新疆油田廢棄水基鉆井泥漿固化處理技術研究

蔣云云，范代娣，賈漢忠，屈撐囤，黃保軍，賈建平

（1.西北大學，陜西西安710069；2.中國科學院新疆理化技術研究所，新疆烏魯木齊830011；3.西安石油大學，陜西西安710065；4.克拉瑪依市三達新技術股份有限公司，新疆克拉瑪依834000）

新疆油田廢棄水基鉆井泥漿固化處理技術研究

蔣云云1，范代娣1，賈漢忠2，屈撐囤3，黃保軍4，賈建平4

（1.西北大學，陜西西安710069；2.中國科學院新疆理化技術研究所，新疆烏魯木齊830011；3.西安石油大學，陜西西安710065；4.克拉瑪依市三達新技術股份有限公司，新疆克拉瑪依834000）

針對新疆油田的水基廢棄鉆井泥漿含有重金屬，石油類，有機物的特點，采用水泥和粉煤灰為固化劑對廢棄泥漿進行固化處理研究。探究了固化劑的配比、固化時間以及添加劑的種類與抗壓強度、浸出液pH及COD的關系。結果表明，當水泥與粉煤灰的質量比從1：7增大到5：4時，固化體的抗壓強度從0.25 MPa增大到1.2 MPa，浸出液pH從11.14升高到12.54。當水泥與粉煤灰的質量比是5：4時，固化時間從7 d延長至35 d，固化體抗壓強度從1.2 MPa增加到3.6 MPa，固化體浸出液的pH從12.54降低到9.87。不同配比固化劑和添加不同添加劑，其浸出液COD值都小于100 mg/L。

廢棄鉆井泥漿；固化；抗壓強度；浸出液

鉆井液是石油工業的血液。在鉆井過程中，為達到安全、快速鉆井的目的，使用了各種類型的鉆井液添加劑，而且隨著鉆井深度增加和難度加大，鉆井液中加入的化學添加劑的種類和數量也越來越多，使得其廢棄物的成分也變得越來越復雜，危害也越來越大［1］。隨著人們生活水平的提高和環保意識的加強，鉆井廢泥漿的無害化處理日益受到關注。近年來，針對廢棄鉆井液的處理，國內外已形成了如坑內填埋、注入安全地層土地耕作、坑內密封、固液分離、回收利用、生物降解和固化等多種處理方法［2］。其中化學固化方法是基于廢泥漿中含有一定數量的固相，加入一定量的固化劑與泥漿發生的一系列復雜的物理、化學反應，生成具有一定強度的穩定的抗水固體，廢泥漿中的有害成分如重金屬、高聚物和油類等封閉包裹于其中，從而降低其濾失性，防止重金屬和高聚物等向環境擴散。固化法具有施工簡單速度快、處理效果好、對環境影響小、經濟等優點，是一種較為理想的無害化處理技術［3，4］。

本實驗采用水泥和粉煤灰為固化劑對廢棄泥漿進行固化處理研究，探究了固化劑的配比、固化時間以及添加劑的種類與抗壓強度、浸出液pH及COD的關系。

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

主要儀器有：掃描電子顯微鏡（SUPRA 55VP），KDB-ⅢCOD微波消解儀，微機控制電子萬能試驗機（MTS）。

主要試劑有：重鉻酸鉀，硫酸亞鐵銨，硫酸銀，硫酸汞。

1.2實驗方法

1.2.1固化實驗稱取100.0 g廢棄鉆井泥漿，依次加入不同量的固化劑，混合均勻，放入30 mm×30 mm× 30 mm模具中，室溫條件下放置7 d脫模［5］。

1.2.2固化體抗壓強度的測定將固化塊的上下平面打磨平整，再將固化塊放在MTS（微機控制電子萬能試驗機）上壓至固化塊出現裂紋并且壓力不再增加即為固化塊所能抵抗的最大壓力。

1.2.3固化體浸出液的制備參照HJ 557-2010《固體廢物浸出毒性浸出方法水平震蕩法》［6］來制備浸出液。稱取固化體100 g，置于1 L的具密封塞廣口聚乙烯瓶中，加入1 000 mL去離子水，靜態浸泡24 h，取上清液來測COD和pH。

2　結果與討論

2.1廢棄水基鉆井泥漿的性質

本實驗用的水基廢棄鉆井泥漿取自新疆油田的鉆探現場。其基本性質（見表1）。

表1　廢棄鉆井泥漿的基本性質

對照《污水綜合排放標準》，水基廢棄鉆井泥漿的COD和色度均有所超標，因此必須對廢棄鉆井泥漿進行處理。

2.2固化劑配比對抗壓強度的影響

取廢棄泥漿為100 g，在其中加入質量分數為30%的固化劑，固化劑質量比對固化塊抗壓強度的影響（見表2）。

表2　固化劑質量比對固化塊抗壓強度的影響

從表2可以看出，在實驗范圍內，固化體的抗壓強度分布在0 MPa～1.5 MPa范圍內，隨著固化劑中水泥比重的增大，固化體的抗壓強度也在逐漸增加，由水泥與粉煤灰質量比的1∶8時的0.25 MPa增大到水泥與粉煤灰質量比的5∶4時的1.2 MPa。這主要是由于隨著水泥與粉煤灰質量比增大，水化反應發生充分，形成的骨架強度高，因此固化后泥漿的強度增強［7］。

圖1　固化強度隨時間的變化規律

2.3固化時間對抗壓強度的影響

實驗條件同3.2，當水泥與粉煤灰的質量比是5∶4時，分別測定了固化7 d～35 d泥漿的固化強度，固化強度隨時間的變化規律（見圖1）。

從圖1可以看出，在0～28 d之內，固化體的抗壓強度從第7 d的1.2 MPa增加到第28 d的3.6 MPa，在28 d以后抗壓強度的增長幅度減緩。粉煤灰里面的某些重金屬如鉻、鋅抑制了水化反應，使固化時間延長［8］。因此選用水泥與粉煤灰質量比的5∶4、固化時間為28 d的樣品進行后續實驗。

2.4固化劑配比對浸出液pH的影響

固化28 d后，改變固化劑比例，固化劑配比對浸出液pH的影響（見表3）。

表3　固化劑配比對浸出液pH的影響

從表3可以看出，水泥與粉煤灰的質量比不同，導致其固化體的浸出液的pH也會不同。隨著固化劑配比中水泥占的百分比的增大，其固化體浸出液的pH也逐漸增大，由水泥與粉煤灰的質量比是1∶8時的11.14增大到水泥與粉煤灰的質量比是5∶4時的12.54。

2.5固化時間對浸出液pH的影響

當水泥與粉煤灰的質量比是5∶4時，分別測定了固化7 d，14 d，21 d，28 d，35 d浸出液的pH，浸出液的pH隨時間變化的規律（見圖2）。

圖2　浸出液的pH與時間關系

從圖2可以看出，固化體的浸出液pH隨著時間逐漸減小，從第7 d的pH為12.54到第35 d的pH為 9.87。這主要是因為空氣中有大量的二氧化碳，隨著時間的延長，空氣中的二氧化碳逐漸進入固化體，從而發生碳酸飽和作用，使固化體浸出液的pH降低［8］。

2.6添加劑的種類對于固化體浸出液pH的影響

在水泥與粉煤灰質量比是3∶6時，分別添加A、B、C、D這4種添加劑各3 g，分別測定了7 d后的固化體浸出液pH，浸出液pH與添加劑的種類的關系（見圖3）。

圖3　添加劑的種類對固化體浸出液pH的影響

從圖3可以看出，隨著添加劑種類的不同，固化體浸出液的pH也不同；當加入A種添加劑后，比都不加時的pH反而高；B、C、D這三種添加劑的加入，比不加時明顯pH都有所降低，且D種添加劑的加入pH降低的幅度最大。

對上述實驗的固化塊浸出液COD進行了測定，其結果（見表4）。

表4　固化塊浸出液COD的測定結果

從表4可以看出，不同配比的固化劑和添加不同添加劑的固化體浸出液的COD值均低于100 mg/L。隨著水泥與粉煤灰的質量比1∶8變化到5∶4，浸出液的COD從39 mg/L增大到55 mg/L，主要是由于粉煤灰的質量分數減少，對有機物的吸附能力降低所致。

2.7泥漿固化前后電鏡分析

將廢棄泥漿從圖4可以看出在相同放大倍數條件下，固化前的泥漿顆粒疏松，顆粒孔徑比較大；固化后泥漿的顆粒比較緊密，顆粒孔徑明顯變小。

固化前后進行電鏡分析，其結果（見圖4）。

圖4　廢棄泥漿固化前后的電鏡分析結果

3　結論

（1）當水泥與粉煤灰的質量比從1∶7增大到5∶4，固化體的抗壓強度從0.25 MPa增大1.2 MPa，固化體浸出液pH從11.14增大到12.54，COD從39 mg/L增大到55 mg/L。

（2）當水泥與粉煤灰的質量比是5∶4、固化28 d時，固化體的抗壓強度達到3.7 MPa。

（3）隨著添加劑種類的不同，固化體浸出液的pH不同，其中D種添加劑加入后浸出液pH降低的幅度最大。

［1］黃鳴宇.廢棄鉆井液固化處理技術研究［D］.大慶：東北石油大學，2011.

［2］李瑞龍.磷石膏與粉煤灰用于鉆井廢泥漿的固化處理的實驗研究［D］.成都：四川大學，2005.

［3］李建山.完鉆井井場混合液固化處理技術研究［D］.成都：西南石油大學，2006.

［4］劉宇程，吳冕，陳明燕.鉆井廢泥漿固化處理技術研究進展與展望［J］.環境科學與技術，2010，33（6E）：535-537.

［5］戰玉柱，高洪閣，張大松.低含油污泥固化處理技術研究［J］.油氣田環境保護，2010，（1）：20-22+61.

［6］HJ 557-201.固體廢物浸出毒性浸出方法-水平震蕩法［S］.

［7］朱清江.高強高性能混凝土的研制及應用［M］.北京：中國建材工業出版社，1999：53－60.

［8］R Malviya，R Chaudhary.Factors affecting hazardous waste solidification/stabilization，A review［J］.Journal of Hazardous Material，2006，（B137）：267-276.

Study on the solidification of Xinjiang waste water-based drilling mud

JIANG Yunyun1，FAN Daidi1，JIA Hanzhong2，QU Chengtun3，HUANG Baojun4，JIA Jianping4
（1.Northwest University，Xi'an Shanxi 710069，China；2.The Xinjiang Technical Institute of Physics&Chemistry CAS，Wulumuqi Xinjiang 830011，China；3.Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China；4.Karamay Sanda New Technology Limited by Share Ltd.，Karamay Xinjiang 834000，China）

Because of the characteristic of water-based drilling fluids include heavy metals，oil and organic contaminants，stabilization/solidification process was studied by portland cement and fly ash.A series of experiment was adopted to investigate the effect of portland cement-to-fly ash ratio，curing time and additive on response variables including unconfined compressive strength（UCS），leachate pH and COD of s/s product.Results show that when the portland cement-to-fly ash ratio increase from 1∶7 to 5∶4，the UCS increase from 0.25 MPa to 1.2 MPa and leachate pH increase from 11.14 to 12.54 respectively，at the porland cementto-fly ash ratio of 5∶4，when the curing time increase from 7 d to 35 d，the UCS increase from 1.2 MPa to 3.6 MPa and the leachate pH decrease from 12.54 to 9.87 respectively.The COD of the different portland cement-to-fly ash and additive are below 100 mg/L.

waste drilling mud；solidification；UCS；leaching fluid

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.024

TE254.2

A

1673-5285（2015）06-0088-04

2015－04-07

2015－04-16

中國科學院“科技之星工程”國家自然科學基金資助項目，項目編號：41301543。

蔣云云，女（1990-），西北大學在讀碩士，研究方向為鉆井廢棄泥漿固化處理。