廢棄鉆井液固化處理技術(shù)研究

王麗，董婭瑋，王文科

(1.陜西中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司，陜西 西安 710054;2.陜西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，陜西 西安 710054;3.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

鉆井液在油田開采及勘探過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用［1］，它一般被用于平衡地層壓力，傳遞動(dòng)力，保護(hù)井壁以及攜帶鉆屑，是鉆井正常作業(yè)的重要保證，被譽(yù)為“鉆井血液”［2］。目前，隨著石油工業(yè)的迅猛發(fā)展，鉆井液的消耗量也在逐年激增，而由此產(chǎn)生大規(guī)模的廢棄鉆井液卻對(duì)油田從業(yè)人員產(chǎn)生了極大的困擾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)油田每年產(chǎn)生廢棄鉆井液約1 200 萬(wàn)t［3］。由于鉆井液包含污水，污油，高聚物，鉆屑，重金屬等有害成分，易隨雨水及地下水遷移，如果處理不當(dāng)必然對(duì)生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅［4］。

目前，廢棄鉆井液主要通過回填法處理，即在廢泥漿池中沉降，干燥，而后在池中回填表層土［5］。此法由于處理工序簡(jiǎn)單，成本較低因而被廣泛使用，但石油環(huán)境研究者通過跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，該方法對(duì)地表水以及輻射的土壤會(huì)產(chǎn)生不利影響，因此需要慎用［6］。近來，生物處理法得到了極大的發(fā)展，其通過微生物降解有害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)鉆井液的無(wú)害化處理，但處理耗時(shí)較長(zhǎng)，成本較高［7-10］。固化法基于鉆井液中具有一定的固相，通過加入化學(xué)固化劑發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，降低其瀝濾性，防止有害成分的遷移擴(kuò)展［11］。此外，固化產(chǎn)物還可以作為建筑材料使用，因而被認(rèn)為是一種最實(shí)用的鉆井液處理手段。

鉆井液固化處理技術(shù)的關(guān)鍵在于經(jīng)濟(jì)性，環(huán)保性固化劑的選擇和配比，本文以FeCl3對(duì)高粘度鉆井液進(jìn)行破膠，以常見低價(jià)的粉煤灰、石灰、水泥以及黃土作為固化劑基礎(chǔ)原料，探究了上述材料對(duì)于鉆井液固化作用的影響，以確定最佳固化劑的比例。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

FeCl3，分析純;廢棄鉆井液取自長(zhǎng)慶油田某油井;粉煤灰、石灰、水泥和黃土自備。

TDL80-2B 臺(tái)式離心機(jī);JJ-4 電動(dòng)攪拌器;UV-765 型紫外-可見光光度計(jì);COD-571-1 消解裝置;無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度壓縮儀。

1.2 鉆井液破膠

取100 mL 廢棄鉆井液于燒杯中，加入0. 6 g FeCl3，充分?jǐn)嚢瑁焖贁嚢? min，靜置30 min 后，使其迅速均勻地分散。

1.3 鉆井液固化

依次向100 mL 破膠后的廢棄鉆井液中加入一定量的黃土、粉煤灰、石灰和水泥，充分混合均勻，將其裝入自制柱狀模具內(nèi)，分3 次進(jìn)行裝樣，每次裝1/3 后振動(dòng)2 min 再裝，在模中成型。

1.4 固化效果表征

保持溫度20 ℃，相對(duì)濕度為70%的條件下，養(yǎng)護(hù)7 d，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定，以抗壓強(qiáng)度大小表征固化效果。參照《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》GB 5086.2—1997，采用快速消解分光光度法測(cè)定固化產(chǎn)物的CODCr以表征有害物質(zhì)的固結(jié)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰用量影響

粉煤灰性質(zhì)與火山灰相似，是固化過程的重要原料之一，其用量將直接影響固化性能。取100 mL破膠后的廢棄鉆井液，加入6 g 石灰，5 g 水泥，40 g黃土，改變粉煤灰的用量，測(cè)定固化產(chǎn)物7 d 內(nèi)的抗壓強(qiáng)度及浸出液CODCr隨粉煤灰用量的變化情況，結(jié)果見圖1。

圖1 粉煤灰用量與抗壓強(qiáng)度及CODCr關(guān)系Fig.1 The relationship of the amount of fly ash and the compressive strength and CODCr

由圖1 可知，粉煤灰用量在50 g 時(shí)，固化體的強(qiáng)度最高，抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.489 MPa，在10 ～20 g內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度隨之提升，且粉煤灰含量較少時(shí)，抗壓強(qiáng)度提升較緩。而當(dāng)其含量＞20 g 時(shí)，強(qiáng)度提升速率則較快。當(dāng)粉煤灰用量＞50 g 抗壓強(qiáng)度則會(huì)隨著用量的增加而不斷減弱。固體浸出液CODCr的變化規(guī)律則與抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律相反，其隨著粉煤灰的摻入，先降低再升高。

上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)榉勖夯抑蠸iO2、Al2O3與石灰、水泥水化生成的Ca(OH)2作用生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣，使固化產(chǎn)物的抗壓強(qiáng)度不斷提升。并且，由于良好的固化作用可以實(shí)現(xiàn)有害物質(zhì)的包絡(luò)，其不易在水環(huán)境中遷移流失，因此有害物質(zhì)的浸出率降低。而當(dāng)粉煤灰含量摻量過高時(shí)，石灰和水泥水化生成的Ca(OH)2有限，水化產(chǎn)物的形成頗受限制，因此多余的粉煤灰只能作為惰性填充物填充于水化產(chǎn)物之間，導(dǎo)致固化產(chǎn)物松散而抗壓強(qiáng)度降低，同時(shí)也表現(xiàn)為浸出液的CODCr濃度上升，固化效果下降［12］。

2.2 石灰用量影響

石灰能水化生成的Ca(OH)2對(duì)激發(fā)固化過程具有關(guān)鍵作用，取100 mL 破膠后的廢棄鉆井液，加入40 g 粉煤灰，5 g 水泥，40 g 黃土，測(cè)定固化產(chǎn)物7 d內(nèi)的抗壓強(qiáng)度及浸出液CODCr隨石灰用量的變化情況，結(jié)果見圖2。

圖2 石灰用量與抗壓強(qiáng)度及CODCr關(guān)系Fig.2 The relationship of the lime dosage and compressive strength and CODCr

由圖2 可知，石灰對(duì)抗壓強(qiáng)度與浸出液CODCr影響趨勢(shì)與粉煤灰相似，此次固化實(shí)驗(yàn)過程中，石灰用量約為8 g 時(shí)，固化產(chǎn)物的抗壓強(qiáng)度最高，其浸出液CODCr也最低，這表明在此用量下固化過程進(jìn)行得最為徹底，反應(yīng)所生成的骨架物質(zhì)數(shù)量最多。而當(dāng)石灰用量繼續(xù)增加時(shí)，由于過量石灰水化生成的Ca(OH)2和硬化所形成的CaCO3會(huì)留在固化產(chǎn)物中，從而使得其抗壓強(qiáng)度下降，由此而造成的固化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)松散同樣也會(huì)導(dǎo)致浸出液CODCr上升。

2.3 黃土用量影響

由于本文所采用的高粘度廢棄鉆井液為膠體懸浮狀，不易脫水。因此考慮在其中添加黃土，提高固相含量以強(qiáng)化固化效果。取100 mL 破膠后的廢棄鉆井液，加入40 g 粉煤灰，5 g 水泥，6 g 石灰，測(cè)定固化產(chǎn)物7 d 內(nèi)的抗壓強(qiáng)度及浸出液CODCr隨黃土用量的變化情況。

圖3 黃土用量與抗壓強(qiáng)度及CODCr關(guān)系Fig.3 The relationship of the amount of loess and its compressive strength and CODCr

由圖3 可知，固化過程中若加入黃土以改變其固相含量，再進(jìn)行后續(xù)固化，可以有效地改善廢棄鉆井液的固化效果。當(dāng)黃土的用量＜50 g 時(shí)，隨著黃土用量的增加，固化產(chǎn)物的抗壓強(qiáng)度隨之增高，其浸出液的CODCr則隨之下降。而當(dāng)其用量＞50 g 時(shí)，抗壓強(qiáng)度略有降低，浸出液的CODCr略有上升。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是:一方面，黃土中的硅質(zhì)或鋁質(zhì)在堿性條件下，參與了水化過程而促進(jìn)骨架物質(zhì)的形成從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度增大;另一方面則是因?yàn)辄S土本身較為蓬松，比表面積較大，因此具有良好的有害物質(zhì)吸附性能，從而使其不易遷移。

而當(dāng)黃土用量過大時(shí)，體系中固相含量過高，自由水分含量過低，都直接影響了復(fù)合膠凝固化劑的水化硬化反應(yīng)，降低其固化體骨架物質(zhì)的生成，影響最終的固化效果。

2.4 水泥用量影響

在鉆井液固化處理過程中，水泥主要用于輔助固化，其用量的多少直接影響固化過程的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣。取100 mL 破膠后的廢棄鉆井液，加入40 g 粉煤灰，40 g 黃土，6 g 石灰，測(cè)定固化產(chǎn)物7 d 內(nèi)的抗壓強(qiáng)度及浸出液CODCr隨水泥用量的變化情況。

圖4 水泥用量與抗壓強(qiáng)度及CODCr關(guān)系Fig.4 The relationship of the cement dosage and compressive strength and CODCr

如圖所示，在此次實(shí)驗(yàn)條件下，水泥用量的增加會(huì)使得固化產(chǎn)物浸出液的CODCr明顯降低，最低可達(dá)35.5 mg/L，固化產(chǎn)物的抗壓強(qiáng)度則隨著水泥用量的增加而增加，當(dāng)水泥用量為15 g 時(shí)，固化產(chǎn)物抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.734 MPa。這是由于水泥與廢棄鉆井液混合后所形成的漿體在空氣和水中均能硬化，這使得固化過程中其能保持已有形貌并提升強(qiáng)度，從而將有害物質(zhì)有效地固結(jié)在固化產(chǎn)物中。

然而，水泥在水化過程中會(huì)生成OH－，其用量過大時(shí)會(huì)使得固化產(chǎn)物浸出液的pH 明顯升高，不能滿足相關(guān)水體的排放要求。此外，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，水泥用量越少越能體現(xiàn)方法的經(jīng)濟(jì)性。由于在水泥加量為5 g 時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)要求，此時(shí)，固化產(chǎn)物的強(qiáng)度比土壤的強(qiáng)度稍高，故選擇5 g的水泥用量為適宜用量。

3 結(jié)論

本文采用粉煤灰、石灰、水泥以及黃土作為固化劑的主要原料，將其用于FeCl3破膠后廢棄鉆井液的固化處理，探究了各種原料用量及配比對(duì)廢棄鉆井液固化處理效果的影響。固化劑原料用量的改變均會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度及CODCr的改變，從而影響固化效果。

固化劑的最佳配比為50 g粉煤灰，8 g 石灰，50 g黃土，5 g 水泥。固化產(chǎn)物7 d 抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)0.734 MPa，固化產(chǎn)物浸出液CODCr最低35.5 mg/L，固化產(chǎn)物具有一定的抗壓強(qiáng)度，可以作為建筑材料加以回收利用。此外，又很好地實(shí)現(xiàn)了污染物的有效固結(jié)，消除了廢棄鉆井液的環(huán)境危害性威脅。

［1］ 王蓉沙，周建東，劉光全. 鉆井廢棄物處理技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2001.

［2］ Jin Xuezhi. Research of universal fluid cementing technique［J］.Tianranqi Gongye/Natural Gas Industry，1998，18(3):52-53.

［3］ 王學(xué)川，胡艷鑫，鄭書杰，等. 國(guó)內(nèi)外廢棄鉆井液處理技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］. 陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28(6):196-198.

［4］ 董仕明，王平全，陳志勇，等. 油氣田鉆井廢棄泥漿處理技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2008，28(2):87-89.

［5］ 董婭瑋，王文科，楊勝科，等. 黃土地區(qū)石油鉆井廢棄泥漿處置對(duì)策研究［J］. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009，3(9):1673-1675.

［6］ 蔡利山，劉四海，郭才軒.石油鉆井環(huán)境保護(hù)技術(shù)綜述［J］.西部探礦工程，2002(3):132-134.

［7］ Dong Zhiyong，Huang Wenhui，Xing Dingfeng，et al. Remediation of soil CCR contaminated with petroleum and heavy metals by the integration of electrokinetics and biostimulation［J］.Journal of Hazardous Materials，2013，260(9):399-408.

［8］ Cerqueira V S，Hollenbach E B，Masonf，et al.Biodegradation potential of oily sludge by pure and mixed bacterial cultures［J］. Bioresource Technology，2011，102(23):11003-11010.

［9］ 關(guān)月明，張忠智，張衛(wèi)術(shù)，等. 生物地耕法降解含油污泥的研究［J］. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2010，23(4):44-47.

［10］Tang Jingchun，Lu Xueqiang，Sun Qing，et al.Aging effect of petroleum hydrocarbons in soil under different attenuation conditions［J］. Agriculture Ecosystems ＆ Environment，2012，149(3):109-117.

［11］奉明，王兵，張鵬飛，等. 低密度深井鉆井廢棄泥漿固化技術(shù)研究［J］.廣州化工，2009，37(2):128-130.

［12］付毅. 粉煤灰快速固化原理與應(yīng)用研究［J］. 有色金屬，2000，52(3):1821.