鉆探工程廢棄鉆井液處理技術(shù)及進展

吳 燁，王雯璐

(1.中國地質(zhì)大學〈武漢〉，湖北 武漢430074;2.河南工程學院，河南 鄭州451191)

0 引言

鉆探工程中，鉆井液是“鉆井的血液”，它起到平衡地層壓力、攜帶懸浮鉆屑、防止井壁塌陷、冷卻和潤滑鉆具等作用。但在鉆探過程中，不可避免地產(chǎn)生廢棄鉆井液，它是一種含粘土、加重材料、各種化學處理劑、污水、污油及鉆屑的多相穩(wěn)態(tài)膠體懸浮體系［1，2］。由于廢棄鉆井液中含有大量不同自然降解性、不同毒性的污染物，如果處理不當，將會導致土壤、地表及地下水的污染，對環(huán)境和人類帶來直接或間接的危害［3，4］，為此本文研究廢棄鉆井液處理技術(shù)，提出新進展。

1 研究現(xiàn)狀

在鉆井工藝中，廢棄鉆井泥漿用量大、種類繁多、化學成分復雜，因此對廢棄鉆井泥漿的處理是比較困難的。我國在20世紀80年代開始廢棄鉆井液的研究，國家環(huán)保局相繼頒布《污水綜合排放標準》(GB 8978－1996)、《固化物浸泡液毒性分析》(GB 5086－2－1997)。研究最早的是四川油田，1989年由四川石油管理局川西南礦區(qū)發(fā)明的廢棄鉆井泥漿固化處理技術(shù)，以水泥作為主凝劑，水玻璃為助凝劑，硫酸鹽或氯化物為催化劑［5］。現(xiàn)階段的研究熱點是低毒或無毒環(huán)保鉆井液，中國石油大學于1992年對水基聚丙烯酞胺淡水鉆井泥漿的有害組分進行分析，研究了無害化處理技術(shù)。目前，建立鉆井液體系、處理劑、廢棄物環(huán)保評價和處理方法已成為油田企業(yè)環(huán)保工作的主要內(nèi)容。

國外在20世紀50年代開始對廢棄鉆井液進行無害化處理，主要是對鉆井液處理劑和鉆井液體系進行生物降解和生物毒性評價實驗，研究廢棄鉆井液對環(huán)境造成的危害和相應治理的技術(shù)手段。美國環(huán)境保護署(EPA)在1982年針對墨西哥海灣的水基鉆井液制定了嚴格的排放標準(NPDES)，為環(huán)境保護和排放廢棄鉆井液提供了環(huán)境法律基礎(chǔ)。在美國，陸上鉆井污物處理方法主要是采用地下深埋處理或循環(huán)利用，并正在研究新的適用于不同地層情況的鉆井泥漿。

2 廢鉆井液處理技術(shù)

2.1 固化處理方法

固化處理是目前國內(nèi)應用較為廣泛的處理方法。具體做法是在廢棄鉆井液中投入固化材料，使其轉(zhuǎn)化為土壤或膠結(jié)強度較大的固化體，然后就地填埋或用作建筑材料［6］。原理是鉆井液中的固相與固化劑發(fā)生物理化學反應，其中的有害成分如重金屬、高聚物、油類等被包裹起來，其它的污染物也因為遷移通道的縮小而減小了向周圍土地的遷移擴散［7］。適用于油含量 ＜50000 mg/L，鹽含量 ＜20000 mg/L的廢棄鉆井液。該方法不僅可以明顯減少重金屬離子和有機質(zhì)對土壤、水體和環(huán)境的污染和破壞，還可以有效回填還耕，提高土壤的肥力。

2.2 固液分離技術(shù)

固液分離技術(shù)是固化前的預處理，工藝流程簡便，主要內(nèi)容包括脫穩(wěn)和絮凝。

2.2.1 固液分離預處理

2.2.1.1 脫穩(wěn)

化學破膠法可有效打破廢棄物體的穩(wěn)定狀態(tài)，達到脫穩(wěn)的目的。原理是通過消除膠體的穩(wěn)定因素，利用不穩(wěn)定因素，再通過微粒之間的范德華引力及布朗運動，使膠體微粒不斷長大形成沉淀。

2.2.1.2 絮凝

在廢棄鉆井液中加入適當?shù)幕炷齽?絮凝劑和凝聚劑的混合液)，改變鉆井液體系的物理化學性質(zhì)，破壞其膠體體系，改變其中粘土顆粒的表面性質(zhì)，讓更細的顆粒產(chǎn)生聚結(jié)，使其在機械輔助分離條件下實現(xiàn)固液分離。分離出的液體，經(jīng)過二級絮凝過濾處理后達標就可外排，固相進行掩埋或固化處理［8］。

2.2.2 固液分離設備

2.2.2.1 全自動板框式壓濾機

全自動板框式壓濾機性能優(yōu)良，精度較高，使用方便。增加了開板裝置、濾餅排出裝置、濾布自動清洗裝置和濾餅自動脫落裝置。濾板材料多采用輕型聚丙烯樹脂。

2.2.2.2 帶式壓濾機

帶式壓濾機將漿料夾在雙層網(wǎng)中，擠壓時受擠壓和剪切作用進行固液分離。該工藝能夠保證設備連續(xù)運行，杜絕堵塞，污泥含固量要求低。適用于含水量高、含固量低、多膠體特點的污泥的脫水。

該方法是廢棄鉆井液處理的一個重要環(huán)節(jié)，優(yōu)點是工藝簡單靈活，對懸浮物，膠體物質(zhì)去除率高。缺點是絮凝劑和凝聚劑用量較大，且絮凝效果有待提高;固液分離裝置昂貴，操作復雜，在山區(qū)丘陵地區(qū)搬運不方便;分離出的污水還達不到排放標準，還需再次處理使其達標。只有少數(shù)幾個國家采用固液分離技術(shù)對水基泥漿進行了工業(yè)化處理，如何選用有效的混凝劑使水基廢棄鉆井液脫穩(wěn)是該項技術(shù)的關(guān)鍵。

2.3坑內(nèi)填埋或密封

坑內(nèi)填埋處理技術(shù)比較原始，主要適用于淡水基鉆井液［9］。當廢棄鉆井液中的有害指標大部分低于排放標準時，可直接排放到環(huán)境。通常的做法是完井后用土方填埋存放廢棄鉆井液的土坑，既有效利用了挖坑時產(chǎn)生的土方，又恢復了地貌原狀，簡單易行。當鉆井液中氯離子含量大于5000 mg/L時不宜采用此方法，鹽基和油基廢棄鉆井液也禁止使用此方法。

坑內(nèi)密封實質(zhì)上是一種特殊的回填處理方法。具體做法是先在挖好的儲存坑的底部和四周鋪墊一層有機土(用量為21～28 kg/m3)，然后在其上面鋪一層厚0.5～0.7 mm的塑料膜作為墊層，再蓋一層有機土來保護塑料膜。生產(chǎn)時將基本干燥的廢棄鉆井液排放在池內(nèi)，完井后用土將上表面覆蓋密封，然后上覆土體，恢復地貌原狀［10］。此方法適用于如鹽基和油基等毒性較大的鉆井液。國內(nèi)中原油田采用此法處理鉆井液。此法的最大缺點就是未能有效回收廢棄油基鉆井液中的油(油基鉆井液中含油率大約40%)，浪費了大量的石油資源。

2.4 注入安全地層或環(huán)形空間

注入法是將廢棄油基鉆井液通過井眼注入地層中或保留在井眼環(huán)空中。該方法對地層有嚴格的要求，深度必須大于600 m。同時為了保護地下水和油層，關(guān)鍵是選擇合適的安全地層。注入層常常選擇壓裂梯度較低，地層滲透性較差，而且上下蓋層必須致密、強度高［11］。此方法對設備和地層的要求較高，適用范圍有限。我國新星石油公司華東局曾試用該方法，效果并不理想。

2.5 再循環(huán)使用

當井距較近時，可在完井排放的鉆井液中加入一定的處理劑改良其性質(zhì)，然后運用到新井。既可以降低鉆井液的排放，保護環(huán)境，又可以減少鉆井液的使用成本。一般用于大規(guī)模開采的井位比較集中的油田［12］。

2.6 特殊處理方法

高含鹽和高含油類廢棄鉆井液使用常規(guī)處理技術(shù)(如固化和填埋)不易達到理想的環(huán)保要求，一般要對這兩種排放物進行清洗脫鹽和除油處理才可排入環(huán)境。多采用以下技術(shù)進行處理。

2.6.1 生物修復法

生物修復法主要包括微生物降解法和生物絮凝法。微生物降解法是利用微生物將廢棄油基鉆井液中長鏈烴類物質(zhì)或有機高分子降解成為環(huán)境可接受的低分子或氣體。使用該處理技術(shù)的困難是如何選擇合適的微生物菌種和載體。生物絮凝法是在廢棄鉆井液中加入特殊的微生物，利用微生物在代謝過程中產(chǎn)生的具有表面活性的高分子化合物使鉆井液破乳，油類物質(zhì)絮凝析出。該技術(shù)中所用微生物必須是通過自然篩選或誘變培育及基因工程、細胞工程技術(shù)獲得的特種微生物，具有較大的難度［13］。

2.6.2 焚燒處理法

焚燒法是高溫分解和深度氧化的過程。將可燃性固體廢物通過焚燒氧化分解，消除毒性，減少所占空間，焚燒后的殘渣可就地填埋。但該方法處理成本很高，不經(jīng)濟，同時污染大氣，故使用較少。

2.6.3 熱蒸餾和溶劑萃取法

熱蒸餾法是將廢棄油基鉆井液加入密閉減壓系統(tǒng)中，外部提供熱量，使油基鉆井液中的烴類成分揮發(fā)，經(jīng)冷凝得以回收，回收的油可用于配置油基鉆井液和充當燃料，固體殘渣固化后可用于修路、建筑等工程建設。存在的問題是高能耗、不安全、不經(jīng)濟［14］。

溶劑萃取法是采用己烷、乙酸乙酯或氯代烴等低沸點有機溶劑將廢棄油基鉆井液的油類溶解萃取出來，萃取液經(jīng)閃蒸蒸出溶劑得到回收油，閃蒸出的有機溶劑可以繼續(xù)循環(huán)使用。

此法易于實現(xiàn)，更適合含油鉆屑的回收油處理，存在的問題是溶劑揮發(fā)性大，安全要求嚴格，成本高。

3 發(fā)展趨勢分析及建議

3.1 開發(fā)新型環(huán)保鉆井液和鉆井液添加劑

國內(nèi)外都在研制開發(fā)實用性廣、滲漏少、無毒環(huán)保的鉆井液和鉆井液添加劑，從根本上解決廢鉆井液對環(huán)境的污染，使鉆探工程朝著綠色方向健康發(fā)展。

3.2 加強固控，減少廢鉆井液的排放

固控可改善鉆井液的性能，如流變性、粘度、密度等，既可加快鉆進速度，又可減少廢棄物的排放。

3.3 綜合開發(fā)利用新技術(shù)

考慮綜合利用鉆井廢棄物，既保護了環(huán)境又開發(fā)了資源。如粉煤灰在廢鉆井液固化中有活性、形態(tài)、微集料等3個基本效應，我國每年城市發(fā)電都產(chǎn)生大量的粉煤灰，對環(huán)境造成污染，治理也較困難，因此在廢鉆井液中加入粉煤灰是一舉兩得的方法，可考慮研制出將固化技術(shù)、噴霧干燥法和回收凈化利用系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)。又如微生物處理法，在土地上噴灑定量的廢鉆井液，然后耕種土地，加入鋸木灰等有機質(zhì)，將培養(yǎng)的微生物注入土壤，微生物即可有效消除污染物，是一種既簡單又廉價的處理方法。

4 結(jié)語

隨著鉆探技術(shù)的進步和鉆井液配方的改進，鉆井液的無害化處理越來越得到重視。固化處理方法目前在廣泛使用，同時應用粉煤灰和微生物處理等新方法也在不斷發(fā)展。綠色文明施工和可持續(xù)發(fā)展的思想將引領(lǐng)鉆探工程朝著清潔綠色的方向發(fā)展。

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