新疆油田廢棄水基鉆井泥漿固化處理技術(shù)研究

蔣云云，范代娣，賈漢忠，屈撐囤，黃保軍，賈建平

（1.西北大學(xué)，陜西西安710069；2.中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆烏魯木齊830011；3.西安石油大學(xué)，陜西西安710065；4.克拉瑪依市三達(dá)新技術(shù)股份有限公司，新疆克拉瑪依834000）

新疆油田廢棄水基鉆井泥漿固化處理技術(shù)研究

蔣云云1，范代娣1，賈漢忠2，屈撐囤3，黃保軍4，賈建平4

（1.西北大學(xué)，陜西西安710069；2.中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆烏魯木齊830011；3.西安石油大學(xué)，陜西西安710065；4.克拉瑪依市三達(dá)新技術(shù)股份有限公司，新疆克拉瑪依834000）

針對新疆油田的水基廢棄鉆井泥漿含有重金屬，石油類，有機(jī)物的特點(diǎn)，采用水泥和粉煤灰為固化劑對廢棄泥漿進(jìn)行固化處理研究。探究了固化劑的配比、固化時(shí)間以及添加劑的種類與抗壓強(qiáng)度、浸出液pH及COD的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)水泥與粉煤灰的質(zhì)量比從1：7增大到5：4時(shí)，固化體的抗壓強(qiáng)度從0.25 MPa增大到1.2 MPa，浸出液pH從11.14升高到12.54。當(dāng)水泥與粉煤灰的質(zhì)量比是5：4時(shí)，固化時(shí)間從7 d延長至35 d，固化體抗壓強(qiáng)度從1.2 MPa增加到3.6 MPa，固化體浸出液的pH從12.54降低到9.87。不同配比固化劑和添加不同添加劑，其浸出液COD值都小于100 mg/L。

廢棄鉆井泥漿；固化；抗壓強(qiáng)度；浸出液

鉆井液是石油工業(yè)的血液。在鉆井過程中，為達(dá)到安全、快速鉆井的目的，使用了各種類型的鉆井液添加劑，而且隨著鉆井深度增加和難度加大，鉆井液中加入的化學(xué)添加劑的種類和數(shù)量也越來越多，使得其廢棄物的成分也變得越來越復(fù)雜，危害也越來越大［1］。隨著人們生活水平的提高和環(huán)保意識的加強(qiáng)，鉆井廢泥漿的無害化處理日益受到關(guān)注。近年來，針對廢棄鉆井液的處理，國內(nèi)外已形成了如坑內(nèi)填埋、注入安全地層土地耕作、坑內(nèi)密封、固液分離、回收利用、生物降解和固化等多種處理方法［2］。其中化學(xué)固化方法是基于廢泥漿中含有一定數(shù)量的固相，加入一定量的固化劑與泥漿發(fā)生的一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，生成具有一定強(qiáng)度的穩(wěn)定的抗水固體，廢泥漿中的有害成分如重金屬、高聚物和油類等封閉包裹于其中，從而降低其濾失性，防止重金屬和高聚物等向環(huán)境擴(kuò)散。固化法具有施工簡單速度快、處理效果好、對環(huán)境影響小、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的無害化處理技術(shù)［3，4］。

本實(shí)驗(yàn)采用水泥和粉煤灰為固化劑對廢棄泥漿進(jìn)行固化處理研究，探究了固化劑的配比、固化時(shí)間以及添加劑的種類與抗壓強(qiáng)度、浸出液pH及COD的關(guān)系。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

主要儀器有：掃描電子顯微鏡（SUPRA 55VP），KDB-ⅢCOD微波消解儀，微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)（MTS）。

主要試劑有：重鉻酸鉀，硫酸亞鐵銨，硫酸銀，硫酸汞。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1固化實(shí)驗(yàn)稱取100.0 g廢棄鉆井泥漿，依次加入不同量的固化劑，混合均勻，放入30 mm×30 mm× 30 mm模具中，室溫條件下放置7 d脫模［5］。

1.2.2固化體抗壓強(qiáng)度的測定將固化塊的上下平面打磨平整，再將固化塊放在MTS（微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)）上壓至固化塊出現(xiàn)裂紋并且壓力不再增加即為固化塊所能抵抗的最大壓力。

1.2.3固化體浸出液的制備參照HJ 557-2010《固體廢物浸出毒性浸出方法水平震蕩法》［6］來制備浸出液。稱取固化體100 g，置于1 L的具密封塞廣口聚乙烯瓶中，加入1 000 mL去離子水，靜態(tài)浸泡24 h，取上清液來測COD和pH。

2　結(jié)果與討論

2.1廢棄水基鉆井泥漿的性質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)用的水基廢棄鉆井泥漿取自新疆油田的鉆探現(xiàn)場。其基本性質(zhì)（見表1）。

表1　廢棄鉆井泥漿的基本性質(zhì)

對照《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，水基廢棄鉆井泥漿的COD和色度均有所超標(biāo)，因此必須對廢棄鉆井泥漿進(jìn)行處理。

2.2固化劑配比對抗壓強(qiáng)度的影響

取廢棄泥漿為100 g，在其中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的固化劑，固化劑質(zhì)量比對固化塊抗壓強(qiáng)度的影響（見表2）。

表2　固化劑質(zhì)量比對固化塊抗壓強(qiáng)度的影響

從表2可以看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，固化體的抗壓強(qiáng)度分布在0 MPa～1.5 MPa范圍內(nèi)，隨著固化劑中水泥比重的增大，固化體的抗壓強(qiáng)度也在逐漸增加，由水泥與粉煤灰質(zhì)量比的1∶8時(shí)的0.25 MPa增大到水泥與粉煤灰質(zhì)量比的5∶4時(shí)的1.2 MPa。這主要是由于隨著水泥與粉煤灰質(zhì)量比增大，水化反應(yīng)發(fā)生充分，形成的骨架強(qiáng)度高，因此固化后泥漿的強(qiáng)度增強(qiáng)［7］。

圖1　固化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律

2.3固化時(shí)間對抗壓強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)條件同3.2，當(dāng)水泥與粉煤灰的質(zhì)量比是5∶4時(shí)，分別測定了固化7 d～35 d泥漿的固化強(qiáng)度，固化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律（見圖1）。

從圖1可以看出，在0～28 d之內(nèi)，固化體的抗壓強(qiáng)度從第7 d的1.2 MPa增加到第28 d的3.6 MPa，在28 d以后抗壓強(qiáng)度的增長幅度減緩。粉煤灰里面的某些重金屬如鉻、鋅抑制了水化反應(yīng)，使固化時(shí)間延長［8］。因此選用水泥與粉煤灰質(zhì)量比的5∶4、固化時(shí)間為28 d的樣品進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.4固化劑配比對浸出液pH的影響

固化28 d后，改變固化劑比例，固化劑配比對浸出液pH的影響（見表3）。

表3　固化劑配比對浸出液pH的影響

從表3可以看出，水泥與粉煤灰的質(zhì)量比不同，導(dǎo)致其固化體的浸出液的pH也會不同。隨著固化劑配比中水泥占的百分比的增大，其固化體浸出液的pH也逐漸增大，由水泥與粉煤灰的質(zhì)量比是1∶8時(shí)的11.14增大到水泥與粉煤灰的質(zhì)量比是5∶4時(shí)的12.54。

2.5固化時(shí)間對浸出液pH的影響

當(dāng)水泥與粉煤灰的質(zhì)量比是5∶4時(shí)，分別測定了固化7 d，14 d，21 d，28 d，35 d浸出液的pH，浸出液的pH隨時(shí)間變化的規(guī)律（見圖2）。

圖2　浸出液的pH與時(shí)間關(guān)系

從圖2可以看出，固化體的浸出液pH隨著時(shí)間逐漸減小，從第7 d的pH為12.54到第35 d的pH為 9.87。這主要是因?yàn)榭諝庵杏写罅康亩趸迹S著時(shí)間的延長，空氣中的二氧化碳逐漸進(jìn)入固化體，從而發(fā)生碳酸飽和作用，使固化體浸出液的pH降低［8］。

2.6添加劑的種類對于固化體浸出液pH的影響

在水泥與粉煤灰質(zhì)量比是3∶6時(shí)，分別添加A、B、C、D這4種添加劑各3 g，分別測定了7 d后的固化體浸出液pH，浸出液pH與添加劑的種類的關(guān)系（見圖3）。

圖3　添加劑的種類對固化體浸出液pH的影響

從圖3可以看出，隨著添加劑種類的不同，固化體浸出液的pH也不同；當(dāng)加入A種添加劑后，比都不加時(shí)的pH反而高；B、C、D這三種添加劑的加入，比不加時(shí)明顯pH都有所降低，且D種添加劑的加入pH降低的幅度最大。

對上述實(shí)驗(yàn)的固化塊浸出液COD進(jìn)行了測定，其結(jié)果（見表4）。

表4　固化塊浸出液COD的測定結(jié)果

從表4可以看出，不同配比的固化劑和添加不同添加劑的固化體浸出液的COD值均低于100 mg/L。隨著水泥與粉煤灰的質(zhì)量比1∶8變化到5∶4，浸出液的COD從39 mg/L增大到55 mg/L，主要是由于粉煤灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，對有機(jī)物的吸附能力降低所致。

2.7泥漿固化前后電鏡分析

將廢棄泥漿從圖4可以看出在相同放大倍數(shù)條件下，固化前的泥漿顆粒疏松，顆粒孔徑比較大；固化后泥漿的顆粒比較緊密，顆粒孔徑明顯變小。

固化前后進(jìn)行電鏡分析，其結(jié)果（見圖4）。

圖4　廢棄泥漿固化前后的電鏡分析結(jié)果

3　結(jié)論

（1）當(dāng)水泥與粉煤灰的質(zhì)量比從1∶7增大到5∶4，固化體的抗壓強(qiáng)度從0.25 MPa增大1.2 MPa，固化體浸出液pH從11.14增大到12.54，COD從39 mg/L增大到55 mg/L。

（2）當(dāng)水泥與粉煤灰的質(zhì)量比是5∶4、固化28 d時(shí)，固化體的抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.7 MPa。

（3）隨著添加劑種類的不同，固化體浸出液的pH不同，其中D種添加劑加入后浸出液pH降低的幅度最大。

［1］黃鳴宇.廢棄鉆井液固化處理技術(shù)研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2011.

［2］李瑞龍.磷石膏與粉煤灰用于鉆井廢泥漿的固化處理的實(shí)驗(yàn)研究［D］.成都：四川大學(xué)，2005.

［3］李建山.完鉆井井場混合液固化處理技術(shù)研究［D］.成都：西南石油大學(xué)，2006.

［4］劉宇程，吳冕，陳明燕.鉆井廢泥漿固化處理技術(shù)研究進(jìn)展與展望［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（6E）：535-537.

［5］戰(zhàn)玉柱，高洪閣，張大松.低含油污泥固化處理技術(shù)研究［J］.油氣田環(huán)境保護(hù)，2010，（1）：20-22+61.

［6］HJ 557-201.固體廢物浸出毒性浸出方法-水平震蕩法［S］.

［7］朱清江.高強(qiáng)高性能混凝土的研制及應(yīng)用［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，1999：53－60.

［8］R Malviya，R Chaudhary.Factors affecting hazardous waste solidification/stabilization，A review［J］.Journal of Hazardous Material，2006，（B137）：267-276.

Study on the solidification of Xinjiang waste water-based drilling mud

JIANG Yunyun1，F(xiàn)AN Daidi1，JIA Hanzhong2，QU Chengtun3，HUANG Baojun4，JIA Jianping4
（1.Northwest University，Xi'an Shanxi 710069，China；2.The Xinjiang Technical Institute of Physics&Chemistry CAS，Wulumuqi Xinjiang 830011，China；3.Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China；4.Karamay Sanda New Technology Limited by Share Ltd.，Karamay Xinjiang 834000，China）

Because of the characteristic of water-based drilling fluids include heavy metals，oil and organic contaminants，stabilization/solidification process was studied by portland cement and fly ash.A series of experiment was adopted to investigate the effect of portland cement-to-fly ash ratio，curing time and additive on response variables including unconfined compressive strength（UCS），leachate pH and COD of s/s product.Results show that when the portland cement-to-fly ash ratio increase from 1∶7 to 5∶4，the UCS increase from 0.25 MPa to 1.2 MPa and leachate pH increase from 11.14 to 12.54 respectively，at the porland cementto-fly ash ratio of 5∶4，when the curing time increase from 7 d to 35 d，the UCS increase from 1.2 MPa to 3.6 MPa and the leachate pH decrease from 12.54 to 9.87 respectively.The COD of the different portland cement-to-fly ash and additive are below 100 mg/L.

waste drilling mud；solidification；UCS；leaching fluid

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.024

TE254.2

A

1673-5285（2015）06-0088-04

2015－04-07

2015－04-16

中國科學(xué)院“科技之星工程”國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：41301543。

蔣云云，女（1990-），西北大學(xué)在讀碩士，研究方向?yàn)殂@井廢棄泥漿固化處理。