廢棄鉆井液分類處理及其效能分析

張淑俠，裴婷，原敏，王丹丹，馬天奇，楊云鵬

(1.陜西省陸相頁巖氣成藏與開發重點實驗室，陜西 西安 710065；2.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710065；3.中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001)

油氣田鉆井產生大量的廢棄污染物，主要包括返排出的鉆井液、鉆井廢水、洗井水、鉆屑等，主要污染物為油類、重金屬、鹽類和有機聚合物等[1]。對此類廢物的傳統處理方法是修建泥漿池，廢物全部排入泥漿池中存放，完鉆后集中處理[2-4]。由于不同地質構造、同一口井不同鉆井階段、不同鉆井液體系相應產生的廢物污染成分差異較大，鉆井廢棄物集中混合存放，致使污染物相互摻混、滲透，造成最終的廢物處理難度加大、成本升高。

空氣、霧化鉆井液主要含有霧化用表面活性劑、井壁穩定劑等[5-7]。由于三開后使用了聚磺防塌鉆井液體系，黏土、無機鹽、難降解高分子聚合物、磺化褐煤、磺化樹脂等添加劑的種類增多，用量加大，完鉆廢水污染程度加大[8]。完鉆鉆屑多被廢水泥漿浸泡，呈泥糊狀，水化污染情況較為嚴重；鉆井廢渣污染最為嚴重，其浸出液的污染指標與國家標準相比，pH值、色度、COD和石油類含量超標嚴重，其中COD超標達130倍。

本文針對某氣田空氣、霧化鉆井和聚磺鉆井液體系鉆井產生廢物的污染特點，采用廢鉆井液分階段收集和分類處理，研究了廢水和廢渣的處理工藝，開展兩口井的試驗，并做了相應的效能分析。為理解方便，本文將空氣、霧化鉆井階段產生的鉆井廢水稱為空鉆廢水，三開直至鉆井結束后返排出的混合鉆井廢水稱為完鉆廢水；將空氣、霧化鉆井所產生的鉆屑簡稱空鉆鉆屑。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

硫酸亞鐵氨、硫酸汞、鹽酸、石油醚、重鉻酸鉀等均為分析純；硫酸鋁、硫酸亞鐵、聚合鋁、聚合鐵、PAM、PR32.5級水泥、生石灰、碳酸鈉、硅酸鈉、粉煤灰、石膏、磷石膏、氯化銨、硫酸鐵等均為工業品；鉆井廢水，取自某氣田P-3井返排的鉆井廢水(該井鉆井三開前采用了空氣、霧化鉆井技術，三開后采用聚磺鉆井液體系)，污染物分析結果見表1；鉆屑及廢棄鉆井液取自Pg-2井(該井一開、二開井段采用空氣鉆井技術，三開后使用聚磺鉆井液體系)，鉆屑以及廢鉆井液浸出液的污染物成分見表2。

表1 P-3井鉆井廢水主要污染物分析結果

表2 廢棄鉆井液的浸出液主要污染物分析結果

BB1186型電子分析天平；pHS-3C型精密酸度計；721型分光光度計；HCH-100型COD快速測定儀；JBY-Ⅱ型絮凝攪拌儀；JG-4型水平振蕩器；101-2型電熱干燥箱等。

1.2 鉆井廢水處理

1.2.1 空鉆廢水處理 取鉆井廢水1 000 mL，加入適量混凝劑，快速攪拌均勻。調節水質pH=7，加入適量絮凝劑，慢速攪拌均勻，靜止0.5 h后取上層清液做水質分析。

1.2.2 完鉆廢水處理[8-12]

1.2.2.1 破膠處理 取鉆井廢水1 000 mL，加入破膠劑5～20 g/L，快速攪拌均勻后，加入絮凝劑10～15 mg/L，慢速攪拌，靜止0.5 h后過濾。

1.2.2.2 混凝處理 取破膠處理后廢水1 000 mL，加入混凝劑1～4 g/L，快速攪拌均勻，加入絮凝劑 5 mg/L，慢速攪拌，靜止0.5 h后過濾。

1.2.2.3 氧化降解處理 取破膠-混凝處理后的廢水1 000 mL，加入氧化劑1～3 g/L，反應2 h。加入絮凝劑2 mg/L，慢速攪拌，靜止0.5 h后過濾。

1.2.2.4 吸附處理 取破膠-混凝-氧化處理后廢水 1 000 mL，調節pH=7.0，按照質量固液比10∶1加入吸附劑，攪拌反應2 h。過濾，取上層清液做水質分析。

證法2 (構造等腰三角形法)如圖4，延長ED，交OC延長線于點G，作EF⊥OC，垂足為F，則四邊形OAEF、CBEF都是矩形．所以FC=EB，OF=AE．由AB∥OC，可得∠G=∠BEG=∠B′EG．進而GB′=EB′．所以FC=GB′．從而FB′=CG．

1.3 鉆屑與廢棄鉆井液處理

1.3.1 空鉆鉆屑處理 清水鉆和水基鉆產生的鉆屑中重金屬含量遠遠低于標準值[13-14]，能應用在鋪路和建筑行業。根據實際鉆屑的污染性質，空鉆鉆屑的污染指標已經符合國家標準，建議把空鉆鉆屑及時清理出來，直接用于鋪設井場道路或填坑等，減少鉆井廢物的產生量，節約處理和轉運費用?？浙@鉆屑的污染指標未符合國家標準的，按照質量分數加入0.5%～2%的固化劑的方法，使其浸出液達標。

1.3.2 完鉆鉆屑處理 采用清水或者井場處理后的回用鉆井廢水，以質量固液比10∶1的水量淋洗鉆屑，直至其污染指標達標；也可按質量分數加入2%～4%的固化劑進行處理，使其浸出液污染物達標。

1.3.3 廢棄聚磺鉆井液處理 采用傳統的一步固化法處理廢聚磺鉆井液，其浸出液的色度和COD往往超標[11]。為此，本研究采用氧化降解、復合固結封閉包裹技術降解有機物，采用調整劑去除其腐蝕性。其方法是：取廢棄的聚磺鉆井液300 mL，在均勻攪拌下，依次按照質量分數，加入4%的氧化劑，攪拌反應0.5 h。依次加入5%的固化劑A、3%的固化劑B和6%的調整劑，攪拌均勻后，固化調整反應至少3 d。

2 結果與討論

2.1 鉆井廢水處理

2.1.1 空鉆廢水處理 空鉆廢水水質污染程度較輕，污染物含量少。P-3井空鉆廢水處理后的水質指標見表3。

表3 P-3井空鉆廢水處理前后水質分析結果

由表3可知，P-3井的空鉆廢水經過混凝后，色度由原來的80倍降為10倍，COD由原來的 864.3 mg/L 降為49.3 mg/L，COD去除率達到 94.3%。根據實驗結果，空鉆廢水水體受污染程度低，現場處理工藝流程可設計為：混凝-沉降-過濾。沉降與過濾的泥渣采用壓濾機壓濾，產生的泥餅可以固化處理。

2.1.2 完鉆廢水處理 完鉆廢水處理后的水質分析結果見表4。

表4 P-3井完鉆廢水處理結果

由表4可知，完鉆廢水污染嚴重，這是因為三開后的完鉆廢水、廢鉆井液全部排入泥漿池中，互相滲透，水質會更加復雜，處理工藝單元增多，藥劑加量也相應增加。完鉆廢水原水呈黑褐色，色度為1 800倍，COD為19 468 mg/L；破膠/混凝/氧化/吸附處理后水呈無色，COD<100 mg/L，可安全回用于井場。

2.2 廢棄聚磺鉆井液處理

對于廢聚磺鉆井液，采用傳統的一步固化法處理后，其浸出液的色度和COD往往超標[15]。為此室內研究采用氧化降解、復合固結封閉包裹技術降解有機物，采用調整劑去除其腐蝕性。設計L16(44)的正交實驗，分別進行多因素復合處理實驗，并以固化物浸出液COD為檢測指標，實驗結果見表5。

表5 復合固化處理正交實驗

由表5可知，各因素對固化物浸出液COD的影響大小順序為：氧化劑>調整劑>固化劑A>固化劑B；Pg-2井的廢棄聚磺鉆井液固化最佳配方為A3B1C3D3，即5%A固化劑+3%B固化劑+4%氧化劑+6%調整劑(均為質量分數)。

2.3 現場試驗效能分析

在室內實驗研究的基礎上，項目組迅速在P-3井和Pg-2井兩個井區開展鉆井廢物分類處理現場試驗：在P-3井實施鉆井廢水的分類處理，Pg-2井實施鉆井廢水和廢鉆井液的分類處理?？浙@廢水按照混凝/過濾工藝流程進行，完井后的鉆井廢水按照破膠/混凝/氧化/吸附工藝流程進行，空鉆鉆屑經淋洗脫水處理可直接用于鋪設井場場地、道路或填坑等，完井后的廢鉆井液按照復合固化工藝處理?，F場污染物處理前后的主要污染物監測結果見表6和表7。

表6 鉆井廢水處理前后污染物成分分析

表7 鉆井廢棄物處理成本情況分析

由表6可知，這兩口井鉆井廢水和廢鉆井液采用不同工藝分類處理后，出水污染指標滿足國標要求，可以回用井場；廢鉆井液固化樣的浸出液經監測站取樣分析，污染物指標達符合國家GB 18599—2001《一般工業固體廢物貯存、處置場污染控制標準》的Ⅰ、Ⅱ類固廢物技術要求，可以安全處置。

根據表7計算，P-3井的鉆井廢水采取分類收集處理成本為8.22萬元；如果不采取分類處理措施，兩類水混合后需處理1 100 m3，費用總計 11.55萬元，分類處理可節約費用3.33萬元，成本降低了28.8%。Pg-2井的鉆井廢水采用分類處理與傳統的處理方式比較，前者廢水處理節約成本 4.74萬元；井場鉆井固廢的處理成本主要包括機械費、轉運費和排污費；Pg-2井的空鉆鉆屑780 m3，空鉆鉆屑經沉降脫水后可就近用于井場鋪路，機具費用為 2.5萬元左右；如果空鉆鉆屑和完井泥漿混合后一起固化處理，其處理費用約22.61萬元，可見空鉆鉆屑處理一項不但節約4.91萬元、且減少了32%的固體廢物的處理量。廢水和廢固總計節約9.65萬元，總成本降低了25.7%。

3 結論

(1)鉆井廢水主要污染物指標為pH值、色度、COD、懸浮物和含油量；空鉆廢水與完鉆廢水差異較大，完鉆廢水污染更嚴重，有必要分類收集和處理，空鉆廢水COD超標8～10倍，COD超標195倍。

(2)空鉆廢水采用混凝處理后，COD從 864.3 mg/L 降到16.19 mg/L；完鉆廢水經破膠/混凝/氧化/吸附工藝處理后，COD從19 468 mg/L降到53.14 mg/L。

(3)廢棄聚磺鉆井液復合固化最佳配方為：5%固化劑A+3%固化劑B+4%氧化劑+6%調整劑，處理后固體符合國家GB 18599—2001《一般工業固體廢物貯存、處置場污染控制標準》的Ⅰ、Ⅱ類固廢物技術要求，可以安全處置。

(4)現場試驗了兩口井廢鉆井液的分類收集與處理，經濟效果明顯：P-3井鉆井廢水處理成本降低了28.8%，Pg-2井鉆井廢棄物總成本降低了25.7%。鉆井過程中產生的鉆屑及時清出，達標部分可用于井場鋪路等，減少鉆井固廢處理量，也節省轉運費用；空鉆廢水分類收集處理后回用于井場，更符合綠色環保和清潔生產的理念。