泡沫钻井废水是在油气田勘探开发过程中钻井时产生的一种废弃钻井液，它含有油类、钻屑、膨润土、聚合物等多种化学物质，其中烃类、盐类以及各类化学剂和重金属离子类有害物质含量很高。欠平衡钻井时为了提高泡沫钻井液的稳定性，通常在配制泥浆时加入大量的稳泡剂、润湿剂、亲油固体处理剂等成份，从而构成了一种稳定的乳状胶质体系[1]，在提高钻井液性能的同时却给钻后废水处理增添了许多难题。
例如，胶质体系悬浮在泥浆池表面迅速氧化成膜，阻隔了外界阳光和微生物的进入，造成氧化膜以下乳状液难以降解，因而池中的有害物质长期残留，无法絮凝沉淀。这不仅延迟了废水处理的施工进度，也增添了隐患危害发生的风险机率，一旦废水渗入到土壤深处并污染地下水源，将会给周边居民生活和生态环境带来不可逆转的危害。针对户部寨气田泡沫钻井废水水质粘稠、成分复杂的特点，通过划块取样分析和多次室内模拟实验，不断地优化工艺流程和处理剂配方，最终在部17-1井现场取得了良好的试验效果。
本实验用泡沫钻井废水取自中原油田分公司户部寨气田部17-1井钻井泥浆池，该井井深3 518 m，水体呈黑褐色、外观粘稠，其中微小气泡均匀分布，COD值达4 057 mg/L，成分复杂，具有高粘度、高浊度、高COD和高稳定性的特点。经过对泥浆池分块取样化验，废水的主要技术指标见表 1。
PHS-3C酸度计；OIL510全自动红外分光测油仪；TU-1810紫外可见光光度仪；JBY-2絮凝搅拌仪；1 000 mL玻璃容器、玻璃棒；活性炭；XP-1消泡剂；铝盐破胶剂；无机增肥剂；絮凝剂等。
首先按照初始化设计中的操作步骤，选用合适的实验器皿在常温条件下开始模拟实验；其次完成每步实验后立即对反应物进行水质监测，并根据监测结果中有害物质残存量评价实验效果，然后找出实验中的缺失条件和不利因素，并对工艺步骤和处理剂配方进行优化，再次根据优化设计进行模拟实验，反复实验直到监测效果最佳为止；最后将实验的研究成果直接转化到现场应用中，实现废水处理技术全过程优化的目标，详情见图 1。
为了模拟真实井场环境，实验环境选择在常温、常压下，通风且光照条件良好的实验室，实验反应容器为1 500 mL的立方形玻璃槽，将部17-1井泥浆坑内取回的泡沫钻井液样品倒入反应容器中，然后根据实验方案进行初始化实验，模拟实验工艺流程见图 2。
第一步(A)向玻璃容器中加入废水1 000 mL并在室外曝晒48 h~72 h，利用光照将FP-1、FP-2发泡剂与WP-2稳泡剂等有机溶剂降解；第二步(B)向反应容器中加入XP-1消泡剂5 g并搅拌均匀，消除废液中微小的CO2气泡；第三步(C)使用文献[2]提出的化学混凝法，加入聚合氯化铝药剂(PAC) 20 g，降低废液COD值和浊度；第四步(D)使用文献[3]活性炭吸附法进行深度处理，加入活性炭200 g，吸附时间6 h~8 h。
初始化实验的A步操作废水光照36 h后，液体表面形成一层厚度为3 mm~4 mm的黑色氧化膜，去除氧化膜后发现下层液体为黄褐色，其中仍悬浮大量CO2气泡，各项污染物指标均未降低。随后进行B步操作加入XP-1消泡剂5g，并使用玻璃棒搅拌3 min，充分反应后测得样品中悬浮物(SS)含量反而由3 570 mg/L上升到了3 790 mg/L，石油类含量由300 mg/L上升到了330 mg/L，前两步操作没有实现破胶、消泡的预处理效果，导致C-D两步净化处理操作后废水污染物指标无法达到GB 8978-1996《污水综合排放标准》规定的A1级水质标准。初始化实验每步操作后水质监测结果见表 2。
通过实验过程分析和水质监测结果对比，发现实验失败的主要原因在A-B步中，由于废水水质粘稠混浊，光线无法穿透废水液层，因此光解反应仅局限于液体表层，光解后的有机小分子沉淀于液面以下30 mm~40 mm，其次反应中析出的水分快速蒸发导致沉淀物曝露于外界大气中，沉淀物迅速氧化成一层黑色碳化膜，正是这层碳化膜阻碍了光解反应。这时如果进行C-D步，池中大量FP-1、WP-1等未反应的胶质物会包裹消泡剂、絮凝剂、活性炭颗粒，迫使处理剂无法均匀分散并充分反应，从而影响了初始化实验效果。
针对泡沫钻井液水体粘稠，水化胶质物难以破解，实验重新调整了工艺流程，首先在A步操作中加入消泡剂和破胶剂，打破有机分子团网状结构，使被束缚的微小气泡和固相微粒得以释放。B步操作中加入生化肥料提高水体活性，促进微生物厌氧菌快速繁殖，利用厌氧菌群分解凝胶、石油烃等有机物[4]。C步操作加入絮凝剂使溶解在水体中的有害物质絮凝沉淀；D步实施活性炭吸附，将水体中微小的固相物质吸附，实现水体的深度净化。实验步骤主要在A-B步实施改进，改进后的工艺流程见图 3。
改进试验步骤后，首先在A步中加入30 g消泡剂。经过消泡脱气反应，1 000 mL废水的体积减少到863 mL，释放出大约130 mL的CO2气体，而后加入25 g破胶剂并搅拌，水体粘度逐渐降低，30 h后析出了213 g水，待水分蒸发后废水体积下降到650 mL。B步操作中投入20 g无机肥料后进行搅拌，搅拌均匀后光照48 h等待自然分解。由于前A-B步措施废液顺利脱气、脱水[5]，其体积减少了近40%，从而降低了后期药剂的添加量，C步操作只加入了30 g氯化铝(PAC)絮凝剂，充分反应后水体颜色由深褐色变为橙黄色；D步操作加入活性炭80 g，深度吸附后水体颜色逐渐变为淡黄色。优化实验的各步骤水质监测结果见表 3。
从表 3可以看出，A操作后，废液中的悬浮物含量由3 680 mg/L下降到了774 mg/L，显示大量胶体物质被破解沉淀，同时pH值降低了0.9，表明部分碱性物质已被中和。B步操作后，石油类含量下降了200 mg/L，因为加入四氯化磷等增肥剂后扩大了微生物群落，从而加快了烃类物质的降解速率，同时更重要的是防止未降解的烃类物质上浮，在废液表面氧化，从而形成黑色碳化膜阻隔光解反应。C步后COD值含量下降了近2 000 mg/L，废水色度明显降低。D步深度处理后，废水水体COD、SS、石油类等监测结果均低于国家标准。其次，废液总铬含量为0.08 mg/L、pH值7.2，也明显低于液体污染物技术指标[6]。
工艺流程改进过程中，逐步确定了药剂种类、加药时机、加药量等工艺参数，但在试验时为了达到各项净化指标，处理剂的添加量很大程度上超过了实际需要。尽管药剂过量能够达到无害化技术指标，但加入药剂过多，会造成严重的浪费，同时残存的大量药剂将会造成土壤的二次污染。为了解决以上问题，只有进行处理剂的配方优化，实现药剂剂量的最优配比，才能满足经济效益和环境保护的双重要求。前期试验确定的处理剂配方见表 4。
采用未优化的配方处理1 000 mL废液，需各类处理剂310 g，那么处理1 m3废液需要处理剂310 kg，部17-1井泥浆坑内有200 m3废弃泥浆，如果实施无害化处理，最少需要药剂62 t。
取废水样品5个，进行处理剂配方的优选实验。以破胶剂优选实验为例，实验中向每个样品中分别加入5 g、10 g、15 g、20 g、25 g不等的药剂，待药剂充分反应结束，再进行水体污染指数监测。监测结果显示，药剂加入量5 g、10 g的样品悬浮物下降指数不达标，其它3个样品均达标，因此破胶剂的选值以15 g为宜。采取同样方式对其它药剂进行优选实验，得出了最终的优化后配方(见表 5)。
优化后的配方处理1 000 mL废液，使用处理剂160 g，较优化前减少150 g，则处理1 m3废液需要处理剂160 kg，处理200 m3废弃泥浆只需32 t药剂，较优化前减少各类处理剂30 t，单井施工费用节约48.3%。
根据泡沫钻井液废水处理优化实验，采用消泡破乳-生物降解-破胶絮凝-活性炭吸附的工艺流程，并采用6.25% XP-1+9.5% AlCl3+3% PCl4+12.5%氧化物+30%活性炭+25%硅酸盐+20%辅助剂的处理剂配方，于2008年12月在户部寨气田的部17-1井进行了现场试验，2009年6月以来先后在部17-2井和部1-侧23井进行了推广应用。处理后的废水通过了中原油田监测中心质监站的监测，结果见表 6。
结果显示，部17-1井、部17-2井、部1-侧23井采用新的处理工艺和配方后，COD值控制在100 mg/L以内，净化指数优于最低标准，达70 mg/L~100 mg/L，其它主要技术指标如悬浮物、总铬、石油类等均达到GB 8978-1996《污水综合排放标准》规定的A1级水质标准。
现场实践证明，户部寨气田采用消泡破乳-生物降解-破胶絮凝-活性炭吸附的工艺流程及配方能够有效净化高粘度、高浊度、高色度、高COD的泡沫钻井废水。其次，试验总结出的流程改造程序和配方优化思路及成果具有良好的适应性和广阔的应用前景。
(1) 钻井时不断补充WP-Ⅰ、WP-Ⅱ聚氨酯稳泡剂，凝胶及胶液两性离子型乳化剂会导致泡沫钻井废水中的有机物含量升高，增加废水的处理难度。
(2) 针对高色度、高浊度、高COD值的钻井废液进行配方优化时，应适当提高絮凝剂和活性炭的比例，以便有效降低废水的COD指标[7]。
(3) 消泡和破胶环节尤为重要，首先破坏稳定的水包气体系和有机分子的网状结构，将被束缚的CO2气体和自由水释放出来，便于絮凝剂充分反应，能够大幅度提高水体质量。
(4) 生物降解能够有效降低废液中有机物质含量，通过自然光和微生物分解，大分子有机物化学键被逐一断开，分解成分散、细小的微粒，便于后期净化。
(5) 通过试验研究改进泡沫钻井废水处理工艺，能够有效降低废液的COD、石油类、总铬、六价铬、pH值等污染指数，并使现场施工节约近50%的施工成本。
2011, Vol. 40 Issue (5): 535-538
2011, Vol. 40 Issue (5): 535-538