蘇里格氣田水基鉆屑資源化利用技術研究與應用

陳 磊, 陳在君, 黎金明

1低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室 2中國石油川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院

0 引言

蘇里格氣田是長慶油田的主力氣田，每年鉆井數量上千口井，產生的大量鉆井巖屑，給油區的生態環境造成了潛在環境風險，巖屑的處置成為急需解決的熱點和難點問題[1- 6]。隨著新環保法的實施和地方各級政府對鉆井生產中廢棄物的管理要求日益嚴格[7- 8]，政策鼓勵對鉆屑進行資源化利用[9]。為解決鉆井廢棄物終端處理難題，通過“以廢治廢”的研究思路[10]，在破穩劑G324和G327作為復合高效固化劑的前提下，添加骨料材料，采用混料均勻設計的實驗方法，研究G324及G327添加量、骨料加量、巖屑添加量、水添加量等實驗因素對固化體強度和浸出毒性的影響。結果表明，通過合適的物料配比，固化體浸出pH、石油類、COD、色度達到GB 8978—96《污水綜合排放標準》一級標準，從而實現對鉆井巖屑的無害、資源化的利用。

1 現場鉆屑環保指標檢測及關鍵處理劑研究

鉆井巖屑成分復雜，包括對環境有害的石油類、各類聚合物、合成有機物、重晶石、巖石碎片以及瀝青改性等物質[11- 12]。鉆井巖屑是石油勘探開發鉆井過程中遺留下來的最大量的污染物，主要為由加重材料、黏土、各種化學處理劑、污油、巖屑碎片等組成的多項穩態膠體懸浮體系，危害環境的主要成分是鹽類、烴類、磺酸鹽、各種聚合物，這些因素使得鉆井巖屑的成分極為復雜。COD 值高，礦化物高、色度高，懸浮物高，含有多種毒性污染因子[13- 14]。

在鉆井工程上要求鉆井液要具有較高的穩定性，從而加入了大量的高分子、有機物及其他化學物質，使鉆井液攜帶出的鉆屑呈非分散狀態[15]。

通過實驗室檢測分析幾種巖屑及其浸出液的理化性質,對照其性能指標。由表1看出四種巖屑的若干指標值中僅有三個值在標準規范范圍之內，90%以上的指標均處于超標狀態。

表1 巖屑及其浸出液性質檢測結果

目前對其處理主體思路為兩種：一種是固液分離治理:另一種是混相固化治理。其中固液分離治理又分為兩類：一類采取先固液分離，液相回收利用，固相無害化治理；另外一類是混相破膠后固液分離，分離后固相無害化治理，液相用于沖洗設備等。以上無論哪一類方法，都要面臨固相治理達到環保規定的重復利用或排放的要求[8]。

1.1 廢棄鉆屑破穩劑的研發

針對巖屑分散、含水率高的難題，研發出了破穩劑G324，主要指標見表2，主要是用于含水鉆屑的預處理，可以有效實現破膠脫穩、析出液相，并能對色度、COD等的降低率達到95%以上，并在室內初步確定出了破穩劑的加量在1.5%～3.0%時破膠脫穩效果較好。

表2 破穩劑G324主要指標

1.2 復合固化劑的研發

針對蘇里格氣田鉆屑成型難度大的特點，研發出的高效復合固化劑G327，主要指標見表3，具有固化成型效果好、對COD和色度的去除率高的特點，固化物浸出液環保指標見表4，均符合環保標準要求。

表3 固化劑G327主要指標

表4 高效固化劑的環保指標檢測

2 鉆屑資源化利用技術研究

針對蘇里格區域特點和資源化利用成本等綜合因素分析，選定鉆屑制備免燒磚和鋪路基土顆粒兩種資源化利用方式，通過室內實驗和現場試制試驗確定出了鉆屑資源化制磚和鋪路基土配方及施工工藝。

2.1 鉆屑制備免燒磚技術研究

2.1.1 鉆屑制備免燒磚配方研究

通過鉆屑、固化劑和輔料的配比實驗，測試制備出來的免燒磚成型性能，抗壓強度等指標，確定出了最優化配方比例，試驗結果如表5、圖1和圖2所示。

表5 免燒磚配方配比實驗

圖1 鉆屑制備免燒磚不成型

圖2 鉆屑制備的免燒磚成型

鉆屑最佳試驗比例∶質量比=鉆屑∶G327∶G324=100∶18∶3;輔料比例根據現場攪拌的干濕程度和黏性添加FL-1和FL-2，體積比=鉆屑∶FL-1∶FL-2 =10∶7∶1。

2.1.2 免燒磚基本性能參數

免燒磚的抗壓強度、吸水率、放射性等物性參數綜合檢測結果見表6和圖3，滿足JC/T 422—2007《非燒結垃圾尾礦磚》標準要求。另外根據蘇里格地區冬季寒冷的特點，測試了免燒磚的抗凍強度，測得免燒磚的抗凍強度損失率及凍壞數量均滿足現場使用要求。

圖3 免燒磚強度測試

表6 免燒磚檢測結果

2.1.3 免燒磚環保指標檢測

取現場制備的免燒磚，按照GB 8978—1996《污水綜合排放標準》分別跟蹤測試0 d、7 d、14 d、21 d和28 d后的浸出液環保性能指標，所得實驗結果如表7。跟蹤28 d后，檢測免燒磚各項環保性能指標均能達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》一級排放標準。

表7 室內制備的免燒磚環保指標檢測

2.2 鉆屑制備鋪路基土技術研究

2.2.1 鉆屑制備鋪路基土配方研究

將鉆屑、固化劑混合，開展了鉆屑造粒(制球)制備鋪路基土配方實驗，得出以下四種配方可以壓制出成型的球體顆粒，實驗數據見表8。

表8 制備鋪路基土顆粒配方實驗

由圖4試驗結果可以看出，2號配方顆粒完整無破碎，成型效果最佳。

圖4 巖屑制備的鋪路基土顆粒

2.2.2 鋪路基土顆粒基本參數

以現場采集的鉆屑樣品為處理對象，基土顆粒達到鋪路基層材料要求，浸出液環保指標滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標準》一級標準要求,測試結果見表9、表10。

表9 鋪路基土顆粒強度指標檢測

表10 鉆屑作為鋪路基土顆粒環保指標檢測

現場采集的鉆屑樣品為處理對象，開展了鉆屑制備基土顆粒實驗，進行了浸出液環保指標檢測，滿足GB8978—1996一級標準要求。

2.3 鉆屑資源化利用工藝

綜合室內研究及試驗結果，確定出鉆屑資源化利用工藝流程(見圖5)。

圖5 鉆屑資源化產品制造流程

將鉆屑、水和高效固化劑按試驗研究比例送入樣機，通過資源化產品流水線機器工作完成資源化產品制備。

3 現場試驗及應用

2018年鉆屑資源化利用技術現場開展試驗，累計完成1 078 m3的鉆屑資源化制備免燒磚和鋪路基土制備和現場試驗，鉆屑資源化制備的免燒磚和鋪路基土經第三方環保檢測機構檢測分別達到了JC/T 422—2007《非燒結垃圾尾礦磚》和JTJ057—1994《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》標準要求。

3.1 鉆屑制備免燒磚現場試驗應用

完成了1口井的鉆屑制備免燒磚試驗和1口井的鉆屑制備鋪路基土試驗，共制備免燒磚19萬塊，制備的免燒磚已經用于20多個井隊回用于井場修砌方井，生活區場地硬化，鋪設營房過道，現場使用情況見圖6。

圖6 免燒磚用于堆砌方井和鋪設道路

3.2 鉆屑制備鋪路基土試驗應用

目前采用鋪路基土顆粒代替砂石完成270 m道路鋪設現場試驗，其中120 m道路是采用基土顆粒代替砂石鋪成混凝土水泥路(見圖7)，150 m道路是用基土顆粒模擬直接鋪設鉆前路(見圖8)。

圖7 基土顆粒直接鋪設道路

圖8 基土顆粒代替砂石鋪設路基

4 結論與認識

(1)研發的破穩劑G324和復合固化劑G327能有效滿足鉆屑固化后的環保指標和強度要求。

(2)通過室內實驗和現場試驗研究得出鉆屑制備免燒磚的配方和鉆屑制備基土配方，各項環保指標均符合要求，為蘇里格廢棄鉆屑的資源化利用和鉆屑固廢終端處理做出了技術探索和實踐，助推了長慶氣田鉆井作業清潔化生產。

(3)鉆屑資源化利用是未來鉆井清潔化生產的趨勢和發展方向，研究和深化鉆屑資源化技術及豐富資源化產品種類，根據不同區域因地制宜開展鉆屑資源化利用具有良好的環保效益和社會效益。