页岩气钻井岩屑建材资源化利用中重金属污染预警、迁移及控制

发布时间：2020-04-12 00:44

【摘要】：页岩气是一种新型清洁能源,但其在开发过程中产生大量的钻井岩屑,不仅占用大量土地,还存在一定环境安全风险。故本论文基于页气田钻屑理化特性,探索其建材资源化利用关键技术;并解析钻屑中污染物,确定资源化产品中特征污染物指标,重点研究了资源化产品中重金属在环境介质中的释放与迁移特性,并确定了基于工程实际的钻屑资源化利用污染控制要求;同时,还研究了不同时期资源化产品对环境主要微生物群落演替的影响规律;最后摸索出了可预警资源化产品中特征重金属的代表性菌株,进一步保证了资源化利用的环境安全性。主要研究结果如下:(1)全面剖析了页岩气水基钻屑和油基钻屑灰渣的理化特性与特征污染物。(1)二者均以钙硅质成分为主,颗粒粒径集中在30μm左右,具备了作为掺合料的基本条件;同时,其胶砂强度活性指数分别可达58.3%和66.4%;非晶态含量为23%和32.4%,结合水含量为0.13和0.19,均说明水基钻屑和油基灰渣确实具有一定的火山灰活性,且油基灰渣活性要优于水基钻屑;(2)水基钻屑中的苯系物等有机物均未检出;油基灰渣的易燃性、反应性、腐蚀性、急性毒性与生物毒性均满足标准要求;同时,结合其浸出毒性和毒性物质含量测试结果,将铜、锌、铬、铅、镍和砷作为水基钻屑与油基灰渣的特征污染物。(2)研究了“钻屑-水泥-粉煤灰”三元复合凝胶体系的水化硬化机理及水化动力学特征及其对宏观性能的影响,摸清其资源化利用产品的物理化学本质,结果显示:(1)免烧砖:水基钻屑与油基灰渣免烧砖的最佳配比为:0.2kg水泥、0.05kg粉煤灰、0.5~0.625kg水基钻屑/油基灰渣、0.625~0.75kg机制砂及适量水,成型压力约10MPa左右,所制备的产品各项指标均满足《普通混凝土小型砌块》(GB/T 8239-2014)中的标准;(2)混凝土:优选出本实验体系下水胶比为0.52、砂率在41%;此时得出的水基钻屑混凝土最佳配比为:270kg水泥、70kg粉煤灰、375kg水基钻屑、1060kg石子、345kg机制砂、182kg水和5kg的减水剂;油基灰渣混凝土最佳配比为:240kg水泥、30kg粉煤灰、275kg油基灰渣、1060kg石子、590kg机制砂、175kg水和3.9kg的减水剂;(3)加气混凝土砌块:优化后的加气块配方为:25%~30%粉煤灰、15%~20%水基钻屑/油基灰渣、20%~30%水泥、15%~20%生石灰和4%的脱硫石膏,且水料比0.61、浇注温度为40℃、养护温度为80℃、养护时间为24小时。(3)厘清了资源化产品受雨水冲刷、浸泡及破损劣化作用下重金属浸出可能受到影响的对象,明确环境保护目标,建立了评价场景、研究了资源化产品中重金属在环境介质中的释放与迁移特性,并结合资源化产品中重金属实测值,得出钻屑资源化利用的污染控制指标与限值,确定了钻屑资源化利用重金属释放控制要求:Cr~(6+)≤0.1mg/L、Cu≤1.0 mg/L、Zn≤1.0 mg/L、Ni≤0.1 mg/L、As≤0.05 mg/L、Pb≤0.1 mg/L。(4)研究了资源化产品在液体培养中的细菌生长及重金属预警情况,开发出重金属迁移预警菌株,进一步保证资源化利用的环境安全性。结果显示:(1)枯草芽孢杆菌在资源化产品体系中的生长情况整体呈现促进趋势,且在水基免烧砖、油基混凝土和油基加气块环境中的生长情况要优于其他三种产品;培养基中砷的浓度显著下降,说明枯草芽孢杆菌对砷有较好的耐受及富集作用;(2)大肠杆菌在在资源化产品体系中的生长情况总体呈现被抑制趋势,且油基免烧砖、水基混凝土和水基加气块的吸光度环境中的生长情况也要优于其他三种产品;培养基中重金属铅的浓度显著下降,表明大肠杆菌对重金属铅有较好的富集作用;(3)白色念珠菌在资源化产品体系中的生长情况总体呈现被抑制趋势,且油基免烧砖、油基混凝土和水基加气块环境中的生长情况也要优于其他三种产品;培养基中重金属铅和锌的浓度显著下降,表明白色念珠菌对铅及锌有显著的富集效果。
【图文】：

钻屑,油基,粒径分布曲线,水基

图 3-2 油基钻屑灰渣的粒径分布曲线Fig.3-2 Particle size distribution of ODPR由粒径分布图 3-1 与图 3-2 可见，水基钻屑与油基钻屑灰渣的颗粒大小相当，粒度分布较宽，基本处于 1～100 μm 之内，中径在 40μm 左右，，且油基钻屑灰渣粒径要略低于水基钻屑，故二者其中低于 0.075mm 的部分可作为活性矿物掺合料使用，0.075mm以上部分可作为一种超细集料使用[81]。

SEM图,钻屑,西南科技大学,水基

水基钻屑SEM图
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X741;TE37

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