水基鉆完井廢棄物固化處理技術(shù)研究

馬文杰，岳明，王凱，李小龍，李鳳娟，曹智鵬

（1.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津）有限公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300452；3.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452）

在石油天然氣勘探開采過程中，不可避免的會(huì)產(chǎn)生大量會(huì)嚴(yán)重危害環(huán)境的污染物。石油企業(yè)為達(dá)到安全、快速鉆完井的目的使用水基鉆完井添加劑，產(chǎn)生了大量的水基鉆完井廢棄物，其成分非常復(fù)雜，主要是黏土，各種化學(xué)處理劑等形成的穩(wěn)定態(tài)膠體懸浮體系。水基鉆完井廢棄物危險(xiǎn)環(huán)境的主要成分有鹽類，高分子量有機(jī)化合物，木質(zhì)素磺酸鹽，重金屬離子、重晶石中的雜質(zhì)等，一旦外排到自然環(huán)境中，有對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。近年來(lái)，隨著我國(guó)石油工業(yè)的迅速發(fā)展，加強(qiáng)水基鉆完井廢棄物處理技術(shù)研究，探尋更加科學(xué)、合理的處理技術(shù)，是油田生產(chǎn)中面臨的嚴(yán)峻問題。

1 水基鉆完井廢棄物處理的現(xiàn)狀

隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，對(duì)水基鉆完井廢棄物的處理技術(shù)的要求也越來(lái)越高。目前水基鉆完井廢棄物的處理技術(shù)主要有直接排放法、回注法、填埋法、化學(xué)強(qiáng)化分離法、耕種法、MTC 處理法、生物講解法、固化法等[1]，各處理方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 各類水基鉆完井廢棄物處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

2 水基鉆完井廢棄物固化技術(shù)

固化法是向脫水之后的水基鉆完井廢棄物中加入固化劑，與水基鉆完井廢棄物發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，將高聚物、重金屬等有害物質(zhì)封閉、包裹在其中，從而降低其瀝濾性，防止高聚物、重金屬等向環(huán)境擴(kuò)散和遷移的一種處理水基鉆完井廢棄物的方法。這種方法能有效地避免水基鉆完井廢棄物中的金屬離子和有機(jī)物對(duì)土壤的侵蝕，從而減少其對(duì)環(huán)境的危害[2]。

固化法是一種比較可靠的處理水基鉆完井廢棄物的方法，在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)開展了較多應(yīng)用研究。不同的固化技術(shù)有其自身的不同優(yōu)點(diǎn)，按照所用固化劑種類和固化過程的不同[3]，將處理水基鉆完井廢棄物的固化技術(shù)大致分為以下幾種：

2.1 粉煤灰固化

粉煤灰固化是把粉煤灰用作鉆完井廢棄物的固化材料，將其固結(jié)成具有耐久性和一定強(qiáng)度的固化體的工藝技術(shù)。粉煤灰中SiO2，Al2O3等雜質(zhì)成分，受水基鉆完井廢棄物里堿性物質(zhì)或者石膏的硫酸鹽激發(fā)，會(huì)使鉆完井廢棄物硬化，進(jìn)而將其中的有害物質(zhì)固化起來(lái)。粉煤灰固化技術(shù)由于操作簡(jiǎn)單，原材料來(lái)源廣，處理費(fèi)用低[4]，在處理中不會(huì)產(chǎn)生有害氣體危害人體健康，因此被廣泛應(yīng)用。

2.2 水泥固化法

水泥固化以水泥作為主要固化原料，工藝簡(jiǎn)單而且操作方便、生產(chǎn)材料來(lái)源豐富、投入成本小，是目前比較成熟的一種固化處理方法。當(dāng)水泥與水以及鉆完井廢棄物混合時(shí)，水泥會(huì)產(chǎn)生硬化效應(yīng)。水基鉆完井廢棄物中的有害物質(zhì)會(huì)在固體中凝固，隨著時(shí)間的增加，水泥將變得越來(lái)越堅(jiān)硬。潘寶風(fēng)等[5]在分析了水基鉆完井廢棄物化學(xué)組成的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了由硅酸鹽水泥、頁(yè)巖、高鋁水泥組成的固化劑，并對(duì)固化物的性能進(jìn)行了研究。

2.3 瀝青固化法

瀝青固化法是將鉆完井廢棄物與瀝青在一定的溫度、配料比、堿度下進(jìn)行混合，產(chǎn)生皂化反應(yīng)而形成固化體。雖然瀝青固化形成的固化體密度較高，但此方法施工作業(yè)難度系數(shù)較大，而且存在瀝青被生物降解而造成污染物的滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 玻璃固化法

玻璃固化法是以玻璃作為主要固化劑，以無(wú)機(jī)鹽類作為輔助劑，將鉆完井廢棄物與玻璃質(zhì)相結(jié)合，按一定的配料比進(jìn)行中和與縮合脫水反應(yīng)，形成水玻璃固化體，達(dá)到固化處理效果[6]。此種處理方式得到的固化體具有較高的持久度，耐酸性強(qiáng)，抗透水性好，減量效果好，但目前此方法還處于試驗(yàn)摸索階段。

2.5 免燒磚固化技術(shù)

水基鉆完井廢棄物制備免燒磚固化技術(shù)是將廢棄物中加入沙、粗骨料、碎石等加固原料和膠黏劑，在高壓作用下，通過一定的物理、化學(xué)作用，形成高強(qiáng)度整體，進(jìn)而被作為免燒磚進(jìn)行資源化利用。免燒磚制備具體流程[7]見圖1。

圖1 免燒磚制備工藝流程圖

根據(jù)《固體廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)通則(GB 34330- 2017)》，通則5.2 a)中明確“利用固體廢物生產(chǎn)的產(chǎn)物同時(shí)符合國(guó)家、地方制定或行業(yè)通行的被替代原料生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不作為固體廢物管理，按照相應(yīng)的產(chǎn)品管理。將水基鉆完井廢棄物進(jìn)行資源化利用制成相應(yīng)產(chǎn)品，符合國(guó)家相關(guān)規(guī)定。制備出免燒磚符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后，可供企業(yè)用于廠區(qū)道路鋪設(shè)、井場(chǎng)圍墻修建，從而降低企業(yè)場(chǎng)地的建設(shè)成本。

免燒磚具有外觀古樸自然、抗壓強(qiáng)度高、不怕水、抗風(fēng)化、抗凍融、耐腐蝕、無(wú)須燒結(jié)的特點(diǎn)[6]。但是免燒磚養(yǎng)護(hù)期較長(zhǎng)，通常需要養(yǎng)護(hù)28 天以上，養(yǎng)護(hù)時(shí)間還收養(yǎng)護(hù)期間的天氣的制約。

3 影響固化處理效果的因素

盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)水基鉆完井廢棄物處理進(jìn)行了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但目前的實(shí)踐還存在很多問題。隨著油田開采難度的不斷增加，水基鉆完井廢棄物的成分越來(lái)越復(fù)雜，處理的難度也越來(lái)越大。首先，固化劑的篩選就是制約固化效果的第一要素。不同油田使用的鉆井液體系不同，不產(chǎn)生的鉆完井廢棄物成分也不一樣，即使是同一區(qū)域，不同井深的廢棄物中所含污染物的數(shù)量和種類也會(huì)有所差異，因此需要針進(jìn)行大量的篩選和配比實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇合適的固化劑。

除了固化劑的選擇，固相含量、固化溫度、和固化時(shí)間等因素也對(duì)水基鉆完井廢棄物的固化效果有直接的影響。任君[2]通過大量實(shí)驗(yàn)得出，水基鉆完井廢棄物固相含量控制在50%左右時(shí)固化效果最好，而固化溫度控制在20～40 ℃最佳；另外固化時(shí)間應(yīng)達(dá)到7 d 以上才能達(dá)到較好的固化強(qiáng)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)固廢管理的進(jìn)一步加強(qiáng)，水基鉆完井廢棄物綜合利用技術(shù)也越來(lái)越受到重視，其中的固化處理技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，因?yàn)槠涔袒a(chǎn)物可以用作建筑材料實(shí)現(xiàn)廢棄物的減量化和資源化利用，符合國(guó)家保護(hù)生態(tài)平衡，可持續(xù)發(fā)展的政策指向，因而具有廣闊的市場(chǎng)前景。