蘇里格氣田水基鉆屑資源化利用技術(shù)研究與應(yīng)用

陳 磊, 陳在君, 黎金明

1低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 2中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

0 引言

蘇里格氣田是長(zhǎng)慶油田的主力氣田，每年鉆井?dāng)?shù)量上千口井，產(chǎn)生的大量鉆井巖屑，給油區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，巖屑的處置成為急需解決的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題[1- 6]。隨著新環(huán)保法的實(shí)施和地方各級(jí)政府對(duì)鉆井生產(chǎn)中廢棄物的管理要求日益嚴(yán)格[7- 8]，政策鼓勵(lì)對(duì)鉆屑進(jìn)行資源化利用[9]。為解決鉆井廢棄物終端處理難題，通過(guò)“以廢治廢”的研究思路[10]，在破穩(wěn)劑G324和G327作為復(fù)合高效固化劑的前提下，添加骨料材料，采用混料均勻設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法，研究G324及G327添加量、骨料加量、巖屑添加量、水添加量等實(shí)驗(yàn)因素對(duì)固化體強(qiáng)度和浸出毒性的影響。結(jié)果表明，通過(guò)合適的物料配比，固化體浸出pH、石油類(lèi)、COD、色度達(dá)到GB 8978—96《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井巖屑的無(wú)害、資源化的利用。

1 現(xiàn)場(chǎng)鉆屑環(huán)保指標(biāo)檢測(cè)及關(guān)鍵處理劑研究

鉆井巖屑成分復(fù)雜，包括對(duì)環(huán)境有害的石油類(lèi)、各類(lèi)聚合物、合成有機(jī)物、重晶石、巖石碎片以及瀝青改性等物質(zhì)[11- 12]。鉆井巖屑是石油勘探開(kāi)發(fā)鉆井過(guò)程中遺留下來(lái)的最大量的污染物，主要為由加重材料、黏土、各種化學(xué)處理劑、污油、巖屑碎片等組成的多項(xiàng)穩(wěn)態(tài)膠體懸浮體系，危害環(huán)境的主要成分是鹽類(lèi)、烴類(lèi)、磺酸鹽、各種聚合物，這些因素使得鉆井巖屑的成分極為復(fù)雜。COD 值高，礦化物高、色度高，懸浮物高，含有多種毒性污染因子[13- 14]。

在鉆井工程上要求鉆井液要具有較高的穩(wěn)定性，從而加入了大量的高分子、有機(jī)物及其他化學(xué)物質(zhì)，使鉆井液攜帶出的鉆屑呈非分散狀態(tài)[15]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析幾種巖屑及其浸出液的理化性質(zhì),對(duì)照其性能指標(biāo)。由表1看出四種巖屑的若干指標(biāo)值中僅有三個(gè)值在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范范圍之內(nèi)，90%以上的指標(biāo)均處于超標(biāo)狀態(tài)。

表1 巖屑及其浸出液性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

目前對(duì)其處理主體思路為兩種：一種是固液分離治理:另一種是混相固化治理。其中固液分離治理又分為兩類(lèi)：一類(lèi)采取先固液分離，液相回收利用，固相無(wú)害化治理；另外一類(lèi)是混相破膠后固液分離，分離后固相無(wú)害化治理，液相用于沖洗設(shè)備等。以上無(wú)論哪一類(lèi)方法，都要面臨固相治理達(dá)到環(huán)保規(guī)定的重復(fù)利用或排放的要求[8]。

1.1 廢棄鉆屑破穩(wěn)劑的研發(fā)

針對(duì)巖屑分散、含水率高的難題，研發(fā)出了破穩(wěn)劑G324，主要指標(biāo)見(jiàn)表2，主要是用于含水鉆屑的預(yù)處理，可以有效實(shí)現(xiàn)破膠脫穩(wěn)、析出液相，并能對(duì)色度、COD等的降低率達(dá)到95%以上，并在室內(nèi)初步確定出了破穩(wěn)劑的加量在1.5%～3.0%時(shí)破膠脫穩(wěn)效果較好。

表2 破穩(wěn)劑G324主要指標(biāo)

1.2 復(fù)合固化劑的研發(fā)

針對(duì)蘇里格氣田鉆屑成型難度大的特點(diǎn)，研發(fā)出的高效復(fù)合固化劑G327，主要指標(biāo)見(jiàn)表3，具有固化成型效果好、對(duì)COD和色度的去除率高的特點(diǎn)，固化物浸出液環(huán)保指標(biāo)見(jiàn)表4，均符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 固化劑G327主要指標(biāo)

表4 高效固化劑的環(huán)保指標(biāo)檢測(cè)

2 鉆屑資源化利用技術(shù)研究

針對(duì)蘇里格區(qū)域特點(diǎn)和資源化利用成本等綜合因素分析，選定鉆屑制備免燒磚和鋪路基土顆粒兩種資源化利用方式，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試制試驗(yàn)確定出了鉆屑資源化制磚和鋪路基土配方及施工工藝。

2.1 鉆屑制備免燒磚技術(shù)研究

2.1.1 鉆屑制備免燒磚配方研究

通過(guò)鉆屑、固化劑和輔料的配比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試制備出來(lái)的免燒磚成型性能，抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)，確定出了最優(yōu)化配方比例，試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖1和圖2所示。

表5 免燒磚配方配比實(shí)驗(yàn)

圖1 鉆屑制備免燒磚不成型

圖2 鉆屑制備的免燒磚成型

鉆屑最佳試驗(yàn)比例∶質(zhì)量比=鉆屑∶G327∶G324=100∶18∶3;輔料比例根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)攪拌的干濕程度和黏性添加FL-1和FL-2，體積比=鉆屑∶FL-1∶FL-2 =10∶7∶1。

2.1.2 免燒磚基本性能參數(shù)

免燒磚的抗壓強(qiáng)度、吸水率、放射性等物性參數(shù)綜合檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6和圖3，滿(mǎn)足JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》標(biāo)準(zhǔn)要求。另外根據(jù)蘇里格地區(qū)冬季寒冷的特點(diǎn)，測(cè)試了免燒磚的抗凍強(qiáng)度，測(cè)得免燒磚的抗凍強(qiáng)度損失率及凍壞數(shù)量均滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖3 免燒磚強(qiáng)度測(cè)試

表6 免燒磚檢測(cè)結(jié)果

2.1.3 免燒磚環(huán)保指標(biāo)檢測(cè)

取現(xiàn)場(chǎng)制備的免燒磚，按照GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》分別跟蹤測(cè)試0 d、7 d、14 d、21 d和28 d后的浸出液環(huán)保性能指標(biāo)，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7。跟蹤28 d后，檢測(cè)免燒磚各項(xiàng)環(huán)保性能指標(biāo)均能達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

表7 室內(nèi)制備的免燒磚環(huán)保指標(biāo)檢測(cè)

2.2 鉆屑制備鋪路基土技術(shù)研究

2.2.1 鉆屑制備鋪路基土配方研究

將鉆屑、固化劑混合，開(kāi)展了鉆屑造粒(制球)制備鋪路基土配方實(shí)驗(yàn)，得出以下四種配方可以壓制出成型的球體顆粒，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 制備鋪路基土顆粒配方實(shí)驗(yàn)

由圖4試驗(yàn)結(jié)果可以看出，2號(hào)配方顆粒完整無(wú)破碎，成型效果最佳。

圖4 巖屑制備的鋪路基土顆粒

2.2.2 鋪路基土顆?；緟?shù)

以現(xiàn)場(chǎng)采集的鉆屑樣品為處理對(duì)象，基土顆粒達(dá)到鋪路基層材料要求，浸出液環(huán)保指標(biāo)滿(mǎn)足GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表9、表10。

表9 鋪路基土顆粒強(qiáng)度指標(biāo)檢測(cè)

表10 鉆屑作為鋪路基土顆粒環(huán)保指標(biāo)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)采集的鉆屑樣品為處理對(duì)象，開(kāi)展了鉆屑制備基土顆粒實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了浸出液環(huán)保指標(biāo)檢測(cè)，滿(mǎn)足GB8978—1996一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 鉆屑資源化利用工藝

綜合室內(nèi)研究及試驗(yàn)結(jié)果，確定出鉆屑資源化利用工藝流程(見(jiàn)圖5)。

圖5 鉆屑資源化產(chǎn)品制造流程

將鉆屑、水和高效固化劑按試驗(yàn)研究比例送入樣機(jī)，通過(guò)資源化產(chǎn)品流水線(xiàn)機(jī)器工作完成資源化產(chǎn)品制備。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用

2018年鉆屑資源化利用技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展試驗(yàn)，累計(jì)完成1 078 m3的鉆屑資源化制備免燒磚和鋪路基土制備和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，鉆屑資源化制備的免燒磚和鋪路基土經(jīng)第三方環(huán)保檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)分別達(dá)到了JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》和JTJ057—1994《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1 鉆屑制備免燒磚現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

完成了1口井的鉆屑制備免燒磚試驗(yàn)和1口井的鉆屑制備鋪路基土試驗(yàn)，共制備免燒磚19萬(wàn)塊，制備的免燒磚已經(jīng)用于20多個(gè)井隊(duì)回用于井場(chǎng)修砌方井，生活區(qū)場(chǎng)地硬化，鋪設(shè)營(yíng)房過(guò)道，現(xiàn)場(chǎng)使用情況見(jiàn)圖6。

圖6 免燒磚用于堆砌方井和鋪設(shè)道路

3.2 鉆屑制備鋪路基土試驗(yàn)應(yīng)用

目前采用鋪路基土顆粒代替砂石完成270 m道路鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中120 m道路是采用基土顆粒代替砂石鋪成混凝土水泥路(見(jiàn)圖7)，150 m道路是用基土顆粒模擬直接鋪設(shè)鉆前路(見(jiàn)圖8)。

圖7 基土顆粒直接鋪設(shè)道路

圖8 基土顆粒代替砂石鋪設(shè)路基

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)研發(fā)的破穩(wěn)劑G324和復(fù)合固化劑G327能有效滿(mǎn)足鉆屑固化后的環(huán)保指標(biāo)和強(qiáng)度要求。

(2)通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究得出鉆屑制備免燒磚的配方和鉆屑制備基土配方，各項(xiàng)環(huán)保指標(biāo)均符合要求，為蘇里格廢棄鉆屑的資源化利用和鉆屑固廢終端處理做出了技術(shù)探索和實(shí)踐，助推了長(zhǎng)慶氣田鉆井作業(yè)清潔化生產(chǎn)。

(3)鉆屑資源化利用是未來(lái)鉆井清潔化生產(chǎn)的趨勢(shì)和發(fā)展方向，研究和深化鉆屑資源化技術(shù)及豐富資源化產(chǎn)品種類(lèi)，根據(jù)不同區(qū)域因地制宜開(kāi)展鉆屑資源化利用具有良好的環(huán)保效益和社會(huì)效益。