陳原野, 陳迪夫, 陳孝兵, 陳文軍,劉曉玲,張 可,羅鴻兵,

(1.四川農業(yè)大學環(huán)境學院，成都 611130；2.四川省綿陽市南山中學，四川 綿陽 621000； 3.四川省煤田地質工程勘察設計研究院，成都 610072；4.四川水利職業(yè)技術學院，四川 崇州 611231；5.四川農業(yè)大學土木工程學院，四川 都江堰 611830)

1 引 言

鉆井泥漿在鉆井過程中起著平衡鉆孔內壓力、冷卻鉆頭、攜帶鉆屑返到地面等作用，在鉆井泥漿反復循環(huán)使用過程中與地層巖屑形成一種極其復雜混合多相體系，這些廢棄泥漿不進行無害化處理，對環(huán)境存在潛在的污染和毒性危害[1]。近些年，隨著我國經濟的發(fā)展，廢棄鉆井泥漿對土壤環(huán)境的污染防治和土壤修復關系到百姓民生，因此發(fā)展綠色循環(huán)經濟已成為可持續(xù)發(fā)展的關鍵[2]。

目前國內外有眾多的泥漿處理方法[3]，包括：簡單處理后直接排放、泥漿轉水泥漿(MTC)技術、固化處理、異地集中處理等主要技術，它們各有優(yōu)缺點，但我國主要遵循無害化處理原則[4～6]，即：(1)適應我國國情，處理成本低、工藝簡單實用、處理效果好的工藝和技術；(2)滿足野外現(xiàn)場作業(yè)要求；(3)對毒性最大分散型泥漿，必須進行無害化處理，而對不分散泥漿有條件也可進行處理；(4)建立完善的處置和評價監(jiān)測結果記錄。由于廢棄泥漿量比較大，應進一步研究廢棄泥漿固化、固液分離和再利用技術等，可將處理后的泥漿用于壁后填充固井及制磚等，擴大應用范圍[7]。對于鹽礦，其鉆井廢棄泥漿處理同樣是難度較大的，本文將探討固化處理法處理鹽礦鉆井廢棄泥漿，以保護和提高當?shù)丨h(huán)境。

2 廣安市大安鎮(zhèn)處理工藝設計

2.1 泥漿特性

大安鎮(zhèn)是位于廣安市廣安區(qū)東北部的一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，該鎮(zhèn)有1個鹽礦鉆廢水井點，總體積約為2 571m3，其中污泥現(xiàn)存量771m3，占比30%。具體大安鎮(zhèn)鹽礦污染調查結果如表1。

表1 廣安市大安鹽礦污染調查情況Tab.1 Investigation on the pollution of Daan salt mine

鉆探泥漿主要成分為：羧甲基纖維素鈉(CMC)、璜化褐煤SMC(腐植酸鉀)、鹽、泥漿和澎潤土等，泥漿呈堿性，pH=8。

經過污染測試分析，鹽礦鉆井的泥漿含水率極高，其體積含水率為46.79%，質量含水率為18.38%。密度為2 077.7kg/m3；顏色為褐色，表面有油污，味道難聞。

2.2 處理工藝設計

根據(jù)現(xiàn)場情況、泥漿屬性和成功案例，設計了廣安市大安鎮(zhèn)鹽礦鉆井廢棄泥漿的處理工藝，見圖1。

圖1 鹽礦鉆井廢棄泥漿處理工藝設計Fig.2 Design of waste mud treatment process for salt mine drilling

主要處理工藝包括預處理、固化小試、固化施工準備、無害化處理施工、退場等環(huán)節(jié)，其中，破膠處理是基礎。還要參考《四川油氣田鉆井廢棄物無害化處理技術規(guī)范》(Q/SY XN076-2007)，進行鉆井廢棄污泥的無害化處理。

3 工程處理結果

3.1 破膠處理

鉆井廢棄液破膠處理工藝是先通過加水稀釋廢棄泥漿，然后攪拌均勻，加入破膠劑(通常包括硫酸鐵、聚合硫酸鐵、氯化鋁、氯化鐵、聚合氯化鐵、硫酸鋁等)，在加入一定的輔助劑(采用陽離子型聚丙烯酰胺)(分子量1 500萬)。

破膠劑根據(jù)現(xiàn)場實際情況配置，在鉆井泥漿回收處理服務中心用磚和水泥砌成一個容積40m3的配藥池(L×B×H=8m×5m×1m)，另配一臺流量約為耐腐蝕30cm3/h的潛水泵和DN50的軟塑料管，專用于配制破膠劑，可以利用現(xiàn)場處理污水的混凝池和Fenton氧化池作為破膠劑藥池。用挖掘機將井場內的混合物充分攪拌，并進行初步平整。將準備好的破膠劑溶液沿污水坑表面均勻的加入，使其盡量在整個排污坑表面均勻分布，然后用挖掘機充分攪拌，攪拌時間約2～3h。攪拌均勻后會發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)固液分離現(xiàn)象，分離出的上層液體清亮透明，帶微黃色。將不同破膠劑處理后進行固液分離，分析上清液COD，pH和過濾色度，以篩選出較為高效的破膠劑。

泥漿的基本理化性質如表2。

表2 泥漿樣品的基本理化性質Tab.2 Basic physicochemical properties of drilling waste mud

在實驗室中進行實驗篩選，分別利用氯化鐵(FeCl3)(200g/L)、聚合氯化鋁鐵(PFAC)(200g/L)、聚合氯化鋁( PAC)(200g/L)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)(200g/L)進行破膠實驗，實驗結果見圖2、圖3、表3和圖4。

圖2 4種破膠劑不同投加量下對COD降解的影響Fig.2 Effects of four gel breakers with different dosage on COD degradation

從COD變化趨勢可以看出，F(xiàn)eCl3、Al2(SO4)3的COD出水起伏大、不穩(wěn)定，而PAC雖穩(wěn)定，但COD的降解不顯著，PFAC的COD降解表現(xiàn)穩(wěn)定，且隨著藥量的增加出水COD先降后升，說明PFAC擁有一個最佳投加點的存在。

圖3 4種破膠劑不同投加量下對pH降解的影響Fig.3 Effect of four gel breakers with different dosage on pH changes

從pH方面看，4種破膠劑的變換趨勢較為平緩，在加大投放量后，處于穩(wěn)中有降的狀態(tài)，并無顯著差異，而最佳破膠劑的選擇是在pH=7附近時，達到最佳降解效果，這里FeCl3、PFAC均滿足其條件。

表3 破膠后水樣顏色Tab.3 Color of the water sample after gel breaking

由表3可知，濾液顏色由深逐漸變淺，脫色效果明顯。當破膠劑(Al2(SO4)3除外)投加濃度達到6g/L時，濾液呈無色，而Al2(SO4)3投加濃度為18g/L時濾液才穩(wěn)定呈無色。

圖4 4種破膠劑不同投加量下電導率和總溶解性固體的變化Fig.4 Variationof conductivity (Cond) and total dissolved solid (TDS)under different dosage of four kinds of gel breakers

由上可知，4種破膠劑出水的總溶解性固體物質和電導率的變化趨勢相同，且溶解性固體物質均處于正常范圍內。

綜合以上分析，各破膠劑的投加量與其處理效果密切相關，選取最佳破膠劑的條件為滿足COD降解率高，pH=7附近，出水澄清。投加量較少時，破膠作用效果很不明顯，4種破膠劑的pH相近，對COD的降解均不明顯，且過濾后水體均為棕色。隨著4種破膠劑投加量的加大，滿足所有條件的最佳破膠劑為PFAC，最佳投加量是18g/L，此時達到最佳出水效果，且該材料市面價格較為便宜為3.5元/kg。

3.2 固化處理

完成破膠后，攪拌均勻后出現(xiàn)固液分離現(xiàn)象，分離出上清液。然后用挖掘機將當?shù)氐狞S土均勻地加到排污坑中并充分攪拌，攪拌時間大約3～5h。固化處理結束后，在候凝2～3d后，對固化池內部進行防滲透處理，滲透系數(shù)小于1.0×10-7cm/s，參照GB18599-2001執(zhí)行；在候凝5～8d，按“米”字型取樣法則對固化物進行取樣，按相關標準測定其有害物浸出量，包括pH值、色度、化學耗氧量、總鉻、總福、總砷、總鉛含量和含油量等，確認達到國家工業(yè)污水排放一級標準以上，避免后續(xù)造成二次污染。

3.3 無害化處理

固化處理完成后，將鉆井廢泥漿密度較高的轉運回收利用，對不能再利用的廢泥漿，與鉆井巖屑一起，根據(jù)《四川油氣田鉆井廢棄物無害化處理技術規(guī)范(Q/SY XN076-2007)》及中國石化《中石化川東北地區(qū)天然氣勘探開發(fā)環(huán)境保護規(guī)范》(Q/SH 0099.1-2007)的有關要求進行無害化處理，處理完畢后把廢泥漿池四周高出地面的磚打掉運走，向固化后的廢泥漿池回填種植土，每500～800mm深度使進行一次夯實，直至與地面相齊，最后進行覆土，覆土厚度不得低于300mm，覆土區(qū)進行綠化。

4 討 論

4.1 破膠劑的選擇

破膠是固化處理的關鍵一環(huán)，羅偉等[8]指出根據(jù)鉆井泥漿破膠劑的選擇方向是陽離子型強電解質，且從經濟和取材的方面考慮，要選擇便宜且易購買的。因此此次選擇對FeCl3、PFAC、PAC、Al2(SO4)34種破膠劑進行實驗室篩選，主要從COD、PH和出水濁度3方面綜合評價，PFACCOD降解效率較高，且擁有最佳投加量，過濾后液體呈透明，分離效果好，而其它3種破膠劑的COD降解量不明顯，也無最佳投加點出現(xiàn)。本實驗中PFAC的破膠效果，與董婭瑋[9]在研究廢棄鉆進泥漿時的結論一致，也與鄭幗等人[10]研究的化學脫穩(wěn)技術中破膠結果相似。此外，一個好的工藝必須滿足處理試劑對設備無強烈腐蝕作用[11]，以最接近中性最佳，而本案例PFAC在pH=7.12的中性條件下效果較好。綜合考慮，大安鎮(zhèn)鉆井泥漿的破膠劑選用PFAC。

4.2 固化法工藝的選取

根據(jù)大安鎮(zhèn)的泥漿性質，本次廣安市大安鎮(zhèn)鹽礦鉆井污泥的處理采用了固化泥漿的工藝。固化法是向廢棄泥漿中加入具有固結性能固化劑，使其轉化為固化體，固結其有害成分，它是MTC的簡化，是讓人能廣而接受且發(fā)展越來越快的方法[12]對比同時期的方法，于真真等[13]人提到，土地耕作法對土壤性質、廢棄鉆井泥漿有嚴格要求，廢棄泥漿中的處理劑為無毒、低毒，且重金屬離子含量很少，可生物降解，土壤有一定容納有害物質和自凈化能力。在中國石油西部鉆探公司的孫琳、姚昌順等[14]提到了填埋法，這種方法簡單快捷，且成本低，但只能選取可以填埋的土地對廢棄泥漿進行處理。李斌[15]在研究鉆井泥漿提到，脫穩(wěn)干化處理法是向廢棄泥漿，直接存于防滲密封的儲存池進行自然干化處理，但占地面積大，受氣候的影響較大。根據(jù)目前方法的優(yōu)缺點，再結合處理和后續(xù)無害化處理的特點，最好的選擇為固化法，雖然當前仍存在一些不足，但是能達到一個成本和效果更好的平衡。

4.3 無害化處理方案的選擇

以前無害化處理主要有二種方式，第一種為井鉆探修建泥漿池，鉆探階段完工或全部完工后進行整體固化，這種方式對周圍影響大，難以根本無害化，費用大周期長；而第二種方式則不修筑泥漿池，統(tǒng)一收集后，進行集中固化處理集中掩埋，這種方式費用更高，且排放后對環(huán)境影響作用高，固化物未能無害化[16]。隨鉆不落地技術是變“末端治理”為“全過程控制”，將廢棄泥漿經過稀釋—絮凝—分離成巖屑、泥餅和水3部分，對泥漿中的固體物通過水洗、絮凝分離和化學反應處理，使巖屑和泥餅達到排放標準。離出來的污水可再次用來稀釋泥漿或進入污水處理裝置進行處理，處理后的污水經過濾吸附后排放[17]。目前隨著國家對土地和環(huán)境的進一步重視，現(xiàn)在很難再用挖坑筑壩這種傳統(tǒng)方式來實施了，而用廢棄泥漿的無害化和資源化技術，能夠有效的實現(xiàn)固液分離，被分離的泥餅還可以進行資源化的利用，技術穩(wěn)定而成熟，工藝完善[18]。無害化處理工藝在未來大量的運用也是被國家重視，付亞榮等人[19]研究表明該工藝可去除泥漿中的有害固相，能保留住鉆井液的有用成分，進行下一次泥漿處理液重新配置時可循環(huán)利用；減少固廢的產生。本次無害化處理方案根據(jù)《四川油氣田鉆井廢棄物無害化處理技術規(guī)范(Q/SY XN076-2007)》進行最終的無害化處理。因此在最終的處理上，選擇固廢產生少且可以進行再利用的綠色技術，為當下社會要求，也是經濟發(fā)展的必然要求。

5 結 論

通過對廣安市大安鎮(zhèn)鹽礦鉆井污泥的處理，得到以下結論：

5.1 對鹽礦泥漿在破膠、固化、無害化等一系列處理后，對固化上清液進行達標排放；固化的污泥覆土填埋，并種植植物進行鹽礦井生態(tài)修復；整個工藝成功進行了無害化處理。

5.2 對市面上常見的4種破膠劑進行實驗后，發(fā)現(xiàn)FPAC是最佳破膠劑。該破膠劑的最佳投加濃度為18g/L，在該投加量下，COD降解率為99.41%，pH=7.12。此外FPAC還具有最佳投加點低和市場價格低兩大優(yōu)勢。

5.3 對比當前主流的泥漿工藝，固化法是一種較為成熟和無害化有效的方法，且適用范圍廣泛，更能有效平衡效益與經濟，因此選為本方案的泥漿處理方法。

5.4 本次整個工藝因地制宜，緊跟國家要求，符合無害化原則，對泥漿的無害化和資源化較為成功。但該工藝存在對固化法工藝進一步改進的前景，使無害化、資源化做的更徹底。

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