鉆井固廢資源化利用現(xiàn)狀

＊弭如夢 劉考靜,2* 張嫣然 王家樂 盛考曉 胡海南

（1.山東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院 山東 257000 2.東營市康元司法鑒定所 山東 257000）

鉆井固廢是鉆井過程中產(chǎn)生的廢液經(jīng)過一系列處理后得到固相廢棄物。根據(jù)不同油田鉆井廢液的不同性質(zhì)及組成，通常因地制宜的使用多種組合技術(shù)進(jìn)行處理，從而得到鉆井固廢。

對于鉆井廢液的處置，國外報導(dǎo)主要集中在自然風(fēng)干、化學(xué)固化、鉆井泥漿的回收利用技術(shù)。國內(nèi)對鉆井廢液的處理主要包括固化法、固液分離法、資源化利用技術(shù)等。

經(jīng)處置后得到的固體廢物仍有一定的污染性。若不經(jīng)處理而丟棄，對水質(zhì)、土壤、生物等環(huán)境生態(tài)造成嚴(yán)重影響。鉆井固廢中有毒、有害的物質(zhì)會經(jīng)過自然降雨沖刷而滲入地下，對地表水、地下水以及土壤造成污染；并在土壤中富集，不僅會對土壤中的大量微生物產(chǎn)生不良影響；若被植被吸收，將會對其產(chǎn)生毒害作用，甚至危害人畜。

鉆井固廢資源化將鉆井固體廢物再利用，在優(yōu)化環(huán)境的同時促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。本文詳細(xì)介紹了鉆井固廢三種主要的資源化途徑。

1.鉆井固廢制磚

免燒磚和燒結(jié)磚的主要原料相似，基本都為黏土、沙土、頁巖、爐渣、煤矸石或粉煤灰。

(1)鉆井固廢制免燒磚

①制免燒磚的可行性分析

免燒磚一般以劣質(zhì)黏土、沙土、花崗巖和煤矸石等為原料，加入適量膠合劑，經(jīng)過一系列處理加工后制成新一代墻體材料。

免燒磚技術(shù)要求較燒結(jié)磚較低，主要技術(shù)難點是使廢泥漿膠結(jié)形成密實的固結(jié)物，從而將有害物質(zhì)封存起來，保證產(chǎn)品的無害性。

添加適當(dāng)?shù)哪酀{膠結(jié)劑后，廢泥漿中的硅質(zhì)、鋁質(zhì)等化學(xué)元素可以發(fā)生水化反應(yīng)，反應(yīng)如下：

由此可見，水化過程中所生成的鈣礬石和硫鐵酸鈣可以作為鉆井廢泥漿固結(jié)體的基本骨架，其他沒有發(fā)生水化的物質(zhì)及不溶性顆粒填充在其中的空隙中，又因為生成的鈣礬石和硫鐵酸鈣具有粘結(jié)劑的作用，又可將各項粘合成一個整體，最終形成有一定抗壓強(qiáng)度的固結(jié)體。因此，鉆井廢泥漿滿足生產(chǎn)免燒磚的要求。

②研究現(xiàn)狀

關(guān)舉忠等以中國石化華北分公司某鉆井廢泥漿為原料，研究不同的水泥投加量對免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響，通過試驗結(jié)果分析，初步確定投料比為：鉆井廢泥漿:水泥:河沙:黏土:碎石料=3:1.2:2:1:4，養(yǎng)護(hù)4天后，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)到21.2MPa，并且產(chǎn)品浸漬液主要污染指標(biāo)滿足國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)。

免燒磚與燒結(jié)磚相比，生產(chǎn)成本更低，廢渣消耗量更大，不需要燒結(jié)和蒸養(yǎng)，沒有廢氣排放，環(huán)境效益更加突出。但免燒磚沒有像燒結(jié)磚一樣經(jīng)過高溫焙燒，其中所含有的揮發(fā)性有害組分無法實現(xiàn)“無害化”，所以應(yīng)用過程中要加強(qiáng)有害成分的監(jiān)測，對其應(yīng)用的場所也要嚴(yán)加篩選。

③技術(shù)路線

將按照研究設(shè)計的固廢材料，配料和泥膠劑人工拉運至升降料斗，通過升降料斗提升至攪拌器中進(jìn)行機(jī)械攪拌，通過攪拌器下放混合物，經(jīng)輸送帶進(jìn)入磚機(jī)料箱，壓磚機(jī)自動或手動作業(yè)將含泥漿的混合材料擠壓成型，廢料經(jīng)人工斗車帶再運至升降料斗，經(jīng)養(yǎng)護(hù)期后獲得成品。

(2)鉆井固廢制燒結(jié)磚

①制燒結(jié)磚的可行性分析

毛培海等[5]把鉆井巖屑作為主要原料，并添加適量當(dāng)?shù)鼗纳酵粱蛎喉肥芯繜Y(jié)磚制備是否可行。從對鉆井固廢中SiO2、Al2O3、以及在焙燒磚時會起到助溶劑的作用的Fe2O3、CaO、K2O、Na2O和MgO進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，鉆井巖屑化學(xué)成分中Al2O3含量偏低，其余皆與黏土、頁巖等原料的成分類似。物理性能分析的粒徑、塑性指數(shù)、干燥性能、低位發(fā)熱量、放射性核素限量等指標(biāo)可以滿足燒結(jié)磚制備要求。

②研究現(xiàn)狀

毛培海等[6]分別以寧夏鹽池和陜西榆林的鉆井巖屑為原料，摻配當(dāng)?shù)氐幕纳酵粱蛎喉肥苽錈Y(jié)磚。經(jīng)試驗研究確定，陜西榆林鉆井巖屑、荒山土、煤矸石的最佳投料比為75:15:10；寧夏鹽池鉆井巖屑、煤矸石的最佳投料比為70:30。在制備時最高燒成溫度最大不應(yīng)超過1070℃，最佳燒成溫度為970～980℃。最佳燒成溫度下燒制的產(chǎn)品表面較光滑，無裂紋出現(xiàn)。

劉濤等嘗試以鉆井泥漿為原料，經(jīng)過分析鉆井泥漿的物理性能和化學(xué)組分后，發(fā)現(xiàn)鉆井泥漿含水率較高，提出在鉆井泥漿里加入頁巖以降低脫水量，研究后發(fā)現(xiàn)，將頁巖與鉆井泥漿以17:8的比例混合均勻，所制成的產(chǎn)品強(qiáng)度等級可達(dá)MU15，剩余指標(biāo)也可滿足國標(biāo)優(yōu)等品要求。

目前一般以GB 8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》為燒結(jié)磚的浸出液環(huán)保指標(biāo)，但該指標(biāo)未考慮產(chǎn)品對人體健康的影響，因此無法滿足于人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ鲌鏊囊蟆Ｆ浯危h(huán)境安全控制指標(biāo)方面也存在空缺。

③技術(shù)路線

將物料粉碎后進(jìn)行干燥，然后陳化、制坯后再進(jìn)行攪拌、燒制、塑形即可得成品。

2.鉆井固廢制水泥

(1)制水泥的可行性分析

水泥的主要化學(xué)成分為SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3，而鉆井固廢組成中的頁巖鉆屑組分（含有SiO2為45%～ 80%，Al2O3為12%～25%，F(xiàn)e2O3為2%～10%，CaO為0.2%～ 12%），兩者較為類似，對其進(jìn)行脫油預(yù)處理后，可作為生產(chǎn)水泥的原料。張健等對油基鉆井固廢進(jìn)行了物化性質(zhì)分析，確定了鉆井固廢制備水泥的可行性。

(2)研究現(xiàn)狀

王朝強(qiáng)等提出頁巖氣鉆井固廢制備水泥的新方法：將30%～75%的固廢與10%～35%的硅藻土破碎后，加入1%～5%的硫酸渣混合研磨，過方孔篩（53～ 75μm），篩余在8%～15%，即可得水泥生料；取10%～ 35%的貝殼粉研磨后過方孔篩（53～75μm）篩余制漿，加入水泥生料后，于1300～1700℃下煅燒35～ 50min得水泥熟料。此方法制得的水泥各項檢測指標(biāo)與通常石灰石黏土原料煅燒的普通熟料相當(dāng)。

綜上所述，目前國內(nèi)在鉆井固廢制備水泥方向上仍處于發(fā)展階段，以固廢充當(dāng)輔料制備水泥這一資源化途徑，既消除了其對于環(huán)境的隱患，也在一定程度上提高了企業(yè)的利潤。

(3)工藝路線

在鉆井固廢中加入非氯化物脫穩(wěn)劑和固化劑進(jìn)行改性脫水，加入石灰石和砂巖混合干燥，制得一次生料；再加入鈣質(zhì)原料、鐵質(zhì)原料進(jìn)行配料；磨粉烘干后過篩；經(jīng)煅燒后得到水泥熟料。

3.鉆井固廢制路基填料

(1)作路基材料的技術(shù)可行性分析

鉆井固廢的主要成分是黏土，與路基材料的成分十分相似。李相國、楊海濤等人采用大港油田鉆井固廢泥漿，添加改良材料進(jìn)行固化實驗，最終確定選取一般水泥、硫鋁酸鹽水泥、石灰、石膏以及粉煤灰作為改良材料，其最佳配比范圍為：吸水膨脹組分20%～ 30%，膠凝組分65%～75%，增強(qiáng)組分5%～10%，載體0～ 5%；實驗表明，采用該改良材料，鉆井固廢代替底基層土?xí)r，28天強(qiáng)度最低1MPa，最高2.66MPa，水穩(wěn)定性較高，浸出液重金屬離子低于規(guī)范限制，且符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)研究現(xiàn)狀

金更新研究了以復(fù)合硅酸鹽水泥、粗砂、碎石及經(jīng)過處理后的鉆井巖屑為原料所制備出的路基材料的性能。實驗發(fā)現(xiàn)，增大鉆井巖屑的加入量，產(chǎn)品的干密度、劈裂抗拉強(qiáng)度、回彈模量、7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可觀察到明顯下降。且當(dāng)水泥為6%時，鉆井巖屑增加了14%，回彈模量下降了531MPa，7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低了1.64MPa，但均滿足我國規(guī)定的路基填料的要求。

表1 鉆井固廢的資源化途徑及優(yōu)缺點

鉆井固廢制備路基填料的這一資源化方式，降低了鉆井固廢的處理成本，工藝處理設(shè)備簡單，便于實現(xiàn)工業(yè)化；但對于細(xì)小顆粒需要進(jìn)行穩(wěn)定處置來提高產(chǎn)品的力學(xué)性能，同時需要固化有害組分，減少產(chǎn)品中有害組分的浸出量。

4.不同資源化途徑的比較

基于以上對鉆井固廢資源化處理方式的分析，歸納鉆井固廢制磚、制水泥、作路基材料三種資源化途徑的優(yōu)缺點。

目前對鉆井固廢資源化的研究較多，但工業(yè)應(yīng)用還不完善：目前國內(nèi)外關(guān)于鉆井固廢資源化產(chǎn)品的安全指標(biāo)及使用標(biāo)準(zhǔn)不夠完善；鉆井固廢資源化的工藝研究尚處于研究和小試階段，離實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有較大的距離；產(chǎn)品的適用范圍較窄，鉆井固廢的消納程度較低、轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)品具有一定的環(huán)境風(fēng)險。

5.結(jié)束語

目前國內(nèi)外鉆井固廢的資源化途徑相對較少，未來應(yīng)進(jìn)一步拓寬其資源化途徑，制備附加值更高的材料，并降低環(huán)境健康風(fēng)險，拓寬其應(yīng)用范圍。