张金辉

(1.四川省建材工业科学研究院有限公司，四川 成都 610081； 2.四川省材科院检验检测有限公司，四川 成都 610081)

1 钻井岩屑简述

在石油、天然气开采的钻井过程中被钻头研磨或破碎了的岩石颗粒由循环冲洗液(钻井液)从井内带出地面形成的钻井液和岩石颗粒混合物经固液分离等处理后会的干渣即为钻井岩屑。钻井岩屑一般分为水基钻井岩屑和油基钻井岩屑，其分别由油基钻井液和水基钻井液从井内带出地面。

钻井岩屑的化学成分、矿物成分与钻井所在地区和钻井深度密切相关，其中还含有钻井液配制时添加的成分(比如加重剂)，特别是油基钻井液中还含有大量的油类(如柴油、原油、煤焦油、植物油、动物油、合成油、矿物油等)。油基钻井岩屑属于危废，必须进行无害化处理，厌氧热脱附和焚烧技术是当前含油污染物无害化处理的先进技术。只有经过无害化处理的钻井岩屑才可以进行资源化利用。

建筑材料由于市场需求量大面广，材料消纳容量大，企业数量多，区域分布广，是废弃物的资源化利用的主要行业。实际上，很多地方的钻井岩屑目前已在水泥、墙材和混凝土制品中成功应用。但是其他地方的钻井岩屑可用，并不能说明某地的同类钻井岩屑也可用于某类产品，这是因为钻井岩屑成分复杂，其与钻井所在地的地质特征、钻井深度、钻井液成分等相关，究竟能否利用以及适用于某类产品，需要经过科学试验验证。

2 钻井岩屑分析

本次试验用水基和油基岩屑原料产地来自四川遂宁地区。水基岩屑和油基岩屑(焚烧)经过105℃干燥后，其中油基岩屑颜色偏红，且结块不明显；水基岩屑颜色偏暗，结块严重。

2.1 细 度

水基岩屑和油基岩屑(焚烧)的0.08 mm筛余分别是14.58%和37.55%。

油基岩屑(焚烧)的筛余量相比水基岩屑更大，说明油基岩屑在焚烧时，有部分材料产生了烧结现象。

2.2 成分分析

通过光谱分析，水基岩屑(编号S)和油基岩屑(焚烧，编号Y)的分析结果如表1。

表1 岩屑化学成分

2.3 烧失量

水基和油基岩屑(焚烧)在1 000℃的烧失量及烧结现象，水基岩屑烧失量10.6%，存在明显烧结现象；油基岩屑(焚烧)烧失量3.51%，存在轻微烧结现象。油基岩屑(焚烧)由于之前已经过高温焚烧，故烧失量很低，且烧结现象十分轻微。

3 试 验

3.1 原料及其处理

油基钻井岩屑：经过焚烧等无害化预处理，其中含水率低于8%，含油率低于3‰。水基钻井岩屑，含水率低于8%。

3.1.1 钻井岩屑

为了便于计量，水基岩屑(以下简称“水基”)和油基岩屑(焚烧)(以下简称“油基”)经105℃干燥处理。钻井岩屑(含油基和水基，以下简称“岩屑”)由于存在结块现象且颗粒较细，结块的块体具有一定强度，不易与固结剂和水泥混合均匀，影响试块强度，因此试验前进行破碎处理，全部过2.36 mm筛。

3.1.2 固结剂

采用山东“双硕”GQ型(高强型)固结剂，直接使用。

3.1.3 水泥、集料(砂)

为了限制其他因素的影响和具有可比性，采用42.5R基准硅酸盐水泥，采用颗粒级配固定的标准砂。水泥和砂直接使用。

3.2 试验方案

由于影响因素较多，为尽快掌握基本数据，故初步试验采用正交法。

3.2.1 影响因素分析

在水泥制品中，水泥的掺入量对强度影响很大，掺量越大强度越高，但过高的掺入量对制品的干燥收缩不利，且经济性较差；集料的掺量有助于提高制品强度，同时较低制品收缩，改善耐久性能，一般来说，集料强度越高，制品强度越高，集料掺量越大，制品干燥收缩越小。

鉴于委托方存在水基和油基两种岩屑，为了实际生产中合理搭配两种岩屑，将两种岩屑的掺量并作一个因素，用水岩比表示：

(1)

3.2.2 影响因素和水平

影响因素和水平见表2。

表2 影响因素和水平 %

水岩比80%、50%和20%相当于水基：油基分别为4∶1、1∶1和1∶4。

3.2.3 正交试验表

试验所用材料为固结剂、水泥、砂和岩屑，总量为100%，前三种材料掺量确定后，岩屑掺量可以计算：

岩屑掺量=100%-固结剂掺量-水泥掺量-砂掺量

(2)

岩屑是由水基和油基组合的，按水岩比可分别计算出水基和油基掺量：

水基掺量=岩屑掺量×水岩比

(3)

油基掺量=水岩比-水基掺量

(4)

对照正交试验表列出的具体试验配比见表3。

表3 试验配比 %

3.3 成型和养护

为尽可能接近实际生产，采用强力震动成型，成型的试块尺寸为160 mm×40 mm×40 mm。

养护分自然养护、蒸汽养护和蒸压养护，混凝土制品普遍采用前两种养护方式，其中蒸汽养护可以大大缩短养护时间。鉴于自然养护受环境温度、湿度影响较大，本试验采用蒸汽养护(45℃蒸汽环境下，连续养护7 d)。

3.4 试验结果

将养护后的试块在室内放置2 d，冷却至常温，同时自然排除试块中的部分水分，随后按免烧砌墙砖的性能指标进行试验，其中冻融试验统一采用25次冻融循环。试验结果见表4。

表4 性能试验结果

3.5 原料影响分析

3.5.1 固结剂掺量的影响

总体趋势，随固结剂掺量增大，试块强度上升，冻后强度也上升；随固结剂掺量增大，密度降低，干燥收缩下降，吸水率下降。

3.5.2 水泥掺量的影响

随水泥掺量增大，试块强度明显上升，冻后强度亦然；随水泥掺量增大，密度增大，干燥收缩下降，吸水率明显下降。

3.5.3 集料(砂)掺量的影响

随砂掺量增大，试块强度明显上升，冻后强度亦然；随砂掺量增大，密度增大，干燥收缩明显下降，吸水率显著下降。

3.5.4 水岩比的影响

随水岩比增大(水基占比增大)，试块强度下降，冻后强度亦然；随水岩比增大，密度增大，干燥收缩明显增大，吸水率有下降趋势。

3.5.5 岩屑掺量的影响

随岩屑掺量增大，试块强度下降非常明显，冻后强度亦然；随岩屑掺量增大，密度下降，干燥收缩明显增大，吸水率明显增大。详细数据见表5。

表5 岩屑掺量的影响

3.5.6 水基和油基掺量的影响

随水基掺量增大，试块强度下降非常明显，冻后强度亦然，相对而言，油基掺量的增大，试块强度下降程度小于水基；其他性能指标(密度、干燥收缩和吸水率)也大致相同。

总体来说，水基掺量的增大，产品性能下降非常明显，油基的不利影响更小。具体数据见表6～7。

表6 水基掺量影响

表7 油基掺量影响

4 验证试验

钻井岩屑的资源化利用的理想目标是增加岩屑用量，在保证产品质量的前提下减少高价值原料用量。本验证试验采用全数试验方法，根据初步试验结果，固定水泥、砂和固结剂的用量，拉开岩屑掺量范围。

本次验证试验的成型方式与初步试验相同，主要考察强度指标，同时考察蒸汽养护和自然养护的差异。

4.1 试验配比

固定固结剂、水泥和砂的掺量分别为3%、15%和10%，将水岩比的范围扩大为0、20%、40%、60%、80%和100%，详细配比见表8。

表8 验证试验配比 %

4.2 试验结果

蒸汽养护后的抗折、抗压强度值见表9

表9 蒸汽养护后的抗折、抗压强度值

4.3 试验结果分析

1)随着油基掺入量的增大，强度增大，随着水基掺入量的增大，强度降低。这是由于油基岩屑经过高温焚烧，去除了其中的有机质，同时产生了一定的烧结成分。

2)完全使用油基岩屑，掺入量72%的情况下，抗压强度可以达到27.92 MPa，在水岩比达到60%(水基43.2%，油基28.8%)的情况下，抗压强度可以达到18.04 MPa。

3)在建筑材料中，力学性能(强度)是材料的灵魂，随着强度的提高，其他性能指标总是随之得到改善。

5 结论与建议

5.1 结 论

通过对水基岩屑和经焚烧处理的油基岩屑的原料分析，以及与固结剂、水泥和砂的配比试验验证后，可以得出如下结论：水基钻井岩屑和油基钻井岩屑用于免烧砌墙砖是完全可行的。

1)在免烧砌墙砖中，水基岩屑和经焚烧处理的油基岩屑掺入总量为72%时，产品质量满足《混凝土普通砖和装饰装砖》(NY/T 671—2003)标准的要求。

2)针对两种钻井岩屑，经焚烧处理的油基岩屑用于免烧砌墙砖的性能优于水基岩屑。

3)本试验中，经验证的最大掺入量为72%(其中水基岩屑掺量不大于43.2%，经焚烧处理的油基岩屑掺量不低于28.8%)，其他材料：固结剂掺量不低于3%，水泥掺量不低于15%，砂掺量不低于10%制成的制品抗压强度不低于15.0 MPa。

4)考虑到试验布点的局限性以及钻井岩屑的差异性，不排除在实际生产中，钻井岩屑的掺入总量会更大。

5.2 建 议

在实际生产中，针对两种钻井岩屑的特性，提供如下建议。

1)钻井岩屑本身细度较细(尤其是水基岩屑)，会结成有一定强度的块体，生产中应充分粉碎，确保与其他原料混合均匀。

2)由于经焚烧处理的油基岩屑性能优于水基岩屑，在固定岩屑掺入总量的条件下，可以调节两种岩屑的比例来控制强度。

3)在条件允许前提下，可见水基岩屑与油基岩屑一起进行焚烧处置后再利用。

4)鉴于钻井岩屑的成分变动较大，在生产中应采取匀化措施，并严格进行及时分析。

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