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文檔簡介
1、淺談油田鉆井廢泥漿的國化處理摘要:油田鉆井的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的廢泥漿,但此廢棄物成分復雜,污染 極大,在處理上有一定的難度,因此有效處理油田鉆井廢泥漿已成為如今的研究 方向之一,而固化處理是一種有效而發(fā)展前景良好的方法之一,本文將針對這一 問題進行一系列的討論和講述。關(guān)鍵詞:油田鉆井、廢泥漿、固化、處理、討論、Abstract : There is a mass of mud disposal in the exploitation of the oilfield drilling, which is hard to dispose and would cause pollution he
2、avily 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:
3、oilfield drilling, mud disposal, solidified treatment, treat, discuss.一、研究背景1鉆井廢泥漿的來源在石油和天然氣的勘探開發(fā)鉆井過程中,鉆井泥漿是提高鉆井效率的重 要保障,在鉆井過程中有著支護井幫、提升巖屑、冷卻鉆頭的作用。同時 還起到了潤滑鉆具、提高鉆速、防止井塌方和井漏、評價生產(chǎn)層等作用,是 保證鉆井工作順利進行必不可少的物質(zhì)。為了達到安全、快速的鉆井目的, 使用的鉆井液類型及化學藥品的種類、數(shù)量越來越多,由此不可避免地會產(chǎn) 生大量廢棄物。鉆井固體廢物包括鉆井廢泥漿和鉆井過程中抽提上來的巖屑, 其中的廢棄泥漿是鉆井廢物中
4、最大量者。鉆井工藝對泥漿的要求越來越高, 泥漿體系日益增多,配方也越來越復雜,一般都含有重金屬、油類、堿和其 他化合物【4】。泥漿循環(huán)過程中需不斷地排除廢渣和廢漿,鉆井結(jié)束后需全部 排除,變?yōu)閺U漿。由于石油鉆井的野外作業(yè)特征,施工現(xiàn)場所有的廢棄物幾 乎全部排放積存于廢泥漿儲存坑內(nèi),最終形成了一種由粘土、加重材料、各 種化學處理劑以及伴生的污水、油水、鉆屑等組成的多相穩(wěn)態(tài)膠體懸浮性的 混合物。2鉆井廢泥漿的組成及特點目前,國內(nèi)外使用的鉆井液有水基鉆井液(WBM),油基鉆井液(OBM)和合 成基鉆井液(SBM)三大判。鉆井泥漿體系可分為9大類,即:非分散泥漿; 分散泥漿;鈣處理泥漿;聚合物泥漿;低
5、固相泥漿;飽和鹽水泥漿;完井修 井液;油基合成泥漿;空氣、氣霧、泡沫及充氣泥漿。石油鉆井廢泥漿主要 包含了鉆井液、鉆屑、以及各種作業(yè)產(chǎn)生的廢液等,其組成成分如下:鉆井 液一主要來自三方面:其一是鉆井過程中排放的廢鉆井液;其二是地面循環(huán) 系統(tǒng)盛放的和為處理復雜情況儲備的鉆井液;其三是固井時水泥漿置換出來 的鉆井液。三者約占總廢棄物的70%左右。污染環(huán)境的主要成分是油類、 鹽類(尤其是氯離子)、殺菌劑、某些化學處理劑、重金屬離子(如銅、鎘、鉻、 鋅及鉛等)、高分子有機化合物生物降解產(chǎn)生的低分子有機化合物和堿類物質(zhì) 等【7、8】。鉆井廢泥漿大多屬于粘土一一水分散體系一一水基泥漿的范圍,也有的屬于油基
6、或聚合物泥漿【10】。鉆井廢泥漿組成復雜,一般呈堿性,pH值在8. 5 12之間,有的可達13以上;固相顆粒粒度一般在0. 011.tm0. 39m之間(即 95%以上顆粒通過200目篩),其外觀一般呈粘稠流體或半流體狀態(tài),具有顆 粒細小、級配差不大、粘度大、含水率高不易脫水(含水率約在30%,-90%) 等特性【11】,是一種有典型流變學特征的膠體。且其自然干結(jié)過程緩慢,干結(jié) 物遇水浸濕后易再度行成鉆井廢泥漿樣物,會對排放點及附近地帶的土壤物 性產(chǎn)生長期的不良影響。廢泥漿含油量高,部分鉆井廢泥漿含油量達10%以 上;固含量高,主要為膨潤土和有機高分子處理劑、粘土、加重材料、巖屑 以及污水流經(jīng)
7、地面時攜帶的泥砂及表層土等;此外由于鉆井廢泥漿中含有各 種有機和無機類化學處理劑,其中的重金屬、CODCr值、Oil及表面活性劑等 有害物質(zhì)濃度較高,個別有害物污染指標超出國家允許排放濃度的數(shù)百倍【12】。二、研究意義與現(xiàn)狀1鉆井廢泥漿的環(huán)境危害縱觀各方面鉆井廢水的相關(guān)研究資料表明,石油鉆井廢水的危害物質(zhì)大 體可以分為以下幾類【既14、15】:含固顆粒,以粘土、膨潤土顆粒為主;酸 堿物,表現(xiàn)為鉆井廢泥漿的pH值;石油類,主要來自鉆井設(shè)備的清洗,是 鉆井液中不可避免的組份;有機物及其分解產(chǎn)物,表現(xiàn)為泥漿的CODcr,值 高,色度高。被我國列入環(huán)境“黑名單”的68種優(yōu)先控制的污染物中,有6 種苯系
8、物、7種多環(huán)芳烴(PAHs)。目前鉆井現(xiàn)場所使用的高性能處理劑中,相 當一部分含有苯環(huán);重金屬,來源于鉆井液添加劑及地層:氯離子,采 用鹽水鉆井液及地層礦化度較高時,會使廢水中Cl-的含量增高。由于廢鉆井液成份比較復雜,所以對環(huán)境的影響也是多方面的【16、17】:污染面積大、區(qū)域廣。這是由鉆井生產(chǎn)流動性大等特點所決定;廢鉆井液中的鹽、堿和鹽巖層鉆屑不僅造成土壤板結(jié),同時因Cl-活 性比N0、P043-強,會抑制農(nóng)作物對氮、磷的吸收??扇苄喳}的遷移還會對地 下水造成污染;有害的重金屬離子如Cr6+,、Hg+、Cd2+、Pb2+及不易被動植物降解的有 機物、分子聚合物滯留于土壤中,會影響植物的生長
9、和土壤中微生物的繁殖。 且這些物質(zhì)易進入食物鏈,并在環(huán)境或動植物體內(nèi)蓄積,危害人類的身體健 康和生命安全。例如六價鉻(Crs )通過食物鏈進入人體后,其毒性主要表現(xiàn) 為呼吸道、腸胃道疾患和皮膚損傷,特別是它的致癌作用近些年來已引起人 們的廣泛重視;廢物中的有機處理劑使水體的COD”、BOD增高,影響水生生物的正常 生長;某些殺菌劑及高分子化合物生物降解產(chǎn)生的低分子有機化合物,會對 魚、蝦及鳥類產(chǎn)生毒害;油類物質(zhì)進入水體后,形成浮油,影響空氣與水體界面上氧的交換。 分散在水中吸附于懸浮粒上或以乳化狀存在于水中的油,可被微生物氧化分 解,從而消耗水中的溶解氧,使水質(zhì)惡化變臭。在油膜擴展和漂浮過程中
10、, 大約25%30%的低沸點石油組分(C1C5)迅速揮發(fā)進入大氣,造成大氣污 染。油類對土壤及動植物的影響也很大;水中的硫化物(包括溶解性的HS,HS-,S2-,存在于懸浮物中的可溶性2硫化物,未電離的有機無機類硫化物),硫化氫易從水中逸散于空氣中,產(chǎn)生 臭味且毒性很大,它可與人體內(nèi)的細胞色素等作用,影響細胞氧化過程,造 成細胞組織缺氧。2鉆井廢泥漿處理技術(shù)現(xiàn)狀隨著我國環(huán)境保護法規(guī)標準的不斷完善以及執(zhí)法力度的加大,人們的環(huán) 保意識逐漸增強,鉆井過程中產(chǎn)生的廢泥漿的無害化處理的研究和推廣應用, 是鉆井行業(yè)環(huán)境保護工作的當務之急。許多國家也都已將其列為環(huán)保的一個 重要項目來研究。鉆井廢泥漿治理的目
11、的,是為了減輕環(huán)境污染而尋找經(jīng)濟 和環(huán)境上都能夠接受的處理方式,實現(xiàn)最優(yōu)化廢物處理體系的目的?,F(xiàn)有回 收利用和處理方法較多,但每種方法都有其適用范圍,應根據(jù)油氣田的地理 環(huán)境、水文、土壤、鉆井液的組成及經(jīng)濟性來選用??v觀國內(nèi)外處理方法主 要有以下幾種:(1)直接排放法【18】(2)坑內(nèi)填埋法【19】(3)脫水法【20、21】(4) 坑內(nèi)密封法【22】(5)注入安全地層或環(huán)形空間處理法【181922】(6) 土壤生物降解 法【23】(7) 土地耕作法【4】(8)閉合回路系統(tǒng)【19】(9)固液分離法【19,2425】(10) 固化法【20,26】(11)廢鉆井液回收利用法【20,2133】。2.
12、3鉆井廢泥漿處理技術(shù)發(fā)展趨勢【15、24、34-38】2. 3. 1 MTC(泥漿轉(zhuǎn)化為水泥漿Mud. To. Cement)固井技術(shù)此法是在鉆井液中加入固化添加劑,經(jīng)過充分混合形成穩(wěn)定的固化物,完 成鉆井液轉(zhuǎn)換水泥漿的過程。它利用鉆井液的失水性和懸浮性,通過加入廉 價的高爐水淬礦渣(BFC),激活劑(BAS)等,將鉆井液轉(zhuǎn)化為完全可以與油井 水泥漿相媲美的固井液。此技術(shù)不僅可節(jié)約固井成本,而且乂可解決一部分 鉆井廢液污染環(huán)境問題。2. 3. 2研究開發(fā)最佳廢物管理系統(tǒng)目前,國外各大泥漿公司積極開發(fā)最佳廢物管理系統(tǒng),其基本要求是:選擇最佳鉆井作業(yè),使廢物量減至最少??刂茝U物質(zhì)量,保證廢物無害化
13、。加強井場廢物分類管理,可降低處理費用及廢物體積。采用環(huán)境安全和經(jīng)濟有效的方法加工(處理)廢物。成功的廢物管理程序首先是根據(jù)地質(zhì)特點,正確選用鉆井液及其處理劑, 進行好的水質(zhì)管理,使鉆井過程中產(chǎn)生的廢物減至最低量;第二是鑒別和隔 離潛在的廢物源,減少引起問題的復雜性,使廢物的加工和處理更加容易和 經(jīng)濟;第三是選擇經(jīng)濟且環(huán)??山邮艿膹U物處理方法。3. 3加強開發(fā)研究專業(yè)化的固化處理設(shè)備現(xiàn)階段各油田廢棄鉆井泥漿現(xiàn)場固化工藝主要有兩種:一是采用代用機 械(如挖掘機之類的機械設(shè)備)將固化劑與廢棄鉆井泥漿進行混合;二是直接 用鉆井泵以及配漿設(shè)備將固化劑混入廢泥漿中。第一種方法比較簡單,但混 合均勻程度較
14、差,直接影響最終的處理效果;第二種方法混合較均勻,但要 求鉆井廢泥漿具有較好的流動性,在很多井場處理中都受到限制。因此,開 發(fā)專業(yè)化的機械處理設(shè)備勢在必行。同時,由于鉆井作業(yè)的分散性和流動性 的行業(yè)特點,對廉價、簡單的車載式(或移動式)鉆井廢泥漿處理設(shè)備的需求 更為迫切。2. 3. 4加強有肥效特性固化劑的研發(fā)固化法處理鉆井廢泥漿具有簡便易行、處理效果好等優(yōu)點,是一種很有 發(fā)展前景的處理方法。目前國內(nèi)外都在致力于開發(fā)固化能力強、解毒性好、 具有肥效特性的固化劑,土壤中摻入此類固化劑處理過的廢泥漿,不但不會 污染環(huán)境,具有很好的穩(wěn)定性,而且能明顯改善土壤性能,提高土壤肥力。 另外,開發(fā)高效廉價固
15、化劑,以獲得高強度、無污染的固結(jié)體,將其用于建 筑材料,達到廢物再利用永久無害化的目的。三、研究論述1固化處理技術(shù)概述固化是指用物理.化學方法將有害廢物摻和并包容在密實的惰性基材中, 使其穩(wěn)定化的一種過程。其中固化所用的惰性材料叫固化劑,有害廢物經(jīng)過 固化處理所形成的固化產(chǎn)物為固化體。它主要用來處理放射性廢物、有毒有 害廢物如電鍍污泥、砷渣、汞渣、氤渣、鉻渣和鎘渣等,目前也頗受石油行 業(yè)的重視【39】。迄今尚未研究出一種適用于處理任何類型廢物的最佳固化方法。目前所 采用的多數(shù)固化方法往往只適用于處理一種或幾種類型的廢物。隨著現(xiàn)代工 業(yè)的不斷發(fā)展,固化處理污染物技術(shù)不斷走向成熟,成為當前處理危險
16、污染 物很有效的手段。固化處理方法可按原理分為包膠固化、自膠結(jié)固化、玻璃 固化和水玻璃固化。包膠固化乂可以根據(jù)包膠材料的不同,分為水泥基固化、 石灰基固化、熱塑性材料固化和有機聚合物固化等。包膠固化適用于多種類 型的廢物;自膠結(jié)固化只適用于含有大量能成為膠結(jié)劑的廢物;玻璃固化和 水玻璃固化,一般只適用于極少量特毒廢物的處理,如高放射廢物的處理方 面。目前常用的固化穩(wěn)定化方法主要包括:a、水泥固化,這是目前最常用的固化方法,適用范圍廣;b、石灰固化,應用很廣泛; c、熱塑性材料固化,新近發(fā)展起來的固化處理方法;d、有機聚合物固化,適用對非常危險廢物處理;e、自膠結(jié)固化,工藝較簡單,廢物可自行固化
17、,應用面窄;f、熔融固化(玻璃固化)和陶瓷固化,屬特種固化處理方法。3.1.1水泥固化水泥基固化是基于水泥的水合和水硬膠凝作用而對廢物進行固化處理的 一種方法。研究表明,此種方法非常適于處理各種含有重金屬的污泥。其主 要膠結(jié)劑為硅酸鹽水泥或其它類型的水泥,需要時可摻入添加劑(如化學藥品) 【40】。固化過程中,污泥中的重金屬離子會由于水泥的高pH作用而生成難溶的 氫氧化物,并固定到水泥基中。水泥基固化法處理含有重金屬污泥的一種流 程是把被處理的污泥通過計量裝置以一定重量比與水泥、添加劑和水共同投 入到原料混煉機中,經(jīng)攪拌混合均勻,然后通過出料裝置送去成型,再將成 型的坯體養(yǎng)護,使之形成具有一定
18、強度的固化產(chǎn)品。水泥基固化法對含高毒 重金屬廢物的處理特別有效,固化工藝和設(shè)備比較簡單,設(shè)備和運行費用低; 水泥原料和添加劑便宜易得;對含水量較高的廢物可以直接固化;固化體的 強度、耐熱性、耐久性均好,產(chǎn)品適于投海處置,有的產(chǎn)品可作路基或建筑 物基礎(chǔ)材料。缺點是其固化產(chǎn)品體積增加較大,一般可比最終廢物原體積增 大1. 52. 0倍;有時需作預處理或需要加入添加劑,因而可能影響水泥漿 的凝固,并會使成本增加。3. 1. 2石灰固化石灰基固化是用石灰作基材,以粉煤灰、水泥窯灰作添加劑,專用于處 理含有硫酸鹽或亞硫酸鹽類泥渣的一種方法。此法是基于水泥窯灰和粉煤灰含有活性氧化鋁和二氧化硅,因而能同石灰
19、在有水存在的條件下發(fā)生反應生成對硫酸鹽、亞硫酸鹽起凝結(jié)硬化作用的物質(zhì),最終形成具有一定強度的固 化體。石灰基固化使用的添加劑本身是廢物,來源廣、成本低、操作簡單,不 需要特殊設(shè)備;被處理的廢物不要求完全脫水;在常溫下操作,沒有尾氣處 理問題。石灰基固化產(chǎn)品比原廢物的體積和重量增加較大;易被酸性介質(zhì)浸 蝕,要求表面進行涂覆或放在有襯里的土地填埋場中處置。3. 1. 3熱塑性材料固化熱塑性材料固化法是用熱塑性物質(zhì)作固化劑,在受熱情況下與1000C下 干燥的污染物混合,冷卻成型。熱塑性物質(zhì)在常溫下呈固態(tài),高溫時變成黏 液,故可用來包覆廢物。目前,固化處理應用的熱塑性材料有瀝青、石蠟、 聚乙烯、聚丁二
20、烯等。熱塑性材料固化可用于無機廢棄物或有機廢棄物的處理,其固化所得產(chǎn) 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產(chǎn)品;干廢物 對固化基材的摻合量從1: 12: 1,可以減少容器費和運輸費以及最終處置 費;固化基材對溶液或微生物具有強抗侵蝕性;固化體不需作長時間養(yǎng)護。熱塑性固化材料是熱的不良導體,蒸發(fā)過程熱效率低;含水量大的廢物 需先冷凍、融解或離心脫水處理;由于基材具有可燃性,要求產(chǎn)品有適宜的 包裝;固化基材受大劑量輻射時,其彈性或軟化點提高,故不宜處理高放射 性廢物;熱塑性材料價格昂貴,操作復雜,設(shè)備費用高;對于在高溫下易分 解的廢物、有機溶劑以及強氧化性廢物不宜使用。3. 1.
21、 4有機聚合物固化對于復合材料基體樹脂的固化方式近幾年也有較快發(fā)展。傳統(tǒng)的熱壓罐 法等加熱固化方式由于能源利用率低、加工周期長、環(huán)境污染大等受到了挑 戰(zhàn)。光固化、電子束固化等輻射固化方式由于固化溫度低、固化速度快、熱 收縮內(nèi)應力小、環(huán)境污染小等優(yōu)點獲得了快速發(fā)展【41】。目前用于先進樹脂基符合材料的基體樹脂主要是不飽和樹脂、環(huán)氧樹脂、 聚酰亞胺和雙馬來酰亞胺樹脂,其固化方式采用輻射固化技術(shù)的不少。3. 1. 5自膠結(jié)固化自膠結(jié)固化方法是一種利用廢物本身的膠結(jié)特性進行固化處理的方法。 該方法主要是用來處理大量含硫酸鈣或亞硫酸鈣的廢物。其原理是基于亞硫 酸鈣半水化合物(CaS03 - 1 / 2H
22、20)在加熱到脫水溫度后,會變成具有膠結(jié)作 用的物質(zhì)。固化產(chǎn)物可以送往土地填埋場處理。自膠結(jié)固化方法的優(yōu)點是工藝比較簡單,廢物可自行固化,缺點是應用 面窄,只適于含有大量能成為膠結(jié)劑的廢物。3. 1. 6玻璃固化玻璃固化技術(shù)是以玻璃原料為固化基材的一種固化方法,是利用高溫 (1500C以上)把固態(tài)污染物融化為玻璃質(zhì)或玻璃質(zhì)與晶體混合物。處理時可 就地進行,也可異地進行。所形成的玻璃態(tài)物質(zhì)與水泥固化物相比,具有耐 久性更高、抗?jié)B出性更好、耐酸性腐蝕更強等優(yōu)點,而且污染物質(zhì)經(jīng)處理后 其體積將變?。ㄗ疃嗫蓽p少75%),而其他處理方法均無此優(yōu)點。玻璃化處理的成本往往很高,一般僅用于污染物成分復雜的污染
23、土(或其他固體污染物)處理。經(jīng)玻璃化作用后,絕大部分的有機污染物將因熱解而被 焚毀或轉(zhuǎn)化為蒸氣逸出(所逸出的氣體需收集并處理),而放射性物質(zhì)、重金 屬元素則被牢固地束縛于已熔化的玻璃狀一陶瓷狀的物質(zhì)之內(nèi)。但放射性污 染物經(jīng)玻璃化技術(shù)處理后其放射性不能得到改變,仍需隔離防護【42】。2固化材料及機理固化是近年來石油工業(yè)普遍重視和使用較多的一種方法。在固化過程中, 泥漿中的重金屬離子與固定劑發(fā)生反應,生成化合物而被固定,阻止重金屬 離子外移;其它污染物由于吸附作用及固化體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和較小空隙通道, 限制了其遷移,所以浸出率較低。因有機固化劑處理成本高,且易產(chǎn)生二次污染,故本研究在前期論證的 基礎(chǔ)上
24、,擬選用無機固化劑處理鉆井廢漿液。主固化劑選定為水泥、粉煤灰, 在此基礎(chǔ)上尋找其它藥劑,便于和水泥、粉煤灰等組成經(jīng)濟適用的復合固化 劑,以期達到更好的無害化處理效果。四、總結(jié)油田鉆井泥漿是油田鉆井過程中,起著潤滑、冷卻、護壁、傳輸鉆井巖 屑、平衡地層壓力作用的工作液。鉆井廢棄泥漿由鉆井過程中排放的少量泥 漿和完井后排放的大量泥漿組成,主要成分為膨潤土、鉆井巖屑、水以及多 種化學添加劑。由于廢棄泥漿中含有重金屬、堿、鹽、油、有機物等多種有 毒有害污染物;處理難度較大,因此與含油污水、污油共稱為油田三大公害。 隨著國家環(huán)保法律法規(guī)的完善,人們環(huán)保意識的增強,石油工業(yè)加大了消除、利用“三大公害”的科
25、研攻關(guān)力度。而本論文由于各種條件所限,無法進行更深層次上的實驗研究和實踐考 察,因此只作學術(shù)上的淺談和理論的介紹,主要是介紹油田鉆井廢泥漿的情 況和該領(lǐng)域的研究技術(shù)以及處理方法和意義,因此參考了大量的文獻。內(nèi)容 上仍相對簡淺和概念性,但仍希望在將來考上研究生后進行相關(guān)的實驗和研 究,為環(huán)境保護和科學研究作一份貢獻。五、參考文獻【1】趙瀛華,方云龍,張向東,等.鉆井泥漿的開發(fā)應用及固化處理J.遼 寧工程技術(shù)大學學報,1997,16(5): 565569.【2】徐光會,鐘蓉.淺談鉆井廢棄泥漿的最終處置【J】.重慶環(huán)境科學,1995, 17(1): 5860。【3】王秋敏,王曉健,王新.應用綜合技術(shù)
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