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废弃无固相钻井液无害化处理技术研究与应用  PDF

  • 彭博一 1,2
  • 李晓东 1,2
  • 王康 3
  • 刘维平 4
  • 冯美贵 1,2
  • 蒋睿 1,2
  • 金博 1,2
1. 北京探矿工程研究所,北京 100083; 2. 中国地质调查局绿色钻探技术创新中心,北京 100083; 3. 核工业二九〇研究所,广东 韶关 512000; 4. 中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心,山东 烟台 264004

中图分类号: P634X74

最近更新:2025-03-25

DOI:10.12143/j.ztgc.2025.02.006

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摘要

钻探工程所产生的废弃钻井液会给生态环境造成一系列影响,在新一轮找矿突破战略行动中要求全面实施绿色勘查,对废弃钻井液的处理技术提出了更为严格的要求。本文通过现场调研与室内实验结合,对山东招远滕家金矿现场的废弃钻井液进行污染特性分析,开展室内实验,对废弃钻井液进行无害化处理技术研究,优选破胶剂GPJ-1、絮凝剂GXN-1、脱色剂GAC,通过破胶、絮凝、吸附脱色处理,再经过离心机或压滤机进行固液分离,对固相进行固化处理。实验结果表明,废弃钻井液经过处理后的污染指标大幅度下降,达到污水综合排放二级标准,采用配方“2%破胶剂GPJ-1+0.5%絮凝剂GXN-1+1%脱色剂GAC”,在广东韶关诸广项目钻探现场对废弃无固相钻井液进行了无害化处理,证实无害化处理技术的可行性。

0 引言

随着绿色勘查的深入开展以及环保意识的增强,钻探产生的废弃钻井液的处理得到越来越多的重视和研

1-3,废弃钻井液的色度、悬浮物、COD、BOD5和重金属等污染指标远高于污水排放标4-5,处理不当会造成地表、土壤以及地下水污染,给环境和人类带来直接或间接危6。国内外废弃钻井液处理技术主要有回注7、固液分离8-9、微生物降解10-11、固化处12-13、吸附14、电化学技术处理15等,回注法是将废浆注入到所选合适的可储存浆液的地层,但有可能污染地下水及油层;微生物法是筛选培养特定菌种,利用微生物分解废浆中有机物,但耗时较长,且针对性高;电化学法对废浆进行电解,阳极上夺取电子,氧化有机物,但对设备要求高;吸附法采用独特形态和理化性质的材料吸附有机或无机污染物,但处理范围有限,工艺复16-17;固液分离技术对胶体体系脱稳絮凝,再分离出废浆的固相、液相,因其反应时间短,处理效果好,操作方便快捷,成本低廉等优点被国内外大多数科研工作者以及生产单位所采18-19。与石油钻井废弃钻井液有所不同,地质钻探废弃钻井液存在废浆量少且地点分散、固相粒径小、胶体稳定性强等特点,因此,有必要针对地质钻探废弃钻井液开展无害化处理技术研究。

1 废弃钻井液污染特征分析

采取山东招远滕家金矿钻探现场废弃无固相钻井液样品,针对该废弃钻井液开展破胶脱稳、絮凝沉降、液相吸附脱色和固相固化处理的技术研

20,形成一套适合废弃无固相钻井液无害化处理的技术体系。钻井液主要成分包括聚丙烯酰胺、广谱护壁剂、高黏羧甲基纤维素、无荧光润滑剂和沥青类等材料,废弃钻井液整体呈黑褐色,组成成分比较复杂,胶体稳定性较高。对废弃钻井液进行污染特性分析,污染指标见表1

表1  现场采取的废弃钻井液污染特性
Table 1  Pollutant characteristics of waste drilling fluid taken on site
测试项目污染指标GB 8978-1996Ⅱ类
外观形态 黑褐色不透明液体 无色透明液体
pH值 7 6~9
色度(倍) 640 ≤80
悬浮物/(mg·L-1 1585 ≤150
COD/(mg·L-1 2721 ≤150
BOD5/(mg·L-1 154 ≤30
总汞/(mg·L-1 0.021 ≤0.05
总镉/(mg·L-1 0.04 ≤0.1
总铬/(mg·L-1 0.11 ≤1.5
总砷/(mg·L-1 0.09 ≤0.5
总铅/(mg·L-1 0.91 ≤1.0

表1可以看出,废弃钻井液多项指标超过《国家污水综合排放标准》(GB 8978—1996)二级标准,尤其是COD、BOD5、悬浮物以及色度等指标,主要污染物来源为配制钻井液所加入的泥浆材料、地层中的岩粉、钻井设备所使用的润滑油以及清洗井场产生的废水等,若直接排放会造成一定的环境污染。

2 无害化处理技术

针对滕家金矿水基钻井液废弃物,从以下方面开展了水基钻井液环保无害化技术的室内研究。

2.1 废弃钻井液固液分离技术

2.1.1 破胶处理

钻井液胶体稳定性强,需对其采取破胶处理破坏其胶体稳定性。废弃钻井液中含有粒径不等的颗粒且无规律分散,利用无机破胶剂电中和作用改变泥浆中污染物颗粒表面的电位,破坏胶体颗粒之间的作用能,降低排斥势能,让高度聚集的颗粒产生聚结以破坏废弃钻井液的稳定体系使其脱稳。对废弃钻井液无害化处理,加入合适的破胶处理剂,破胶脱稳,释放出聚合物网状结构中胶体颗粒及自由水。室内选取了4种破胶剂,以处理后污染指标值评价不同破胶剂的处理效果,具体实验方法是:量取400 mL废弃钻井液,分别加入不同类型的破胶剂,加量均为2%,在室温下以100 r/min的速率搅拌10 min后,静置30 min,观察废弃钻井液的变化情况,并测试清液的污染指标,见表2

表2  不同破胶剂处理后废弃钻井液污染指标
Table 2  Pollutant indexes of waste drilling fluid after treatment with different breakage agents
破胶剂外观形态pH值色度(倍)悬浮物/(mg·L-1COD/(mg·L-1BOD5/(mg·L-1
处理前 黑色废浆 7 640 1585 2721 154
加入GPJ-1 淡黄色液体 6 128 121 339 48.5
加入GPJ-2 黑色液体 6 300 824 1975 142
加入GPJ-3 红色液体 6 240 658 1625 151
加入GPJ-4 橘黄色液体 6 200 555 1427 133

表2可知以GPJ-1处理效果最佳,经破胶后色度、悬浮物及COD大幅度下降。废弃钻井液中加入不同加量的破胶剂,制作不同加量破胶剂加入后的废弃钻井液破胶出水率见图1。通过实验结果对比,优选破胶剂为2%GPJ-1。

图1  不同破胶剂出水率

Fig.1  Water losing rate using different gel breakers

2.1.2 絮凝处理

废弃钻井液中不仅有较细的岩粉等固相颗粒,还有大量的微米—亚微米活性固相颗粒,其具有较强的稳定胶体作用,即使经过破胶处理后依然无法实现自然沉淀,需加入絮凝剂,吸附体系中的大量微细颗粒,形成较大絮状物,再进行固液分离。通过在2%GPJ-1处理后的废弃钻井液中加入不同絮凝剂,加量均为0.5%,观察絮凝状况以及分层后的液相状态,同时对分离后的絮体进行含水率检测,絮体含水率越低絮凝效果越好,结果见表3

表3  不同絮凝剂的絮凝效果
Table 3  Flocculation effect using different flocculants
絮凝剂絮体情况絮体含水率/%浆液情况
GXN-1 絮体较大,且较密集 51.77 淡黄色清水,带少量絮体残渣
GXN-2 絮体较松散 71.95 黄色清水,带部分絮体残渣
PEO 絮体较大,且较密集 63.11 黄色清水,带少量絮体残渣

通过絮凝实验效果对比,各絮凝剂均有较好的絮凝效果,以阴离子聚丙烯酰胺GXN-1脱稳絮凝效果最佳,絮体大。因此,优选阴离子聚丙烯酰胺GXN-1为絮凝剂。采用0.5%GXN-1絮凝剂处理后的浆液污染指标见表4

表4  GXN-1絮凝处理后液相主要污染指标
Table 4  Main pollutant indexes of liquid phase after flocculation treatment by GXN-1
外观形态pH值色度(倍)悬浮物/(mg·L-1COD/(mg·L-1BOD5/(mg·L-1
黄色清液 6 128 97 240 18.7

经过GXN-1絮凝处理后,废弃钻井液污染指标降低率高,pH值、悬浮物及BOD5已经达到污水综合排放二级标准,色度和COD指标需进一步处理。

2.1.3 脱色处理

废弃无固相钻井液经过破胶絮凝处理后,污染指标大幅度下降,加入吸附脱色剂进一步降低各项污染指标,以达标排放。经过实验,加入1%吸附脱色剂GAC进一步去除液相中的有色物质,经过脱色处理后的浆液再经过固液分离,对分离出的液相进行污染指标测试,结果见表5

表5  GAC吸附脱色处理后液相主要污染指标
Table 5  Main pollutant indexes of liquid phase after adsorption bleaching by GAC
外观形态pH值色度(倍)悬浮物/(mg·L-1COD/(mg·L-1BOD5/(mg·L-1
无色透明 6 32 60 139 17.3

废弃无固相钻井液经过破胶、絮凝、脱色处理后,各处理阶段的状态效果见图2。对最终无害化处理后的液相进行了重金属检测,结果见表6

图2  各阶段处理后钻井液效果

Fig.2  Effect of drilling fluid after treatment at each stage

表6  废弃钻井液经无害化处理后污染指标
Table 6  Pollutant indexes of waste drilling fluid after harmless treatment
项 目处理前污染指标

处理后污

染指标

GB 8978-1996Ⅱ类
外观形态 黑色废浆 无色透明液体 无色透明液体
pH值 7 6 6~9
色度(倍) 640 32 ≤80
悬浮物/(mg·L-1 1585 60 ≤150
COD/(mg·L-1 2721 139 ≤150
BOD5/(mg·L-1 154 17.3 ≤30
总汞/(mg·L-1)) 0.021 <0.1×10-3 ≤0.05
总镉/(mg·L-1 0.04 0.8×10-3 ≤0.1
总铬/(mg·L-1 0.11 1.59×10-3 ≤1.5
总砷/(mg·L-1 0.09 3.9×10-3 ≤0.5
总铅/(mg·L-1 0.91 93.6×10-3 ≤1.0

图2表6可见,废弃无固相钻井液经过破胶、絮凝、脱色处理后的污染指标均达到污水排放二级标准,构建废弃钻井液无害化处理体系配方:2%破胶剂GPJ-1+0.5%絮凝剂GXN+1%脱色剂GAC。经过此配方处理可实现废弃无固相钻井液快速脱稳、絮凝以及脱色,固液分离后液相外观、pH值、色度、悬浮物、COD、BOD5以及重金属离子含量均达标,无害化处理取得了良好效果。

2.2 固化处理技术

采用固液分离设备进行固液分离处理后,废弃钻井液形成固相和液相两部分,受分离方式或分离效率等因素影响,形成的固相仍具有较大的含水率,并可能含有可溶性有机物、重金属离子等有害物质,需加入固化剂对其进行固化处理。通常固化效果的评价主要有两方面,一是其浸出液的污染指标是否满足污水综合排放标准,二是固化体抗压强度的指标,这两方面具有一定相关性,一般抗压强度越高,固化体“锁住”有毒有害物质的效果越好,固化体的浸出液中污染物浓度越

21-22

2.2.1 固化实验

在废弃钻井液已进行破胶、絮凝、脱色和固液分离后,取出废弃固相,进行固化实验。实验中固化剂选用PO 42.5普通硅酸盐水泥,促凝剂GSN。实验方法为:取分离后固相200 g,再向其中加入水泥和促凝剂(按固相质量的百分比),搅拌均匀后注入专用模具,在室温条件下自然养护72 h后,测试其抗压强度。实验结果见表7,固化效果见图3

表7  不同固化配方抗压强度
Table 7  Compressive strength using different curing formulations
编号水泥/%促凝剂/%抗压强度/MPa
1 20 1 0.5
2 20 2 0.6
3 25 1 0.8
4 25 2 1.1
5 30 1 1.2
6 30 2 1.4

图3  固化后样品形态

Fig.3  Morphology of the solidified samples

表7可看出,6号配方“30%水泥+2%GSN”固化体抗压强度最高。当水泥含量增高时,抗压强度也随之升高。说明固化体的抗压强度受水泥含量的影响最为明显。从经济效益及固化效果确定固化配方为:污泥+30%PO 42.5普通硅酸盐水泥+2%促凝剂GSN,此配方固化体抗压强度(72 h)为1.4 MPa,能够满足要求。

2.2.2 浸出液污染指标

在抗压强度的基础上开展了固化体浸出液污染指标检测,采用配方“30%水泥+2%GSN”对废弃钻井液进行固化后,测试固化体浸出液的各项污染指标。由于样品重金属含量较低,主要测试的污染指标为pH值、色度、悬浮物、COD及BOD5。浸出液实验《固体废物 浸出毒性浸出方法 水平振荡法》(HJ 557—2010):称取100 g固体试样,置于2 L提取瓶中,按液固比10∶1(L/kg)加入浸泡液1 L,盖紧瓶盖后在室温情况,水平振荡装置下振荡8 h,静置16 h后,取上清液,测试其污染指标,结果见表8

表8  固化物浸出液污染指标
Table 8  Pollutant index of solidified leachate
指标外观形态pH值色度(倍)悬浮物/(mg·L-1COD/(mg·L-1BOD5/(mg·L-1
浸出液 无色透明 7 8 29 20 4
排放标准 无色透明 6~9 ≤80 ≤150 ≤150 ≤30

结果表明,经过固化处理后,固化体的浸出液各项污染指标均满足污水综合排放二级标准,表明固化体有效地将有毒有害物质“锁住”,避免了对环境的长期污染,且固化物强度较高,可直接拉运处理。

3 现场应用

在广东韶关诸广项目钻探现场进行废弃无固相钻井液无害化处理试验,该现场所用钻井液材料主要为水解聚丙烯酰胺、植物胶、腐植酸钾、防塌剂、皂化粉等,钻井液整体颜色为黑色,黏度20~30 s,钻孔完工后剩余4~5 m3废弃钻井液。结合室内实验研究成果,对其进行无害化处理。具体试验过程为:在废弃钻井液中先后加入2%破胶剂GPJ 1、0.5%絮凝剂GXN、1%脱色剂GAC,用搅拌机进行搅拌处理后,废浆出现明显破胶絮凝状态。对化学处理后的废弃钻井液进行压滤处理,压滤机流出的滤液为无色透明液体,见图4。对压滤处理后的滤液进行室内评价分析,结果见表9

图4  废浆处理前后对比

Fig.4  Comparison before and after treatment

表9  滤液污染指标
Table 9  Filtrate pollutant indexes
指标外观形态pH值色度(倍)悬浮物/(mg·L-1COD/(mg·L-1BOD5/(mg·L-1
浸出液 无色透明 6 16 28 126 25
排放标准 无色透明 6~9 ≤80 ≤150 ≤150 ≤30

通过废弃钻井液无害化处理后,测试结果表明废弃钻井液的污染指标都大幅度的降低,处理后的废浆符合污水综合排放二级标准,分离出的“污水”可作为钻井液配浆水重复利用。

4 结论

(1)针对废弃钻井液固相粒径小、胶体稳定性强等特点,优选具有协同增效的破胶、絮凝、脱色及固化处理剂,研发了一套适合地质钻探的废弃钻井液无害化处理技术与工艺——“化学破胶絮凝+物理分离”。

(2)针对山东招远滕家金矿废弃无固相钻井液开展无害化处理室内试验,确定化学破胶絮凝配方为:2%破胶剂GPJ-1+0.5%絮凝剂GXN+1%脱色剂GAC,可实现废弃钻井液的快速脱稳,有利于固液分离。经过无害化技术处理,废弃钻井液分离出液相的pH值、色度、悬浮物、COD、BOD5以及重金属含量等污染指标均大幅降低,达到污水排放二级标准。

(3)固相废弃物经过固化技术处理,确定固化配方为:污泥+30% PO 42.5普通硅酸盐水泥+2%促凝剂GSN,固化后形成的固化体抗压强度可达1.4 MPa,固化物强度较高,且固化物浸出液污染指标达到污水综合排放二级标准。

(4)采用该废弃钻井液无害化处理技术在广东韶关诸广项目钻探现场应用中取得了良好的效果,现场废弃钻井液经处理后达到排放标准。实现实时、高效地处理废弃钻井液的目的,解决了地质钻探废弃钻井液污染环境的问题。

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