頁巖氣鉆井水基巖屑成分分析及其燒結磚可行性研究

汪廷洪　王晗　李和君

【摘 要】鉆井水基巖屑屬第Ⅰ類一般工業固體廢物，屬于鼓勵類資源化類別的廢棄物，資源化利用方式多樣，目前多為燒結磚。通過對川南某頁巖氣田鉆井水基巖屑進行化學成分、重金屬元素、放射性元素等方面進行分析，該區域鉆井水基巖屑通過激活處理后能進行燒結磚，從而實現鉆井水基巖屑的安全環保處置。

【關鍵詞】鉆井水基巖屑;資源化;燒結磚;安全環保

中圖分類號： TE254 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）28-0234-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.108

【Abstract】Drilling water-based cuttings belong to the first category of general industrial solid waste，and belong to the encouragement category of waste resources.There are various ways of resource utilization.At present，most of them are sintered bricks.Through the analysis of chemical composition，heavy metal elements and radioactive elements of drilling water-based cuttings in a shale gas field in southern Sichuan，the drilling water-based cuttings in this area can be fired bricks after activation treatment，thus realizing the safe and environmental protection disposal of drilling water-based cuttings.

【Key words】Drilling water-based cuttings;Resource utilization;Sintered bricks;Safety and environmental protection

0 前言

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的一種非常重要的非常規天然氣資源。頁巖氣的形成和富集有著自身獨特的特點，往往分布在盆地內厚度較大、分布廣的頁巖烴源巖地層中。頁巖氣是主體上以吸附或游離狀態存在于暗色泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質巖類夾層中的天然氣，它可以生成于有機成因的各種階段。頁巖氣的開采需要大規模地進行鉆井施工，頁巖氣鉆井產生大量巖屑屬于一般工業固體廢物，按照國家環保要求鼓勵進行資源化利用。由于各地區鉆井巖屑特性不同，本文采取了川南某頁巖氣田鉆井水基巖屑樣品進行全方面分析以確保進行燒結磚的可行性，并針對其特征進行了激活工藝研究，確定鉆井水基巖屑進行燒結磚可行。

1 水基巖屑特性分析

1.1 化學成分分析

為研究水基鉆井固化體是否具有制備燒結磚的化學理論基礎，將樣品送至西南科技大學材料分析重點實驗室進行室分析化驗，采用粘土系統分析方法-化學滴定法，分析其化學成分是否滿足制磚原料要求。

根據水基鉆井固化體化學成分分析，Fe2O3、TiO2、Al2O3、CaO和MgO的含量在燒結磚原料成分要求范圍內。但SiO2和燒失量不能滿足燒結磚原料成分要求范圍，SiO2含量為46.58%，低于燒結磚原料成分要求范圍，在燒結過程中會影響磚制品強度;燒失量為16.85%，高于燒結磚原料成分要求范圍，在燒結過程中會影響燒結磚性能。

1.2 重金屬元素分析

為分析水基鉆井固化體是否含有毒性、放射性和其他污染形態，將樣品送至西南科技大學材料分析重點實驗室進行重金屬元素、放射性和浸出液污染指標測定。結果見表2-4。

1.3 放射性元素分析

表3表明：水基鉆井固化體放射性核素限量均滿足國家非金屬建材（墻體材料）標準要求。

1.4 浸出液污染物濃度分析

表4表明：水基鉆井固化體浸出液各項指標均滿足《污水綜合排放標準》GB8978-1996標準要求。

從表2-4分析，水基鉆井固化體本身不具有毒性、放射性等危害，其浸出液指標達到國家規定的控制指標，在固體廢物分類中屬于第Ⅰ類一般工業固體廢物。

1.5 其他特性

1）水基鉆井固化體成分較為復雜，主要包括鉆井廢泥漿、泥沙、巖屑及固化基材等，含有可溶性無機物、有機小分子、高分子化合物、油類及膠體物質，體系穩定。

2）水基鉆井固化體摻雜有大小不等的礫石、粉沙、建筑垃圾及塑料等廢棄物。

3）部分瘠性材料對燒結磚工藝產生影響。

2 制備燒結磚基礎條件

表5出自《燒結磚瓦工藝學》，是燒結磚對原料化學成分的基本要求，滿足表中要求理論上可以制備燒結磚。

3 水基巖屑制備燒結磚可行性研究

水基鉆井固化體在環保指標方面都滿足國家相關標準要求，但是作為制磚原料所含有效礦物成分不足，不能直接用于燒磚，必須對固化體進行激活處理。一方面增加有效礦物成分含量，滿足燒結制磚原料有效成分要求范圍，另一方面激活因傳統固化引入的部分瘠性材料，調節固化體的礦物組成和化學組分，從而提高其活性，使固化體能夠滿足燒結磚制備的條件要求，能夠作為燒結磚原料使用。

目前已針對水基鉆井巖屑燒結磚研發出了專用激活處理及，其原理為水基鉆井巖屑中含大量的具有潛在活性的SiO2，所以激發的關鍵是使Si-O。在少量OH-的作用下廢棄鉆井液體系表面Si-O鍵斷裂，Si-O-Al網絡聚合度降低，對Si-O和Al-O鍵的破壞作用越強。通過室內試驗及現場小試情況以XRD圖譜和SEM研究來看，激活處理劑能完全能夠滿足川南地區頁巖氣水基巖屑的激活處理，經激活后的鉆井水基巖屑完全能夠滿足制備燒結磚的原料要求，成品磚各項性能指標均能達到相關標準要求。

4 結論

川南地區頁巖氣鉆井水基巖屑重金屬元素、放射性元素、浸出液污染物濃度等特性均滿足相關標準，但SiO2和燒失量不能滿足燒結磚原料成分要求范圍，目前已研發專用激活處理劑，經激活處理的水基巖屑符合燒結磚的各項要求，利用頁巖氣鉆井水基巖屑進行燒結磚可行。

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