盐矿钻井废弃泥浆无害化处理技术及工程应用研究

陈原野, 陈迪夫, 陈孝兵, 陈文军,刘晓玲,张 可,罗鸿兵,

(1.四川农业大学环境学院，成都 611130；2.四川省绵阳市南山中学，四川 绵阳 621000； 3.四川省煤田地质工程勘察设计研究院，成都 610072；4.四川水利职业技术学院，四川 崇州 611231；5.四川农业大学土木工程学院，四川 都江堰 611830)

1 引 言

钻井泥浆在钻井过程中起着平衡钻孔内压力、冷却钻头、携带钻屑返到地面等作用，在钻井泥浆反复循环使用过程中与地层岩屑形成一种极其复杂混合多相体系，这些废弃泥浆不进行无害化处理，对环境存在潜在的污染和毒性危害[1]。近些年，随着我国经济的发展，废弃钻井泥浆对土壤环境的污染防治和土壤修复关系到百姓民生，因此发展绿色循环经济已成为可持续发展的关键[2]。

目前国内外有众多的泥浆处理方法[3]，包括：简单处理后直接排放、泥浆转水泥浆(MTC)技术、固化处理、异地集中处理等主要技术，它们各有优缺点，但我国主要遵循无害化处理原则[4～6]，即：(1)适应我国国情，处理成本低、工艺简单实用、处理效果好的工艺和技术；(2)满足野外现场作业要求；(3)对毒性最大分散型泥浆，必须进行无害化处理，而对不分散泥浆有条件也可进行处理；(4)建立完善的处置和评价监测结果记录。由于废弃泥浆量比较大，应进一步研究废弃泥浆固化、固液分离和再利用技术等，可将处理后的泥浆用于壁后填充固井及制砖等，扩大应用范围[7]。对于盐矿，其钻井废弃泥浆处理同样是难度较大的，本文将探讨固化处理法处理盐矿钻井废弃泥浆，以保护和提高当地环境。

2 广安市大安镇处理工艺设计

2.1 泥浆特性

大安镇是位于广安市广安区东北部的一个乡镇，该镇有1个盐矿钻废水井点，总体积约为2 571m3，其中污泥现存量771m3，占比30%。具体大安镇盐矿污染调查结果如表1。

表1 广安市大安盐矿污染调查情况Tab.1 Investigation on the pollution of Daan salt mine

钻探泥浆主要成分为：羧甲基纤维素钠(CMC)、璜化褐煤SMC(腐植酸钾)、盐、泥浆和澎润土等，泥浆呈碱性，pH=8。

经过污染测试分析，盐矿钻井的泥浆含水率极高，其体积含水率为46.79%，质量含水率为18.38%。密度为2 077.7kg/m3；颜色为褐色，表面有油污，味道难闻。

2.2 处理工艺设计

根据现场情况、泥浆属性和成功案例，设计了广安市大安镇盐矿钻井废弃泥浆的处理工艺，见图1。

图1 盐矿钻井废弃泥浆处理工艺设计Fig.2 Design of waste mud treatment process for salt mine drilling

主要处理工艺包括预处理、固化小试、固化施工准备、无害化处理施工、退场等环节，其中，破胶处理是基础。还要参考《四川油气田钻井废弃物无害化处理技术规范》(Q/SY XN076-2007)，进行钻井废弃污泥的无害化处理。

3 工程处理结果

3.1 破胶处理

钻井废弃液破胶处理工艺是先通过加水稀释废弃泥浆，然后搅拌均匀，加入破胶剂(通常包括硫酸铁、聚合硫酸铁、氯化铝、氯化铁、聚合氯化铁、硫酸铝等)，在加入一定的辅助剂(采用阳离子型聚丙烯酰胺)(分子量1 500万)。

破胶剂根据现场实际情况配置，在钻井泥浆回收处理服务中心用砖和水泥砌成一个容积40m3的配药池(L×B×H=8m×5m×1m)，另配一台流量约为耐腐蚀30cm3/h的潜水泵和DN50的软塑料管，专用于配制破胶剂，可以利用现场处理污水的混凝池和Fenton氧化池作为破胶剂药池。用挖掘机将井场内的混合物充分搅拌，并进行初步平整。将准备好的破胶剂溶液沿污水坑表面均匀的加入，使其尽量在整个排污坑表面均匀分布，然后用挖掘机充分搅拌，搅拌时间约2～3h。搅拌均匀后会发现出现固液分离现象，分离出的上层液体清亮透明，带微黄色。将不同破胶剂处理后进行固液分离，分析上清液COD，pH和过滤色度，以筛选出较为高效的破胶剂。

泥浆的基本理化性质如表2。

表2 泥浆样品的基本理化性质Tab.2 Basic physicochemical properties of drilling waste mud

在实验室中进行实验筛选，分别利用氯化铁(FeCl3)(200g/L)、聚合氯化铝铁(PFAC)(200g/L)、聚合氯化铝( PAC)(200g/L)、硫酸铝(Al2(SO4)3)(200g/L)进行破胶实验，实验结果见图2、图3、表3和图4。

图2 4种破胶剂不同投加量下对COD降解的影响Fig.2 Effects of four gel breakers with different dosage on COD degradation

从COD变化趋势可以看出，FeCl3、Al2(SO4)3的COD出水起伏大、不稳定，而PAC虽稳定，但COD的降解不显著，PFAC的COD降解表现稳定，且随着药量的增加出水COD先降后升，说明PFAC拥有一个最佳投加点的存在。

图3 4种破胶剂不同投加量下对pH降解的影响Fig.3 Effect of four gel breakers with different dosage on pH changes

从pH方面看，4种破胶剂的变换趋势较为平缓，在加大投放量后，处于稳中有降的状态，并无显著差异，而最佳破胶剂的选择是在pH=7附近时，达到最佳降解效果，这里FeCl3、PFAC均满足其条件。

表3 破胶后水样颜色Tab.3 Color of the water sample after gel breaking

由表3可知，滤液颜色由深逐渐变浅，脱色效果明显。当破胶剂(Al2(SO4)3除外)投加浓度达到6g/L时，滤液呈无色，而Al2(SO4)3投加浓度为18g/L时滤液才稳定呈无色。

图4 4种破胶剂不同投加量下电导率和总溶解性固体的变化Fig.4 Variationof conductivity (Cond) and total dissolved solid (TDS)under different dosage of four kinds of gel breakers

由上可知，4种破胶剂出水的总溶解性固体物质和电导率的变化趋势相同，且溶解性固体物质均处于正常范围内。

综合以上分析，各破胶剂的投加量与其处理效果密切相关，选取最佳破胶剂的条件为满足COD降解率高，pH=7附近，出水澄清。投加量较少时，破胶作用效果很不明显，4种破胶剂的pH相近，对COD的降解均不明显，且过滤后水体均为棕色。随着4种破胶剂投加量的加大，满足所有条件的最佳破胶剂为PFAC，最佳投加量是18g/L，此时达到最佳出水效果，且该材料市面价格较为便宜为3.5元/kg。

3.2 固化处理

完成破胶后，搅拌均匀后出现固液分离现象，分离出上清液。然后用挖掘机将当地的黄土均匀地加到排污坑中并充分搅拌，搅拌时间大约3～5h。固化处理结束后，在候凝2～3d后，对固化池内部进行防渗透处理，渗透系数小于1.0×10-7cm/s，参照GB18599-2001执行；在候凝5～8d，按“米”字型取样法则对固化物进行取样，按相关标准测定其有害物浸出量，包括pH值、色度、化学耗氧量、总铬、总福、总砷、总铅含量和含油量等，确认达到国家工业污水排放一级标准以上，避免后续造成二次污染。

3.3 无害化处理

固化处理完成后，将钻井废泥浆密度较高的转运回收利用，对不能再利用的废泥浆，与钻井岩屑一起，根据《四川油气田钻井废弃物无害化处理技术规范(Q/SY XN076-2007)》及中国石化《中石化川东北地区天然气勘探开发环境保护规范》(Q/SH 0099.1-2007)的有关要求进行无害化处理，处理完毕后把废泥浆池四周高出地面的砖打掉运走，向固化后的废泥浆池回填种植土，每500～800mm深度使进行一次夯实，直至与地面相齐，最后进行覆土，覆土厚度不得低于300mm，覆土区进行绿化。

4 讨 论

4.1 破胶剂的选择

破胶是固化处理的关键一环，罗伟等[8]指出根据钻井泥浆破胶剂的选择方向是阳离子型强电解质，且从经济和取材的方面考虑，要选择便宜且易购买的。因此此次选择对FeCl3、PFAC、PAC、Al2(SO4)34种破胶剂进行实验室筛选，主要从COD、PH和出水浊度3方面综合评价，PFACCOD降解效率较高，且拥有最佳投加量，过滤后液体呈透明，分离效果好，而其它3种破胶剂的COD降解量不明显，也无最佳投加点出现。本实验中PFAC的破胶效果，与董娅玮[9]在研究废弃钻进泥浆时的结论一致，也与郑帼等人[10]研究的化学脱稳技术中破胶结果相似。此外，一个好的工艺必须满足处理试剂对设备无强烈腐蚀作用[11]，以最接近中性最佳，而本案例PFAC在pH=7.12的中性条件下效果较好。综合考虑，大安镇钻井泥浆的破胶剂选用PFAC。

4.2 固化法工艺的选取

根据大安镇的泥浆性质，本次广安市大安镇盐矿钻井污泥的处理采用了固化泥浆的工艺。固化法是向废弃泥浆中加入具有固结性能固化剂，使其转化为固化体，固结其有害成分，它是MTC的简化，是让人能广而接受且发展越来越快的方法[12]对比同时期的方法，于真真等[13]人提到，土地耕作法对土壤性质、废弃钻井泥浆有严格要求，废弃泥浆中的处理剂为无毒、低毒，且重金属离子含量很少，可生物降解，土壤有一定容纳有害物质和自净化能力。在中国石油西部钻探公司的孙琳、姚昌顺等[14]提到了填埋法，这种方法简单快捷，且成本低，但只能选取可以填埋的土地对废弃泥浆进行处理。李斌[15]在研究钻井泥浆提到，脱稳干化处理法是向废弃泥浆，直接存于防渗密封的储存池进行自然干化处理，但占地面积大，受气候的影响较大。根据目前方法的优缺点，再结合处理和后续无害化处理的特点，最好的选择为固化法，虽然当前仍存在一些不足，但是能达到一个成本和效果更好的平衡。

4.3 无害化处理方案的选择

以前无害化处理主要有二种方式，第一种为井钻探修建泥浆池，钻探阶段完工或全部完工后进行整体固化，这种方式对周围影响大，难以根本无害化，费用大周期长；而第二种方式则不修筑泥浆池，统一收集后，进行集中固化处理集中掩埋，这种方式费用更高，且排放后对环境影响作用高，固化物未能无害化[16]。随钻不落地技术是变“末端治理”为“全过程控制”，将废弃泥浆经过稀释—絮凝—分离成岩屑、泥饼和水3部分，对泥浆中的固体物通过水洗、絮凝分离和化学反应处理，使岩屑和泥饼达到排放标准。离出来的污水可再次用来稀释泥浆或进入污水处理装置进行处理，处理后的污水经过滤吸附后排放[17]。目前随着国家对土地和环境的进一步重视，现在很难再用挖坑筑坝这种传统方式来实施了，而用废弃泥浆的无害化和资源化技术，能够有效的实现固液分离，被分离的泥饼还可以进行资源化的利用，技术稳定而成熟，工艺完善[18]。无害化处理工艺在未来大量的运用也是被国家重视，付亚荣等人[19]研究表明该工艺可去除泥浆中的有害固相，能保留住钻井液的有用成分，进行下一次泥浆处理液重新配置时可循环利用；减少固废的产生。本次无害化处理方案根据《四川油气田钻井废弃物无害化处理技术规范(Q/SY XN076-2007)》进行最终的无害化处理。因此在最终的处理上，选择固废产生少且可以进行再利用的绿色技术，为当下社会要求，也是经济发展的必然要求。

5 结 论

通过对广安市大安镇盐矿钻井污泥的处理，得到以下结论：

5.1 对盐矿泥浆在破胶、固化、无害化等一系列处理后，对固化上清液进行达标排放；固化的污泥覆土填埋，并种植植物进行盐矿井生态修复；整个工艺成功进行了无害化处理。

5.2 对市面上常见的4种破胶剂进行实验后，发现FPAC是最佳破胶剂。该破胶剂的最佳投加浓度为18g/L，在该投加量下，COD降解率为99.41%，pH=7.12。此外FPAC还具有最佳投加点低和市场价格低两大优势。

5.3 对比当前主流的泥浆工艺，固化法是一种较为成熟和无害化有效的方法，且适用范围广泛，更能有效平衡效益与经济，因此选为本方案的泥浆处理方法。

5.4 本次整个工艺因地制宜，紧跟国家要求，符合无害化原则，对泥浆的无害化和资源化较为成功。但该工艺存在对固化法工艺进一步改进的前景，使无害化、资源化做的更彻底。

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