廢棄鉆井液分類處理及其效能分析

張淑俠，裴婷，原敏，王丹丹，馬天奇，楊云鵬

(1.陜西省陸相頁(yè)巖氣成藏與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710065；3.中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001)

油氣田鉆井產(chǎn)生大量的廢棄污染物，主要包括返排出的鉆井液、鉆井廢水、洗井水、鉆屑等，主要污染物為油類、重金屬、鹽類和有機(jī)聚合物等[1]。對(duì)此類廢物的傳統(tǒng)處理方法是修建泥漿池，廢物全部排入泥漿池中存放，完鉆后集中處理[2-4]。由于不同地質(zhì)構(gòu)造、同一口井不同鉆井階段、不同鉆井液體系相應(yīng)產(chǎn)生的廢物污染成分差異較大，鉆井廢棄物集中混合存放，致使污染物相互摻混、滲透，造成最終的廢物處理難度加大、成本升高。

空氣、霧化鉆井液主要含有霧化用表面活性劑、井壁穩(wěn)定劑等[5-7]。由于三開(kāi)后使用了聚磺防塌鉆井液體系，黏土、無(wú)機(jī)鹽、難降解高分子聚合物、磺化褐煤、磺化樹(shù)脂等添加劑的種類增多，用量加大，完鉆廢水污染程度加大[8]。完鉆鉆屑多被廢水泥漿浸泡，呈泥糊狀，水化污染情況較為嚴(yán)重；鉆井廢渣污染最為嚴(yán)重，其浸出液的污染指標(biāo)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相比，pH值、色度、COD和石油類含量超標(biāo)嚴(yán)重，其中COD超標(biāo)達(dá)130倍。

本文針對(duì)某氣田空氣、霧化鉆井和聚磺鉆井液體系鉆井產(chǎn)生廢物的污染特點(diǎn)，采用廢鉆井液分階段收集和分類處理，研究了廢水和廢渣的處理工藝，開(kāi)展兩口井的試驗(yàn)，并做了相應(yīng)的效能分析。為理解方便，本文將空氣、霧化鉆井階段產(chǎn)生的鉆井廢水稱為空鉆廢水，三開(kāi)直至鉆井結(jié)束后返排出的混合鉆井廢水稱為完鉆廢水；將空氣、霧化鉆井所產(chǎn)生的鉆屑簡(jiǎn)稱空鉆鉆屑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

硫酸亞鐵氨、硫酸汞、鹽酸、石油醚、重鉻酸鉀等均為分析純；硫酸鋁、硫酸亞鐵、聚合鋁、聚合鐵、PAM、PR32.5級(jí)水泥、生石灰、碳酸鈉、硅酸鈉、粉煤灰、石膏、磷石膏、氯化銨、硫酸鐵等均為工業(yè)品；鉆井廢水，取自某氣田P-3井返排的鉆井廢水(該井鉆井三開(kāi)前采用了空氣、霧化鉆井技術(shù)，三開(kāi)后采用聚磺鉆井液體系)，污染物分析結(jié)果見(jiàn)表1；鉆屑及廢棄鉆井液取自Pg-2井(該井一開(kāi)、二開(kāi)井段采用空氣鉆井技術(shù)，三開(kāi)后使用聚磺鉆井液體系)，鉆屑以及廢鉆井液浸出液的污染物成分見(jiàn)表2。

表1 P-3井鉆井廢水主要污染物分析結(jié)果

表2 廢棄鉆井液的浸出液主要污染物分析結(jié)果

BB1186型電子分析天平；pHS-3C型精密酸度計(jì)；721型分光光度計(jì)；HCH-100型COD快速測(cè)定儀；JBY-Ⅱ型絮凝攪拌儀；JG-4型水平振蕩器；101-2型電熱干燥箱等。

1.2 鉆井廢水處理

1.2.1 空鉆廢水處理 取鉆井廢水1 000 mL，加入適量混凝劑，快速攪拌均勻。調(diào)節(jié)水質(zhì)pH=7，加入適量絮凝劑，慢速攪拌均勻，靜止0.5 h后取上層清液做水質(zhì)分析。

1.2.2 完鉆廢水處理[8-12]

1.2.2.1 破膠處理 取鉆井廢水1 000 mL，加入破膠劑5～20 g/L，快速攪拌均勻后，加入絮凝劑10～15 mg/L，慢速攪拌，靜止0.5 h后過(guò)濾。

1.2.2.2 混凝處理 取破膠處理后廢水1 000 mL，加入混凝劑1～4 g/L，快速攪拌均勻，加入絮凝劑 5 mg/L，慢速攪拌，靜止0.5 h后過(guò)濾。

1.2.2.3 氧化降解處理 取破膠-混凝處理后的廢水1 000 mL，加入氧化劑1～3 g/L，反應(yīng)2 h。加入絮凝劑2 mg/L，慢速攪拌，靜止0.5 h后過(guò)濾。

1.2.2.4 吸附處理 取破膠-混凝-氧化處理后廢水 1 000 mL，調(diào)節(jié)pH=7.0，按照質(zhì)量固液比10∶1加入吸附劑，攪拌反應(yīng)2 h。過(guò)濾，取上層清液做水質(zhì)分析。

證法2 (構(gòu)造等腰三角形法)如圖4，延長(zhǎng)ED，交OC延長(zhǎng)線于點(diǎn)G，作EF⊥OC，垂足為F，則四邊形OAEF、CBEF都是矩形．所以FC=EB，OF=AE．由AB∥OC，可得∠G=∠BEG=∠B′EG．進(jìn)而GB′=EB′．所以FC=GB′．從而FB′=CG．

1.3 鉆屑與廢棄鉆井液處理

1.3.1 空鉆鉆屑處理 清水鉆和水基鉆產(chǎn)生的鉆屑中重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值[13-14]，能應(yīng)用在鋪路和建筑行業(yè)。根據(jù)實(shí)際鉆屑的污染性質(zhì)，空鉆鉆屑的污染指標(biāo)已經(jīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，建議把空鉆鉆屑及時(shí)清理出來(lái)，直接用于鋪設(shè)井場(chǎng)道路或填坑等，減少鉆井廢物的產(chǎn)生量，節(jié)約處理和轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用。空鉆鉆屑的污染指標(biāo)未符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入0.5%～2%的固化劑的方法，使其浸出液達(dá)標(biāo)。

1.3.2 完鉆鉆屑處理 采用清水或者井場(chǎng)處理后的回用鉆井廢水，以質(zhì)量固液比10∶1的水量淋洗鉆屑，直至其污染指標(biāo)達(dá)標(biāo)；也可按質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入2%～4%的固化劑進(jìn)行處理，使其浸出液污染物達(dá)標(biāo)。

1.3.3 廢棄聚磺鉆井液處理 采用傳統(tǒng)的一步固化法處理廢聚磺鉆井液，其浸出液的色度和COD往往超標(biāo)[11]。為此，本研究采用氧化降解、復(fù)合固結(jié)封閉包裹技術(shù)降解有機(jī)物，采用調(diào)整劑去除其腐蝕性。其方法是：取廢棄的聚磺鉆井液300 mL，在均勻攪拌下，依次按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)，加入4%的氧化劑，攪拌反應(yīng)0.5 h。依次加入5%的固化劑A、3%的固化劑B和6%的調(diào)整劑，攪拌均勻后，固化調(diào)整反應(yīng)至少3 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉆井廢水處理

2.1.1 空鉆廢水處理 空鉆廢水水質(zhì)污染程度較輕，污染物含量少。P-3井空鉆廢水處理后的水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 P-3井空鉆廢水處理前后水質(zhì)分析結(jié)果

由表3可知，P-3井的空鉆廢水經(jīng)過(guò)混凝后，色度由原來(lái)的80倍降為10倍，COD由原來(lái)的 864.3 mg/L 降為49.3 mg/L，COD去除率達(dá)到 94.3%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，空鉆廢水水體受污染程度低，現(xiàn)場(chǎng)處理工藝流程可設(shè)計(jì)為：混凝-沉降-過(guò)濾。沉降與過(guò)濾的泥渣采用壓濾機(jī)壓濾，產(chǎn)生的泥餅可以固化處理。

2.1.2 完鉆廢水處理 完鉆廢水處理后的水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 P-3井完鉆廢水處理結(jié)果

由表4可知，完鉆廢水污染嚴(yán)重，這是因?yàn)槿_(kāi)后的完鉆廢水、廢鉆井液全部排入泥漿池中，互相滲透，水質(zhì)會(huì)更加復(fù)雜，處理工藝單元增多，藥劑加量也相應(yīng)增加。完鉆廢水原水呈黑褐色，色度為1 800倍，COD為19 468 mg/L；破膠/混凝/氧化/吸附處理后水呈無(wú)色，COD<100 mg/L，可安全回用于井場(chǎng)。

2.2 廢棄聚磺鉆井液處理

對(duì)于廢聚磺鉆井液，采用傳統(tǒng)的一步固化法處理后，其浸出液的色度和COD往往超標(biāo)[15]。為此室內(nèi)研究采用氧化降解、復(fù)合固結(jié)封閉包裹技術(shù)降解有機(jī)物，采用調(diào)整劑去除其腐蝕性。設(shè)計(jì)L16(44)的正交實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行多因素復(fù)合處理實(shí)驗(yàn)，并以固化物浸出液COD為檢測(cè)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 復(fù)合固化處理正交實(shí)驗(yàn)

由表5可知，各因素對(duì)固化物浸出液COD的影響大小順序?yàn)椋貉趸瘎?調(diào)整劑>固化劑A>固化劑B；Pg-2井的廢棄聚磺鉆井液固化最佳配方為A3B1C3D3，即5%A固化劑+3%B固化劑+4%氧化劑+6%調(diào)整劑(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效能分析

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組迅速在P-3井和Pg-2井兩個(gè)井區(qū)開(kāi)展鉆井廢物分類處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：在P-3井實(shí)施鉆井廢水的分類處理，Pg-2井實(shí)施鉆井廢水和廢鉆井液的分類處理。空鉆廢水按照混凝/過(guò)濾工藝流程進(jìn)行，完井后的鉆井廢水按照破膠/混凝/氧化/吸附工藝流程進(jìn)行，空鉆鉆屑經(jīng)淋洗脫水處理可直接用于鋪設(shè)井場(chǎng)場(chǎng)地、道路或填坑等，完井后的廢鉆井液按照復(fù)合固化工藝處理?，F(xiàn)場(chǎng)污染物處理前后的主要污染物監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

表6 鉆井廢水處理前后污染物成分分析

表7 鉆井廢棄物處理成本情況分析

由表6可知，這兩口井鉆井廢水和廢鉆井液采用不同工藝分類處理后，出水污染指標(biāo)滿足國(guó)標(biāo)要求，可以回用井場(chǎng)；廢鉆井液固化樣的浸出液經(jīng)監(jiān)測(cè)站取樣分析，污染物指標(biāo)達(dá)符合國(guó)家GB 18599—2001《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅰ、Ⅱ類固廢物技術(shù)要求，可以安全處置。

根據(jù)表7計(jì)算，P-3井的鉆井廢水采取分類收集處理成本為8.22萬(wàn)元；如果不采取分類處理措施，兩類水混合后需處理1 100 m3，費(fèi)用總計(jì) 11.55萬(wàn)元，分類處理可節(jié)約費(fèi)用3.33萬(wàn)元，成本降低了28.8%。Pg-2井的鉆井廢水采用分類處理與傳統(tǒng)的處理方式比較，前者廢水處理節(jié)約成本 4.74萬(wàn)元；井場(chǎng)鉆井固廢的處理成本主要包括機(jī)械費(fèi)、轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)和排污費(fèi)；Pg-2井的空鉆鉆屑780 m3，空鉆鉆屑經(jīng)沉降脫水后可就近用于井場(chǎng)鋪路，機(jī)具費(fèi)用為 2.5萬(wàn)元左右；如果空鉆鉆屑和完井泥漿混合后一起固化處理，其處理費(fèi)用約22.61萬(wàn)元，可見(jiàn)空鉆鉆屑處理一項(xiàng)不但節(jié)約4.91萬(wàn)元、且減少了32%的固體廢物的處理量。廢水和廢固總計(jì)節(jié)約9.65萬(wàn)元，總成本降低了25.7%。

3 結(jié)論

(1)鉆井廢水主要污染物指標(biāo)為pH值、色度、COD、懸浮物和含油量；空鉆廢水與完鉆廢水差異較大，完鉆廢水污染更嚴(yán)重，有必要分類收集和處理，空鉆廢水COD超標(biāo)8～10倍，COD超標(biāo)195倍。

(2)空鉆廢水采用混凝處理后，COD從 864.3 mg/L 降到16.19 mg/L；完鉆廢水經(jīng)破膠/混凝/氧化/吸附工藝處理后，COD從19 468 mg/L降到53.14 mg/L。

(3)廢棄聚磺鉆井液復(fù)合固化最佳配方為：5%固化劑A+3%固化劑B+4%氧化劑+6%調(diào)整劑，處理后固體符合國(guó)家GB 18599—2001《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅰ、Ⅱ類固廢物技術(shù)要求，可以安全處置。

(4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)了兩口井廢鉆井液的分類收集與處理，經(jīng)濟(jì)效果明顯：P-3井鉆井廢水處理成本降低了28.8%，Pg-2井鉆井廢棄物總成本降低了25.7%。鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的鉆屑及時(shí)清出，達(dá)標(biāo)部分可用于井場(chǎng)鋪路等，減少鉆井固廢處理量，也節(jié)省轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用；空鉆廢水分類收集處理后回用于井場(chǎng)，更符合綠色環(huán)保和清潔生產(chǎn)的理念。