鹽礦鉆井廢棄泥漿無害化處理技術(shù)及工程應(yīng)用研究

陳原野, 陳迪夫, 陳孝兵, 陳文軍,劉曉玲,張 可,羅鴻兵,

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130；2.四川省綿陽(yáng)市南山中學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621000； 3.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610072；4.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州 611231；5.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 都江堰 611830)

1 引 言

鉆井泥漿在鉆井過程中起著平衡鉆孔內(nèi)壓力、冷卻鉆頭、攜帶鉆屑返到地面等作用，在鉆井泥漿反復(fù)循環(huán)使用過程中與地層巖屑形成一種極其復(fù)雜混合多相體系，這些廢棄泥漿不進(jìn)行無害化處理，對(duì)環(huán)境存在潛在的污染和毒性危害[1]。近些年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，廢棄鉆井泥漿對(duì)土壤環(huán)境的污染防治和土壤修復(fù)關(guān)系到百姓民生，因此發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)已成為可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[2]。

目前國(guó)內(nèi)外有眾多的泥漿處理方法[3]，包括：簡(jiǎn)單處理后直接排放、泥漿轉(zhuǎn)水泥漿(MTC)技術(shù)、固化處理、異地集中處理等主要技術(shù)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，但我國(guó)主要遵循無害化處理原則[4～6]，即：(1)適應(yīng)我國(guó)國(guó)情，處理成本低、工藝簡(jiǎn)單實(shí)用、處理效果好的工藝和技術(shù)；(2)滿足野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求；(3)對(duì)毒性最大分散型泥漿，必須進(jìn)行無害化處理，而對(duì)不分散泥漿有條件也可進(jìn)行處理；(4)建立完善的處置和評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄。由于廢棄泥漿量比較大，應(yīng)進(jìn)一步研究廢棄泥漿固化、固液分離和再利用技術(shù)等，可將處理后的泥漿用于壁后填充固井及制磚等，擴(kuò)大應(yīng)用范圍[7]。對(duì)于鹽礦，其鉆井廢棄泥漿處理同樣是難度較大的，本文將探討固化處理法處理鹽礦鉆井廢棄泥漿，以保護(hù)和提高當(dāng)?shù)丨h(huán)境。

2 廣安市大安鎮(zhèn)處理工藝設(shè)計(jì)

2.1 泥漿特性

大安鎮(zhèn)是位于廣安市廣安區(qū)東北部的一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，該鎮(zhèn)有1個(gè)鹽礦鉆廢水井點(diǎn)，總體積約為2 571m3，其中污泥現(xiàn)存量771m3，占比30%。具體大安鎮(zhèn)鹽礦污染調(diào)查結(jié)果如表1。

表1 廣安市大安鹽礦污染調(diào)查情況Tab.1 Investigation on the pollution of Daan salt mine

鉆探泥漿主要成分為：羧甲基纖維素鈉(CMC)、璜化褐煤SMC(腐植酸鉀)、鹽、泥漿和澎潤(rùn)土等，泥漿呈堿性，pH=8。

經(jīng)過污染測(cè)試分析，鹽礦鉆井的泥漿含水率極高，其體積含水率為46.79%，質(zhì)量含水率為18.38%。密度為2 077.7kg/m3；顏色為褐色，表面有油污，味道難聞。

2.2 處理工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、泥漿屬性和成功案例，設(shè)計(jì)了廣安市大安鎮(zhèn)鹽礦鉆井廢棄泥漿的處理工藝，見圖1。

圖1 鹽礦鉆井廢棄泥漿處理工藝設(shè)計(jì)Fig.2 Design of waste mud treatment process for salt mine drilling

主要處理工藝包括預(yù)處理、固化小試、固化施工準(zhǔn)備、無害化處理施工、退場(chǎng)等環(huán)節(jié)，其中，破膠處理是基礎(chǔ)。還要參考《四川油氣田鉆井廢棄物無害化處理技術(shù)規(guī)范》(Q/SY XN076-2007)，進(jìn)行鉆井廢棄污泥的無害化處理。

3 工程處理結(jié)果

3.1 破膠處理

鉆井廢棄液破膠處理工藝是先通過加水稀釋廢棄泥漿，然后攪拌均勻，加入破膠劑(通常包括硫酸鐵、聚合硫酸鐵、氯化鋁、氯化鐵、聚合氯化鐵、硫酸鋁等)，在加入一定的輔助劑(采用陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺)(分子量1 500萬(wàn))。

破膠劑根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況配置，在鉆井泥漿回收處理服務(wù)中心用磚和水泥砌成一個(gè)容積40m3的配藥池(L×B×H=8m×5m×1m)，另配一臺(tái)流量約為耐腐蝕30cm3/h的潛水泵和DN50的軟塑料管，專用于配制破膠劑，可以利用現(xiàn)場(chǎng)處理污水的混凝池和Fenton氧化池作為破膠劑藥池。用挖掘機(jī)將井場(chǎng)內(nèi)的混合物充分?jǐn)嚢?，并進(jìn)行初步平整。將準(zhǔn)備好的破膠劑溶液沿污水坑表面均勻的加入，使其盡量在整個(gè)排污坑表面均勻分布，然后用挖掘機(jī)充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢钑r(shí)間約2～3h。攪拌均勻后會(huì)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)固液分離現(xiàn)象，分離出的上層液體清亮透明，帶微黃色。將不同破膠劑處理后進(jìn)行固液分離，分析上清液COD，pH和過濾色度，以篩選出較為高效的破膠劑。

泥漿的基本理化性質(zhì)如表2。

表2 泥漿樣品的基本理化性質(zhì)Tab.2 Basic physicochemical properties of drilling waste mud

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)篩選，分別利用氯化鐵(FeCl3)(200g/L)、聚合氯化鋁鐵(PFAC)(200g/L)、聚合氯化鋁( PAC)(200g/L)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)(200g/L)進(jìn)行破膠實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3、表3和圖4。

圖2 4種破膠劑不同投加量下對(duì)COD降解的影響Fig.2 Effects of four gel breakers with different dosage on COD degradation

從COD變化趨勢(shì)可以看出，F(xiàn)eCl3、Al2(SO4)3的COD出水起伏大、不穩(wěn)定，而PAC雖穩(wěn)定，但COD的降解不顯著，PFAC的COD降解表現(xiàn)穩(wěn)定，且隨著藥量的增加出水COD先降后升，說明PFAC擁有一個(gè)最佳投加點(diǎn)的存在。

圖3 4種破膠劑不同投加量下對(duì)pH降解的影響Fig.3 Effect of four gel breakers with different dosage on pH changes

從pH方面看，4種破膠劑的變換趨勢(shì)較為平緩，在加大投放量后，處于穩(wěn)中有降的狀態(tài)，并無顯著差異，而最佳破膠劑的選擇是在pH=7附近時(shí)，達(dá)到最佳降解效果，這里FeCl3、PFAC均滿足其條件。

表3 破膠后水樣顏色Tab.3 Color of the water sample after gel breaking

由表3可知，濾液顏色由深逐漸變淺，脫色效果明顯。當(dāng)破膠劑(Al2(SO4)3除外)投加濃度達(dá)到6g/L時(shí)，濾液呈無色，而Al2(SO4)3投加濃度為18g/L時(shí)濾液才穩(wěn)定呈無色。

圖4 4種破膠劑不同投加量下電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w的變化Fig.4 Variationof conductivity (Cond) and total dissolved solid (TDS)under different dosage of four kinds of gel breakers

由上可知，4種破膠劑出水的總?cè)芙庑怨腆w物質(zhì)和電導(dǎo)率的變化趨勢(shì)相同，且溶解性固體物質(zhì)均處于正常范圍內(nèi)。

綜合以上分析，各破膠劑的投加量與其處理效果密切相關(guān)，選取最佳破膠劑的條件為滿足COD降解率高，pH=7附近，出水澄清。投加量較少時(shí)，破膠作用效果很不明顯，4種破膠劑的pH相近，對(duì)COD的降解均不明顯，且過濾后水體均為棕色。隨著4種破膠劑投加量的加大，滿足所有條件的最佳破膠劑為PFAC，最佳投加量是18g/L，此時(shí)達(dá)到最佳出水效果，且該材料市面價(jià)格較為便宜為3.5元/kg。

3.2 固化處理

完成破膠后，攪拌均勻后出現(xiàn)固液分離現(xiàn)象，分離出上清液。然后用挖掘機(jī)將當(dāng)?shù)氐狞S土均勻地加到排污坑中并充分?jǐn)嚢?，攪拌時(shí)間大約3～5h。固化處理結(jié)束后，在候凝2～3d后，對(duì)固化池內(nèi)部進(jìn)行防滲透處理，滲透系數(shù)小于1.0×10-7cm/s，參照GB18599-2001執(zhí)行；在候凝5～8d，按“米”字型取樣法則對(duì)固化物進(jìn)行取樣，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定其有害物浸出量，包括pH值、色度、化學(xué)耗氧量、總鉻、總福、總砷、總鉛含量和含油量等，確認(rèn)達(dá)到國(guó)家工業(yè)污水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以上，避免后續(xù)造成二次污染。

3.3 無害化處理

固化處理完成后，將鉆井廢泥漿密度較高的轉(zhuǎn)運(yùn)回收利用，對(duì)不能再利用的廢泥漿，與鉆井巖屑一起，根據(jù)《四川油氣田鉆井廢棄物無害化處理技術(shù)規(guī)范(Q/SY XN076-2007)》及中國(guó)石化《中石化川東北地區(qū)天然氣勘探開發(fā)環(huán)境保護(hù)規(guī)范》(Q/SH 0099.1-2007)的有關(guān)要求進(jìn)行無害化處理，處理完畢后把廢泥漿池四周高出地面的磚打掉運(yùn)走，向固化后的廢泥漿池回填種植土，每500～800mm深度使進(jìn)行一次夯實(shí)，直至與地面相齊，最后進(jìn)行覆土，覆土厚度不得低于300mm，覆土區(qū)進(jìn)行綠化。

4 討 論

4.1 破膠劑的選擇

破膠是固化處理的關(guān)鍵一環(huán)，羅偉等[8]指出根據(jù)鉆井泥漿破膠劑的選擇方向是陽(yáng)離子型強(qiáng)電解質(zhì)，且從經(jīng)濟(jì)和取材的方面考慮，要選擇便宜且易購(gòu)買的。因此此次選擇對(duì)FeCl3、PFAC、PAC、Al2(SO4)34種破膠劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室篩選，主要從COD、PH和出水濁度3方面綜合評(píng)價(jià)，PFACCOD降解效率較高，且擁有最佳投加量，過濾后液體呈透明，分離效果好，而其它3種破膠劑的COD降解量不明顯，也無最佳投加點(diǎn)出現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)中PFAC的破膠效果，與董婭瑋[9]在研究廢棄鉆進(jìn)泥漿時(shí)的結(jié)論一致，也與鄭幗等人[10]研究的化學(xué)脫穩(wěn)技術(shù)中破膠結(jié)果相似。此外，一個(gè)好的工藝必須滿足處理試劑對(duì)設(shè)備無強(qiáng)烈腐蝕作用[11]，以最接近中性最佳，而本案例PFAC在pH=7.12的中性條件下效果較好。綜合考慮，大安鎮(zhèn)鉆井泥漿的破膠劑選用PFAC。

4.2 固化法工藝的選取

根據(jù)大安鎮(zhèn)的泥漿性質(zhì)，本次廣安市大安鎮(zhèn)鹽礦鉆井污泥的處理采用了固化泥漿的工藝。固化法是向廢棄泥漿中加入具有固結(jié)性能固化劑，使其轉(zhuǎn)化為固化體，固結(jié)其有害成分，它是MTC的簡(jiǎn)化，是讓人能廣而接受且發(fā)展越來越快的方法[12]對(duì)比同時(shí)期的方法，于真真等[13]人提到，土地耕作法對(duì)土壤性質(zhì)、廢棄鉆井泥漿有嚴(yán)格要求，廢棄泥漿中的處理劑為無毒、低毒，且重金屬離子含量很少，可生物降解，土壤有一定容納有害物質(zhì)和自凈化能力。在中國(guó)石油西部鉆探公司的孫琳、姚昌順等[14]提到了填埋法，這種方法簡(jiǎn)單快捷，且成本低，但只能選取可以填埋的土地對(duì)廢棄泥漿進(jìn)行處理。李斌[15]在研究鉆井泥漿提到，脫穩(wěn)干化處理法是向廢棄泥漿，直接存于防滲密封的儲(chǔ)存池進(jìn)行自然干化處理，但占地面積大，受氣候的影響較大。根據(jù)目前方法的優(yōu)缺點(diǎn)，再結(jié)合處理和后續(xù)無害化處理的特點(diǎn)，最好的選擇為固化法，雖然當(dāng)前仍存在一些不足，但是能達(dá)到一個(gè)成本和效果更好的平衡。

4.3 無害化處理方案的選擇

以前無害化處理主要有二種方式，第一種為井鉆探修建泥漿池，鉆探階段完工或全部完工后進(jìn)行整體固化，這種方式對(duì)周圍影響大，難以根本無害化，費(fèi)用大周期長(zhǎng)；而第二種方式則不修筑泥漿池，統(tǒng)一收集后，進(jìn)行集中固化處理集中掩埋，這種方式費(fèi)用更高，且排放后對(duì)環(huán)境影響作用高，固化物未能無害化[16]。隨鉆不落地技術(shù)是變“末端治理”為“全過程控制”，將廢棄泥漿經(jīng)過稀釋—絮凝—分離成巖屑、泥餅和水3部分，對(duì)泥漿中的固體物通過水洗、絮凝分離和化學(xué)反應(yīng)處理，使巖屑和泥餅達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。離出來的污水可再次用來稀釋泥漿或進(jìn)入污水處理裝置進(jìn)行處理，處理后的污水經(jīng)過濾吸附后排放[17]。目前隨著國(guó)家對(duì)土地和環(huán)境的進(jìn)一步重視，現(xiàn)在很難再用挖坑筑壩這種傳統(tǒng)方式來實(shí)施了，而用廢棄泥漿的無害化和資源化技術(shù)，能夠有效的實(shí)現(xiàn)固液分離，被分離的泥餅還可以進(jìn)行資源化的利用，技術(shù)穩(wěn)定而成熟，工藝完善[18]。無害化處理工藝在未來大量的運(yùn)用也是被國(guó)家重視，付亞榮等人[19]研究表明該工藝可去除泥漿中的有害固相，能保留住鉆井液的有用成分，進(jìn)行下一次泥漿處理液重新配置時(shí)可循環(huán)利用；減少固廢的產(chǎn)生。本次無害化處理方案根據(jù)《四川油氣田鉆井廢棄物無害化處理技術(shù)規(guī)范(Q/SY XN076-2007)》進(jìn)行最終的無害化處理。因此在最終的處理上，選擇固廢產(chǎn)生少且可以進(jìn)行再利用的綠色技術(shù)，為當(dāng)下社會(huì)要求，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然要求。

5 結(jié) 論

通過對(duì)廣安市大安鎮(zhèn)鹽礦鉆井污泥的處理，得到以下結(jié)論：

5.1 對(duì)鹽礦泥漿在破膠、固化、無害化等一系列處理后，對(duì)固化上清液進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放；固化的污泥覆土填埋，并種植植物進(jìn)行鹽礦井生態(tài)修復(fù)；整個(gè)工藝成功進(jìn)行了無害化處理。

5.2 對(duì)市面上常見的4種破膠劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)FPAC是最佳破膠劑。該破膠劑的最佳投加濃度為18g/L，在該投加量下，COD降解率為99.41%，pH=7.12。此外FPAC還具有最佳投加點(diǎn)低和市場(chǎng)價(jià)格低兩大優(yōu)勢(shì)。

5.3 對(duì)比當(dāng)前主流的泥漿工藝，固化法是一種較為成熟和無害化有效的方法，且適用范圍廣泛，更能有效平衡效益與經(jīng)濟(jì)，因此選為本方案的泥漿處理方法。

5.4 本次整個(gè)工藝因地制宜，緊跟國(guó)家要求，符合無害化原則，對(duì)泥漿的無害化和資源化較為成功。但該工藝存在對(duì)固化法工藝進(jìn)一步改進(jìn)的前景，使無害化、資源化做的更徹底。

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