空气钻井岩屑用作路基填料试验研究

谭树成,罗 谦,张浩兴,魏 鑫,李泽东,唐 华

(四川蜀渝石油建筑安装工程有限责任公司，四川 成都 610080)

1 概述

页岩气资源的开采为我国经济社会发展、能源格局优化调整和国家安全保障作出了重要贡献。但是，在开采过程中也伴随产生了大量难以有效处理的钻井岩屑等废弃物，若对岩屑处理不恰当，会对生态环境造成极其严重的危害。所以当前钻井固体废物的高效无害化处理与资源化利用已成为油气开采行业环境污染防治领域正在攻克的难题和研究热点。本文通过分析油气钻井废物中的空气钻井岩屑的各项成分含量和通过添加改性剂的方式来开展空气钻井开采过程中产生的岩屑进行资源化利用作为公路路基材料进行试验与研究。

2 试验材料

2.1 岩屑化学成分分析

从开采井场取样的空气钻井岩屑外观呈现黑褐色，比较潮湿，并伴有轻微的碱味。取有代表性的样品通过X射线衍射仪(XRD)对空气钻井岩屑的主要物相组成定性分析。经测试，空气钻井岩屑的主要矿物组成有高岭石、白云母、方解石及石英。岩屑的矿物组成成分与黏土类似。

利用X射线荧光光谱仪(XRF)定量分析空气钻井岩屑，岩屑化学成分分析如表1所示。

表1 化学成分分析表 %

经检测，钻井岩屑主要由SiO2,Al2O3,CaO以及其他少量金属氧化物分组成，其中SiO2是石英的主要构成成分，Al2O3是亲水性矿物重要的组成元素，CaO含量较高是由于岩屑添加了一定的生石灰进行了预处理，这就是岩屑碱性气味的来源。

为了进一步了解空气钻井岩屑的成分特性依据规范，根据HJ/T 299固体废物 浸出毒性浸出方法——硫酸硝酸法对样品开展强化浸出试验，开展重金属元素的全量分析，测得各项主要污染物含量如表2所示。

表2 空气钻井岩屑主要污染物含量 mg/L

由表2可知，经过环境浸出分析及重金属含量检测，可以看出空气钻井岩屑强化浸出液中包含多种非金属化合物污染物、重金属污染物，但其含量较少且均在相关规范要求范围内；其pH值、化学需氧量(COD)以及色度这三项水质污染度指标也均符合相关规范。因此空气钻井岩屑在环境方面具有无公害性，可以应用于路基填料。

2.2 路基填料物理力学性质分析

纯岩屑的含水率较高，为了降低岩屑含水率，将岩屑按一定质量比例掺入常见的粉质黏土中再作为路基填料，并通过一系列土工试验研究空气钻井岩屑基本物理力学性质以及不同比例掺入到粉质黏土里面做路基填料的基本力学性质。具体配比设计如表3所示。

表3 配合比设计 %

空气钻井岩屑和粉质黏土的含水率采用烘干法对岩屑和粉质黏土进行测试，测得空气钻井岩屑平均含水率高达38.8%，粉质黏土含水率(质量分数)为21.5%，两种材料含水率仍然较高，不适合直接作为路基填料使用。含水率具体结果如表4所示。

表4 含水率试验结果

本文采用液塑限联合测定法，选用锥质量为100 g的圆锥仪测定土壤的液限和塑限，通过自动计算表格计算分析，得出钻井岩屑的液限和塑限分别为34.25%,22.45%，其塑性指数为11.80，液性指数为0.71；绵阳粉质黏土液塑限分别为30.17%,15.04%，其塑性指数为12.13，液性指数为0.64。根据相关规范，本文试验所用两种土样均为可塑状态低液限粉质黏土。液塑限试验结果如表5所示。

表5 液塑限试验结果

采用比重瓶法选用两个容量为50 mL的相对密度瓶进行试验，分析颗粒相对密度。试验需要按照规范对相对密度瓶进行校正，称取烘干的土样15 g，精确至0.001 g，且对空气钻井岩屑和粉质黏土都设置两组试验，其计算土样颗粒相对密度试验结果如表6所示。

表6 颗粒相对密度试验结果

由表6可知，空气钻井岩屑的颗粒相对密度平均值为2.077，粉质黏土的颗粒相对密度平均值为2.306。

自然界中的土壤可分为有机土和非有机土两大类，此外，土颗粒粒径大小变化以及各粒径土颗粒含量不同对土体的物理力学性质具有很大影响，所以对土进行了颗粒分析试验。其采用筛分法对颗粒组成进行分析，试验结果显示所用土样为含砂砾石细粒土。

2.3 路基混合料基本力学分析

本文采用重型击实仪测定5种配合比路基填料的最佳含水率与最大干密度，其中将岩屑和粉质黏土按设计配合比例混合均匀，并且根据塑限以2%～3%为梯度配置含水率不同的试验土样，每层击实之后需对土样进行拉毛[1]。其试验结果如表7所示。

表7 击实试验结果

通过分析计算，岩屑和粉质黏土性质较为接近，最终得出5种不同配合比路基混合料最佳含水率(质量分数)和最大干密度分别在18%,1.7 g/cm3左右，由此可知岩屑的掺入量的多少对路基混合料的击实特性无明显的影响。

胡代淋[2]在掺入油基岩屑的路基填料的改性研究中选用TSZ-1.0型三轴仪来完成试验。张鸿迪通过静三轴仪完成将改良后的黄土作为高速铁路路基填料的试验研究。通过参考文献，利用静三轴仪开展了无侧限抗压强度试验。杨同等[3]根据摩尔-库仑破坏准则，利用包络线定理，得到了c，φ值的计算公式。本试验进行不排水不固结三轴压缩试验，试验步骤与采用三轴仪测定土样无侧限抗压强度的步骤基本一致，区别在于三轴压缩试验在启动三轴仪进行试验前，需往压力室内注满水并根据试验需要设置不同梯度的围压。得到了不同配比下路基混合料的无侧限抗压强度以及黏聚力和内摩擦角参数，其试验结果如表8所示。

表8 粉质黏土力学分析计算结果

由表8可知，当岩屑掺入量从0%增加至25%时，试件无侧限抗压强度下降了87 kPa，试件黏聚力下降了25 kPa，内摩擦角上升了3°左右。且继续增加岩屑时，试件无侧限抗压强度、黏聚力和内摩擦角并无太大变化。

2.4 改性路基混合料基本力学分析

通过上文将岩屑以5种配合比掺入粉质黏土作为路基填料的物理力学试验研究发现，随着岩屑掺入量的增加，路基混合料的击实特性无明显变化，抗压与抗剪性能总体上均有所下降，不过均满足工程使用要求。但是实际使用过程中发现混合料的含水率较高，自然含水率(质量分数)高达26.2%，作为路基填料难以压实，且工期相对较长，成本也因此会扩大，所以需要快速的降低其含水率至最佳含水量附近，才能满足工程使用要求，进一步减小浪费。

针对现场施工过程中高含水率的原土和岩屑出现路基混合料难以压实问题，为了进一步降低路基混合料含水率，提高路基混合料的力学性能，开展以配比Ⅳ为基础的路基填料进行了改性试验研究。改性剂采用西南科技大学自主研发土壤固化剂，该改性剂能快速降低土体含水率，还有着固化污染物的效果，进一步减小对环境的影响。

改性路基填料配合比设计如表9所示。

表9 改性路基填料配合比(质量比)设计 %

此次改性路基填料通过控制改性剂的掺入量来对其进行含水率测试试验和击实试验。通过烘干法对空气钻井岩屑掺入量的路基填料掺入不同比例的改性剂进行含水率测试。其试验结果如表10所示。

表10 击实试验结果

根据掺入不同比例的改性剂测试其含水率发现当掺入量为8%左右时，其含水率接近最佳含水率，此时路基填料相对容易压实。并且随着改性剂的掺入量的增加，路基填料土的最佳含水率呈降低趋势，最大干密度呈上升趋势。

三轴压缩试验结果如表11所示，随着改性剂掺入比例的不断增加，路基填料土的无侧限抗压强度、黏聚力和内摩擦角呈上升趋势，路基填料土抗压、抗剪能力变强。

表11 改性路基填料三轴试验结果

各项改性路基填料物理力学试验表明，相比较仅仅添加空气钻井岩屑的路基调料，添加不同比例的改性剂的改性路基填料的各项力学性能均有不同程度提高。

3 现场应用情况

依托四川省射洪市某井场钻前工程，对井场进场公路与井场场坪两块区域采用50%岩屑+50%粉质黏土配合比并外掺6%改性剂的配合比，经过处理后的空气钻井岩屑作为路基填料混合料试件经过室内试验符合路用要求后，按照路面结构初步设计，铺筑完成后，测定相关路用性能参数及环保指标。现场施工器械使用凯斯CX240B挖掘机，铲斗容量0.8 m；SD150D压路机，工作重量18 t。在各项准备工作完成之后，进行设备各项安全检查使用规范的指导，随后进行试验[4]。

3.1 回弹弯沉检测

使用贝克曼梁法测定路基回弹弯沉值，其检测原理为杠杆原理，用来测定汽车后轮双轮胎之间的路面弯沉值，由标准汽车按前进卸荷法测定。测得结果如表12所示。对比序号公路段和场坪可知公路的回弹弯沉值较场坪的回弹弯沉值更低，且两个区域弯沉值均满足设计文件要求。

表12 回弹弯沉值对比数据

3.2 地基承载力检测

本文采用轻型动力触探仪测定地基承载力的方法，均将底基层经过改性剂处治，对进场公路和井场场坪各进行两次试验，每次试验都选择了距离中线左右两侧的3个点位。其检测结果为公路的承载力为340 kPa,场坪的承载力为276 kPa,两个区域地基承载力检测结果均满足设计文件大于120 kPa的要求。各点地基承载力检测结果平均值和最小值如表13所示。

表13 基层承载力检测结果 kPa

3.3 压实度检测

本文采用灌砂法测定压实度，压实度检测结果如表14所示。

表14 压实度试验结果

井场进场公路与井场场坪两块区域的基层压实度均满足设计文件填方地基的压实度不小于94%的要求。进场公路的底基层压实度总体较井场场坪的底基层压实度更高，这是由于场地及施工设备限制进场公路所用的路基填料较井场场坪所用的路基填料更加均匀，且所含改性剂量更多。

3.4 环境检测

对现场土样和掺改性剂的土样进行重金属浸出试验，试验结果显示样品非金属污染物、重金属污染物等其他环保指标都在相关标准要求内，样品不属于浸出毒性危险物，对环境无污染。重金属检测结果如表15所示，未列出的部分重金属相关物质含量均符合规范要求[5]。

表15 样品重金属浸出质量浓度 mg/L

3.5 井场场坪及公路底基层与基层对比

将现场施工区域面积分为两层，一层为挖开的35 cm的厚底基层；另一层为经过以50%空气钻井岩屑+50%素填土比例路基混合料掺入回填压实的基层。现场未处理和已处理施工图如图1所示。

由现场试验得出，未处理过的底基层的最大承载力为150 kPa，而处理过的30 cm厚基层的最大承载力可以达到348 kPa，是未处理底基层的2.32倍；由现场的压实度以及弯沉值试验结果来看，采用改性路基混合料的基层的平均压实度及弯沉值都远远超过规范的最低要求。据此可见，在相同的土质和压实功的情况下，黏土石化技术可以明显提高土体的压实度。

4 结语

通过对空气钻井岩屑应用于路基填料的试验研究及现场应用情况后得出了以下结论：

1)空气钻井岩屑中高岭石、白云母、方解石等亲水性矿物含量较多，因此岩屑吸水能力强，天然含水率较高；其强化浸出液各项污染物均在相关规范要求内。

2)岩屑掺入粉质黏土作为路基填料土，会导致混合料整体物理力学性质变差，但控制在最佳含水率状态时仍然满足工程使用需求，建议使用时应对岩屑高含水率进行处理。

3)使用外掺改性剂对路基混合料改良后，随着外掺剂使用量增加有效地降低了路基混合料的含水率，提高了物理力学性质，当掺入量为8%时，其含水率接近最佳含水率，此时路基混合料压实性能最好。

4)以50%岩屑+50%粉质黏土配合比并外掺6%改性剂的路基混合料的现场应用试验，对现场路基进行力学与环境性能检测后发现，该固体废物应用于路基填料是可行的。

5)通过对填料各项污染性成分和重金属元素的分析，岩屑的各项污染物指标均在规定范围之内，对环境无污染，可以用作路基填料。