页岩气钻井水基岩屑成分分析及其烧结砖可行性研究

汪廷洪　王晗　李和君

【摘 要】钻井水基岩屑属第Ⅰ类一般工业固体废物，属于鼓励类资源化类别的废弃物，资源化利用方式多样，目前多为烧结砖。通过对川南某页岩气田钻井水基岩屑进行化学成分、重金属元素、放射性元素等方面进行分析，该区域钻井水基岩屑通过激活处理后能进行烧结砖，从而实现钻井水基岩屑的安全环保处置。

【关键词】钻井水基岩屑;资源化;烧结砖;安全环保

中图分类号： TE254 文献标识码： A 文章编号： 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

页岩气是从页岩层中开采出来的一种非常重要的非常规天然气资源。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于暗色泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段。页岩气的开采需要大规模地进行钻井施工，页岩气钻井产生大量岩屑属于一般工业固体废物，按照国家环保要求鼓励进行资源化利用。由于各地区钻井岩屑特性不同，本文采取了川南某页岩气田钻井水基岩屑样品进行全方面分析以确保进行烧结砖的可行性，并针对其特征进行了激活工艺研究，确定钻井水基岩屑进行烧结砖可行。

1 水基岩屑特性分析

1.1 化学成分分析

为研究水基钻井固化体是否具有制备烧结砖的化学理论基础，将样品送至西南科技大学材料分析重点实验室进行室分析化验，采用粘土系统分析方法-化学滴定法，分析其化学成分是否满足制砖原料要求。

根据水基钻井固化体化学成分分析，Fe2O3、TiO2、Al2O3、CaO和MgO的含量在烧结砖原料成分要求范围内。但SiO2和烧失量不能满足烧结砖原料成分要求范围，SiO2含量为46.58%，低于烧结砖原料成分要求范围，在烧结过程中会影响砖制品强度;烧失量为16.85%，高于烧结砖原料成分要求范围，在烧结过程中会影响烧结砖性能。

1.2 重金属元素分析

为分析水基钻井固化体是否含有毒性、放射性和其他污染形态，将样品送至西南科技大学材料分析重点实验室进行重金属元素、放射性和浸出液污染指标测定。结果见表2-4。

1.3 放射性元素分析

表3表明：水基钻井固化体放射性核素限量均满足国家非金属建材（墙体材料）标准要求。

1.4 浸出液污染物浓度分析

表4表明：水基钻井固化体浸出液各项指标均满足《污水综合排放标准》GB8978-1996标准要求。

从表2-4分析，水基钻井固化体本身不具有毒性、放射性等危害，其浸出液指标达到国家规定的控制指标，在固体废物分类中属于第Ⅰ类一般工业固体废物。

1.5 其他特性

1）水基钻井固化体成分较为复杂，主要包括钻井废泥浆、泥沙、岩屑及固化基材等，含有可溶性无机物、有机小分子、高分子化合物、油类及胶体物质，体系稳定。

2）水基钻井固化体掺杂有大小不等的砾石、粉沙、建筑垃圾及塑料等废弃物。

3）部分瘠性材料对烧结砖工艺产生影响。

2 制备烧结砖基础条件

表5出自《烧结砖瓦工艺学》，是烧结砖对原料化学成分的基本要求，满足表中要求理论上可以制备烧结砖。

3 水基岩屑制备烧结砖可行性研究

水基钻井固化体在环保指标方面都满足国家相关标准要求，但是作为制砖原料所含有效矿物成分不足，不能直接用于烧砖，必须对固化体进行激活处理。一方面增加有效矿物成分含量，满足烧结制砖原料有效成分要求范围，另一方面激活因传统固化引入的部分瘠性材料，调节固化体的矿物组成和化学组分，從而提高其活性，使固化体能够满足烧结砖制备的条件要求，能够作为烧结砖原料使用。

目前已针对水基钻井岩屑烧结砖研发出了专用激活处理及，其原理为水基钻井岩屑中含大量的具有潜在活性的SiO2，所以激发的关键是使Si-O。在少量OH-的作用下废弃钻井液体系表面Si-O键断裂，Si-O-Al网络聚合度降低，对Si-O和Al-O键的破坏作用越强。通过室内试验及现场小试情况以XRD图谱和SEM研究来看，激活处理剂能完全能够满足川南地区页岩气水基岩屑的激活处理，经激活后的钻井水基岩屑完全能够满足制备烧结砖的原料要求，成品砖各项性能指标均能达到相关标准要求。

4 结论

川南地区页岩气钻井水基岩屑重金属元素、放射性元素、浸出液污染物浓度等特性均满足相关标准，但SiO2和烧失量不能满足烧结砖原料成分要求范围，目前已研发专用激活处理剂，经激活处理的水基岩屑符合烧结砖的各项要求，利用页岩气钻井水基岩屑进行烧结砖可行。

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