鉆井廢泥漿絮凝脫水固化處理研究

陳曦，郭麗梅，喻可喆，武首香

1.天津現代職業技術學院，天津 300350 2.天津科技大學化工與材料學院，天津 300457

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鉆井廢泥漿絮凝脫水固化處理研究

陳曦1，郭麗梅2*，喻可喆2，武首香1

1.天津現代職業技術學院，天津 300350 2.天津科技大學化工與材料學院，天津 300457

以海上油田水基鉆井廢泥漿為試驗對象，采用化學固液分離法，加入不同絮凝劑脫水，并用水泥作為固化劑對脫水后的泥餅進行固化處理制成建筑材料。結果表明：鉆井廢泥漿經稀釋后才能實現固液分離。當鉆井廢泥漿稀釋比為4.00時，加入150 mg/kg陰離子絮凝劑A1920PAM，處理后鉆井廢泥漿泥餅含水率最低降至35.33%；水泥固化塊中鉆井廢泥漿泥餅最佳加入比為25%，此時既能滿足大部分建筑材料強度要求，又能大量固化鉆井廢泥漿；對水泥固化后的材料用水浸泡測定浸出液中主要污染物，結果顯示，浸出液中CODCr、重金屬等污染物浸出量均低于GB 8978—1996《污水綜合排放標準》一級標準。

鉆井廢泥漿；固液分離；絮凝；建筑材料

在石油與天然氣開采過程中會產生大量的鉆井廢泥漿。近年來由于石油鉆探工作量的加大，鉆井深度的增加，鉆井周期的延長及三磺泥漿的大量使用，使廢泥漿中污染物的濃度越來越高[1-4]。在鉆井過程中使用的鉆井液多達上百種，導致鉆井廢泥漿成分復雜且十分穩定，其中含有各種復雜的石油類(PHCs，0.5%～3%)、水(80%～99%)、重金屬和礦物(0.2%～7%)等[5-6]，如不及時處理，會對環境和人類健康產生嚴重危害。目前，國內外針對鉆井廢泥漿的無害化處理已進行了大量研究，其中固化處理法因其工藝簡單、操作便捷、處理效率高、對環境影響小的優點成為較理想的無害化處理技術。常用的固化處理法有固化填埋或固化成建筑材料等，前者需考慮浸出液的影響，后者需考慮廢泥漿固化后含水率的影響，含水率高則固化周期長且耗能大。因此，在對鉆井廢泥漿無害化處理前，先對其進行脫水，以利于其后續的固化處理[7]。

筆者以中國海洋石油總公司某海上油田鉆井廢泥漿為研究對象，選取高分子絮凝劑對鉆井廢泥漿進行脫水降低鉆井廢泥漿的含水率，同時鉆井廢泥漿中脫出的水還可作為稀釋水進行循環利用；進而采用水泥對鉆井廢泥漿進行固化處理，以達到無害化處理鉆井廢泥漿的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗所用藥劑及所用儀器見表1和表2。

表1 試驗所用藥劑

1.2 試驗方法

樣品取自中國海洋石油總公司某海上鉆井平臺廢泥漿池，塑料桶密封保存。

1.2.1 鉆井廢泥漿組分分析

采用重量法測定含水率；煅燒法(600 ℃)測定無機礦物含量；以脫芳烴石油醚(60～90 ℃餾分)為萃取劑，索氏抽提器提取泥漿樣品中的原油6 h，紫外分光光度計測定泥漿中的含油率。

1.2.2 鉆井廢泥漿脫水處理

取一定量鉆井廢泥漿于500 mL燒杯中加水稀釋，充分攪拌后加入一定量的高分子絮凝劑，用中速定性濾紙真空抽濾，將濾后泥餅放入烘箱(105 ℃)中干燥，計算泥餅含水率，每組3個平行樣取平均值，泥餅含水率低的為最佳稀釋倍數。對照為未稀釋鉆井廢泥漿。

表2 試驗所用儀器

1.2.3 鉆井廢泥漿固化處理

將烘干后的鉆井廢泥漿泥餅與普通硅酸鹽水泥按一定比例混合，加水經恒速攪拌器攪拌制備水泥漿。將水泥漿倒入自制抗壓模具進行水浴養護24 h后，于抗壓強度試驗儀上進行壓力測試，計算出固化水泥塊抗壓強度，計算公式如下：

Ra=P/A

式中：Ra為抗壓強度，MPa；P為極限荷載，N；A為受壓面積，mm2。

1.2.4 水泥固化塊浸泡試驗

采用HJ 557—2010《固體廢物浸出毒性浸出方法 水平振蕩法》[8]制備固化塊浸出液，并對浸出液中CODCr、Cd、Pb、Cu、Zn等指標進行測定[9]。

將水泥固化塊粉碎后過3 mm篩網，備用。取篩后樣品100 g，置于2 L提取瓶中，向提取瓶中加入1 L蒸餾水，蓋緊瓶蓋固定在水平振蕩裝置上，以(110±10)次/min、40 mm的振幅在室溫下振蕩8 h，靜置16 h。取上清液測定各指標。

2 結果與討論

2.1 鉆井廢泥漿基本成分

經測定鉆井廢泥漿的原始含水率為71.00%，含無機礦物為23.56%，含油率為5.16%。

2.2 稀釋比對固液分離效果的影響

用自來水或鉆井廢泥漿絮凝脫出水按水與鉆井廢泥漿稀釋比為2.50、2.85和4.00進行稀釋，并以原始鉆井廢泥漿(不加水)為對照，各溶液中分別加入150 mg/kg的陰離子聚丙烯酰胺乳液(A1920PAM)，同時攪拌，考察稀釋比對絮凝處理的初步效果，結果見表3。

表3 不同稀釋比鉆井廢泥漿的絮凝效果

由表3可知，原始鉆井廢泥漿絮體很小，無法成型；稀釋比為4.00時，用A1920PAM絮凝劑處理污泥的絮凝效果較好。由于鉆井廢泥漿中含有大量膨潤土和添加劑，具有較高的黏度，流動性差，乳化嚴重，導致泥漿中固液分離困難[10]，因此在固化處理前，應先加水稀釋預處理，降低鉆井廢泥漿的表觀黏度及泥漿的密度。污泥稀釋后，加大了污泥顆粒間的距離，減少了形成網狀結構的可能性，使大量固相的巖屑等通過自然沉降分離出來[11-12]。

2.3 高分子絮凝劑篩選及最佳用量

選取稀釋比為4.00，按1.2.2節方法分別加入陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)、陰離子聚丙烯酰胺(APAM1、APAM2、APAM3、APAM4及A1920PAM)，以泥餅含水率為評價指標，考察不同絮凝劑及其投加量對絮凝效果的影響，結果見圖1。

圖1 不同高分子絮凝劑投加量對泥餅含水率的影響Fig.1 The effects of different polymer flocculant added amount on water content of fluid cake

通常，CPAM絮凝劑主要通過電中和、壓縮雙電層、吸附架橋等發揮作用[13]。從圖1可以看出，CPAM對該鉆井廢泥漿并沒有絮凝脫穩作用，其可能是由于鉆井廢泥漿中含有大量的磺酸鹽添加劑，與CPAM發生電荷中和形成離子對[14]，削弱了絮凝功能；加入APAM后，污泥脫穩產生絮體，絮體翻卷形成絮團并沉降。隨著陰離子絮凝劑投加量的增加，泥餅含水率呈先降低后增加的趨勢。且在投加量相同的情況下，分子量大的陰離子絮凝劑形成泥餅的含水率低，說明絮凝劑分子量越大，分子鏈越長，分子鏈對污泥顆粒的吸附架橋作用更加顯著。由圖1可知，當A1920PAM絮凝劑投加量為150 mgkg時，泥餅的含水率為35.33%，絮凝效果較好。

2.4 鉆井廢泥漿固化處理

脫水后的泥餅中含有石油和有機添加劑，其攜帶的巖屑中可能含一定量重金屬等污染物，若隨意丟棄會對環境造成極大的污染[15-16]。如對脫水后的泥餅進行水泥固化處理，制成建筑材料，既不污染環境又能變廢為寶。水泥固化原理是通過水與硅酸鹽反應生成硅酸鈣水合膠，待硅酸鈣凝固后形成含氫氧化物和硅酸纖維的物體，將鉆井廢泥漿包容，并逐步硬化形成水泥固化體。水泥固化具有如下優點：處理技術相對成熟，設備與工藝簡單；鉆井廢泥漿可直接處理；成本較低；對鉆井廢泥漿中化學性質的變動具有承受力[17]。當水與普通硅酸鹽水泥質量比例為0.44∶1[18]時，在水泥中加入不同比例的泥餅，研究其對固化塊抗壓強度的影響，結果見圖2。

圖2 鉆井廢泥漿泥餅加入對固化塊抗壓強度的影響Fig.2 The effects of different content for fluid cake of waste drilling fluid on compressive strength of cement

鉆井廢泥漿固化塊的強度與其孔隙度呈負相關關系，孔隙量越大則固化塊強度越小。若孔隙量相同時，固化塊中孔徑越大，強度越小。由于鉆井廢泥漿顆粒間含有孔隙水，導致固化塊漿體存在孔隙水，從而使固化塊強度降低[19-20]。隨著泥餅含量的增加，固化塊抗壓能力逐漸下降，根據固化塊的抗壓強度可知，固化塊可以滿足多種建筑材料的抗壓強度要求，如GB 50003—2001《砌體結構設計規范》要求墻體材料抗壓強度為不小于15 MPa，路基基層設計抗壓強度不小于3.5 MPa。由圖2可以看出，泥餅加入量低于27%均可以滿足建筑材料抗壓要求，考慮以最大限度利用泥餅為目的，當泥餅加入量為27%時，雖然抗壓強度仍可滿足要求，但由于泥餅中含有大量黏土，水泥漿攪拌時稠化時間短，均質性差，無法滿足施工要求，因此，選擇固化塊鉆井廢泥漿泥餅加入量為25%作為較佳建筑材料。

2.5 固化塊浸出試驗

對固化塊浸出液中的CODCr和重金屬Cd、Pb、Cu、Zn濃度隨時間的變化進行測定，結果如圖3和表4所示。

圖3 CODCr隨時間的變化Fig.3 The change curve of CODCr with immersion time

由圖3可知，水泥固化塊浸出液中的CODCr均低于GB 8978—1996《污水綜合排放標準》一級標準，且隨著水泥固化塊浸泡時間的延長，浸出液中的CODCr較為穩定。說明鉆井廢泥漿經水泥漿固化處理后，能有效控制鉆井廢泥漿CODCr的浸出量。

由表4可知，重金屬Cd、Pb、Cu、Zn浸出濃度遠低于GB 8978—1996一級標準，且隨著浸泡時間的延長，重金屬浸出濃度上升幅度極小，到第8周時基本趨于穩定。綜上所述，水泥漿固化能有效地降低鉆井廢泥漿泥餅對環境的污染，同時達到固體廢物重新利用的目的。

表4 重金屬浸出濃度隨時間的變化

Table 4 The changes of heavy metals with immersion time mgL

表4 重金屬浸出濃度隨時間的變化

浸泡時間∕dCdPbCuZn原始泥餅0.83001.26002.85003.620010.00120.00740.09360.597070.00130.00690.09510.5875140.00120.00790.09900.6177210.00150.00890.10560.6398280.00160.00940.10600.6430350.00170.00950.10620.6434560.00170.00950.10630.6436GB8978—1996《污水綜合排放標準》一級標準0.11.00.52.0

3 結論

(1)在鉆井廢泥漿中直接加入絮凝劑無法實現脫穩絮凝脫水，因此需對鉆井廢泥漿進行稀釋預處理，當稀釋比為4.00時泥餅含水率較低。

(2)陽離子聚丙烯酰胺(CAPM)不適用于該體系脫穩絮凝；陰離子聚丙烯酰胺(APAM)中陰離子聚丙烯酰胺乳液(A1920PAM)絮凝效果較好，當A1920PAM投加量為150 mg/kg時，泥餅含水率最低，為35.33%。

(3)固化塊中鉆井廢泥漿泥餅加入量最佳比例為25%，既可滿足大部分建筑材料強度要求，又能大量固化鉆井廢泥漿。

(4)水泥固化塊中CODCr、Cd、Pb、Cu、Zn等污染物浸出濃度均低于《污水綜合排放標準》一級標準，可實現對鉆井廢泥漿無害化處理。

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Study on solidification treatment for waste drilling fluid of flocculant dehydration

CHEN Xi1, GUO Limei2, YU Kezhe2, WU Shouxiang1

1.Tianjin Modern Vocational Technology College, Tianjin 300350, China 2.College of Chemical Engineering and Materials Science, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457, China

Dehydration of waste drilling fluid from an offshore oil field was studied by adding different flocculants. Then the mud cake was mixed with cement by solidification process and made into building materials. The experimental results show that the solid-liquid separation of the waste drilling fluid can only be achieved by dilute of the fluid. The waste drilling fluid was diluted by 4 times and disposed by adding anionic flocculant A1920PAM at a dosage of 150 mgkg, and the residual moisture content of the fluid can be reduced to as low as 35.33% after vacuum filtration. The optimal proportion of waste drilling fluid in solidified block was 25%, because the strength conditions of most building materials were satisfied and more waste drilling fluid could be solidified. After the immersion test of the solidified materials, it shows that the leaching efficiency for CODCrand heavy metals is below the national discharge standard.

waste drilling fluid; solid-liquid separation; flocculant; building materials

2016-12-30

國家科技重大專項(2011ZX05013)

陳曦(1984—)，女，講師，碩士，主要從事固體廢物處理與資源化利用研究工作，chenxi_xiandai@163.com

*通信作者：郭麗梅(1961—)，女，教授，主要從事油田化學品的合成及油田水處理研究工作，glmei@tust.edu.cn

X74

1674-991X(2017)04-0495-05

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.04.068

陳曦，郭麗梅，喻可喆,等.鉆井廢泥漿絮凝脫水固化處理研究[J].環境工程技術學報,2017,7(4):495-499.

CHEN X, GUO L M, YU K Z, et al.Study on solidification treatment for waste drilling fluid of flocculant dehydration[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(4):495-499.