馬文杰,岳明,王凱,李小龍,李鳳娟,曹智鵬
(1.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司,天津 300452;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司,天津 300452;3.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司,天津 300452)
在石油天然氣勘探開采過程中,不可避免的會(huì)產(chǎn)生大量會(huì)嚴(yán)重危害環(huán)境的污染物。石油企業(yè)為達(dá)到安全、快速鉆完井的目的使用水基鉆完井添加劑,產(chǎn)生了大量的水基鉆完井廢棄物,其成分非常復(fù)雜,主要是黏土,各種化學(xué)處理劑等形成的穩(wěn)定態(tài)膠體懸浮體系。水基鉆完井廢棄物危險(xiǎn)環(huán)境的主要成分有鹽類,高分子量有機(jī)化合物,木質(zhì)素磺酸鹽,重金屬離子、重晶石中的雜質(zhì)等,一旦外排到自然環(huán)境中,有對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。近年來(lái),隨著我國(guó)石油工業(yè)的迅速發(fā)展,加強(qiáng)水基鉆完井廢棄物處理技術(shù)研究,探尋更加科學(xué)、合理的處理技術(shù),是油田生產(chǎn)中面臨的嚴(yán)峻問題。
隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng),對(duì)水基鉆完井廢棄物的處理技術(shù)的要求也越來(lái)越高。目前水基鉆完井廢棄物的處理技術(shù)主要有直接排放法、回注法、填埋法、化學(xué)強(qiáng)化分離法、耕種法、MTC 處理法、生物講解法、固化法等[1],各處理方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。
表1 各類水基鉆完井廢棄物處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較
固化法是向脫水之后的水基鉆完井廢棄物中加入固化劑,與水基鉆完井廢棄物發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化,將高聚物、重金屬等有害物質(zhì)封閉、包裹在其中,從而降低其瀝濾性,防止高聚物、重金屬等向環(huán)境擴(kuò)散和遷移的一種處理水基鉆完井廢棄物的方法。這種方法能有效地避免水基鉆完井廢棄物中的金屬離子和有機(jī)物對(duì)土壤的侵蝕,從而減少其對(duì)環(huán)境的危害[2]。
固化法是一種比較可靠的處理水基鉆完井廢棄物的方法,在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)開展了較多應(yīng)用研究。不同的固化技術(shù)有其自身的不同優(yōu)點(diǎn),按照所用固化劑種類和固化過程的不同[3],將處理水基鉆完井廢棄物的固化技術(shù)大致分為以下幾種:
粉煤灰固化是把粉煤灰用作鉆完井廢棄物的固化材料,將其固結(jié)成具有耐久性和一定強(qiáng)度的固化體的工藝技術(shù)。粉煤灰中SiO2,Al2O3等雜質(zhì)成分,受水基鉆完井廢棄物里堿性物質(zhì)或者石膏的硫酸鹽激發(fā),會(huì)使鉆完井廢棄物硬化,進(jìn)而將其中的有害物質(zhì)固化起來(lái)。粉煤灰固化技術(shù)由于操作簡(jiǎn)單,原材料來(lái)源廣,處理費(fèi)用低[4],在處理中不會(huì)產(chǎn)生有害氣體危害人體健康,因此被廣泛應(yīng)用。
水泥固化以水泥作為主要固化原料,工藝簡(jiǎn)單而且操作方便、生產(chǎn)材料來(lái)源豐富、投入成本小,是目前比較成熟的一種固化處理方法。當(dāng)水泥與水以及鉆完井廢棄物混合時(shí),水泥會(huì)產(chǎn)生硬化效應(yīng)。水基鉆完井廢棄物中的有害物質(zhì)會(huì)在固體中凝固,隨著時(shí)間的增加,水泥將變得越來(lái)越堅(jiān)硬。潘寶風(fēng)等[5]在分析了水基鉆完井廢棄物化學(xué)組成的基礎(chǔ)上,開發(fā)出了由硅酸鹽水泥、頁(yè)巖、高鋁水泥組成的固化劑,并對(duì)固化物的性能進(jìn)行了研究。
瀝青固化法是將鉆完井廢棄物與瀝青在一定的溫度、配料比、堿度下進(jìn)行混合,產(chǎn)生皂化反應(yīng)而形成固化體。雖然瀝青固化形成的固化體密度較高,但此方法施工作業(yè)難度系數(shù)較大,而且存在瀝青被生物降解而造成污染物的滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。
玻璃固化法是以玻璃作為主要固化劑,以無(wú)機(jī)鹽類作為輔助劑,將鉆完井廢棄物與玻璃質(zhì)相結(jié)合,按一定的配料比進(jìn)行中和與縮合脫水反應(yīng),形成水玻璃固化體,達(dá)到固化處理效果[6]。此種處理方式得到的固化體具有較高的持久度,耐酸性強(qiáng),抗透水性好,減量效果好,但目前此方法還處于試驗(yàn)摸索階段。
水基鉆完井廢棄物制備免燒磚固化技術(shù)是將廢棄物中加入沙、粗骨料、碎石等加固原料和膠黏劑,在高壓作用下,通過一定的物理、化學(xué)作用,形成高強(qiáng)度整體,進(jìn)而被作為免燒磚進(jìn)行資源化利用。免燒磚制備具體流程[7]見圖1。
圖1 免燒磚制備工藝流程圖
根據(jù)《固體廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)通則(GB 34330- 2017)》,通則5.2 a)中明確“利用固體廢物生產(chǎn)的產(chǎn)物同時(shí)符合國(guó)家、地方制定或行業(yè)通行的被替代原料生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí),不作為固體廢物管理,按照相應(yīng)的產(chǎn)品管理。將水基鉆完井廢棄物進(jìn)行資源化利用制成相應(yīng)產(chǎn)品,符合國(guó)家相關(guān)規(guī)定。制備出免燒磚符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后,可供企業(yè)用于廠區(qū)道路鋪設(shè)、井場(chǎng)圍墻修建,從而降低企業(yè)場(chǎng)地的建設(shè)成本。
免燒磚具有外觀古樸自然、抗壓強(qiáng)度高、不怕水、抗風(fēng)化、抗凍融、耐腐蝕、無(wú)須燒結(jié)的特點(diǎn)[6]。但是免燒磚養(yǎng)護(hù)期較長(zhǎng),通常需要養(yǎng)護(hù)28 天以上,養(yǎng)護(hù)時(shí)間還收養(yǎng)護(hù)期間的天氣的制約。
盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)水基鉆完井廢棄物處理進(jìn)行了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),但目前的實(shí)踐還存在很多問題。隨著油田開采難度的不斷增加,水基鉆完井廢棄物的成分越來(lái)越復(fù)雜,處理的難度也越來(lái)越大。首先,固化劑的篩選就是制約固化效果的第一要素。不同油田使用的鉆井液體系不同,不產(chǎn)生的鉆完井廢棄物成分也不一樣,即使是同一區(qū)域,不同井深的廢棄物中所含污染物的數(shù)量和種類也會(huì)有所差異,因此需要針進(jìn)行大量的篩選和配比實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇合適的固化劑。
除了固化劑的選擇,固相含量、固化溫度、和固化時(shí)間等因素也對(duì)水基鉆完井廢棄物的固化效果有直接的影響。任君[2]通過大量實(shí)驗(yàn)得出,水基鉆完井廢棄物固相含量控制在50%左右時(shí)固化效果最好,而固化溫度控制在20~40 ℃最佳;另外固化時(shí)間應(yīng)達(dá)到7 d 以上才能達(dá)到較好的固化強(qiáng)度。
隨著國(guó)家對(duì)固廢管理的進(jìn)一步加強(qiáng),水基鉆完井廢棄物綜合利用技術(shù)也越來(lái)越受到重視,其中的固化處理技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展,因?yàn)槠涔袒a(chǎn)物可以用作建筑材料實(shí)現(xiàn)廢棄物的減量化和資源化利用,符合國(guó)家保護(hù)生態(tài)平衡,可持續(xù)發(fā)展的政策指向,因而具有廣闊的市場(chǎng)前景。