页岩气油基钻屑降解固化处理及其制备免烧陶粒的技术研究

发布时间：2020-08-15 09:02

【摘要】：油基钻屑是页岩气开采过程中产生的含油固体废物,其中主要是页岩气开采过程中产生的油泥、油砂等。油基钻屑因其具有(1)含油率高,除油困难;(2)产生量大、可综合利用方式少;(3)含水率高,处理难度大;(4)含有重金属离子、苯系物、酚类化合等有毒物质,已被明确列为危险废物,亟需对其进行无害化处置。本文利用机械力化学法对油基钻屑进行降解处理,并以降解后的油基钻屑样品为原材料制备免烧陶粒,实现了油基钻屑的无害化处置和资源化利用。首先,本论文在油基钻屑、固硫灰和粉煤灰基本特性分析的基础上,开展了机械力化学法降解油基钻屑的实验。研究了Ca O、Ca O+固硫灰、Ca O+粉煤灰的掺比对油基钻屑中石油类物质降解效果的影响。研究结果表明:固定球磨频率600 r/min和球料比3:1,以Ca O和Ca O+固硫灰为添加剂时对油基钻屑降解效果优于Ca O+粉煤灰;当Ca O的掺比为60%时,可使含油率降到2.05%;当以Ca O+固硫灰为添加剂时,油基钻屑的掺量为50%时,球磨后样品含油率为1.92%,油基钻屑掺量为40%时,测定含油率达到最低值0.927%。在机械力化学作用下油基钻屑中的苯环结构逐渐断裂,氯原子开始脱落,但油基钻屑样品中的官能团未发生明显改变,且石油烃中的长碳链仍然存在,表明机械力化学作用下部分油类污染物和有机物已经发生降解。其次,在机械力化学法降解油基钻屑的基础上,开展了机械力化学法活化固硫灰降解固化油基钻屑的实验,并与水泥固化进行对比,并通过固化体的抗压强度和抗浸出性能表征油基钻屑的固化效果。研究结果表明:固化体的抗压强度随着油基钻屑掺量的增加而减小,固硫灰组固化体的抗压强度均高于水泥组固化体的抗压强度;固化体浸出液中含油率随油基钻屑的增加而增加,水泥固化体浸出液中的含油率均高于固硫灰固化体浸出液中的含油率,当油基钻屑固化量为50%和60%时,水泥固化体样品中石油类含量超出国家标准值。通过粒径分析、XRD、FT-IR和SEM分析机械力化学法对油基钻屑的降解机制和固化机制。研究表明:(1)机械力化学处理油基钻屑过程中存在颗粒团聚效应。(2)机械力化学球磨产生的高温、晶格缺陷和化学键断裂能够诱发油基钻屑中的油类物质和有机污染物降解。(3)固硫灰基固化体与水泥基固化体在水化过程中均生成了钙矾石和C-S-H凝胶,但固硫灰基固化体的结构较水泥基固化体的结构更加紧凑致密且固硫灰基固化体中的C-S-H凝胶和钙矾石的分布比水泥基固化体中的分布更均匀。最后,在机械力化学法降解和固化油基钻屑的基础上,利用油基钻屑制备免烧陶粒,对制得的免烧陶粒产品进行堆积密度、比表面积、吸水率和筒压强度等性能的检测。结果表明:固硫灰免烧陶粒的各性能均优于水泥免烧陶粒;固硫灰免烧陶粒的最优加水量为95 m L、最佳养护温度为60oC、养护时间为12 h,水泥免烧陶粒的最优加水量为70 m L、最佳养护温度为60oC、养护时间为12 h;水泥免烧陶粒的表面粗糙不平整,而固硫灰免烧陶粒的表面分布均匀,且固硫灰免烧陶粒中大量的C-S-H凝胶和钙矾石成簇交织,分布比水泥免烧陶粒更加均匀。本研究从环境安全的角度出发,利用机械力化学法降解固化处置油基钻屑。同时,利用新型免烧工艺制备油基钻屑免烧陶粒,所制得的免烧陶粒具有优良的物理化学性能,在建筑材料、路基材料、过滤材料等方面具有较大的应用前景,实现了油基钻屑的无害化处置和资源化利用。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.46
【图文】：

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图 2-1 页岩气钻井平台Fig. 2-1 Shale gas drilling Platform图 2-2 油基钻屑原样Fig. 2-2 Original picture of oil-drilling cuttings

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图 2-2 油基钻屑原样Fig. 2-2 Original picture of oil-drilling cuttings2.2 油基钻屑化学成分分析通过 XRF 分析油基钻屑原样的化学成分，具体分析结果如表 2-2 所示，从表中可以得出以下结论：（1）结合 XRD 分析可知油基钻屑中的主要化学成分为 BaSO4，即重晶石。在钻井过程中加入重晶石可以有效缓解比重问题[67]，一般钻井泥浆、粘土比重为 25 左右，水的比重为 1，由于泥浆比重较低，有时不能与地下油、气压力平衡，造成井喷事故。因此在地下压力较高的情况下，需要增加泥浆比重，往泥浆中加入重晶石粉，从而导致油基钻屑中重晶石含量较高。（2）油基钻屑中含有大量硅铝成份，与周围碎页岩的化学成份相似，其

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西南科技大学安全工程硕士专业学位论文第 14 页3 机械力化学法降解油基钻屑的最佳工艺参数研究3.1 研究材料及研究设备3.1.1 实验材料粉煤灰来自河南省郑州市巩义市二电厂，呈灰色，含少量水分，如图 3-1所示。循环流化床燃煤固硫灰（简称固硫灰）是含硫煤和脱硫剂（石灰石或石灰）在 900oC 左右的循环流化床锅炉中混合燃烧过程中从尾部烟道中收集到的固体废物[69]。本论文所用的固硫灰取自四川白马循环流化床示范电站有限责任公司，如图 3-2 所示。

【参考文献】