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钻井废泥浆絮凝脱水固化处理研究

2020-09-04 来源:一二三四网
Vo1.7,No.4 环境工程技术学报 第7卷,第4期 July,2017 Journal of Environmental Engineering Technology 2017年7月 陈曦,郭丽梅,喻可赭,等.钻井废泥浆絮凝脱水固化处理研究[J].环境工程技术学报,2017,7(4):495-499. CHEN X,GUO L M,YU K Z,et a1.Study On solidiifcation treatment for wagte drilling fluid of flocculant dehydration[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(4):495-499. 钻井废泥浆絮凝脱水固化处理研究 陈曦 ,郭丽梅 ,喻可诂 ,武首香 1.天津现代职业技术学院,天津300350 2.天津科技大学化工与材料学院,天津300457 摘要以海上油田水基钻井废泥浆为试验对象,采用化学固液分离法,加入不同絮凝剂脱水,并用水泥作为固化剂对脱水后 的泥饼进行固化处理制成建筑材料。结果表明:钻井废泥浆经稀释后才能实现固液分离。当钻井废泥浆稀释比为4.O0时,加 入150 mg/kg阴离子絮凝剂A1920PAM,处理后钻井废泥浆泥饼含水率最低降至35.33%;水泥固化块中钻井废泥浆泥饼最佳 加入比为25%,此时既能满足大部分建筑材料强度要求,又能大量固化钻井废泥浆;对水泥固化后的材料用水浸泡测定浸出 液中主要污染物,结果显示,浸出液中CODc 、重金属等污染物浸出量均低于GB 8978--1996(污水综合排放标准》一级标准。 关键词钻井废泥浆;固液分离;絮凝;建筑材料 中圈分类号:X74 文章编号:1674-991X(2017)04-0495-05 doi:10.3969 ̄.issn.1674-991X.2017.04.068 Study on solidiifcation treatment for waste drimng fluid of lfocculant dehydration CHEN Xi ,GUO Limei ,YU Kezhe ,WU Shouxiang 1.Tianjin Modem Vocational Technology College,Tianjin 300350,China 2.CoHege of Chemical Engineering and Mateirlas Science,Tianjin Univemi ̄of Science&Technology,Tianjin 300457,China Abstract Dehydration of waste drilling fluid from an offshore oil ifeld was studied by adding diferent flocculants. Then the mud cake was mixed wiht cement by solidiifcation process and made into building materials.The experimental results show that the solid-liquid separation of the waste drliling lfuid can only be achieved by dilute of the fluid.The waste drilling lfuid Was diluted by 4 itmes nad disposed by adding anionic flocculnat A1920PAM at a dosage of 150 mg/kg,and the residual moisture content of the fluid can be reduced to as tow as 35.33%after vacuum filtration.The optimal proportion of waste drilling lfuid in solidiifed block was 25%.because the strength condiitons of most building materilas were satisifed and more waste drilling fluid could be solidiifed.After the immersion test of the solidiifed materials,it shows that the leaching efifciency for COD cr nad heavy metlas is eblow hte national discharge standard. Key words waste drilling lfuid;solid—liquid separation;flocculant;building materilas 在石油与天然气开采过程中会产生大量的钻井 类(PHCs,0.5%一3%)、水(80%一99%)、重金属 废泥浆。近年来由于石油钻探工作量的加大,钻井 和矿物(O.2%~7%)等 ,如不及时处理,会对环 深度的增加,钻井周期的延长及三磺泥浆的大量使 境和人类健康产生严重危害。目前,国内外针对钻 用,使废泥浆中污染物的浓度越来越高 4。。在钻 井废泥浆的无害化处理已进行了大量研究,其中固 井过程中使用的钻井液多达上百种,导致钻井废泥 化处理法因其工艺简单、操作便捷、处理效率高、对 浆成分复杂且十分稳定,其中含有各种复杂的石油 环境影响小的优点成为较理想的无害化处理技术。 收稿日期:2016-12-30 基金项目:国家科技重大专项(2011ZX05013) 作者简介:陈曦(1984一),女,讲师,硕士,主要从事固体废物处理与资源化利用研究工作,chenxi_xiandai@163.corn ・通信作者:郭丽梅(196l一),女,教授。主要从事油田化学品的合成及油田水处理研究工作,glmei@tust.edu.cn 环境工程技术学报 第7卷 常用的固化处理法有固化填埋或固化成建筑材料 等,前者需考虑浸出液的影响,后者需考虑废泥浆固 化后含水率的影响,含水率高则固化周期长且耗能 大。因此,在对钻井废泥浆无害化处理前,先对其进 行脱水,以利于其后续的固化处理 J。 笔者以中国海洋石油总公司某海上油田钻井废 泥浆为研究对象,选取高分子絮凝剂对钻井废泥浆 进行脱水降低钻井废泥浆的含水率,同时钻井废泥 浆中脱出的水还可作为稀释水进行循环利用;进而 采用水泥对钻井废泥浆进行固化处理,以达到无害 化处理钻井废泥浆的目的。 1材料与方法 1.1材料与仪器 试验所用药剂及所用仪器见表1和表2。 表1试验所用药剂 Table 1 The reagents used for experimental 1.2试验方法 样品取自中国海洋石油总公司某海上钻井平台 废泥浆池,塑料桶密封保存。 1.2.1钻井废泥浆组分分析 采用重量法测定含水率;煅烧法(600℃)测定 无机矿物含量;以脱芳烃石油醚(6O~90℃馏分)为 萃取剂,索氏抽提器提取泥浆样品中的原油6 h,紫 外分光光度计测定泥浆中的含油率。 1.2.2钻井废泥浆脱水处理 取一定量钻井废泥浆于500 mL烧杯中加水稀 释,充分搅拌后加入一定量的高分子絮凝剂,用中速 定性滤纸真空抽滤,将滤后泥饼放入烘箱(105 oC) 中干燥,计算泥饼含水率,每组3个平行样取平均 值,泥饼含水率低的为最佳稀释倍数。对照为未稀 释钻井废泥浆。 表2试验所用仪器 Table 2 The instruments used for experimental 仪器 型号 生产厂家 电子天平 JY2502 上海精密科学仪器有限公司 循环水式多用真空泵 SHB—BI 郑州长城科工贸有限公司 抗压模具 .4 nⅡn×25.4fIl|rI 自制 多功能搅拌器D-8401 天津市华兴科学仪器厂 电 戤风干黼 …- 恒 器 。wc麟溯 马弗炉 s 一 罢 可调温电热套 MYB 上海标和仪器有限公司 紫外,可见分光光度计 UV1901PC 上海奥析科学仪器有限公司 浊度仪 Ⅲ93703—11 上海精密科学仪器有限公司 恒温水浴锅8OO2 天津华北仪器厂 抗压强度试验仪 SGY—lI 湘潭市仪器仪表有限公司 石墨炉原子吸收光谱仪 AASS000 长沙诺天电子科技有限公司 1.2.3钻井废泥浆固化处理 将烘干后的钻井废泥浆泥饼与普通硅酸盐水泥 按一定比例混合,加水经恒速搅拌器搅拌制备水泥 浆。将水泥浆倒人自制抗压模具进行水浴养护24 h 后,于抗压强度试验仪上进行压力测试,计算出固化 水泥块抗压强度,计算公式如下: R =P/A 式中:R 为抗压强度,MPa;P为极限荷载,N;A为受 压面积,mm 。 1.2.4水泥固化块浸泡试验 采用nJ 557--2010((固体废物浸出毒性浸出方 法水平振荡法》 制备固化块浸出液,并对浸出液 中COD 、Cd、Pb、Cu、Zn等指标进行测定 J。 将水泥固化块粉碎后过3 mm筛网,备用。取 筛后样品100 g,置于2 L提取瓶中,向提取瓶中加 人1 L蒸馏水,盖紧瓶盖固定在水平振荡装置上,以 (110±10)次/min、40 mm的振幅在室温下振荡8 h, 静置16 h。取上清液测定各指标。 第4期 陈曦等:钻井废泥浆絮凝脱水固化处理研究 2结果与讨论 2.1钻井废泥浆基本成分 经测定钻井废泥浆的原始含水率为71.00%, 含无机矿物为23.56%,含油率为5.16%。 2.2稀释比对固液分离效果的影响 蔫 用自来水或钻井废泥浆絮凝脱出水按水与钻井 蠢 废泥浆稀释比为2.50、2.85和4.00进行稀释,并以 原始钻井废泥浆(不加水)为对照,各溶液中分别加 入150 mg/kg的阴离子聚丙烯酰胺乳液 (A1920PAM),同时搅拌,考察稀释比对絮凝处理的 初步效果,结果见表3。 图1不同高分子絮凝剂投加量对泥饼含水率的影响 Fig.1 The effects of diferent polymer flocculant 表3不同稀释比钻井废泥浆的絮凝效果 added amount Oil water content of lfuid cake Table 3 Flocculation effect of waste drilling fluid under diferent dilution proportions 量相同的情况下,分子量大的阴离子絮凝剂形成泥 饼的含水率低,说明絮凝剂分子量越大,分子链越 长,分子链对污泥颗粒的吸附架桥作用更加显著。 由图1可知,当A1920PAM絮凝剂投加量为150 mg/ kg时,泥饼的含水率为35.33%,絮凝效果较好。 2.4钻井废泥浆固化处理 脱水后的泥饼中含有石油和有机添加剂,其携 由表3可知,原始钻井废泥浆絮体很小,无法成 带的岩屑中可能含一定量重金属等污染物,若随意 型;稀释比为4.00时,用A1920PAM絮凝剂处理污 丢弃会对环境造成极大的污染 J。如对脱水后 泥的絮凝效果较好。由于钻井废泥浆中含有大量膨 的泥饼进行水泥固化处理,制成建筑材料,既不污染 润土和添加剂,具有较高的黏度,流动性差,乳化严 环境又能变废为宝。水泥固化原理是通过水与硅酸 重,导致泥浆中固液分离困难¨。。,因此在固化处理 盐反应生成硅酸钙水合胶,待硅酸钙凝固后形成含 前,应先加水稀释预处理,降低钻井废泥浆的表观黏 氢氧化物和硅酸纤维的物体,将钻井废泥浆包容,并 度及泥浆的密度。污泥稀释后,加大了污泥颗粒问 逐步硬化形成水泥固化体。水泥固化具有如下优 的距离,减少了形成网状结构的可能性,使大量固相 点:处理技术相对成熟,设备与工艺简单;钻井废泥 的岩屑等通过自然沉降分离出来l-1 j。 浆可直接处理;成本较低;对钻井废泥浆中化学性质 2.3高分子絮凝剂筛选及最佳用量 的变动具有承受力 。当水与普通硅酸盐水泥质 选取稀释比为4.0o,按1.2.2节方法分别加入 量比例为0.44:1-l 时,在水泥中加入不同比例的泥 阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、阴离子聚丙烯酰胺 饼,研究其对固化块抗压强度的影响,结果见图2。 (APAM1、APAM2、APAM3、APAM4及A1920PAM), 钻井废泥浆固化块的强度与其孔隙度呈负相关 以泥饼含水率为评价指标,考察不同絮凝剂及其投 关系,孔隙量越大则固化块强度越小。若孔隙量相 加量对絮凝效果的影响,结果见图1。 同时,固化块中孔径越大,强度越小。由于钻井废泥 通常,CPAM絮凝剂主要通过电中和、压缩双电 浆颗粒间含有孔隙水,导致固化块浆体存在孔隙水, 层、吸附架桥等发挥作用¨引。从图l可以看出, 从而使固化块强度降低¨哪J。随着泥饼含量的增 CPAM对该钻井废泥浆并没有絮凝脱稳作用,其可 加,固化块抗压能力逐渐下降,根据固化块的抗压强 能是由于钻井废泥浆中含有大量的磺酸盐添加剂, 度可知,固化块可以满足多种建筑材料的抗压强度 与CPAM发生电荷中和形成离子对 引,削弱了絮凝 要求,如GB 50003--2001《砌体结构设计规范》要求 功能;加人APAM后,污泥脱稳产生絮体,絮体翻卷 墙体材料抗压强度为不小于15 MPa,路基基层设计 形成絮团并沉降。随着阴离子絮凝剂投加量的增 抗压强度不小于3.5 MPa。由图2可以看出,泥饼 加,泥饼含水率呈先降低后增加的趋势。且在投加 加人量低于27%均可以满足建筑材料抗压要求,考 环境工程技术学报 第7卷 ∞自∈髓嘿旧 图2钻井废泥浆泥饼加入对固化块抗压强度的影响 Fig.2 The effects of different content for fluid cake of waste drilling fluid on compressive strength of cement 虑以最大限度利用泥饼为目的,当泥饼加入量为 27%时,虽然抗压强度仍可满足要求,但由于泥饼中 含有大量黏土,水泥浆搅拌时稠化时间短,均质性 差,无法满足施工要求,因此,选择固化块钻井废泥 浆泥饼加入量为25%作为较佳建筑材料。 2.5固化块浸出试验 对固化块浸出液中的COD 和重金属Cd、Pb、 cu、zn浓度随时间的变化进行测定,结果如图3和 表4所示。 邑 0 8 图3 CODc 随时间的变化 Fig.3 The change curve of CODc with immersion time 由图3可知,水泥固化块浸出液中的COD 均 低于GB 8978--1996《污水综合排放标准》一级标 准,且随着水泥固化块浸泡时间的延长,浸出液中的 COD 较为稳定。说明钻井废泥浆经水泥浆固化处 理后,能有效控制钻井废泥浆COD 的浸出量。 由表4可知,重金属Cd、Pb、Cu、zn浸出浓度远 低于GB 8978--1996一级标准,且随着浸泡时间的 延长,重金属浸出浓度上升幅度极小,到第8周时基 本趋于稳定。综上所述,水泥浆固化能有效地降低 钻井废泥浆泥饼对环境的污染,同时达到固体废物 重新利用的目的。 表4重金属浸出浓度随时问的变化 Table 4 The changes of heavy metals with immersion time mg/L 3结论 (1)在钻井废泥浆中直接加入絮凝剂无法实现 脱稳絮凝脱水,因此需对钻井废泥浆进行稀释预处 理,当稀释比为4.00时泥饼含水率较低。 (2)阳离子聚丙烯酰胺(CAPM)不适用于该体 系脱稳絮凝;阴离子聚丙烯酰胺(APAM)中阴离子 聚丙烯酰胺乳液(A1920PAM)絮凝效果较好,当 A1920PAM投加量为150 mg/kg时,泥饼含水率最 低,为35.33%。 (3)固化块中钻井废泥浆泥饼加入量最佳比例 为25%,既可满足大部分建筑材料强度要求,又能 大量固化钻井废泥浆。 (4)水泥固化块中COD Cd、Pb、Cu、Zn等污 染物浸出浓度均低于《污水综合排放标准》一级标 准,可实现对钻井废泥浆无害化处理。 参考文献 [1] 余红波,李忠庆,韩志田,等.浅谈钻井废泥浆对环境的危害 及处理技术[J].科技资讯,2006,3(4):148-149. 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