水基钻完井废弃物固化处理技术研究

马文杰，岳明，王凯，李小龙，李凤娟，曹智鹏

（1.中海石油环保服务(天津）有限公司，天津 300452；2.中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司，天津 300452；3.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

在石油天然气勘探开采过程中，不可避免的会产生大量会严重危害环境的污染物。石油企业为达到安全、快速钻完井的目的使用水基钻完井添加剂，产生了大量的水基钻完井废弃物，其成分非常复杂，主要是黏土，各种化学处理剂等形成的稳定态胶体悬浮体系。水基钻完井废弃物危险环境的主要成分有盐类，高分子量有机化合物，木质素磺酸盐，重金属离子、重晶石中的杂质等，一旦外排到自然环境中，有对生态环境造成污染。近年来，随着我国石油工业的迅速发展，加强水基钻完井废弃物处理技术研究，探寻更加科学、合理的处理技术，是油田生产中面临的严峻问题。

1 水基钻完井废弃物处理的现状

随着国内环保意识的日益增强，对水基钻完井废弃物的处理技术的要求也越来越高。目前水基钻完井废弃物的处理技术主要有直接排放法、回注法、填埋法、化学强化分离法、耕种法、MTC 处理法、生物讲解法、固化法等[1]，各处理方法的适用性和优缺点对比见表1。

表1 各类水基钻完井废弃物处理方法的优缺点比较

2 水基钻完井废弃物固化技术

固化法是向脱水之后的水基钻完井废弃物中加入固化剂，与水基钻完井废弃物发生一系列复杂的物理、化学变化，将高聚物、重金属等有害物质封闭、包裹在其中，从而降低其沥滤性，防止高聚物、重金属等向环境扩散和迁移的一种处理水基钻完井废弃物的方法。这种方法能有效地避免水基钻完井废弃物中的金属离子和有机物对土壤的侵蚀，从而减少其对环境的危害[2]。

固化法是一种比较可靠的处理水基钻完井废弃物的方法，在现场已经开展了较多应用研究。不同的固化技术有其自身的不同优点，按照所用固化剂种类和固化过程的不同[3]，将处理水基钻完井废弃物的固化技术大致分为以下几种：

2.1 粉煤灰固化

粉煤灰固化是把粉煤灰用作钻完井废弃物的固化材料，将其固结成具有耐久性和一定强度的固化体的工艺技术。粉煤灰中SiO2，Al2O3等杂质成分，受水基钻完井废弃物里碱性物质或者石膏的硫酸盐激发，会使钻完井废弃物硬化，进而将其中的有害物质固化起来。粉煤灰固化技术由于操作简单，原材料来源广，处理费用低[4]，在处理中不会产生有害气体危害人体健康，因此被广泛应用。

2.2 水泥固化法

水泥固化以水泥作为主要固化原料，工艺简单而且操作方便、生产材料来源丰富、投入成本小，是目前比较成熟的一种固化处理方法。当水泥与水以及钻完井废弃物混合时，水泥会产生硬化效应。水基钻完井废弃物中的有害物质会在固体中凝固，随着时间的增加，水泥将变得越来越坚硬。潘宝风等[5]在分析了水基钻完井废弃物化学组成的基础上，开发出了由硅酸盐水泥、页岩、高铝水泥组成的固化剂，并对固化物的性能进行了研究。

2.3 沥青固化法

沥青固化法是将钻完井废弃物与沥青在一定的温度、配料比、碱度下进行混合，产生皂化反应而形成固化体。虽然沥青固化形成的固化体密度较高，但此方法施工作业难度系数较大，而且存在沥青被生物降解而造成污染物的渗漏的风险。

2.4 玻璃固化法

玻璃固化法是以玻璃作为主要固化剂，以无机盐类作为辅助剂，将钻完井废弃物与玻璃质相结合，按一定的配料比进行中和与缩合脱水反应，形成水玻璃固化体，达到固化处理效果[6]。此种处理方式得到的固化体具有较高的持久度，耐酸性强，抗透水性好，减量效果好，但目前此方法还处于试验摸索阶段。

2.5 免烧砖固化技术

水基钻完井废弃物制备免烧砖固化技术是将废弃物中加入沙、粗骨料、碎石等加固原料和胶黏剂，在高压作用下，通过一定的物理、化学作用，形成高强度整体，进而被作为免烧砖进行资源化利用。免烧砖制备具体流程[7]见图1。

图1 免烧砖制备工艺流程图

根据《固体废物鉴别标准通则(GB 34330- 2017)》，通则5.2 a)中明确“利用固体废物生产的产物同时符合国家、地方制定或行业通行的被替代原料生产的产品质量标准时，不作为固体废物管理，按照相应的产品管理。将水基钻完井废弃物进行资源化利用制成相应产品，符合国家相关规定。制备出免烧砖符合相关行业标准后，可供企业用于厂区道路铺设、井场围墙修建，从而降低企业场地的建设成本。

免烧砖具有外观古朴自然、抗压强度高、不怕水、抗风化、抗冻融、耐腐蚀、无须烧结的特点[6]。但是免烧砖养护期较长，通常需要养护28 天以上，养护时间还收养护期间的天气的制约。

3 影响固化处理效果的因素

尽管国内外对水基钻完井废弃物处理进行了大量的室内和现场试验，但目前的实践还存在很多问题。随着油田开采难度的不断增加，水基钻完井废弃物的成分越来越复杂，处理的难度也越来越大。首先，固化剂的筛选就是制约固化效果的第一要素。不同油田使用的钻井液体系不同，不产生的钻完井废弃物成分也不一样，即使是同一区域，不同井深的废弃物中所含污染物的数量和种类也会有所差异，因此需要针进行大量的筛选和配比实验来选择合适的固化剂。

除了固化剂的选择，固相含量、固化温度、和固化时间等因素也对水基钻完井废弃物的固化效果有直接的影响。任君[2]通过大量实验得出，水基钻完井废弃物固相含量控制在50%左右时固化效果最好，而固化温度控制在20～40 ℃最佳；另外固化时间应达到7 d 以上才能达到较好的固化强度。

4 结束语

随着国家对固废管理的进一步加强，水基钻完井废弃物综合利用技术也越来越受到重视，其中的固化处理技术也得到了迅速的发展，因为其固化产物可以用作建筑材料实现废弃物的减量化和资源化利用，符合国家保护生态平衡，可持续发展的政策指向，因而具有广阔的市场前景。