劉宇程 劉 騫 吳東海 呂忠祥 陳 菊
1.西南石油大學化學化工學院 2.富順縣水務局
新疆油田聚磺鉆井廢液固化處理技術(shù)
劉宇程1劉 騫1吳東海1呂忠祥1陳 菊2
1.西南石油大學化學化工學院 2.富順縣水務局
聚磺鉆井液體系的鉆井廢液無害化處理達標難度較大,尤其是過高的COD值和pH值難以控制。采用實驗室復配的鉀鈣基聚磺體系鉆井液為試樣,處理前COD值高達22 466.4 mg/L,pH值為11.45,加入MTH-1、MTH-2、MTH-3、粉煤灰和水泥進行固化處理,并對固化劑配比進行優(yōu)化實驗。結(jié)果表明,在2.5%(w)MTH-1+2.5%(w)MTH-2+8%(w)粉煤灰+35%(w)水泥最優(yōu)化投加量基礎(chǔ)上,候凝期用MTH-3調(diào)節(jié)pH值,固化后浸出液COD值、pH值等各項指標均達標。該配方在3個井場的廢棄鉆井液的處理中,均能達到良好效果,固化物浸出液各項污染指標達到GB 8978-1996《污水綜合排放標準》中一級標準要求。
聚磺鉆井液 無害化 固化技術(shù) 配方優(yōu)化
據(jù)統(tǒng)計,我國油田每年鉆井產(chǎn)生的廢棄鉆井液約為1 200多萬噸[1]。為了滿足鉆井技術(shù)的需要,鉆井液中常添加各種化學處理劑,會產(chǎn)生大量的鉆井廢液,其含黏土、加重材料、化學處理劑、污水、聚合物、重金屬離子、瀝青等[2],化學成分復雜,主要呈現(xiàn)COD值、pH值偏高以及鉆井廢液污染物組成多變性、復雜性的特點,若處理不當,對周圍環(huán)境中的土壤、地下水及地表水將造成嚴重危害[3]。
隨著環(huán)保意識的加強,廢棄鉆井液的無害化處理日益受到關(guān)注。目前,針對廢棄鉆井液的處理,國內(nèi)主要的治理方法有生物降解法、固化法、坑內(nèi)填埋法等[4-5]。其中,固化法能夠有效降低廢棄鉆井液中的有機物以及重金屬離子等對水體、土壤和生態(tài)環(huán)境的影響和危害,并且由于其具有施工簡單、速度快、處理效果好、對環(huán)境影響小、成本低廉等優(yōu)點,被廣泛應用于各油田[6]。董婭瑋[7]結(jié)合長慶油田陜北油區(qū)廢棄鉆井液中污染物的特性,采用正交實驗優(yōu)選了固化劑的配方:每處理1 m3廢棄鉆井液,加入0.4 t粉煤灰、0.06 t石灰、0.3 t黃土和0.05 t水泥,固化體浸出液主要污染物含量低于GB 8978-1996《污水綜合排放標準》的一級排放標準。尹亞君[8]等針對塔河油田某鉆井現(xiàn)場水基廢棄鉆井液進行固化處理,通過正交實驗研究出16%水泥+2%生石灰+8%粉煤灰+1%氯化鈣+5%石膏的固化配方(以質(zhì)量分數(shù)計,下同),使固化后浸出液中各項指標達到排放標準;李莉[9]針對四川油氣田某井鉆井廢液研究出的固化配方為8%水泥+8%粉煤灰+4.1%石膏+6%硫酸鋁+2.7%無機固化主劑A,效果良好。
然而,固化法處理廢棄鉆井液存在局限性。同樣的固化配方處理不同鉆井液體系、不同井深、不同區(qū)塊條件下的廢棄鉆井液具有明顯差異,不具備較強的適應性。如現(xiàn)場通過實驗調(diào)整固化配方,操作不便、耽誤時間、影響施工進程。水基鉆井液中,鉀鈣基聚磺體系鉆井液較難處理。本研究針對新疆油田廢棄鉆井液處理現(xiàn)狀,以實驗室所配制的鉀鈣基聚磺體系鉆井液為研究對象,按照鉆井液配方準確配制,并且模擬地層溫度、滯留地層時間等鉆井過程參數(shù)而開展。用固化法處理實驗室復配鉆井液,使COD值、pH值、石油類、色度等主要污染指標達到GB 8978-1996要求,優(yōu)化配方,并應用于鉆井現(xiàn)場廢棄鉆井液,以驗證固化配方的實用性和可靠性。
固化處理是將適當比例的化學添加劑與固化劑添加至廢鉆井液并充分混合,化學添加劑使鉆井液失穩(wěn)脫水,固化劑與鉆井液中的水分發(fā)生劇烈的水化反應,與有機物及固相顆粒交聯(lián)絮凝,形成固相-固化劑-水的水化絮凝體系,通過自膠結(jié)和包膠作用,轉(zhuǎn)變?yōu)橐喝芄虘B(tài)水合物,經(jīng)過一段時間后逐漸硬化,轉(zhuǎn)變成為不可逆轉(zhuǎn)的常態(tài)固體[10]。形成的固化物具有抗水性、圈閉包裹性和吸附性,從而可達到限制鉆井廢液流動和抑制其組分遷移擴散的目的,有效防止了廢液內(nèi)重金屬離子、有機物質(zhì)對土壤、水體和生態(tài)環(huán)境的危害[11]。
2.1儀器與試劑
主要儀器:OiL460全自動紅外分光測油儀、原子熒光光度計、康氏振蕩器、節(jié)能COD恒溫加熱器、數(shù)顯電熱恒溫鼓風干燥箱、電子分析天平、比色管、PHS-3C數(shù)顯pH酸度計、自動萃取儀。主要試劑:重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、硫酸銀、濃硫酸、試亞鐵靈、硫酸汞、四氯化碳(環(huán)保級)。
2.2實驗方法
2.2.1實驗室復配鉀鈣基聚磺體系鉆井液
2.2.2復配鉀鈣基聚磺體系鉆井液性質(zhì)分析
在中壓(0.8 MPa)條件下,得到復配鉀鈣基聚磺鉆井液的濾失液,濾失液呈深褐色,并有濃烈刺鼻氣味。對濾失液COD值、pH值、色度、石油類、含水率、密度等主要指標進行測定(見表1)。
表1 鉆井液的基本性質(zhì)Table1 BasiccharacteristicsofthedrillingfluidCOD值/(mg·L-1)ρ(氯離子)/(mg·L-1)pH值色度/倍ρ(石油類)/(mg·L-1)含水率/%密度/(g·cm-3)22466.434189.411.45620022.46356.071.34
由表1可知,對照GB 8978-1996,該鉆井液COD值、色度嚴重超標;鉀鈣基聚磺體系鉆井液高含氯,石油類同樣超過標準;pH值為11.45,鉆井液呈堿性。
2.2.3固化試驗方法
取50 mL鉆井廢液于燒杯中,按照一定質(zhì)量比依次加入MTH-1、MTH-2,充分攪拌后,加入按一定比例混合的固化劑,均勻攪拌后移入模型中成型。自然條件下候凝7天,在候凝期加入MTH-3調(diào)節(jié)pH值。按HJ 557-2010《固體廢物浸出毒性浸出方法 水平振蕩法》得到固化浸出液,測定浸出液COD值、pH值、色度等主要指標。
3.1單因素實驗
本實驗針對MTH-1、MTH-2、粉煤灰、水泥4個因素的投加量(按質(zhì)量分數(shù)計,下同)進行單因素實驗,考察不同實驗條件對鉀鈣基聚磺體系泥漿固化效果的影響。
3.1.1MTH-1投加量對固化效果的影響
MTH-2投加量為2%,粉煤灰投加量為4%,水泥投加量為25%,考察MTH-1的投加量為1%、1.5%、2%、2.5%、3%時,實驗室復配鉀鈣基聚磺體系鉆井液經(jīng)固化后浸出液COD值和pH值的變化(見圖1)。
3.1.2MTH-2投加量對固化效果的影響
MTH-1投加量為3%,粉煤灰投加量為4%,水泥投加量為25%,考察MTH-2的投加量為1%、1.5%、2%、2.5%、3%時,實驗室復配鉀鈣基聚磺體系鉆井液經(jīng)固化后浸出液COD值和pH值的變化(見圖2)。
由圖2可知:隨著MTH-2的投加量由1%增加到2%,浸出液COD值下降明顯,這是由于加入的MTH-2提供的絡合離子強烈吸附膠體微粒,通過吸附、架橋、交聯(lián)作用使膠體凝聚,同時中和膠體微粒及懸浮物表面的電荷,使膠體微粒由原來的相斥變?yōu)橄辔?,能夠相互碰撞,從而破壞了膠體穩(wěn)定性,形成絮狀混凝沉淀[12];當投加量超過2%時,COD值下降緩慢,這可能與MTH-2提供氯離子有關(guān)。隨著投加量的增加,被引入的雜質(zhì)離子增加,影響浸出液COD值的測定;隨著MTH-2投加量由1%增加到3%,pH值有一定的降低,這是由于MTH-2水溶液為弱酸性,對固化物浸出液有一定的調(diào)節(jié)pH值作用,但效果并不理想。綜合考慮,MTH-2投加量選定為2%。
3.1.3粉煤灰投加量對固化效果的影響
MTH-1投加量為3%,MTH-2投加量為2%,水泥投加量為25%,考察粉煤灰的加量為2%、4%、6%、8%、10%時,實驗室復配鉀鈣基聚磺體系鉆井液經(jīng)固化后浸出液COD值和pH值的變化,結(jié)果見圖3。
由圖3可知:隨著粉煤灰的投加量由2%增加到8%,浸出液COD值呈下降趨勢,這是由于粉煤灰在一些堿性物質(zhì)和水泥的激發(fā)作用下,發(fā)生水化反應,凝結(jié)成穩(wěn)定固化物,一是通過生成絡合物形成分子鍵、化學鍵等進行化學固結(jié);二是因其本身具有的強吸附性,通過吸附、粘結(jié)等作用固定鉆井液中有害物質(zhì),并且粉煤灰的引入能快速提高固化物早期強度[13]。投加量超過8%時,浸出液COD值回升,這是由于體系中Ca(OH)2有限,粉煤灰投加量過多之后,可以激發(fā)粉煤灰反應的Ca(OH)2不足,最終導致粉煤灰不能參加相關(guān)反應,只能作為惰性的固體顆粒填充物,且粉煤灰量過多時,固化物較松軟,固化效果差,導致浸出液COD值升高[14]。固化物浸出液pH值隨著粉煤灰投加量的增加呈上升趨勢,這是由粉煤灰自身堿性性質(zhì)所定。綜合考慮,粉煤灰投加量為8%。
3.1.4水泥投加量對固化效果的影響
MTH-1投加量為3%,MTH-2投加量為2%,粉煤灰投加量為8%,考察水泥的加量為20%、25%、30%、35%、40%時,實驗室復配鉀鈣基聚磺體系鉆井液經(jīng)固化后浸出液COD值和pH值的變化(見圖4)。
由圖4可知,隨著水泥投加量的增加,固化物浸出液COD值下降,當水泥投加量超過35%時,浸出液COD值無明顯變化,曲線趨于平緩;隨著水泥投加量的增加,pH值逐漸上升。水泥的主要組分為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸二鈣及鐵鋁四鈣,水泥與鉆井液中的水分攪拌混合后,熟料顆粒表面迅速與水發(fā)生反應[15],因為水化物生成速度大于水化物向溶液擴散的速度,于是生成的水化產(chǎn)物在水泥顆粒表面堆積,即凝膠膜層;由于Ca2+的滲透,凝膠膜層破裂,使得顆粒表面暴露并與水發(fā)生反應,水化物生成速度大于其擴散速度,故在顆粒表面又堆積了大量的凝膠,這個反應不斷進行,生成一層厚厚的凝膠膜新結(jié)構(gòu),隨著反應繼續(xù)進行,水分減少,凝膠結(jié)構(gòu)分子間距離減少,吸引力越來越大,粘結(jié)力增大,互相結(jié)合,破壞了無規(guī)則排列,變?yōu)橛幸?guī)則排列,產(chǎn)生晶體。晶體相互交錯成網(wǎng)狀,起主要的承力骨架作用,膠體起膠結(jié)作用,二者共同生長,緊密結(jié)合,形成堅固致密的固化物[16];固化物浸出液pH值隨著水泥投加量的增加呈上升趨勢,這是由水泥自身堿性性質(zhì)所定。綜合考慮,水泥的投加量為35%。
3.2響應曲面優(yōu)化實驗
經(jīng)單因素實驗分析了MTH-1、MTH-2、粉煤灰和水泥4個因素的投加量對實驗室復配鉀鈣基聚磺體系鉆井液固化浸出液COD值的影響,綜合分析單因素實驗結(jié)果,可以縮小響應曲面實驗范圍,現(xiàn)利用Design-expert優(yōu)化條件:MTH-1投加量(A)、MTH-2投加量(B)和水泥投加量(C),設計3因素3水平實驗,共進行17個實驗點實驗,實驗結(jié)果見表2。
表2 鉀鈣基聚磺體系鉆井液固化實驗設計及結(jié)果Table2 Experimentdesignandresultsofsolidificationtreatmentonthepotassiumcalciumbasedpolymermud序號A①/%B①/%C①/%COD值/(mg·L-1)13.03.035119.523.02.530138.732.02.540152.742.02.530170.852.52.535145.463.02.035137.972.52.535146.982.52.030162.892.53.030153.1102.53.040124.9112.52.535145.9122.52.535144.6133.02.540129.5142.52.535144.6152.52.040169.8162.03.035135.6172.02.035171.2 注:①以質(zhì)量分數(shù)計。
將所得的實驗數(shù)據(jù)采用Design Expert 軟件進行三元回歸擬合,得到以實驗室復配鉀鈣基聚磺體系鉆井液固化物浸出液COD為響應值的回歸方程:
COD值=144.52-13.09A-13.58B-6.06C+4.30AB+2.23AC-8.80BC-4.10A2+0.63B2+7.50C2
(1)
式(1)中各項系數(shù)的絕對值表示各因素對浸出液COD值的影響程度,系數(shù)的正負表示各因素對COD值的影響方向。
表3 固化實驗回歸方程系數(shù)顯著性以及方差分析Table3 Analysisofvarianceandsignificantoftheregressionequation方差來源平方和自由度均方差F值P值Model3839.779426.64140.11<0.0001A1370.2611370.26449.99<0.0001B1474.2411474.24484.14<0.0001C294.031294.0396.56<0.0001AB73.96173.9624.290.0017AC19.80119.806.500.0381BC309.761309.76101.73<0.0001A270.69170.6923.220.0019B21.6611.660.540.4846C2237.001237.0077.83<0.0001殘余項21.3273.05失擬項9.0533.020.980.4847誤差12.2743.07總和3861.0816
由回歸方程及P值可知,3種因素對浸出液COD值影響大小的關(guān)系為:MTH-2>MTH-1>水泥,進一步運用響應面分析各因素間的交互作用(見圖5)。
固化物浸出液COD值受MTH-1、水泥、MTH-2投加量影響較大,MTH-2和水泥投加量之間交互作用極顯著,COD值隨MTH-2、MTH-1和水泥的增加而降低,投加量至一定量時,COD值降低趨勢減緩。
3.3固化物pH值的調(diào)節(jié)
運用COD值最優(yōu)化的固化配方處理實驗室復配鉀鈣基聚磺體系鉆井液,MTH-1投加量為2.5%,MTH-2投加量為2.5%,水泥投加量為35%,在固化物候凝期間,加入MTH-3調(diào)節(jié)pH值,并測定固化物浸出液各項水質(zhì)指標,結(jié)果見表4。
表4 鉀鈣基聚磺體系鉆井液處理前后性質(zhì)對比Table4 Characteristicsofthelaboratory?preparedpotassiumcalciumbasedpolymermudbeforeandafterprocessing特性處理前處理后pH值11.458.16COD值/(mg·L-1)22466.40138.28ρ(石油類)/(mg·L-1)22.4638.222色度/倍62004ρ(汞)/(mg·L-1)--ρ(砷)/(mg·L-1)--ρ(氯離子)/(mg·L-1)34189.42008.4含水率/%56.07≤3.00
鉆井液經(jīng)處理后,色度、石油類、pH值達到GB 8978-1996一級排放標準;COD值達到二級排放標準,去除率超過99%;未檢出重金屬;氯離子與含水率大幅度降低。
將優(yōu)化后的處理方法應用到新疆油田多個井場不同體系廢棄鉆井液,考察此固化方法的適用性。
4.1聚磺體系
聚磺體系(烏爾禾組)廢棄鉆井液,井深2 940 m,處理前后性能對比見表5。
表5 聚磺體系鉆井液固化處理前后性質(zhì)對比Table5 Characteristicsofthepolysulfidedrillingmudbeforeandafterprocessing特性處理前處理后pH值8.868.29COD值/(mg·L-1)8271.7010.02ρ(石油類)/(mg·L-1)36.4660.414色度/倍82004ρ(汞)/(mg·L-1)≤0.05≤0.05ρ(砷)/(mg·L-1)≤0.5≤0.5ρ(氯離子)/(mg·L-1)1449.55105.21含水率/%59.84≤3.00
廢棄鉆井液經(jīng)處理后,色度、石油類、COD值、pH值均達到GB 8978-1996一級排放標準,COD的去除率達到99.88%;處理前后重金屬均未超標;氯離子與含水率大幅度降低。
4.2聚合鹽體系
聚合鹽體系廢棄鉆井液取自于富006井,井深2 785 m,處理前后性能對比見表6。
廢棄鉆井液經(jīng)處理后,色度、石油類、COD值、pH值達到GB 8978-1996一級排放標準,COD的去除率達到99.82%;處理前后重金屬均未超標;氯離子與含水率大幅度降低。
表6 聚合鹽體系鉆井液固化處理前后性質(zhì)對比Table6 Characteristicsofthepolysaltdrillingmudbeforeandafterprocessing特性處理前處理后pH值10.948.18COD值/(mg·L-1)7904.1014.02ρ(石油類)/(mg·L-1)12.5180.209色度/倍3204ρ(汞)/(mg·L-1)≤0.05≤0.05ρ(砷)/(mg·L-1)≤0.5≤0.5ρ(氯離子)/(mg·L-1)29740.78324.57含水率/%63.50≤3.00
4.3鉀鈣基聚磺體系
鉀鈣基聚磺體系(頭屯河組)廢棄鉆井液,井深1 408 m,處理前后性能對比見表7。
表7 鉀鈣基聚磺體系鉆井液固化處理前后性質(zhì)對比Table7 Characteristicsofthepotassiumcalciumbasedpolymermudbeforeandafterprocessing特性處理前處理后pH值10.928.39COD值/(mg·L-1)4309.5063.32ρ(石油類)/(mg·L-1)8.0066.384色度/倍6404ρ(汞)/(mg·L-1)≤0.05≤0.05ρ(砷)/(mg·L-1)≤0.5≤0.5ρ(氯離子)/(mg·L-1)23192.81541.58含水率/%81.4≤3.00
廢棄鉆井液經(jīng)處理后,色度、石油類、COD值、pH值均達到GB8978-1996一級排放標準,COD的去除率達到98.53%;處理前后重金屬均未超標;氯離子與含水率大幅度降低。
(1) 針對高COD值、高含水、高色度、高含氯的實驗室復配鉀鈣基聚磺體系鉆井液,通過單因素實驗和響應曲面法實驗得到了最優(yōu)化的固化方案:2.5%MTH-1+2.5%MTH-2+35%水泥,并在固化物候凝期加入MTH-3調(diào)節(jié)pH值至6~9。COD去除率超過99%,達到GB 8978-1996二級標準。
(2) 將固化配方應用到新疆油田現(xiàn)場取樣的鉀鈣基聚磺體系鉆井液、聚合鹽體系鉆井液和聚磺體系鉆井液,實驗結(jié)果表明,固化物浸出液COD值、pH值、色度、石油類、重金屬等指標均達到CB 8978-1996一級標準,說明此配方具有良好的適應性和普遍性。
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SolidificationtreatmenttechnologyonthewastedpolysulfidedrillingfluidinXinjiangOilfield
LiuYucheng1,LiuQian1,WuDonghai1,LyuZhongxiang1,ChenJu2
1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan,China; 2.WaterConservancyBureau,F(xiàn)ushun,Sichuan,China
At present, it is hard to conduct the harmless treatment on the wasted polysulfide drilling fluid to reach the national standard, especially the noticeably high COD and pH value. In this study, the potassium calcium based polymer mud prepared in lab, with COD as high as 22 466.4 mg/L and pH value at 11.45 originally, was taken as the sample. The drilling fluid was solidified by adding MTH-1, MTH-2, MTH-3, fly ash and cement; and tests were conducted to determine the optimal proportions. The results showed that the optimal recipe was 2.5 wt% MTH-1, 2.5 wt% MTH-2, 8 wt% fly ash and 35 wt% cement while MTH-3 was used to adjust the pH value during the curing period. With the above treatment, COD and pH value of the leachate could meet the “IntegratedWastewaterDischargeStandard(GB 8978-1996)”. Field test on wasted drilling mud from three wellsites further confirmed the above conclusion.
polysulfide drilling fluid, harmless, solidification technology, recipe optimization
TE992.2
A
10.3969/j.issn.1007-3426.2017.05.021
2017-02-07;編輯鐘國利
四川省科技計劃項目“鉆井固廢不落地處理工藝及綜合利用技術(shù)研究”(2017FZ0075);西南石油大學油氣田污染治理青年科研創(chuàng)新團隊“油氣田污染治理”(2013XJZT003)。
劉宇程(1977-),男,碩士研究生,教授,研究方向為油氣田污染治理。E-maillycswpi@163.com