水基廢鉆井液固化技術(shù)研究

水基廢鉆井液固化技術(shù)研究

在殘余水井的過程中，破壞環(huán)境的主要因素是有機、無機、重金屬離子、各種紙漿和重建材料中的雜質(zhì)。完井后不進行處理直接排放或棄放在井場,遇到雨季,水基廢鉆井液中的有害物質(zhì)會隨雨水外溢流入農(nóng)田、河流,滲入地表,對當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境造成破壞。塔里木油田的水基廢鉆井液進行固化處理后,固化產(chǎn)物浸泡液中污染物含量超標(biāo)嚴重。塔里木油田公司工程技術(shù)服務(wù)部與西南石油學(xué)院合作,就塔里木油田水基廢鉆井液無害化固化處理做了深入研究,采用了先破膠后固化的處理技術(shù),固化體具有一定強度,固化體浸出液無毒,無污染,達到國家污水排放標(biāo)準(zhǔn),形成了一套全新的水基廢鉆井液固化處理技術(shù)——無害化固化處理技術(shù)。1有機物污染嚴重鉆井液具有膠體體系的基本特征,污染物在其中呈穩(wěn)定狀態(tài),其中的有機物具有較好的水溶性。若對其進行直接固化處理,有機物的分子形態(tài)未發(fā)生改變,固化體經(jīng)水浸泡后,其中的有機物會從固相向水相轉(zhuǎn)移,污染水體,特別是聚磺鹽水鉆井液固化后,經(jīng)水浸泡5min左右,水相即呈黃色,浸泡24h后,水相呈棕紅色,色度高達200倍以上。同時,有機物等污染物也嚴重超標(biāo)。因此,有必要加入化學(xué)藥劑以降低有機物的水溶性,使其固化后不容易從固相轉(zhuǎn)移到水相。1.1破膠劑的陽離子材料根據(jù)鉆井液的形成機理,粘土礦物因晶格取代,使其表面帶負電荷,在堿性條件下,粘土表面易形成水化膜,在靜電斥力的作用下,使粘土顆?？膳c水溶液形成穩(wěn)定的膠體分散體系;高分子材料(如KPAM、80A51、SMP、CMC等)在水中電離成帶負電的基團,因電荷的作用,分子形態(tài)舒展,有利于它們與粘土、水共同形成穩(wěn)定的鉆井液膠體。據(jù)此分析,破膠劑的選擇方向是陽離子型強電解質(zhì)。破膠劑加入廢鉆井液后,一方面它電離出的陽離子對顆粒表面的負電荷有中和作用,可以降低粘土顆粒表面的負電荷,降低ζ電位,減小顆粒間的斥力,使其穩(wěn)定性減弱或失去穩(wěn)定性;另一方面陽離子可被高分子材料的陰離子基團吸附(電性中和),降低高分子鏈內(nèi)的斥力,使高分子鏈發(fā)生卷曲,將失穩(wěn)的粘土顆粒包裹起來并從鉆井廢液中分離出來;加入的陽離子物質(zhì)可以同鉆井液中的有機物形成溶解度比較小甚至不溶的絡(luò)合劑(絡(luò)合物)。其結(jié)果必然是絕大部分有機物(表現(xiàn)為COD)在固化體中的活性降低,不易被水浸泡出來。1.2w-b破膠試驗根據(jù)聚沉穩(wěn)定性理論,經(jīng)過大量實驗研究,最后確定出兩種效果較好的破膠劑,即SW-A和SW-B。破膠劑SW-A適用于高密度(2.0g/cm3)廢鉆井液,破膠劑SW-B適用于中密度(1.5g/cm3左右)和低密度(1.2g/cm3左右)廢鉆井液。根據(jù)破膠后廢鉆井液浸出液顏色的深淺判斷破膠劑作用效果的好壞。取100g廢鉆井液,分別加入各種破膠劑各10mL,觀察破膠后廢鉆井液浸出液。由于此時破膠后的廢鉆井液所含的粘土容易分散在水中,引起水體渾濁,在燒杯中不容易分辨出破膠效果的優(yōu)劣。因此,可以將破膠后的廢鉆井液放置在濾紙上觀察,由于濾紙具有強的吸水性,可以清楚地分辨出濾紙上顏色的深淺程度,從而可以定性判斷破膠劑的有效破膠效果。2硬化處理2.1采取水泥固化方法破膠后的水基廢鉆井液體系雖然浸出顏色較淺,但是其中的粘土、重金屬等組分在有水的情況下容易浸泡(滲析)出來,為了使水基廢鉆井液中污染物組分被完全固定下來,則需要進一步進行固化處理。針對塔里木油田的實際情況,采用以水泥固化為主,結(jié)合石灰固化的方法。其固化方法為,在破膠后的水基廢鉆井液體系中先加入少量石灰,由于石灰的吸水性以及石灰的固化性能,可以起到部分固化作用,再加入足量的水泥,通過水泥的較強固化作用將水基廢鉆井液固化,使其具有一定的抗壓強度。并且固化產(chǎn)物的浸出液達到了國家允許的排放標(biāo)準(zhǔn)。故選定水泥和石灰作為塔里木油田水基廢鉆井液的固化劑。2.2廢水水質(zhì)分析首先對高、中、低密度廢鉆井液體系濾液中主要污染物的含量進行了分析,結(jié)果見表1。由表1可以看出,該水基廢鉆井液體系濾液pH值較高,不含有色金屬As、Hg,但是色度極深,COD值高、Cl-離子含量高、總Cr含量高、Pb含量較高,綜合指標(biāo)遠遠超過國家污水綜合標(biāo)準(zhǔn)(GB8978—1996)一級標(biāo)準(zhǔn)要求。2.2.1最佳加量的確定由破膠劑的復(fù)配可知,SW-A對高密度水基廢鉆井液具有較好的破膠效果,SW-B對中、低密度水基廢鉆井液體系具有較好的破膠效果。但應(yīng)進一步考察破膠劑加量對破膠效果的影響,加量太小則破膠不完全,加量太大則增加處理成本,而且出現(xiàn)效果變差的現(xiàn)象。因此,通過大量實驗確定出了適宜的最佳加量。選取了濃度為40%的破膠劑,對其加量與破膠效果的關(guān)系進行了實驗,其結(jié)果見表2、表3和表4。由表2～4可知,高密度鉆井液在SW-A加量大于11mL/100g,中密度和低密度鉆井液在SW-B加量分別大于10mL/100g和9mL/100g時,破膠后的水基廢鉆井液固化物浸出液顏色很淺,幾乎無色,表明已被徹底破膠,加量如果再進一步加大對破膠不再起作用,反而使廢鉆井液反向膠體化,這樣會使后續(xù)的固化處理中水泥的用量增加,從而增加廢鉆井液固化處理成本。2.2.2固化產(chǎn)物的表征在一定量的破膠廢鉆井液體系中加入固化劑,在攪拌器中攪拌均勻,放入測抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)模子中成型。觀察固化產(chǎn)物的形態(tài)、凝固程度,并對固化7d后的廢鉆井液體系固化物樣品進行了抗壓強度和固化產(chǎn)物浸出液中有害物質(zhì)含量的測定。固化產(chǎn)物浸出液的浸出方法參照標(biāo)準(zhǔn)GB5086.2—1997,浸出液中污染物含量是否超標(biāo)參照標(biāo)準(zhǔn)GB8978—1996。2.2.3固化效果的認定由于實驗樣品數(shù)量很大,固化后完全干透所需時間長(至少3d),不可能即時對每一個樣品都進行抗壓強度實驗和浸出液指標(biāo)分析。根據(jù)已有的實驗數(shù)據(jù)及經(jīng)驗,對固化效果進行了自定義分級,以便初步判斷固化產(chǎn)物的固化效果。自定義的具體標(biāo)準(zhǔn)如表5所示,在加入一定量的固化劑24h后,用手指試壓感覺固化劑的強度。自定義標(biāo)準(zhǔn)是一個表觀的數(shù)據(jù),只能定性地用于實驗初期優(yōu)選配方,但不能代替最終具體分析,最終效果將由配方優(yōu)選和相關(guān)實驗研究來確定。依據(jù)實驗結(jié)果和固化處理現(xiàn)象,并結(jié)合表5固化物物理特征描述情況得知,固化產(chǎn)物達到自定義標(biāo)準(zhǔn)在Ⅲ級以上時,可將廢鉆井液固化物在固化7d后,進行抗壓強度測定。2.2.4水泥固化后固化產(chǎn)物的強度考察了不同石灰加量對破膠后廢鉆井液體系固化效果的影響。高密度廢鉆井液在水泥加量為20g/(100g廢鉆井液)的條件下,中密度和低密度廢鉆井液在水泥加量為30g/(100g廢鉆井液)的條件下,配比加入不同的石灰量,觀察固化24h后固化產(chǎn)物的強度,其結(jié)果見表6。由表6可知,當(dāng)石灰配比加量大于10g/100g時,廢鉆井液體系固化產(chǎn)物表面較硬,有一定強度,手指不能將其壓碎,即固化物可達到自定義標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ級,估計7d后廢鉆井液固化物將獲得較高的抗壓強度。2.2.5固化體強度測定當(dāng)石灰加量為10g/100g時,考察了高、中、低密度廢鉆井液在不同水泥加量時7d后固化體的強度,結(jié)果見表7。由表7可以看出,要使廢鉆井液體系固化7d后的固化物抗壓強度達到0.5～1.0MPa,高、中、低密度廢鉆井液所需的石灰加量分別為10%,所需的水泥加量分別為20%～25%、25%～40%和30%～40%。2.2.6水泥加量推動確定按照前面所確定的固化條件,使固化7d后的固化物抗壓強度達到0.5MPa以上,對于高、中、低密度廢鉆井液,水泥加量分別為20%、25%、30%,石灰的加量均為10%的條件下固化。固化物浸出液中污染物含量的分析結(jié)果見表8。3廢鉆井液責(zé)任固化技術(shù)配方確定通過實驗研究得知,在滿足主要技術(shù)指標(biāo)(固化物浸出液中主要污染指標(biāo)均能達到國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8978—1996)一級標(biāo)準(zhǔn)要求)和抗壓強度(0.5～1.0MPa)的前提下,確定出了廢鉆井液無害化固化技術(shù)配方,見表9。由表9可以看出,廢鉆井液無害化固化技術(shù)配方及處理成本能滿足固化處理的合理要求。4破膠劑sw-b加量的確定1.研制出了適合于高密度水基廢鉆井液的破膠劑SW-A,適合中、低密度水基廢鉆井液的破膠劑SW-B,并優(yōu)選出了破膠劑的最佳加量。高密度廢鉆井液破膠劑SW-A加量為60kg/t廢鉆井液;中密度和低密度廢鉆井液破膠劑SW-B加量為40kg/t廢鉆井液。2.優(yōu)選出了固化劑(石灰、水泥),考察了固化劑加量對固化體強度的影響。3.確定出了固化體強度為0.5MPa、1.0MPa的技術(shù)配方。要使固化體的強度達到0.5MPa,高密度、中密度和低