钻井泥浆固化剂配方研究

【摘要】在石油钻井工艺中，钻井废弃泥浆用量大、种类繁多、化学成分复杂，因此对废弃钻井泥浆的处理是比较困难的，目前的处理手段也相对落后，已成为危害油田自然生态环境的重要污染源。本文结合中原油田的钻井废弃物治理实践，对钻井废弃物污染治理的药剂配方进行了改良，使其更好达到环境治理的要求。

钻井废弃泥浆的处理是环境治理的一项重要内容。在钻井废弃泥浆的处理过程中固化剂的配方选择是关键，通过对固化剂组份的研究，改良其组份配比是提高钻井废弃泥浆治理效果的重要途径。

1.钻井废弃物处理工艺技术研究

1.1泥浆固化理论依据

泥浆固化的其机理是向废水基泥浆（或其沉淀物）中加入固化剂。使钻井废物中的有害成份固定在惰性固体终产物中。固化过程中，泥浆中的重金属离子生成羟基化合物固定，阻止重金属离于外移，其他污染物由于吸附作用及固化体的网状结构和较小的空隙通道。限制了其迁移，所以浸出率较低。例如总Cl-的迁移速率降低。这已经被研究人员通过电子显微照相仪对固化泥浆和未固化泥浆进行扫描电镜分析得到了证实，通过对电镜照片分析可以看出：水基泥浆原泥装固化体中颗粒胶结较松散。有较大的空隙通道；而水基泥浆用处理后的泥饼固化后颗粒聚结紧密，有交叉网状结构。空隙通道较小。利用固化剂的化学稳定、封闭和化学凝固作用，废物中金属离子和有机物在环境中的侵蚀和沥滤大为减少，最终废弃泥浆将传化成类似土壤或胶结强度很大的固体。

1.2泥浆固化药剂

常用的固化剂分为有机和无机两大类。无机固化剂主要为无机盐类、胶凝材料类等，它具有价廉、无毒、固结稳定、周期长等优点，但用量较大；有机固化剂主要有凝聚型的树脂类、有机聚合物类等。它的特点是固化体的体积小，但是固化条件复杂，成本高。

对于同一配方中的不同固化剂，其在固化过程中所起的作用也是不同的。以普通水泥、烟灰、石灰、氧化铝、聚丙烯酰胺（PAM）为固化剂对泥浆进行固化的效果表明，对于铬溶出量的固化效果：烟灰>Al2O3>石灰>PAM>水泥，而对于抗压强度，其影响顺序为：水泥>石灰>烟灰>Al2O3>PAM。不同的固化剂具有不同的效果是因为烟灰、A1203因具有较强的吸附作用，能够较有效的阻止重金属铬的溶出，而水泥和石灰因具有较强的水合的水硬胶凝作用，对固化强度影响显著，同时他们的高PH值，可以加快对金属氢氧化物的连续封闭。

1.3泥浆固化条件控制

对固化泥浆的效果起主要作用的反应条件为反应时间和环境湿度。研究表明，随固化时间的增加，固化泥浆浸出液的重金属离子和有机污染物的浓度逐渐变小。其中前3天变化较快，到7天后各项测定值几乎不变。在整个过程中PH值的变化比较稳定。因此，为使泥浆固化完全，应至少对固化泥浆进行养护7天左右。

1.4泥浆固化室内试验研究

1.4.1优选固化剂原料

针对废弃泥浆中残留大量化学添加剂以及整个体系高度稳定性和粘稠性的特点，通过探索性试验挑选四种原料作为固化剂配方的基础原材料。

根据化学剂的作用原理，可将固化剂配方中的四种原料划分为：凝聚剂A、助凝剂B、胶结剂c和胶结剂D。

凝聚剂A：能有效的中和废泥浆的碱性，使溶液介质变成中性；能彻底破坏废弃泥浆的胶体体系，致使废弃泥浆化学脱稳脱水；能与废弃泥浆中许多不同形式的有机离子基团交联，导致废泥浆中的残留有机物和固相颗粒形成稳定的絮凝体，从而有效地减少了溶液中有机物的浓度。保证废弃泥浆固化后达到很好的COD去除效率：能与废弃泥浆中重金属离子生成多羟基含金属离子的配合物，并沉淀于固化体晶格中，从而有效地减少了废弃泥浆中的重金属含量，本次配方改进巧妙地结合了泥浆中含有羟乙基纤维素钠（CMC）的优势，利用部分无机盐跟CMC能够结合成大的网格状的物质，起到包络污染物的特点，最终确定了改进配方中的凝聚剂A。

助凝剂B：对废弃泥浆中的粘土颗粒和有机物有着吸附絮凝作用，同时参与废弃泥浆固化体系整体晶格的形成。本次配方改进充分考虑了本地区土壤中盐类的特点及架桥元素的特点，确定了改进配方中的助凝剂B。

胶结剂C和D：将凝聚剂A和助凝剂B处理后的絮凝体进一步交接包裹起来，使之形成一个具有很好抗水浸泡能力和一定强度的固化体。本次配方改进首先选取本地价廉易得的胶结剂，同时调整了胶结剂在药剂中所占的比例。避免出现胶结剂比例过高PH超标，胶结剂比例过低COD等由于固结不好而超标等现象。

1.4.2正交试验确定固化剂配方

最佳的固化剂配方由L9（34）等系列正交试验来完成。废弃泥浆中需监测的污染指标多达十几项。在做正交试验时不可能将其一一分析。在实验中，通过逐步摸索最终确定CODcr、PH和总铬作为主要的监测指标即能够表征泥浆固化的效果。这几个指标是很难治理的，特别是CODcr。本文选择了CODcr、PH和总铬作为判断依据，找出有效固化剂使用的最佳配比，我们以处理普通聚合物泥浆正交设计实验为例。

式中，Yt为第i个试验号对应的试验值；

K1、K2、K3分别表示某因素在三水平上试验值的和；

K1A表示因素A在i水平上的试验值的和；

g是因素A引起的方差平方和。

根据上述L9（34）正交设计的试验，通过对多种不同类型废弃泥浆的反复验证，最终得到废弃泥浆固化剂最佳配比为：凝聚剂A：助凝剂B：胶结剂C：胶结剂D=3a：3b：2c：2d，单位为g/l00ml泥浆。

2.结语

通过试验改良后的固化剂配方，在几口试验井中的运用取得了预期的效果。表明我们对固化剂的组份配比调整是可行的。但是由于区域及钻井情况的差异，固定单一的固化剂配方很难都取得很好的治理效果。