石油天然气是当今世界的主要能源,是关乎国民经济和社会发展的基础产业。作为油气使用大国,近年来我国油气开采量不断上升,随之而来的是产生大量的废弃钻井泥浆。废弃泥浆成分复杂,污染物众多,如何避免其对生态环境和人们生产生活造成不良影响、实现无害化处理是当前亟需解决的问题。本文以山西某煤层气钻井作业中产生的废弃泥浆为研究对象,根据该废弃钻井泥浆的性质,通过化学固液分离即破胶絮凝法,以分离出液相污染物含量和泥饼含水率为主要指标,探讨氯化铁(FeCl₃)、聚合氯化铝(PAC)和硫酸铝(Al₂(SO₄)₃)等三种破胶剂对泥浆的破胶效果并进行优选,在此基础上使用阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、阴离子聚丙烯酰胺(APAM)和非离子聚丙烯酰胺(NPAM)等三种有机助凝剂协同处理,考察不同添加量对泥浆的助凝效果,从而优选出最佳的破胶助凝剂组合;通过正交试验得出了该组合下使泥浆固液分离效果最佳的工艺条件(搅拌速度、搅拌时间和静置时间),分离出液相经调节pH,实现了其无害化处理,进一步利用扫描电子显微镜(SEM)对泥浆原样和分离出泥饼进行微观形貌分析,进而探究破胶助凝机理;对分离出的泥饼使用自制矿渣基固化剂进行固化,以固化块抗压强度和浸出液污染物含量为指标,评价矿渣基固化剂的无害化处理效果,并通过与25%掺量的水泥对比,考察矿渣基固化剂的固化性能,利用X射线衍射(XRD)和SEM对泥饼固化前后晶相和微观形貌进行分析,进而探究固化机理。通过上述的研究,主要得出了以下结论:(1)对于该废弃钻井泥浆,Al₂(SO₄)₃破胶处理效果最好,其最优投加量为2000mg·L^-1,处理后的液相COD_cr、悬浮物浓度、色度分别降为105.31 mg·L^-1、38.50 mg·L^-1、40倍,去除率分别为96.27%、92.25%、92.00%,泥饼含水率为84.46%,石油类和总铬含量分别为1.15 mg·L^-1、0.012 mg·L^-1;(2)与Al₂(SO₄)₃协同处理效果最好有机助凝剂的是NPAM,其最优投加量为10 mg·L^-1,处理后的液相COD_cr、悬浮物含量、泥饼含水率和色度分别降为61.98 mg·L^-1、32.50 mg·L^-1、78.64%、20倍,石油类和总铬含量略有下降,分别为1.06 mg·L^-1和0.01 mg·L^-1。(3)在最优的破胶助凝剂组合下,通过三因素四水平正交试验得出室内关于废弃钻井泥浆的最佳工艺条件为搅拌速度90 r·min^-1、搅拌时间60 s、静置时间5 min。处理后的液相COD_cr、悬浮物含量、色度、泥饼含水率分别为38.45 mg·L^-1、30.50 mg·L^-1、20倍、76.53%,石油类和总铬含量分别为1.05 mg·L^-1、0.01 mg·L^-1,当加入0.8 mL的5%NaOH溶液将pH调节为6.07后,液相所测各项指标均满足国家GB 8978-1996一级排放要求,实现了无害化处理;(4)通过SEM研究发现:破胶絮凝剂Al₂(SO₄)₃和有机助凝剂NPAM协同使用可以发挥各自的优势,通过破胶剂的电中和作用、助凝剂的桥联网捕作用,能够显著加快泥浆中颗粒物的絮凝沉降,降低泥饼含水率和液相污染物含量;(5)当采用矿渣基固化剂对废弃泥浆泥饼处理时,发现其固化效果良好,养护28 d掺量为25%的固化块抗压强度达到最大0.64 MPa,浸出液COD_cr、色度、悬浮物浓度最低值分别为53.26 mg·L^-1、10倍和37.80 mg·L^-1,各个掺量和养护期的浸出液pH都在规范要求范围内,浸出的总铬和石油类的含量很低,甚至无法检出,矿渣基固化剂能够达到“以废治废”、无害化处理废弃钻井泥浆泥饼的目的。(6)当采用水泥做对比试验时,水泥固化块抗压强度均低于矿渣基固化剂,且两者的差距随龄期的增加呈增大趋势,养护3 d时其浸出色度更高,浸出COD_cr、悬浮物含量均超过了同龄期的矿渣基固化块,且各个养护期浸出pH都超出了标准限值,表明矿渣基固化剂对泥饼的固化性能较水泥更优,而且减少了水泥用量,可以达到降低废弃钻井泥浆固化成本的目的;(7)对泥饼的固化体进行XRD和SEM测试发现:矿渣基固化剂经过水化反应生成大量胶凝产物,这些胶凝物质相互搭接包裹住固体颗粒,填补了泥饼内部孔隙,从而提高了固化块的强度和污染物的固定能力,降低了污染物的浸出,而水泥固化块早期形成的AFt会不断膨胀,破坏其内部结构,增大孔隙,从而降低水泥固化块的强度和固定污染物的能力,致使水泥固化效果下降。