废弃钻井液固化处理技术研究

王丽，董娅玮，王文科

(1.陕西中圣环境科技发展有限公司，陕西 西安 710054;2.陕西省环境监测中心站，陕西 西安 710054;3.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)

钻井液在油田开采及勘探过程中发挥着举足轻重的作用［1］，它一般被用于平衡地层压力，传递动力，保护井壁以及携带钻屑，是钻井正常作业的重要保证，被誉为“钻井血液”［2］。目前，随着石油工业的迅猛发展，钻井液的消耗量也在逐年激增，而由此产生大规模的废弃钻井液却对油田从业人员产生了极大的困扰。据统计，我国油田每年产生废弃钻井液约1 200 万t［3］。由于钻井液包含污水，污油，高聚物，钻屑，重金属等有害成分，易随雨水及地下水迁移，如果处理不当必然对生态环境造成巨大威胁［4］。

目前，废弃钻井液主要通过回填法处理，即在废泥浆池中沉降，干燥，而后在池中回填表层土［5］。此法由于处理工序简单，成本较低因而被广泛使用，但石油环境研究者通过跟踪研究发现，该方法对地表水以及辐射的土壤会产生不利影响，因此需要慎用［6］。近来，生物处理法得到了极大的发展，其通过微生物降解有害物质，实现钻井液的无害化处理，但处理耗时较长，成本较高［7-10］。固化法基于钻井液中具有一定的固相，通过加入化学固化剂发生复杂的物理化学反应，降低其沥滤性，防止有害成分的迁移扩展［11］。此外，固化产物还可以作为建筑材料使用，因而被认为是一种最实用的钻井液处理手段。

钻井液固化处理技术的关键在于经济性，环保性固化剂的选择和配比，本文以FeCl3对高粘度钻井液进行破胶，以常见低价的粉煤灰、石灰、水泥以及黄土作为固化剂基础原料，探究了上述材料对于钻井液固化作用的影响，以确定最佳固化剂的比例。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

FeCl3，分析纯;废弃钻井液取自长庆油田某油井;粉煤灰、石灰、水泥和黄土自备。

TDL80-2B 台式离心机;JJ-4 电动搅拌器;UV-765 型紫外-可见光光度计;COD-571-1 消解装置;无侧限抗压强度压缩仪。

1.2 钻井液破胶

取100 mL 废弃钻井液于烧杯中，加入0. 6 g FeCl3，充分搅拌，快速搅拌5 min，静置30 min 后，使其迅速均匀地分散。

1.3 钻井液固化

依次向100 mL 破胶后的废弃钻井液中加入一定量的黄土、粉煤灰、石灰和水泥，充分混合均匀，将其装入自制柱状模具内，分3 次进行装样，每次装1/3 后振动2 min 再装，在模中成型。

1.4 固化效果表征

保持温度20 ℃，相对湿度为70%的条件下，养护7 d，进行无侧限抗压强度测定，以抗压强度大小表征固化效果。参照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》GB 5086.2—1997，采用快速消解分光光度法测定固化产物的CODCr以表征有害物质的固结性能。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰用量影响

粉煤灰性质与火山灰相似，是固化过程的重要原料之一，其用量将直接影响固化性能。取100 mL破胶后的废弃钻井液，加入6 g 石灰，5 g 水泥，40 g黄土，改变粉煤灰的用量，测定固化产物7 d 内的抗压强度及浸出液CODCr随粉煤灰用量的变化情况，结果见图1。

图1 粉煤灰用量与抗压强度及CODCr关系Fig.1 The relationship of the amount of fly ash and the compressive strength and CODCr

由图1 可知，粉煤灰用量在50 g 时，固化体的强度最高，抗压强度可达0.489 MPa，在10 ～20 g内，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度随之提升，且粉煤灰含量较少时，抗压强度提升较缓。而当其含量＞20 g 时，强度提升速率则较快。当粉煤灰用量＞50 g 抗压强度则会随着用量的增加而不断减弱。固体浸出液CODCr的变化规律则与抗压强度的变化规律相反，其随着粉煤灰的掺入，先降低再升高。

上述现象的主要原因为粉煤灰中SiO2、Al2O3与石灰、水泥水化生成的Ca(OH)2作用生成水化硅酸钙、水化铝酸钙，使固化产物的抗压强度不断提升。并且，由于良好的固化作用可以实现有害物质的包络，其不易在水环境中迁移流失，因此有害物质的浸出率降低。而当粉煤灰含量掺量过高时，石灰和水泥水化生成的Ca(OH)2有限，水化产物的形成颇受限制，因此多余的粉煤灰只能作为惰性填充物填充于水化产物之间，导致固化产物松散而抗压强度降低，同时也表现为浸出液的CODCr浓度上升，固化效果下降［12］。

2.2 石灰用量影响

石灰能水化生成的Ca(OH)2对激发固化过程具有关键作用，取100 mL 破胶后的废弃钻井液，加入40 g 粉煤灰，5 g 水泥，40 g 黄土，测定固化产物7 d内的抗压强度及浸出液CODCr随石灰用量的变化情况，结果见图2。

图2 石灰用量与抗压强度及CODCr关系Fig.2 The relationship of the lime dosage and compressive strength and CODCr

由图2 可知，石灰对抗压强度与浸出液CODCr影响趋势与粉煤灰相似，此次固化实验过程中，石灰用量约为8 g 时，固化产物的抗压强度最高，其浸出液CODCr也最低，这表明在此用量下固化过程进行得最为彻底，反应所生成的骨架物质数量最多。而当石灰用量继续增加时，由于过量石灰水化生成的Ca(OH)2和硬化所形成的CaCO3会留在固化产物中，从而使得其抗压强度下降，由此而造成的固化产物结构松散同样也会导致浸出液CODCr上升。

2.3 黄土用量影响

由于本文所采用的高粘度废弃钻井液为胶体悬浮状，不易脱水。因此考虑在其中添加黄土，提高固相含量以强化固化效果。取100 mL 破胶后的废弃钻井液，加入40 g 粉煤灰，5 g 水泥，6 g 石灰，测定固化产物7 d 内的抗压强度及浸出液CODCr随黄土用量的变化情况。

图3 黄土用量与抗压强度及CODCr关系Fig.3 The relationship of the amount of loess and its compressive strength and CODCr

由图3 可知，固化过程中若加入黄土以改变其固相含量，再进行后续固化，可以有效地改善废弃钻井液的固化效果。当黄土的用量＜50 g 时，随着黄土用量的增加，固化产物的抗压强度随之增高，其浸出液的CODCr则随之下降。而当其用量＞50 g 时，抗压强度略有降低，浸出液的CODCr略有上升。

出现上述现象的原因是:一方面，黄土中的硅质或铝质在碱性条件下，参与了水化过程而促进骨架物质的形成从而导致抗压强度增大;另一方面则是因为黄土本身较为蓬松，比表面积较大，因此具有良好的有害物质吸附性能，从而使其不易迁移。

而当黄土用量过大时，体系中固相含量过高，自由水分含量过低，都直接影响了复合胶凝固化剂的水化硬化反应，降低其固化体骨架物质的生成，影响最终的固化效果。

2.4 水泥用量影响

在钻井液固化处理过程中，水泥主要用于辅助固化，其用量的多少直接影响固化过程的经济性优劣。取100 mL 破胶后的废弃钻井液，加入40 g 粉煤灰，40 g 黄土，6 g 石灰，测定固化产物7 d 内的抗压强度及浸出液CODCr随水泥用量的变化情况。

图4 水泥用量与抗压强度及CODCr关系Fig.4 The relationship of the cement dosage and compressive strength and CODCr

如图所示，在此次实验条件下，水泥用量的增加会使得固化产物浸出液的CODCr明显降低，最低可达35.5 mg/L，固化产物的抗压强度则随着水泥用量的增加而增加，当水泥用量为15 g 时，固化产物抗压强度可达0.734 MPa。这是由于水泥与废弃钻井液混合后所形成的浆体在空气和水中均能硬化，这使得固化过程中其能保持已有形貌并提升强度，从而将有害物质有效地固结在固化产物中。

然而，水泥在水化过程中会生成OH－，其用量过大时会使得固化产物浸出液的pH 明显升高，不能满足相关水体的排放要求。此外，从经济性方面考虑，水泥用量越少越能体现方法的经济性。由于在水泥加量为5 g 时，各项指标均符合相关要求，此时，固化产物的强度比土壤的强度稍高，故选择5 g的水泥用量为适宜用量。

3 结论

本文采用粉煤灰、石灰、水泥以及黄土作为固化剂的主要原料，将其用于FeCl3破胶后废弃钻井液的固化处理，探究了各种原料用量及配比对废弃钻井液固化处理效果的影响。固化剂原料用量的改变均会导致抗压强度及CODCr的改变，从而影响固化效果。

固化剂的最佳配比为50 g粉煤灰，8 g 石灰，50 g黄土，5 g 水泥。固化产物7 d 抗压强度最高可达0.734 MPa，固化产物浸出液CODCr最低35.5 mg/L，固化产物具有一定的抗压强度，可以作为建筑材料加以回收利用。此外，又很好地实现了污染物的有效固结，消除了废弃钻井液的环境危害性威胁。

［1］ 王蓉沙，周建东，刘光全. 钻井废弃物处理技术［M］.北京:石油工业出版社，2001.

［2］ Jin Xuezhi. Research of universal fluid cementing technique［J］.Tianranqi Gongye/Natural Gas Industry，1998，18(3):52-53.

［3］ 王学川，胡艳鑫，郑书杰，等. 国内外废弃钻井液处理技术研究现状［J］. 陕西科技大学学报，2010，28(6):196-198.

［4］ 董仕明，王平全，陈志勇，等. 油气田钻井废弃泥浆处理技术［J］.天然气工业，2008，28(2):87-89.

［5］ 董娅玮，王文科，杨胜科，等. 黄土地区石油钻井废弃泥浆处置对策研究［J］. 环境工程学报，2009，3(9):1673-1675.

［6］ 蔡利山，刘四海，郭才轩.石油钻井环境保护技术综述［J］.西部探矿工程，2002(3):132-134.

［7］ Dong Zhiyong，Huang Wenhui，Xing Dingfeng，et al. Remediation of soil CCR contaminated with petroleum and heavy metals by the integration of electrokinetics and biostimulation［J］.Journal of Hazardous Materials，2013，260(9):399-408.

［8］ Cerqueira V S，Hollenbach E B，Masonf，et al.Biodegradation potential of oily sludge by pure and mixed bacterial cultures［J］. Bioresource Technology，2011，102(23):11003-11010.

［9］ 关月明，张忠智，张卫术，等. 生物地耕法降解含油污泥的研究［J］. 石油化工高等学校学报，2010，23(4):44-47.

［10］Tang Jingchun，Lu Xueqiang，Sun Qing，et al.Aging effect of petroleum hydrocarbons in soil under different attenuation conditions［J］. Agriculture Ecosystems ＆ Environment，2012，149(3):109-117.

［11］奉明，王兵，张鹏飞，等. 低密度深井钻井废弃泥浆固化技术研究［J］.广州化工，2009，37(2):128-130.

［12］付毅. 粉煤灰快速固化原理与应用研究［J］. 有色金属，2000，52(3):1821.