降了29%；150 ℃时黏度由1 550 mPa·s降低到1 380 mPa·s，下降了11%；130 ℃时黏度随替代比例增加变化较小。说明钻井固体废弃物对非固化橡胶沥青防水涂料150～180 ℃时黏度降低改善较为明显，对非固化橡胶沥青防水涂料130 ℃时黏度降低改善作用较小。这可能是由于钻井固体废弃物中的膨润土相对于800目重钙吸油量更小，而且废弃物中部分残留的油分，使得涂料在180 ℃和150 ℃时黏度有明显下降趋势，而APAO软化点为140 ℃，130 ℃时涂料的黏度主要受APAO影响，其他物料的影响较小。非固化橡胶沥青防水涂料在施工过程中由于需要热熔脱桶并喷涂，需要消耗大量的能源，排放剧烈的浓烟，对施工人员的身体造成损伤。实验结果验证的非固化橡胶沥青防水涂料降黏效果明显，可以适当降低涂料施工温度，降低能源消耗和减少烟气排放。
2. 3 钻井固体废弃物对低温柔性的影响
按照JC/T 2428—2017标准要求，非固化橡胶沥青防水涂料低温柔性-20 ℃无断裂，160 h 70 ℃热老化后低温柔性-15 ℃无断裂，本实验检测非固化橡胶沥青防水涂料样品低温柔性和热老化后低温柔性，结果如图1所示。
从图1可以看出，随着钻井固体废弃物替代无机填料比例增大，低温柔性由-27 ℃降低到-31 ℃，热老化后低温柔性由-19 ℃降低到-24 ℃。由此可知，钻井固体废弃物的加入对非固化橡胶沥青防水涂料的低温柔性和热老化后低温柔性的改善效果较明显，主要是得益于钻井固体废弃物中残留的原油会使SBS改性剂溶胀更充分，可提升低温柔性的SBS改性剂中的苯乙烯链段在体系中的分散性，进而使非固化橡胶沥青防水涂料热老化前后低温柔性更佳，在满足产品指标要求前提下，可降低SBS改性剂的添加量。但替代比例＜20% 时对低温柔性的改善效果不明显，替代比例＞80%时对涂料低温柔性没有进一步的改善，替代比例＞40%时对涂料热老化后低温柔性的改善效果不明显。因此，钻井固体废弃物对于涂料的低温柔性和热老化后低温柔性改善效果，替代比例在40%～80%之间较好。原始配方的低温柔性和热老化效果主要是由SBS改性剂提供，因此该固体废弃物的采用会大大降低SBS的用量，降低配方成本。
2. 4 钻井固体废弃物对延伸性和自愈性的影响
按照JC/T 2428—2017标准要求，非固化橡胶沥青防水涂料延伸性≥15 mm，自愈性要求无渗水，本实验检测非固化橡胶沥青防水涂料样品延伸性和自愈性，结果如表3所示。
从表3可以看出，随着钻井固体废弃物替代无机填料比例增大，延伸性有增大趋势，替代比例＜80%时改善效果较小，但当完全替代时有较大的提升，增加了62%，这可能是由于无机填料是导致非固化橡胶沥青防水涂料测试延伸性过程中易断的一个主要因素，当发生完全替代时非固化橡胶沥青防水涂料的延伸性才真正表现出来。随着钻井固体废弃物替代无机填料比例增大，自愈性均无渗水，表明该固体废弃物并没有影响非固化橡胶沥青防水涂料的自愈效果，测试过程中发现添加钻井固体废弃物后的非固化橡胶沥青防水涂料变得更加细腻富有黏性，可能是由于固体废弃物中含有大量的有机助剂和化工小料的原因。这些化学添加剂往往在常规含油固体废弃物处理中很难处理，且易溶于水，污染水资源，当将其加入到非固化橡胶沥青防水涂料中，既可以有效改善涂料性能，又可以靠非固化涂料的疏水性将其牢牢锁在改性沥青胶团中，使其很难与水接触，避免水资源的污染。
3 结语
（1）随着钻井固体废弃物替代无机填料比例增大，针入度增大，软化点升高，延度增大，非固化橡胶沥青防水涂料的蠕变性、耐热性、延伸性和粘结性得到改善。
（2）钻井固体废弃物替代非固化橡胶沥青防水涂料中无机填料，可适当降低涂料施工温度，降低能源消耗和减少烟气排放，可改善非固化橡胶沥青防水涂料低温柔性及热老化后低温柔性，大大降低SBS改性剂用量，降低配方成本，而且可以改善非固化橡胶沥青防水涂料的延伸性、蠕变性。
（3）实验结果表明将油气田固体废弃物引入到非固化橡胶沥青防水涂料中替代无机填料是可行的，该方法在解决油气田固体废弃物难处理问题的同时，改善了非固化橡胶沥青防水涂料的性能。
