摘要
在地质钻探废弃冲洗液无害化处理过程中，经固液分离后的废弃固相主要由大量磨细的岩粉和细砂构成，但含水率较高，还含有大量的有机物和重金属离子等有害物质。针对地质岩心钻探废弃固相的固化问题，首先从P.O42.5普通硅酸盐水泥、粉煤灰和石灰3种固化主剂中优选了水泥作为主剂，而后通过正交实验确定了固化剂基础配方为：25% P.O42.5普通硅酸盐水泥+2% PF-3型促凝剂+3% RES-1型复合早强剂，并通过极差分析进行了验证，然后进行了支撑剂加量的确定，7%支撑剂加量既能有效增加固化强度，又不会增加搅拌难度。最后将固化剂配方应用于YK11-2井废弃冲洗液处理野外试验中，固化后的固化体抗压强度达1.41 MPa，各项污染指标和重金属离子符合国家二级排放标准，取得了较好的处理效果。
目前，“绿色勘察”是我国生态文明建设过程中对勘察行业提出的基本要求，对使用过后的冲洗液的无害化处理显得尤其重要。目前在大口径油气钻井工程中废弃冲洗液的无害化处理较为成熟，而较少配备固控设备和废浆处理设备的地质钻探行业则稍显落
在废弃冲洗液无害化处理过程中，受分离方式或分离效率等因素影响，实际处理过程中废弃固相含水率通常仍可达到40%~70%，并含有大量可溶性有机物、重金属离子等有害物质，若对固相直接进行填埋或露天存放，固相中的有害物质会在雨水等浸泡作用下渗出，造成对环境的二次污染，因此，需要通过固化作用将有毒有害物质“锁住”在固化体内。
对冲洗液固液分离后固相的处理方法较多，巴西石油公司Vaqueiro R.等将钻井废弃物进行固液分离后的钻屑加入到粘土中进行压实，烧制成砖块用作建筑材料，结果表明其强度满足相关要
40 mm×40 mm×40 mm模具，脱模枪，WHY-1000型微机液压压力实验机，FYL-YS-128L数控低温保存箱，CT-6021A型pH计，B-200型COD快速测定仪、TRS-1000型悬浮物测定仪等。
P.O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰，石灰，PF-3型促凝剂，RES-1型复合早强剂。处理的废弃冲洗液来自新疆新乌地1号油气地质调查井，为聚合物磺化冲洗液，呈灰黑色，其中包含大量磨细岩粉，色度高，COD、BOD高，密度大，悬浮物多，重金属离子严重超标。其污染指标见
在废弃冲洗液已进行破胶、絮凝和固液分离后，取出废弃固相，进行固化试验。
首先筛选固化主剂，分别用P.O42.5普通硅酸盐水泥、石灰、粉煤灰3种主剂固化固液分离后的固相，评价3种固化剂对废弃固相的固化效果，即抗压强度。分别取分离后固相100g，再向其中加入固化主剂，加量梯度为20%、25%、30%、35%。搅拌均匀后注入模具，在室内条件下自然养护，测试其3 d抗压强度。后采用正交实验确定主剂与PF-3型促凝剂与RES-1型复合早强剂三者的最佳配比，主剂加量15%~25%，PF-3型促凝剂加量1%~3%，RES-1型复合早强剂加量1%~3%。最后确定支撑剂的加量，支撑剂加量范围为5%~10%，最终形成完整的固化剂配方。
通常固化效果的评价主要有2个方面，一是其浸出液的指标，要求满足国家污水综合排放标
分别按照20%~35%加入固化主剂后，固化体3 d抗压强度见
图1 不同固化主剂固化后的抗压强度
Fig.1 Compressive strength of the solidified waste drilling fluid after curing with different curing agents
从
图2 不同固化主剂固化后的样品形态
Fig.2 Samples of the solidified waste drilling fluid after curing with different curing agents
总之，单独采用固化主剂直接对污泥进行固化效果较差，即使当水泥加量为35%时，其3 d抗压强度仅为0.65 MPa，难以满足固化强度要求。因此，还需考虑水泥与其它外加剂复配后的固化效果，进一步提高固化体的抗压强度。
在水泥作为固化主剂的基础上优选了复合型早强剂和PF-3型促凝剂，采用正交实验法优选基础固化配方。配方中取水泥为废弃固相质量的15%、20%、25%，PF-3型促凝剂为废弃固相质量的1%、2%、3%，RES-1型复合早强剂为废弃固相质量的1%、2%、3%，正交实验见
图3 不同固化配方下的固化体
Fig.3 Solidified waste drilling fluids with different curing formulations
图4 不同固化配方下的固化体抗压强度
Fig.4 Compressive strength of the solidified material with different curing formulations
由
在极差分析中存在K值和R值，其中K值表示因素的优组合和优水平，R值代表因素极差。从R值的数值大小来判断因素对实验结果的影响大小，也称因素的主从关系。即R值越大，则该因素对实验结果的影响越大，反之则越小。
实验中所涉及到的3种因素，设定水泥为因素A、PF-3型促凝剂为因素B，RES-1型复合早强剂为因素C，3种因素均在正交实验中出现9次，而其水平A1、A2、A3则分别出现3次，首先假设B因素和C因素对抗压强度的实验结果影响基本相等，而抗压强度的差值是由A1、A2、A3三个水平因素造成。那么可以针对不同指标，分别计算出其平均值和极差。通过抗压强度测试结果，进行极差分析，结果见
可以确定，3种因素对固化体抗压强度的影响大小排序为A>C>B。不同因素对抗压强度影响大小见
图5 不同因素对固化体抗压强度的影响
Fig.5 Influence of different factors on compressive strength of the solidified material
由
因此，通过对固化主剂的筛选以及与PF-3型促凝剂、RES-1型复合早强剂的正交实验，得出基本固化配方为：废浆分离后固相+25% P.O42.5普通硅酸盐水泥+2% PF-3型促凝剂+3% RES-1型复合早强剂。
由于地质钻探废弃冲洗液中固相粒径较小，某钻孔的废弃冲洗液固相中值粒径D50仅为11.77 μm，表现为含泥量过高，直接导致固化后易干缩开裂，抗渗性能降低，因此，为了进一步提高固化效果，增强固化体抗压强度，课题组在前期基本固化配方的基础上评价支撑剂加入对强度的影响，本次实验选用来源广、价格低的机制砂作为支撑剂，其加量控制为5%~10%，测试结果见
图6 支撑剂对固化体抗压强度的影响
Fig.6 Effect of the proppant on compressive strength of the solidified materials
从
综上所述，根据室内实验研究情况，废弃冲洗液无害化处理最优的固化处理配方为：废浆分离后固相+25% P.O42.5普通硅酸盐水泥+2% PF-3型促凝剂+3% RES-1型复合早强剂+7%支撑剂。经第三方测试机构对固化体（
图7 固化处理后样品
Fig.7 Samples after curing treatment
为了进一步评价固化效果，在抗压强度的基础上开展了固化体浸出液污染指标测试，由于样品本身重金属含量较低，主要污染指标为pH值、色度、COD、悬浮物。浸出液制备方法为：称取压碎后的固化体100 g（通过3 mm筛孔），置于2 L烧杯中，按照液固比10∶1（L/kg）的比例加入1 L蒸馏水搅拌，浸泡24 h后分析浸出液污染物浓度，结果见
从
将固化配方应用于四川省达州市达川区金刚煤矿储量核实及延伸勘探项目YK11-2井。该井在钻进过程中主要采用了低固相聚合物钻井液，废浆中含大量磨细岩粉、砂及废弃机油。在无害化处理过程中，经破胶、絮凝，固液分离后的固相如
图8 固液分离后的固相
Fig.8 Solid phase after solid‑liquid separation
加入固化剂后常温养护3 d，加入固化剂后的固化体如
图9 现场应用中的固化体样品
Fig. 9 Samples of the solidified material
in field application
测试固化体浸出液污染指标，见
通过
（1）普通硅酸盐水泥在固化强度上要强于粉煤灰和石灰，但是固化强度相对0.7 MPa依然偏低，单一的固化剂无法满足固化强度要求，固化体本身也容易因干燥而开裂，无法“锁”住固相中的有害物质。
（2）通过室内正交实验，25%P.O42.5普通硅酸盐水泥+2% PF-3型促凝剂+3% RES-1型复合早强剂+7%支撑剂是固化效果较好的固化配方，采用此固化剂固化的废弃固相形成的固化体抗压强度可达1.46 MPa，且浸出液指标满足国家二级排放标准。
（3）该固化剂配方在现场实际应用中取得了较好的效果，固化强度达到1.41 MPa，其余污染指标和重金属离子浓度等指标也均符合国家二级排放标准。
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