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废弃钻井液作为沙漠改良剂的应用研究 冀忠伦 中国石油长庆油田油气工艺研究院， 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室， 西安 710018 摘要 油气田开发产生的废弃钻井液具有富含水、 有机质和黏粒的特点， 是改良沙漠土壤的有用成分， 可用来提高沙漠 土壤团粒和黏粒数量， 提高土壤肥力。探讨了一种既能实现在沙漠、 半沙漠草地环境下对废弃钻井液实现环境友好处 理， 又能提高沙漠土壤保水、 保肥和增肥能力的沙漠改良技术。 关键词 废弃钻井液;沙漠;改良剂 STUDY ON USING WASTE DRILLING FLUID AS IMPROVER OF DESERT SOIL Ji Zhonglun National Engineering Laboratory of Low-permeability Oil and Gas Exploration and Development， Oil ＆ Gas Technology Research Institute Changqing Oilfield Company，Xi’ an 710018，China AbstractWaste drilling fluid of oil or gas field contains high moisture，organic and clay. So waste drilling fluid can be used to improve the desert.This paper discusses a technology for environmental-friendly treatment of waste drilling fluids and improvement of desert soil， it can improve water retention and fertilization capacity of desert soil of desert or semi-grassland semi-desert environment. Keywordswaste drilling fluid;desert;improvers 0引言 石油天然气开发过程产生的废弃钻井液等污染 物对环境造成一定的危害; 钻井液作为油气钻井工作 液起到携带岩屑、 平衡压力、 冷却润滑钻具、 传递水动 力等作用 ［ 1］， 被称为钻井工程的 “血液” ， 是油气开发 中必不可少的工作液。油气田的大规模开发必将产 生大量的废弃钻井液， 废弃钻井液含有黏土、 有机添 加剂、 污水等， 其中 COD、 石油类、 pH 值等超标。目 前废弃钻井液的处理方法包括直接排放、 回填、 坑内 密封、 回注、 MTC 和固化等方法 ［ 2- 3］， 以水泥类等水硬 材料为主的固化技术是近年来国内各油田普遍重视 和使用的一种方法。其机理是向废弃钻井液中加入 固化剂， 使其转化成类似土壤或胶结强度很大的固 体。但固化方法具有处理剂加量大、 存在二次污染等 缺点， 形成的固化体强度高， 不适宜土壤和生态的恢 复。沙漠、 半沙漠草地脆弱的生态环境更需要环境友 好的处理方法。因此， 本文探讨了一种既能实现沙 漠、 半沙漠草地环境下对废弃钻井液环境友好处理， 又能提高沙漠土壤保水、 保肥和增肥能力的沙漠改良 技术。 1自然概况［ 4］ 本文以苏里格气田所在的毛乌素沙漠为研究区 域。毛乌素沙漠位于北纬 3727. 5′ ～ 3922. 5′， 东经 10720′ ～ 11130′， 海拔多为1 100 ～ 1 300 m， 面积达 4. 22 万 km2， 万里长城从东到西穿过沙漠南缘。沙区 年均温 6. 0 ～ 8. 5 ℃ ， 年降水量 250 ～ 440 mm， 集中于 79 月， 占全年降水60 ～ 75 。毛乌素沙区土质 基本属于灰钙土， 是荒漠草原区弱淋溶的干旱土， 土 壤贫瘠， 黏粒和胶体粒子少， 土壤偏弱碱性; 表层弱腐 殖化， 土壤有机质含量1 ～ 2. 5 ; 流沙和巴拉 半固 定和固定沙丘 广泛分布， 土壤分析结果见表 1。 因此， 为减小气田开发带来的环境影响， 防止苏 里格气田所处毛乌素沙漠的生态环境荒漠化加剧， 应 重视沙漠土壤中的黏土颗粒和腐殖质含量的提高， 改 善土壤理化性质， 增强沙土肥力。 12 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 表 1毛乌素沙漠土壤分析 重力密度 / mgkg － 1 密度 / gcm － 3 总孔隙 率 / 毛管孔隙 率 / 含水 率 / 有机质 / 氮 / mgkg － 1 磷 / mgkg － 1 钾 / mgkg － 1 1. 382. 45471112. 70. 34. 22. 721. 5 2废弃钻井液特点分析 苏里格气田所用钻井液以低密度聚合物体系为 主， 含水率较高， 添加一定的黏土和有机聚合物。由 于其 pH、 COD、 石油类等污染超标， 不能直接排放， 但 其中的有机质、 黏土及水分是沙漠土壤的有用成分， 可改善土壤的肥力; 且废弃钻井液是一种稳定的胶体 体系， ζ 电位和污泥比阻较高， 具有一定保水效果， 见 表 2。 表 2毛乌素沙漠某钻井废弃钻井液分析 pH ρ COD / mgL － 1 石油类 / mgL － 1 水分 / 有机质 / gkg － 1 黏土 / ζ 电位 /mV 污泥比阻 / s2g － 1 9. 4620037937. 25－ 381. 6 1010 废弃钻井液含有大量的黏土颗粒和丰富的有机 质; 对废弃钻井液进行环境友好处理， 将其中的有机 物作为沙土的有机质原料， 黏土可改善土壤结构， 增 加黏粒、 团粒比例， 从而实现变废为宝， 将废弃钻井液 作为治理荒漠的有用材料 ［ 5］。 3结果与讨论 3. 1对土壤理化性质的影响 利用废弃钻井液高含有机质和黏粒的特点改良 沙漠土壤， 可改善土壤理化性质， 添加具有肥效特征 的处理剂对废弃钻井液进行预处理， 再进行土壤改良 效果更好。根据前期试验结果， 沙土和废弃钻井液比 例按 2∶ 1 ～ 4∶ 1进行土壤改良效果较好， 60d 后分析对 比改良前后土壤的理化性质， 结果见表 3、 表 4。 以废弃钻井液作为沙漠改良剂可改善沙漠土壤 的理化性质， 改良土壤 1 毛管孔隙率增加 3. 4 倍， 粉 粒含量增加 12. 23 倍， 黏粒含量由零增加到 1. 75 ， 阳离子交换容量、 有机质及可溶氮增加 2 倍左右， 酸 碱度得到改善。利用具有肥效特征的处理剂对废弃 钻井液进行预处理， 改良土壤 2 效果更好， 保水、 保肥 和增肥能力进一步改善。 表 3改良前后土壤理化性质 项目pH毛管孔隙 / 粉粒 / 黏粒 / CEC / cmolkg － 1 有机质 / 可溶氮 / mgkg － 1 沙漠土壤8. 3111. 8902. 40. 334. 19 改良土壤 17. 1 34. 223. 121. 626. 30. 629. 27 改良土壤 27. 04 36. 736. 981. 757. 70. 6111. 52 表 4改良前后土壤离子成分 项目 CO2 － 3 / gkg － 1 HCO － 3 / gkg － 1 Cl － / gkg － 1 SO2 － 4 / gkg － 1 Ca2 / gkg － 1 Na / molkg － 1 碱化度 / 沙漠土壤0. 1051. 1172. 1270. 8650. 0302. 846. 6 改良土壤 20. 105 1. 2080. 9410. 2640. 0403. 112. 6 3. 2保水能力 分别检测不同深度改良土壤 1 和改良土壤 2 光 照48 h后的含水率， 与未进行光照的土壤含水率进行 对比， 见图 1。 由图 1 可以看出， 具有肥效特征的废弃钻井液处 理剂具有良好的保水效果， 光照48 h含水率几乎没有 图 1土壤保水情况对比 变化。 22 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 3. 3毒性屏蔽 废弃钻井液处理剂具有改善土壤理化性质和保 水保肥的能力， 且能屏蔽因金属离子或有机污染物引 起的毒性。向土壤中加入对植物生长有抑制作用的 铝元素， 使 Al3 浓度达到100 mg/kg， 通过发光细菌试 验可检测 3 天后土壤毒性指标 EC50 达120 mg/L左 右 ［ 6］。向土壤中添加废弃钻井液处理剂， 土壤毒性 保持在 未 添 加 Al3 时 的 水 平， 毒 性 指 标 EC50 为 10 000 mg/L左右， 见图 2。 图 2处理剂的毒性屏蔽作用 3. 4土壤微生物生长情况 废弃钻井液中的水分和有机质是微生物生长繁 殖的有利条件， 利用废弃钻井液进行沙漠土壤改良， 使微生物生长繁殖的营养和环境条件改善， 微生物大 量繁殖， 有利于沙漠生态系统的建立并形成良性循 环， 见表 5。 表 5改良前后土壤微生物对比 项目 土层剖面深度 /cm 0 ～ 55 ～ 1010 ～ 20 100 g 沙漠土壤微生物 /个1. 83 1041. 13 1040. 92 104 100 g 改良土壤微生物 /个11. 01 1048. 01 1046. 06 104 3. 5植物生长情况 在改良土壤中种植当地植物， 2 个月后检测分析 植物的柱高、 干重以及土壤中残存 N、 P、 K 含量， 并与 空白组进行对比， 以确定植物生长情况和对 N、 P、 K 吸收情况， 结果见表 6。 由表 5 可以看出， 利用废弃钻井液改良沙漠土壤 表 6改良土壤对植物生长的影响 项目 株高 / cm 干重 / g N / gkg － 1 P/ gkg － 1 K / gkg － 1 沙漠土壤14. 86. 426. 21. 2721. 0 改良土壤27. 59. 911. 30. 0913. 2 能显著改善植物的生长状况， 株高增加了约 2 倍， 植 物干重增加约 1. 5 倍。同时也强化了植物对土壤中 N、 P、 K 营养物质的吸收， 改善了土壤的离子环境。 4结论和认识 1 废弃钻井液具有高含水、 有机质和黏粒的特 点， 是沙漠土壤的有用成分， 可用来改良沙漠土壤。 2 利用废弃钻井液进行沙漠改良可改善土壤的 理化性质， 提高土壤保水、 保肥和增肥能力。 3 具有肥效特征的废弃钻井液处理剂不仅可提 高土壤肥力， 且能屏蔽由金属或有机污染物引起的 毒性。 4 利用废弃钻井液对沙漠土壤进行改良后， 土 壤微生物数量大幅增加， 植物株高增加了约 2 倍， 干 重增加约 1. 5 倍， 生态环境改善。 参考文献 ［ 1］ 鄢捷年. 钻井液工艺学［M］ . 东营 石油大学出版社， 2003 1- 2. ［ 2］ 朱墨， 张进， 赵雄虎. 废钻井液无害化处理的室内研究［J］ . 钻 井液与完井液， 1995，12 3 8- 14. ［ 3］ 徐辉， 王兵， 钱衫衫. 废钻井液固化处理实验研究［J］ . 环境科 学与管理， 2006，31 4 139- 141. ［ 4］ 黄冈， 迟祖望， 杨晓梅. 固体废弃物配施改良沙漠土的可行性研 究［J］ . 矿物岩石地球化学通报， 2008，27 1 63- 68. ［ 5］ 王志， 彭茹燕， 等. 毛乌素沙地南缘改良与利用风沙土性质研究 ［J］ . 水土保持学报， 2006，20 2 14- 17. ［ 6］ 易绍金， 向兴金， 肖稳发. 利用发光细菌法快速测定钻井液完井 液的生物毒性［J］ . 钻井液与完井液， 2001， 18 4 1- 2. 作者通信处冀忠伦710018陕西省西安市中国石油长庆油田油 气工艺研究院 E- mailjizhl_cq petrochina. com. cn 2010 － 03 － 31 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 46 页 ［5 ］ Zhou Yuegui，Zhang Mingchuan，Wang Dongfu，et al. 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