油田钻井废泥浆的固化处理

浅谈油田钻井废泥浆的固化处理

摘要：油田钻井的生产过程中会产生大量的废泥浆，但此废弃物成分复杂，污染极大，在处理上有一定的难度，因此有效处理油田钻井废泥浆已成为如今的研究方向之一，而固化处理是一种有效而发展前景良好的方法之一，本文将针对这一问题进行一系列的讨论和讲述。 关键词：油田钻井、废泥浆、固化、处理、讨论、

Abstract： There is a mass of mud disposal in the exploitation of the oilfield drilling，which is hard to dispose and would cause pollution heavily with its complicated constituents. Treating the mud disposal effectively has become one of the main points of scientific researches, therefore solidified treatment wins a place due to its brilliant prospect and efficiency. And this paper is going to discuss such a series of issues.

Key words: oilfield drilling, mud disposal, solidified treatment, treat, discuss.

一、研究背景

1．1钻井废泥浆的来源

在石油和天然气的勘探开发钻井过程中，钻井泥浆是提高钻井效率的重要保障，在

【3】钻井过程中有着支护井帮、提升岩屑、冷却钻头的作用。同时还起到了润滑钻具、提

高钻速、防止井塌方和井漏、评价生产层等作用，是保证钻井工作顺利进行必不可少的物质。为了达到安全、快速的钻井目的，使用的钻井液类型及化学药品的种类、数量越来越多，由此不可避免地会产生大量废弃物。钻井固体废物包括钻井废泥浆和钻井过程中抽提上来的岩屑，其中的废弃泥浆是钻井废物中最大量者。钻井工艺对泥浆的要求越来越高，泥浆体系日益增多，配方也越来越复杂，一般都含有重金属、油类、碱和其他

【4】化合物。泥浆循环过程中需不断地排除废渣和废浆，钻井结束后需全部排除，变为废

浆。由于石油钻井的野外作业特征，施工现场所有的废弃物几乎全部排放积存于废泥浆储存坑内，最终形成了一种由粘土、加重材料、各种化学处理剂以及伴生的污水、油水、钻屑等组成的多相稳态胶体悬浮性的混合物。

1．2钻井废泥浆的组成及特点

目前，国内外使用的钻井液有水基钻井液(WBM)，油基钻井液(OBM)和合成基钻井液

【5】(SBM)三大判。钻井泥浆体系可分为9大类，即：非分散泥浆；分散泥浆；钙处理泥

浆；聚合物泥浆；低固相泥浆；饱和盐水泥浆；完井修井液；油基合成泥浆；空气、气雾、泡沫及充气泥浆。石油钻井废泥浆主要包含了钻井液、钻屑、以及各种作业产生的废液等，其组成成分如下：钻井液一主要来自三方面：其一是钻井过程中排放的废钻井液；其二是地面循环系统盛放的和为处理复杂情况储备的钻井液；其三是固井时水泥浆

【6】置换出来的钻井液。三者约占总废弃物的70％左右。污染环境的主要成分是油类、

盐类(尤其是氯离子)、杀菌剂、某些化学处理剂、重金属离子(如铜、镉、铬、锌及铅

【7、8】等)、高分子有机化合物生物降解产生的低分子有机化合物和碱类物质等。

钻井废泥浆大多属于粘土——水分散体系——水基泥浆的范围，也有的属于油基或

聚合物泥浆。钻井废泥浆组成复杂，一般呈碱性，pH值在8．5～12之间，有的可达13以上；固相颗粒粒度一般在0．011．tm～0．39m之间(即95％以上颗粒通过200目筛)，其外观一般呈粘稠流体或半流体状态，具有颗粒细小、级配差不大、粘度大、

【11】含水率高不易脱水(含水率约在30％,--一90％)等特性，是一种有典型流变学特征

的胶体。且其自然干结过程缓慢，干结物遇水浸湿后易再度行成钻井废泥浆样物，会对排放点及附近地带的土壤物性产生长期的不良影响。废泥浆含油量高，部分钻井废泥浆含油量达10％以上；固含量高，主要为膨润土和有机高分子处理剂、粘土、加重材料、岩屑以及污水流经地面时携带的泥砂及表层土等；此外由于钻井废泥浆中含有各种有机和无机类化学处理剂，其中的重金属、CODCr值、Oil及表面活性剂等有害物质浓度较

【12】高，个别有害物污染指标超出国家允许排放浓度的数百倍。 【10】

二、研究意义与现状

2．1钻井废泥浆的环境危害

纵观各方面钻井废水的相关研究资料表明，石油钻井废水的危害物质大体可以分为

【13、14、15】以下几类：①含固颗粒，以粘土、膨润土颗粒为主；②酸碱物，表现为钻井废

泥浆的pH值；③石油类，主要来自钻井设备的清洗，是钻井液中不可避免的组份；④有机物及其分解产物，表现为泥浆的CODcr，值高，色度高。被我国列入环境“黑名单”的68种优先控制的污染物中，有6种苯系物、7种多环芳烃(PAHs)。目前钻井现场所使用的高性能处理剂中，相当一部分含有苯环；⑤重金属，来源于钻井液添加剂及地层：

-⑥氯离子，采用盐水钻井液及地层矿化度较高时，会使废水中Cl的含量增高。

【16、17】由于废钻井液成份比较复杂，所以对环境的影响也是多方面的：

(1)污染面积大、区域广。这是由钻井生产流动性大等特点所决定；

--(2)废钻井液中的盐、碱和盐岩层钻屑不仅造成土壤板结，同时因Cl活性比N03、

3-P04强，会抑制农作物对氮、磷的吸收。可溶性盐的迁移还会对地下水造成污染；

6++2+2+(3)有害的重金属离子如Cr，、Hg、Cd、Pb及不易被动植物降解的有机物、分

子聚合物滞留于土壤中，会影响植物的生长和土壤中微生物的繁殖。且这些物质易进入食物链，并在环境或动植物体内蓄积，危害人类的身体健康和生命安全。例如六价铬6+(Cr，)通过食物链进入人体后，其毒性主要表现为呼吸道、肠胃道疾患和皮肤损伤，特别是它的致癌作用近些年来已引起人们的广泛重视；

(4)废物中的有机处理剂使水体的CODcr、BOD增高，影响水生生物的正常生长；某些杀菌剂及高分子化合物生物降解产生的低分子有机化合物，会对鱼、虾及鸟类产生毒害；

(5)油类物质进入水体后，形成浮油，影响空气与水体界面上氧的交换。分散在水中吸附于悬浮粒上或以乳化状存在于水中的油，可被微生物氧化分解，从而消耗水中的溶解氧，使水质恶化变臭。在油膜扩展和漂浮过程中，大约25％～30％的低沸点石油组分(C1——C5)迅速挥发进入大气，造成大气污染。油类对土壤及动植物的影响也很大；

-2-(6)水中的硫化物(包括溶解性的H2S，HS，S，存在于悬浮物中的可溶性硫化物，

未电离的有机无机类硫化物)，硫化氢易从水中逸散于空气中，产生臭味且毒性很大，它可与人体内的细胞色素等作用，影响细胞氧化过程，造成细胞组织缺氧。

2．2钻井废泥浆处理技术现状

随着我国环境保护法规标准的不断完善以及执法力度的加大，人们的环保意识逐渐增强，钻井过程中产生的废泥浆的无害化处理的研究和推广应用，是钻井行业环境保护工作的当务之急。许多国家也都已将其列为环保的一个重要项目来研究。钻井废泥浆治理的目的，是为了减轻环境污染而寻找经济和环境上都能够接受的处理方式，实现最优化废物处理体系的目的。现有回收利用和处理方法较多，但每种方法都有其适用范围，应根据油气田的地理环境、水文、土壤、钻井液的组成及经济性来选用。纵观国内外处

【18】【19】【20、21】理方法主要有以下几种： (1)直接排放法 (2)坑内填埋法(3)脱水法 (4)

【22】【18’19'22】【23】坑内密封法 (5)注入安全地层或环形空间处理法 (6)土壤生物降解法 (7)

【4】【19】【19，24’25】【20，26】土地耕作法 (8)闭合回路系统 (9)固液分离法 (10)固化法 (11)

【20，21·33】废钻井液回收利用法。

2．3钻井废泥浆处理技术发展趋势【15、24、34-38】

2．3．1 MTC(泥浆转化为水泥浆Mud．To．Cement)固井技术

此法是在钻井液中加入固化添加剂，经过充分混合形成稳定的固化物，完成钻井液转换水泥浆的过程。它利用钻井液的失水性和悬浮性，通过加入廉价的高炉水淬矿渣(BFC)，激活剂(BAS)等，将钻井液转化为完全可以与油井水泥浆相媲美的固井液。此技术不仅可节约固井成本，而且又可解决一部分钻井废液污染环境问题。

2．3．2研究开发最佳废物管理系统

目前，国外各大泥浆公司积极开发最佳废物管理系统，其基本要求是：

(1)选择最佳钻井作业，使废物量减至最少。

(2)控制废物质量，保证废物无害化。

(3)加强井场废物分类管理，可降低处理费用及废物体积。

(4)采用环境安全和经济有效的方法加工(处理)废物。

成功的废物管理程序首先是根据地质特点，正确选用钻井液及其处理剂，进行好的水质管理，使钻井过程中产生的废物减至最低量；第二是鉴别和隔离潜在的废物源，减少引起问题的复杂性，使废物的加工和处理更加容易和经济；第三是选择经济且环保可接受的废物处理方法。

2．3．3加强开发研究专业化的固化处理设备

现阶段各油田废弃钻井泥浆现场固化工艺主要有两种：一是采用代用机械(如挖掘机之类的机械设备)将固化剂与废弃钻井泥浆进行混合；二是直接用钻井泵以及配浆设备将固化剂混入废泥浆中。第一种方法比较简单，但混合均匀程度较差，直接影响最终的处理效果；第二种方法混合较均匀，但要求钻井废泥浆具有较好的流动性，在很多井场处理中都受到限制。因此，开发专业化的机械处理设备势在必行。同时，由于钻井作业的分散性和流动性的行业特点，对廉价、简单的车载式(或移动式)钻井废泥浆处理设备的需求更为迫切。

2．3．4加强有肥效特性固化剂的研发

固化法处理钻井废泥浆具有简便易行、处理效果好等优点，是一种很有发展前景的

处理方法。目前国内外都在致力于开发固化能力强、解毒性好、具有肥效特性的固化剂，土壤中掺入此类固化剂处理过的废泥浆，不但不会污染环境，具有很好的稳定性，而且能明显改善土壤性能，提高土壤肥力。另外，开发高效廉价固化剂，以获得高强度、无污染的固结体，将其用于建筑材料，达到废物再利用永久无害化的目的。

三、研究论述

3．1固化处理技术概述

固化是指用物理．化学方法将有害废物掺和并包容在密实的惰性基材中，使其稳定化的一种过程。其中固化所用的惰性材料叫固化剂，有害废物经过固化处理所形成的固化产物为固化体。它主要用来处理放射性废物、有毒有害废物如电镀污泥、砷渣、汞渣、

【39】氰渣、铬渣和镉渣等，目前也颇受石油行业的重视。

迄今尚未研究出一种适用于处理任何类型废物的最佳固化方法。目前所采用的多数固化方法往往只适用于处理一种或几种类型的废物。随着现代工业的不断发展，固化处理污染物技术不断走向成熟，成为当前处理危险污染物很有效的手段。固化处理方法可按原理分为包胶固化、自胶结固化、玻璃固化和水玻璃固化。包胶固化又可以根据包胶材料的不同，分为水泥基固化、石灰基固化、热塑性材料固化和有机聚合物固化等。包胶固化适用于多种类型的废物；自胶结固化只适用于含有大量能成为胶结剂的废物；玻璃固化和水玻璃固化，一般只适用于极少量特毒废物的处理，如高放射废物的处理方面。目前常用的固化稳定化方法主要包括：

a、水泥固化，这是目前最常用的固化方法，适用范围广；

b、石灰固化，应用很广泛；

c、热塑性材料固化，新近发展起来的固化处理方法；

d、有机聚合物固化，适用对非常危险废物处理；

e、自胶结固化，工艺较简单，废物可自行固化，应用面窄；

f、熔融固化(玻璃固化)和陶瓷固化，属特种固化处理方法。

3．1．1水泥固化

水泥基固化是基于水泥的水合和水硬胶凝作用而对废物进行固化处理的一种方法。研究表明，此种方法非常适于处理各种含有重金属的污泥。其主要胶结剂为硅酸盐水泥

【40】或其它类型的水泥，需要时可掺入添加剂(如化学药品)。固化过程中，污泥中的重

金属离子会由于水泥的高pH作用而生成难溶的氢氧化物，并固定到水泥基中。水泥基固化法处理含有重金属污泥的一种流程是把被处理的污泥通过计量装置以一定重量比与水泥、添加剂和水共同投入到原料混炼机中，经搅拌混合均匀，然后通过出料装置送去成型，再将成型的坯体养护，使之形成具有一定强度的固化产品。水泥基固化法对含高毒重金属废物的处理特别有效，固化工艺和设备比较简单，设备和运行费用低；水泥原料和添加剂便宜易得；对含水量较高的废物可以直接固化；固化体的强度、耐热性、耐久性均好，产品适于投海处置，有的产品可作路基或建筑物基础材料。缺点是其固化产品体积增加较大，一般可比最终废物原体积增大1．5～2．0倍；有时需作预处理或需要加入添加剂，因而可能影响水泥浆的凝固，并会使成本增加。

3．1．2石灰固化

石灰基固化是用石灰作基材，以粉煤灰、水泥窑灰作添加剂，专用于处理含有硫酸盐或亚硫酸盐类泥渣的一种方法。此法是基于水泥窑灰和粉煤灰含有活性氧化铝和二氧化硅，因而能同石灰在有水存在的条件下发生反应生成对硫酸盐、亚硫酸盐起凝结硬化作用的物质，最终形成具有一定强度的固化体。

石灰基固化使用的添加剂本身是废物，来源广、成本低、操作简单，不需要特殊设备；被处理的废物不要求完全脱水；在常温下操作，没有尾气处理问题。石灰基固化产品比原废物的体积和重量增加较大；易被酸性介质浸蚀，要求表面进行涂覆或放在有衬里的土地填埋场中处置。

3．1．3热塑性材料固化

热塑性材料固化法是用热塑性物质作固化剂，在受热情况下与1000℃下干燥的污染物混合，冷却成型。热塑性物质在常温下呈固态，高温时变成黏液，故可用来包覆废物。目前，固化处理应用的热塑性材料有沥青、石蜡、聚乙烯、聚丁二烯等。

热塑性材料固化可用于无机废弃物或有机废弃物的处理，其固化所得产品空隙率低，污染物浸出率低于水泥基固化法和石灰基固化法产品；干废物对固化基材的掺合量从1：1～2：l，可以减少容器费和运输费以及最终处置费；固化基材对溶液或微生物具有强抗侵蚀性；固化体不需作长时间养护。

热塑性固化材料是热的不良导体，蒸发过程热效率低；含水量大的废物需先冷冻、融解或离心脱水处理；由于基材具有可燃性，要求产品有适宜的包装；固化基材受大剂量辐射时，其弹性或软化点提高，故不宜处理高放射性废物；热塑性材料价格昂贵，操作复杂，设备费用高；对于在高温下易分解的废物、有机溶剂以及强氧化性废物不宜使用。

3．1．4有机聚合物固化

对于复合材料基体树脂的固化方式近几年也有较快发展。传统的热压罐法等加热固化方式由于能源利用率低、加工周期长、环境污染大等受到了挑战。光固化、电子束固化等辐射固化方式由于固化温度低、固化速度快、热收缩内应力小、环境污染小等优点

【41】获得了快速发展。

目前用于先进树脂基符合材料的基体树脂主要是不饱和树脂、环氧树脂、聚酰亚胺和双马来酰亚胺树脂，其固化方式采用辐射固化技术的不少。

3．1．5自胶结固化

自胶结固化方法是一种利用废物本身的胶结特性进行固化处理的方法。该方法主要是用来处理大量含硫酸钙或亚硫酸钙的废物。其原理是基于亚硫酸钙半水化合物

(CaS03·1／2H20)在加热到脱水温度后，会变成具有胶结作用的物质。固化产物可以送往土地填埋场处理。

自胶结固化方法的优点是工艺比较简单，废物可自行固化，缺点是应用面窄，只适于含有大量能成为胶结剂的废物。

3．1．6玻璃固化

玻璃固化技术是以玻璃原料为固化基材的一种固化方法，是利用高温(1500℃以上)

把固态污染物融化为玻璃质或玻璃质与晶体混合物。处理时可就地进行，也可异地进行。所形成的玻璃态物质与水泥固化物相比，具有耐久性更高、抗渗出性更好、耐酸性腐蚀更强等优点，而且污染物质经处理后其体积将变小(最多可减少75％)，而其他处理方法均无此优点。

玻璃化处理的成本往往很高，一般仅用于污染物成分复杂的污染土(或其他固体污染物)处理。经玻璃化作用后，绝大部分的有机污染物将因热解而被焚毁或转化为蒸气逸出(所逸出的气体需收集并处理)，而放射性物质、重金属元素则被牢固地束缚于已熔化的玻璃状一陶瓷状的物质之内。但放射性污染物经玻璃化技术处理后其放射性不能得

【42】到改变，仍需隔离防护。

3．2固化材料及机理

固化是近年来石油工业普遍重视和使用较多的一种方法。在固化过程中，泥浆中的重金属离子与固定剂发生反应，生成化合物而被固定，阻止重金属离子外移；其它污染物由于吸附作用及固化体的网状结构和较小空隙通道，限制了其迁移，所以浸出率较低。

因有机固化剂处理成本高，且易产生二次污染，故本研究在前期论证的基础上，拟选用无机固化剂处理钻井废浆液。主固化剂选定为水泥、粉煤灰，在此基础上寻找其它药剂，便于和水泥、粉煤灰等组成经济适用的复合固化剂，以期达到更好的无害化处理效果。

四、总结

油田钻井泥浆是油田钻井过程中, 起着润滑、冷却、护壁、传输钻井岩屑、平衡地层压力作用的工作液。钻井废弃泥浆由钻井过程中排放的少量泥浆和完井后排放的大量泥浆组成, 主要成分为膨润土、钻井岩屑、水以及多种化学添加剂。由于废弃泥浆中含有重金属、碱、盐、油、有机物等多种有毒有害污染物; 处理难度较大, 因此与含油污水、污油共称为油田三大公害。随着国家环保法律法规的完善, 人们环保意识的增强, 石油工业加大了消除、利用“ 三大公害” 的科研攻关力度。

而本论文由于各种条件所限，无法进行更深层次上的实验研究和实践考察，因此只作学术上的浅谈和理论的介绍，主要是介绍油田钻井废泥浆的情况和该领域的研究技术以及处理方法和意义，因此参考了大量的文献。内容上仍相对简浅和概念性，但仍希望在将来考上研究生后进行相关的实验和研究，为环境保护和科学研究作一份贡献。

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