水基鉆完井廢棄物固化處理技術研究

馬文杰，岳明，王凱，李小龍，李鳳娟，曹智鵬

（1.中海石油環保服務(天津）有限公司，天津 300452；2.中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司，天津 300452；3.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

在石油天然氣勘探開采過程中，不可避免的會產生大量會嚴重危害環境的污染物。石油企業為達到安全、快速鉆完井的目的使用水基鉆完井添加劑，產生了大量的水基鉆完井廢棄物，其成分非常復雜，主要是黏土，各種化學處理劑等形成的穩定態膠體懸浮體系。水基鉆完井廢棄物危險環境的主要成分有鹽類，高分子量有機化合物，木質素磺酸鹽，重金屬離子、重晶石中的雜質等，一旦外排到自然環境中，有對生態環境造成污染。近年來，隨著我國石油工業的迅速發展，加強水基鉆完井廢棄物處理技術研究，探尋更加科學、合理的處理技術，是油田生產中面臨的嚴峻問題。

1 水基鉆完井廢棄物處理的現狀

隨著國內環保意識的日益增強，對水基鉆完井廢棄物的處理技術的要求也越來越高。目前水基鉆完井廢棄物的處理技術主要有直接排放法、回注法、填埋法、化學強化分離法、耕種法、MTC 處理法、生物講解法、固化法等[1]，各處理方法的適用性和優缺點對比見表1。

表1 各類水基鉆完井廢棄物處理方法的優缺點比較

2 水基鉆完井廢棄物固化技術

固化法是向脫水之后的水基鉆完井廢棄物中加入固化劑，與水基鉆完井廢棄物發生一系列復雜的物理、化學變化，將高聚物、重金屬等有害物質封閉、包裹在其中，從而降低其瀝濾性，防止高聚物、重金屬等向環境擴散和遷移的一種處理水基鉆完井廢棄物的方法。這種方法能有效地避免水基鉆完井廢棄物中的金屬離子和有機物對土壤的侵蝕，從而減少其對環境的危害[2]。

固化法是一種比較可靠的處理水基鉆完井廢棄物的方法，在現場已經開展了較多應用研究。不同的固化技術有其自身的不同優點，按照所用固化劑種類和固化過程的不同[3]，將處理水基鉆完井廢棄物的固化技術大致分為以下幾種：

2.1 粉煤灰固化

粉煤灰固化是把粉煤灰用作鉆完井廢棄物的固化材料，將其固結成具有耐久性和一定強度的固化體的工藝技術。粉煤灰中SiO2，Al2O3等雜質成分，受水基鉆完井廢棄物里堿性物質或者石膏的硫酸鹽激發，會使鉆完井廢棄物硬化，進而將其中的有害物質固化起來。粉煤灰固化技術由于操作簡單，原材料來源廣，處理費用低[4]，在處理中不會產生有害氣體危害人體健康，因此被廣泛應用。

2.2 水泥固化法

水泥固化以水泥作為主要固化原料，工藝簡單而且操作方便、生產材料來源豐富、投入成本小，是目前比較成熟的一種固化處理方法。當水泥與水以及鉆完井廢棄物混合時，水泥會產生硬化效應。水基鉆完井廢棄物中的有害物質會在固體中凝固，隨著時間的增加，水泥將變得越來越堅硬。潘寶風等[5]在分析了水基鉆完井廢棄物化學組成的基礎上，開發出了由硅酸鹽水泥、頁巖、高鋁水泥組成的固化劑，并對固化物的性能進行了研究。

2.3 瀝青固化法

瀝青固化法是將鉆完井廢棄物與瀝青在一定的溫度、配料比、堿度下進行混合，產生皂化反應而形成固化體。雖然瀝青固化形成的固化體密度較高，但此方法施工作業難度系數較大，而且存在瀝青被生物降解而造成污染物的滲漏的風險。

2.4 玻璃固化法

玻璃固化法是以玻璃作為主要固化劑，以無機鹽類作為輔助劑，將鉆完井廢棄物與玻璃質相結合，按一定的配料比進行中和與縮合脫水反應，形成水玻璃固化體，達到固化處理效果[6]。此種處理方式得到的固化體具有較高的持久度，耐酸性強，抗透水性好，減量效果好，但目前此方法還處于試驗摸索階段。

2.5 免燒磚固化技術

水基鉆完井廢棄物制備免燒磚固化技術是將廢棄物中加入沙、粗骨料、碎石等加固原料和膠黏劑，在高壓作用下，通過一定的物理、化學作用，形成高強度整體，進而被作為免燒磚進行資源化利用。免燒磚制備具體流程[7]見圖1。

圖1 免燒磚制備工藝流程圖

根據《固體廢物鑒別標準通則(GB 34330- 2017)》，通則5.2 a)中明確“利用固體廢物生產的產物同時符合國家、地方制定或行業通行的被替代原料生產的產品質量標準時，不作為固體廢物管理，按照相應的產品管理。將水基鉆完井廢棄物進行資源化利用制成相應產品，符合國家相關規定。制備出免燒磚符合相關行業標準后，可供企業用于廠區道路鋪設、井場圍墻修建，從而降低企業場地的建設成本。

免燒磚具有外觀古樸自然、抗壓強度高、不怕水、抗風化、抗凍融、耐腐蝕、無須燒結的特點[6]。但是免燒磚養護期較長，通常需要養護28 天以上，養護時間還收養護期間的天氣的制約。

3 影響固化處理效果的因素

盡管國內外對水基鉆完井廢棄物處理進行了大量的室內和現場試驗，但目前的實踐還存在很多問題。隨著油田開采難度的不斷增加，水基鉆完井廢棄物的成分越來越復雜，處理的難度也越來越大。首先，固化劑的篩選就是制約固化效果的第一要素。不同油田使用的鉆井液體系不同，不產生的鉆完井廢棄物成分也不一樣，即使是同一區域，不同井深的廢棄物中所含污染物的數量和種類也會有所差異，因此需要針進行大量的篩選和配比實驗來選擇合適的固化劑。

除了固化劑的選擇，固相含量、固化溫度、和固化時間等因素也對水基鉆完井廢棄物的固化效果有直接的影響。任君[2]通過大量實驗得出，水基鉆完井廢棄物固相含量控制在50%左右時固化效果最好，而固化溫度控制在20～40 ℃最佳；另外固化時間應達到7 d 以上才能達到較好的固化強度。

4 結束語

隨著國家對固廢管理的進一步加強，水基鉆完井廢棄物綜合利用技術也越來越受到重視，其中的固化處理技術也得到了迅速的發展，因為其固化產物可以用作建筑材料實現廢棄物的減量化和資源化利用，符合國家保護生態平衡，可持續發展的政策指向，因而具有廣闊的市場前景。