泥漿精細(xì)化處理裝置在鉆井施工中的應(yīng)用

趙 巖，高麗華，肖明君，劉現(xiàn)川，張 星

(1.河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺 054001； 2.河北省干熱巖研究中心，河北 邢臺 054001；3.邢臺市康達(dá)建筑工程環(huán)境檢測有限公司，河北 邢臺 054001)

廢棄泥漿是地質(zhì)鉆探過程中主要含有污染源的之一。廢棄泥漿的主要問題來自生活廢泥漿。鉆井廢泥漿是鉆井廢水的主要污染源[1-3]，其污染點(diǎn)多、面積大、污染物復(fù)雜、排放不穩(wěn)定。鉆孔廢棄泥漿中含有大量各種環(huán)境污染物質(zhì)成分，主要研究污染物有懸浮物、重金屬、油、酚、硫化物等。在鉆井廢物處理是一個大問題?！皬U棄鉆井液處理污泥”于2008年被列入《國家危險廢物名錄》。

“鉆井廢泥漿精細(xì)化處理技術(shù)”，即鉆井時立即對廢鉆井泥漿進(jìn)行處理，達(dá)到“泥漿不落地”的要求，減少土地利用，減少環(huán)境污染[4-6]。技術(shù)是“末端處理”和“過程”。與傳統(tǒng)方式相比，該技術(shù)無需將固廢從井場拉走集中處理[7-9]，節(jié)約了運(yùn)輸成本和處理場地，使環(huán)境管理人員更加到位[10-13]。泥漿精細(xì)化處理是開展綠色地質(zhì)勘探的重要措施之一。

1 概況

1.1 廢棄物的產(chǎn)生

泥漿被稱為“鉆井的血液”，泥漿內(nèi)摻入油、水、有機(jī)黏土和化學(xué)藥劑，可有效降低摩阻，降低事故率，改善井筒質(zhì)量，廣泛用于水平井和深直井。鉆井工程建設(shè)公司的傳統(tǒng)做法是每鉆一口井就挖一個大型的循環(huán)泥漿池，通常在2 000 m2左右。施工完成后，難以及時有效地進(jìn)行固化處理。植被恢復(fù)或恢復(fù)困難，影響土地使用。近年來，鉆井隊(duì)使用泥漿越來越多，隨之而來的成本增加、安全環(huán)保等問題日益突出。

廢泥漿是鉆井行業(yè)的主要污染源之一。它是一種穩(wěn)定的膠體懸浮體系，含有黏土、加重物、各種化學(xué)處理劑、污水、廢油和鉆屑。破壞環(huán)境的主要成分是碳?xì)浠衔铩Ⅺ}類、各種聚合物、某些金屬離子(汞、銅、砷、鉻、鋅和鉛)和重晶石中的雜質(zhì)。為防止泥漿污染環(huán)境，必須對其進(jìn)行處理。

1.2 國內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)

(1)污水排放標(biāo)準(zhǔn)。廢水排放標(biāo)準(zhǔn)為GB 8978—1996 《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB 3550—83 《石油開發(fā)工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。對比這2個標(biāo)準(zhǔn)，GB 3550更嚴(yán)格、更具體，所以選擇石油開發(fā)GB 3550中的工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。第1級是達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。鉆井產(chǎn)生的廢水應(yīng)進(jìn)行處理，經(jīng)過處理的廢水回注地層或作為工藝用水，不能回注或回用的廢水[14-16]排放應(yīng)符合表1，有毒有害物質(zhì)在排放廢水中的最大允許溶解度必須符合表2。有害物質(zhì)在一般廢水中的最大允許溶解度必須符合表3。

表1 石油開發(fā)工業(yè)廢水最高容許排放量Tab.1 Maximum allowable discharge of industrial wastewater for petroleum development

表2 開發(fā)工業(yè)水污染物最高容許排放濃度Tab.2 Maximum allowable discharge concentration of developing industrial water pollutants

表3 開發(fā)工業(yè)水污染物最高允許排放濃度一般有害物質(zhì)Tab.3 Maximum allowable discharge concentration of industrial water pollutants is general harmful substances

廢水經(jīng)處理后符合上述標(biāo)準(zhǔn)，符合GB 8978—1996 《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》級標(biāo)準(zhǔn)，可排入城市排水管網(wǎng)，也可排入GB 3838標(biāo)準(zhǔn)的Ⅳ和Ⅴ類水域。不排入GB 3838 中Ⅲ類水域，更不能進(jìn)行當(dāng)?shù)嘏欧?。第一類一般工業(yè)廢物不被視為有毒危險物質(zhì)，允許運(yùn)輸至一般工業(yè)廢物填埋場。貯存和處置地點(diǎn)應(yīng)距居住區(qū)500 m。

(2)水基泥漿巖屑。最新版《國家危險廢棄物名錄》中，水基泥漿本身不屬于危險品。泥漿中的有害固相屬于危險廢物，在《國家危險廢棄物名錄》中編號為HW08，廢物類別為《廢礦物油》，廢物代碼 071-002-08，危險特征為Ⅰ(毒性)。

2 配套選擇

2.1 目前國內(nèi)處理方式

根據(jù)不同的處理和排放條件，處理方法有多種，包括固化處理、礦渣MTC技術(shù)、機(jī)械脫水法、注入安全地層、微生物法等。其中，固化技術(shù)處理+分離液處理特別適用于廢泥漿處理。

2.2 精細(xì)化處理系統(tǒng)處理原理及效果

鉆進(jìn)施工過程中對得到的巖屑、泥餅進(jìn)行回收利用，作為一種具體實(shí)施方式，鉆井泥漿精細(xì)化處理系統(tǒng)包括用于接收巖屑和泥餅的收集單元以及與收集單元銜接的固化處理單元。收集單元具體是螺旋輸送機(jī)，從干燥篩的出料口和壓濾干燥單元中輸送機(jī)的出料口收集鉆屑和泥餅。固化處理單元具體包括配料箱體、攪拌機(jī)構(gòu)、壓制機(jī)構(gòu)等，將巖屑和泥餅按比例加入水泥、固化劑和水等混合攪拌均勻制成混凝土、磚等，實(shí)現(xiàn)固體廢渣的回收利用[17-18]，提高固體廢渣的利用率。此處，所需的水可以從清水罐體中取用，提高凈化水在整個工序內(nèi)的利用率。

為了應(yīng)對在廢泥漿處理過程中發(fā)生罐體破損的緊急情況(圖1)，作為一種具體實(shí)施方式，鉆井泥漿精細(xì)化處理系統(tǒng)還包括鄰近巖屑分離單元和泥砂分離單元設(shè)置的備用罐體和儲存罐體，備用罐體和儲存罐體分別用于替換破損罐體。當(dāng)二次泥漿產(chǎn)生量較多無法全部用于鉆井施工時，將二次泥漿通入儲存罐體內(nèi)，避免二次泥漿的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)對二次泥漿的收集儲存。

具體結(jié)構(gòu)組成所形成的廢泥漿處理工序流程如圖1所示，實(shí)現(xiàn)泥漿精細(xì)化處理處理，提高廢渣和廢水的利用率和處理率。

圖1 廢棄泥漿及巖屑固化處理工藝流程Fig.1 Process flow of waste mud and cuttings curing treatment

采用加藥混合罐體壓濾干燥的形式進(jìn)行一次分離后，對液體再進(jìn)行絮凝脫色，效果如圖2所示。

圖2 精細(xì)化處理后水樣對比Fig.2 Comparison diagram of water samples after refined treatment

圖2中，自左向右依次為取樣泥漿、一次分離后效果、絮凝脫色效果(最終效果)。處理后水樣目測清水，處理后pH值為7～9，滿足排放要求。

2.3 精細(xì)化處理系統(tǒng)現(xiàn)場布局

泥漿精細(xì)化處理系統(tǒng)用于處理鉆井作業(yè)中產(chǎn)生的廢渣、廢水，亦可用于完井結(jié)束時的廢棄泥漿處理。該工藝系統(tǒng)依托鉆機(jī)配套的固控系統(tǒng)，增配混合罐和清水罐2個罐體，可與原固控系統(tǒng)有效匹配聯(lián)接。其主要設(shè)備由螺旋輸送機(jī)、干燥篩、PE加藥桶、攪拌器、壓濾機(jī)等組成。2個罐體沿著井隊(duì)泥漿罐和固控設(shè)備可以平行擺放，設(shè)備現(xiàn)場布置情況如圖3所示。

圖3 設(shè)備現(xiàn)場布置Fig.3 Site equipment layout

振動篩、除砂器、除砂器、離心機(jī)、出砂口均設(shè)有接砂通道[19]。接砂槽與螺旋輸送機(jī)直連，輸送機(jī)將排放物排入泥漿精細(xì)化處理系統(tǒng)對應(yīng)的干燥篩和混合罐內(nèi)，進(jìn)行進(jìn)一步處理。較粗渣料通過振動篩篩選出來直接進(jìn)入干燥篩，干燥篩主要處理固控系統(tǒng)振動篩產(chǎn)生的較粗渣料，較細(xì)的顆粒進(jìn)入混合罐進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.4 精細(xì)化處理工藝的創(chuàng)新點(diǎn)

精細(xì)化處理系統(tǒng)可與原固控系統(tǒng)無縫銜接。在原固控處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)罐體與原固控處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫銜接[20]。在具體處理過程中，廢泥漿可在鉆井過程中立即處理，達(dá)到“泥漿不落地”的要求，減少土地使用和環(huán)境污染，將“末端處理”改為“全過程控制”，并將廢泥漿分離成巖屑、泥餅和水，從而達(dá)到巖屑分離、泥砂分離和廢水處理的效果。該處理工藝各個單元均采用撬裝的方式設(shè)置在鉆井施工區(qū)域，不需要在現(xiàn)場進(jìn)行特殊的基礎(chǔ)建設(shè)，不僅能夠滿足整體系統(tǒng)的安裝配套使用要求，還能夠滿足單體配置使用的要求。

3 泥漿精細(xì)化處理系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 泥漿收集、切割均料

返出的巖屑、砂泥漿顆粒相差大(8～0.05 mm)，砂屑流動性相對較差，鉆井作業(yè)過程中產(chǎn)生的泥漿量波動很大，低至0.5 m3/h，峰值達(dá)15 m3/h，傳統(tǒng)水泵無法收集和泵送。精細(xì)化處理系統(tǒng)設(shè)計選用螺旋輸送機(jī)收集抽送廢棄泥漿，使原固控設(shè)備可以通過螺旋輸送機(jī)與精細(xì)化處理設(shè)施建設(shè)有效銜接。螺旋輸送機(jī)采用調(diào)速電機(jī)調(diào)節(jié)螺旋速度，解決了泥漿波動性差的問題。

3.2 巖屑液分離

鉆進(jìn)過程中可以隨著經(jīng)濟(jì)深度及地質(zhì)環(huán)境變化，返出的泥砂漿，用絮凝劑很難使水的巖屑成絮凝塊。因此，常規(guī)的分離技術(shù)和設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)巖屑、砂、鉆井液的分離。巖屑液由巖屑均質(zhì)機(jī)處理，巖屑分離裝置由自吸砂漿泵組成。該裝置集離心分離和過濾于一體，可有效分離≥0.05 mm 的巖屑，分離出的鉆井液可滿足生產(chǎn)過程的再利用要求。分離出的巖屑含水量低，所以被送到固體廢物處理部分，在那里加入固化劑制成磚，無需添加化學(xué)品即可實(shí)現(xiàn)固液分離。分離出的液體100%回用在生產(chǎn)工藝中，節(jié)約了管理成本，同時減少了廢水量和運(yùn)行成本。

3.3 泥水分離

廢泥漿通過收集送至收集箱，由泵將其提升至巖屑分離裝置，將大顆粒巖屑分離收集。期間用泵提升至破乳混凝罐，用干粉分裝機(jī)定量添加破乳助凝劑?；炷鹤詨嚎s機(jī)供液泵流至壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固液分離，分離出來的泥餅，添加固化劑無害處理。濾液進(jìn)入后續(xù)凈化處理設(shè)備。該壓濾機(jī)集過濾和甩干于一體，可連續(xù)出泥、進(jìn)料，泥餅含水量低，濾液含固量低，清澈透明。

3.4 廢水凈化處理

凈化處理器為高效一體機(jī)、陶瓷膜過濾、吸附凈化槽等設(shè)備。高效一體機(jī)采用高壓、小電流脈沖供電方式，可自動切換電極對廢水進(jìn)行氧化、還原、絮凝、浮選，實(shí)現(xiàn)分解、絡(luò)合、吸附、冷凝、浮選、共沉淀和其他影響。陶瓷膜過濾器是一種集沉淀和過濾于一體的抗污染膜，將二者進(jìn)行組合，針對鉆井泥漿的特點(diǎn)，并在前述加藥攪拌過程中添加藥劑以調(diào)節(jié)pH值，無需再次調(diào)整pH值，它實(shí)現(xiàn)了氧化、還原、絮凝和氣體凈化，節(jié)省調(diào)節(jié)pH值所需的酸、堿、絮凝劑，處理效果穩(wěn)定，操作簡單。得到的凈化水儲存于清水罐體中，清水罐可以為加藥桶體和混合罐體供水，也可以配漿使用，除部分用于路面灑水、抑制揚(yáng)塵外，全部都循環(huán)使用在整個系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，提高污水利用率。

3.5 固廢無害化處理

巖屑液、泥漿進(jìn)行分離培養(yǎng)出來的鉆屑、沙、泥餅，收集按比例可以加入水泥、固化劑混合攪勻成混凝土，混凝土經(jīng)輸送系統(tǒng)傳運(yùn)汽車。提高處理技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計中所產(chǎn)生的廢渣，實(shí)現(xiàn)固化和及時外運(yùn)的要求，凈化后的二次泥漿可以返回鉆井系統(tǒng)[20]。不需要集中處理固體廢物，節(jié)省運(yùn)輸成本和場地回填修復(fù)工作(圖3)。

圖4 處理后的固體廢物Fig.4 Treated solid waste

4 經(jīng)濟(jì)效益

河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊(duì)施工的張掖甘浚鎮(zhèn)地?zé)峋M(jìn)行泥漿不落地系統(tǒng)在鉆井施工中應(yīng)用的研究，使用該工藝系統(tǒng)對井場廢漿液進(jìn)行凈化處理，節(jié)約了近31萬元的拉運(yùn)費(fèi)用和場地恢復(fù)費(fèi)用8萬余元。張掖甘浚鎮(zhèn)地?zé)峋畬?dǎo)管段直徑600 mm，套管外徑426 mm，工作深度57 m，需處理的廢漿70 m3，固化量30 m3；一開鉆頭φ346.1 mm，套管外徑273.1 mm，工作深度400 m；需處理的廢漿150 m3，固化量40 m3；二開鉆頭φ241.3 mm，套管外徑177.8 mm，工作深度2 053 m；需處理的廢漿180 m3，固化量80 m3；完鉆洗井需處理的廢漿1 000 m3，固化量10 m3；該井總計需處理廢泥漿1 400 m3，固化量160 m3。

泥漿固化計算方式：泥漿混合物與除砂器、除泥器、離心機(jī)排出的廢泥漿混合物與沉砂罐沉淀出來的固液相的和。廢液外運(yùn)處理一車3 000元，每車可裝15 m3，折合為200元/m3，工程處理廢液需花費(fèi)28.2萬元、固廢外運(yùn)1.6萬元；按照車次需調(diào)用近110輛架次，人工處理需要3～7 d。外運(yùn)費(fèi)用總計需要30.7萬元。如施工屬地?zé)o相關(guān)接收、處理能力的污水處理廠，則需外運(yùn)至臨近市轄區(qū)處理廠，運(yùn)輸費(fèi)用難以預(yù)計。

5 結(jié)論

與傳統(tǒng)外運(yùn)處理方法相比，泥漿精細(xì)化處理系統(tǒng)在處理廢泥漿方面具有很明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)實(shí)現(xiàn)了廢棄泥漿和鉆屑無害化處理，對于沒有回收利用價值的廢漿液，進(jìn)行凈化無害化處理，有效增加了凈化水的利用率；減少環(huán)境污染的來源，廢漿基本上都是隨鉆處理，縮短處理周期和儲存時間時間，提高整體處理工序的關(guān)聯(lián)性；該處理系統(tǒng)可與原配套固控系統(tǒng)有效銜接，間接地減少額外的設(shè)備及用水，簡化了工藝流程，減少了儲存占地，避免了過度挖掘存儲池和固化填埋池，縮短開鉆籌備時間及后期場地修復(fù)時間；在生態(tài)脆弱地區(qū)生產(chǎn)，泥漿精細(xì)化處理，有效地提高了泥漿的再利用，避免了廢泥漿的滲漏和交叉污染，適應(yīng)了新時代生態(tài)文明建設(shè)綠色鉆探和節(jié)能減排要求。

(2)現(xiàn)階段，這種技術(shù)在國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用，一次性投資高。因此，該技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上是受限于勘探企業(yè)的財務(wù)能力限制，普及化有一定阻力。隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越市場化和規(guī)范化，各行各業(yè)也會發(fā)生相應(yīng)的變化。綠色勘探在中國已經(jīng)起步，綠色勘探作為一個先進(jìn)的概念，在中國已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。泥漿精細(xì)化處理系統(tǒng)可減少工程對環(huán)境的擾動，減少施工過程中“三廢”對環(huán)境的影響，施工后期的生態(tài)恢復(fù)治理。因此，泥漿精細(xì)化處理系統(tǒng)是鉆井行業(yè)的發(fā)展趨勢，相關(guān)企業(yè)不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，形成一套適合自己、有利于國家和行業(yè)發(fā)展的鉆井泥漿處理系統(tǒng)。