廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)在長北氣田的應(yīng)用

趙宏波， 李新寶， 王 沖， 曹國佳

(中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710021)

廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)在長北氣田的應(yīng)用

趙宏波， 李新寶， 王 沖， 曹國佳

(中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710021)

為了解決廢棄鉆井液中有毒有害組分含量高導(dǎo)致的嚴(yán)重污染環(huán)境和損害人體健康等問題，從減少有毒有害組分和降低其含量出發(fā)，將初級(jí)固液分離、深度固液分離和化學(xué)處理技術(shù)結(jié)合，形成了廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)。長北氣田5口井的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)井的廢棄鉆井液經(jīng)過固液分離—化學(xué)處理后，鉆井液污水、巖屑和泥餅浸出液的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，能夠達(dá)標(biāo)排放或循環(huán)利用，且處理成本低于常規(guī)的固化-凈化法。研究結(jié)果表明，廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄鉆井液的有效處理。

廢棄鉆井液；環(huán)境污染；固液分離；化學(xué)處理；經(jīng)濟(jì)效益；長北氣田

廢棄鉆井液是由水、黏土、鉆屑、絮凝劑、鉆井液添加劑和油類等組成的多相穩(wěn)定膠態(tài)懸浮體系，其化學(xué)需氧量(COD)、懸浮物、色度、石油類物質(zhì)和氯化物等含量高，其中的油類、鹽類、殺菌劑、化學(xué)添加劑、重金屬(如汞、銅、鉻、鎘、鋅及鉛等)、高分子有機(jī)化合物和堿性物質(zhì)等會(huì)污染環(huán)境和損害人體健康[1-3]。如何降低廢棄鉆井液中的有毒有害組分、使其達(dá)標(biāo)排放或循環(huán)利用，是鉆井行業(yè)迫切需要解決的難題之一[4-5]。國內(nèi)外對此進(jìn)行了大量的研究，并形成了不同的處理技術(shù)，主要有破乳法[6-8]、回注法[9]、冷凍填埋法[10]、生物降解法[11]、固化法[12]、坑內(nèi)密封法和加熱解吸法[13]等，但以上方法存在二次污染環(huán)境、成本較高和在溫暖地區(qū)無法應(yīng)用等局限性。國外已經(jīng)進(jìn)行了廢棄鉆井液固液分離及分離產(chǎn)物深度處理技術(shù)研究，筆者針對長北氣田目前常用的鉆井液體系特征，提出了固液相初步分離、固液相深度分離和化學(xué)處理相結(jié)合的方法，形成了廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)，并在長北氣田5口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了廢棄鉆井液的達(dá)標(biāo)排放，與常規(guī)處理方法相比，處理成本更低。

1 廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)基本原理

廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)是指將從井眼返出的鉆井液首先經(jīng)過四級(jí)固控設(shè)備和清洗甩干機(jī)進(jìn)行固液初步分離，然后經(jīng)過帶式真空脫水機(jī)的破膠-混凝絮凝單元清除污泥、微納米氣泡氣浮分離單元清除浮渣和精細(xì)過濾單元清除濾渣，實(shí)現(xiàn)固液深度分離，最后通過化學(xué)處理一體式裝置的Fe/C微電解-Fenton氧化反應(yīng)單元降解有機(jī)質(zhì)與降低COD，RO反滲透膜單元脫鹽和多羥基高級(jí)氧化化學(xué)處理單元深度氧化分解污染物，以及MVR多效蒸發(fā)單元加熱蒸發(fā)高濃度鹽類水分，從而實(shí)現(xiàn)鉆井液達(dá)標(biāo)排放或重復(fù)利用、鹽類資源被回收利用的目的。

廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)使用的設(shè)備包括：鉆井液固液初步分離體系(由螺旋輸送器、沉砂除油罐、巖屑清洗甩干機(jī)和污水儲(chǔ)存攪拌罐等組成)，以帶式真空脫水機(jī)(包括破膠-混凝絮凝單元、微納米氣泡氣浮分離單元和精細(xì)過濾單元)為主的固液深度分離體系及以化學(xué)處理一體式裝置(包括催化氧化單元、RO反滲透膜單元、多羥基高級(jí)氧化化學(xué)處理單元和MVR多效蒸發(fā)單元)為主的廢水化學(xué)處理體系等3個(gè)部分(見圖1)。

圖1 廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理設(shè)備及流程Fig.1 Equipment and the process flow of solid/liquid separation—chemistry processing technology for waste drilling fluid

廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)不用挖鉆井液池，可節(jié)省修建和維護(hù)鉆井液池所需的材料、時(shí)間和資金；2)廢棄鉆井液的處理設(shè)備采用模塊化、撬裝式設(shè)計(jì)，便于拆卸、安裝和長途搬遷，且可重復(fù)利用；3)可實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液的凈化處理、循環(huán)利用和部分鉆井液藥品的回收利用，從而降低成本，減少環(huán)境污染。

廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)的缺點(diǎn)為：1)設(shè)備雖然可以重復(fù)使用，但是設(shè)備多而復(fù)雜，一次性投入和維護(hù)保養(yǎng)成本高；2)設(shè)備和工藝流程復(fù)雜，對設(shè)備操作、維護(hù)和保養(yǎng)人員的操作技能要求高。

2 主要工藝流程

廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理主要工藝流程包括固液初步分離、固液深度分離和廢水化學(xué)處理等3部分。

2.1 固液初步分離

固液初步分離就是經(jīng)鉆井現(xiàn)場固控設(shè)備(振動(dòng)篩、除泥器、除砂器及離心機(jī))初步分離后的液相進(jìn)入鉆井液罐循環(huán)利用，固相經(jīng)螺旋輸送器傳送到沉砂除油罐進(jìn)行一級(jí)除油、然后進(jìn)入巖屑清洗甩干機(jī)進(jìn)行分離、使巖屑達(dá)標(biāo)排放的工藝過程。

沉砂除油罐配備攪拌機(jī)、加藥漏斗和抽油泵。固相進(jìn)入沉砂除油罐后，開啟攪拌機(jī)，加入適量清水和可使油水分離的藥品，使混在固相中的油類物質(zhì)初步分離并漂浮在混合物表面，然后用抽油泵將油類物質(zhì)抽走而實(shí)現(xiàn)油類物質(zhì)的一級(jí)分離，最后將罐下部的固液混合物攪拌后泵入巖屑清洗甩干機(jī)。

巖屑清洗甩干機(jī)配有高壓水沖洗系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)脫水系統(tǒng)，在高壓水沖洗系統(tǒng)對巖屑進(jìn)行沖洗的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)脫水系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)，混合物在離心力的作用下實(shí)現(xiàn)巖屑與鉆井液污水的分離。分離出的巖屑如達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—2002)一級(jí)排污標(biāo)準(zhǔn)則運(yùn)離井場或作他用，否則繼續(xù)清洗直至達(dá)到排污標(biāo)準(zhǔn)的要求；分離出來的污泥及鉆井液污水進(jìn)入污水儲(chǔ)存罐。

2.2 固液深度分離及固相無害化處理

污水儲(chǔ)存攪拌罐中的污泥及鉆井液污水泵入帶式真空脫水機(jī)后，首先進(jìn)行強(qiáng)效破膠和混凝絮凝清除污泥，然后分離出固體懸浮物浮渣，最后通過精細(xì)過濾單元分離出濾渣。分離出的浮渣和濾渣通過強(qiáng)效破膠單元循環(huán)處理，直到達(dá)標(biāo)排放；污泥脫水后呈泥餅狀態(tài)，檢測其COD、NTU、pH值、色度、石油類物質(zhì)、氨氮、硫化物、氯化物、總汞、總鉻、總鐵、總銅、總鋅、總鉛、總鎘和總砷等污染指標(biāo)(以下簡稱污染指標(biāo))，達(dá)到一級(jí)排污標(biāo)準(zhǔn)后排放或作他用，否則通過破膠單元進(jìn)行循環(huán)處理，直至達(dá)到排污標(biāo)準(zhǔn)；鉆井液污水進(jìn)入液體收集箱中進(jìn)行化學(xué)處理。

2.2.1 強(qiáng)效破膠除污泥

污水儲(chǔ)存罐中的污泥及鉆井液污水為穩(wěn)定膠體，表面呈現(xiàn)負(fù)電性,顆粒之間的電性斥力導(dǎo)致其穩(wěn)定性極強(qiáng)，很難通過自然方法分離,可以采用先破膠脫穩(wěn)后絮凝的方法處理[14]：首先將污泥及鉆井液污水泵入帶式真空脫水機(jī)的破膠脫穩(wěn)單元中，根據(jù)鉆井液體系及性能加入合適的高效破膠劑并進(jìn)行攪拌，使破膠劑表面的正電荷迅速中和膠體表面的負(fù)電荷，促使膠體快速破膠脫穩(wěn)；破膠脫穩(wěn)后的混合物泵入高速旋轉(zhuǎn)脫水系統(tǒng)進(jìn)行污泥和鉆井液污水分離，如分理出的污泥泥餅浸出液達(dá)到一級(jí)排污標(biāo)準(zhǔn)可進(jìn)行排放，否則繼續(xù)進(jìn)行破膠脫穩(wěn)處理，直至污泥泥餅浸出液滿足排污標(biāo)準(zhǔn)；鉆井液污水進(jìn)入混凝絮凝單元進(jìn)行下一步處理。

破膠劑的選擇是該環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，其破膠率受破膠劑類型、溫度、壓力和破膠時(shí)間的影響。在常溫、常壓下分別取相同體積的長北氣田某水平井二開和三開井段的廢鉆井液樣品各7份(其中，二開井段的鉆井液為KCl-聚合物鉆井液,三開井段的鉆井液為低傷害無固相鉆井液)，分別加入2.0 g的破膠劑MgSO4、Fe2(SO4)3、FeSO4、Al2(SO4)3、AlCl3、PAC和FeCl3，攪拌10 min后，再靜置沉降30 min，將各樣品過濾并測量濾液的體積，濾液體積除以原樣品體積即為對應(yīng)破膠劑的破膠率，以此為依據(jù)對破膠劑進(jìn)行優(yōu)選，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 7種破膠劑的破膠率試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results for gel-breaking performances of 7 gel breakers

從圖2可以看出，F(xiàn)eCl3對該井二開和三開井段廢鉆井液的破膠率最高，故選擇其為破膠劑。采用該破膠劑破膠并清除污泥后的鉆井液污水水質(zhì)透明而略呈黃色，污泥脫水良好并易形成泥餅。

2.2.2 混凝絮凝清除污泥

破膠清除污泥之后的鉆井液污水中仍然懸浮著少量微小的膠態(tài)和固相顆粒、性質(zhì)穩(wěn)定的中性黏稠油類和聚合長鏈大分子有機(jī)污染物等，將其泵入混凝絮凝單元，加入合適的高效混凝絮凝劑并攪拌，混凝絮凝劑使膠體迅速脫穩(wěn)，并使極小的固體顆粒和油類各自結(jié)合變大，而絮凝劑使固體顆粒進(jìn)一步絮凝成較大團(tuán)塊；之后進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)脫水系統(tǒng)，在離心力的作用下實(shí)現(xiàn)污泥泥餅和鉆井液污水的分離。分離出的污泥泥餅達(dá)到一級(jí)排污標(biāo)準(zhǔn)后可進(jìn)行排放，否則送入破膠脫穩(wěn)單元繼續(xù)破膠脫穩(wěn)直至污泥泥餅達(dá)到排污標(biāo)準(zhǔn)；鉆井液污水進(jìn)入微納米氣泡氣浮分離單元。

該環(huán)節(jié)的關(guān)鍵是混凝絮凝劑的選擇，大多數(shù)混凝劑也是絮凝劑，混凝絮凝作用同步進(jìn)行，其混凝絮凝的效果用破膠率表示。在常溫、常壓下分別取長北氣田某水平井破膠除污泥后的二開和三開井段鉆井液污水，分別試驗(yàn)評(píng)價(jià)硫酸鋁、硫酸鉀鋁、氯化鋁、聚合氯化鐵和聚合氯化鋁等5種混凝絮凝劑的破膠率，二開和三開井段鉆井液污水的試驗(yàn)結(jié)果基本相似，其中三開井段鉆井液污水的絮凝劑試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同混凝絮凝劑的試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Performances of different flocculating agents

由圖3可知，5種絮凝劑中，聚合氯化鋁對鉆井液污水混凝絮凝效率最高，破膠率達(dá)到了23%，且最佳用量最少，僅為0.007%，故優(yōu)選聚合氯化鋁為混凝絮凝劑。

鉆井液污水通過強(qiáng)效破膠和混凝絮凝處理，將水轉(zhuǎn)化為游離水，并將有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化到水溶液中，使污泥與含油鉆井液污水分開，固液分離徹底，污泥泥餅脫水性好，廢水清澈透明，測得固相去除率達(dá)85%～95%，膠體物質(zhì)去除率達(dá)75%～95%，COD降低75%以上，脫色、脫水效果好，特別是對難破膠-絮凝處理的三磺鉆井液體系的污水處理效果更佳，為后續(xù)處理奠定了基礎(chǔ)。

2.2.3 微納米氣泡氣浮分離除浮渣

強(qiáng)效破膠、混凝絮凝后的鉆井液污水中含有油類和其他有機(jī)質(zhì)，而氣浮分離技術(shù)是處理含油污水的一種有效工藝，對油類、固態(tài)懸浮物及部分有機(jī)物有較高的去除率[15]，其中微納米氣泡氣浮分離技術(shù)的分離效果較好。其原理是：當(dāng)空氣(或臭氧)通過負(fù)壓吸入(或加壓進(jìn)入)微納米氣泡氣浮分離裝置后，氣水混合液在氣水混合罐內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)、切割，產(chǎn)生直徑10～50 μm的微米氣泡和直徑小于200 nm的納米氣泡[16-17]，氣泡破滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生超高溫、超高壓和羧基自由基，羧基自由基具有較強(qiáng)的氧化作用，能夠氧化大部分油類和其他有機(jī)質(zhì)[18-19]，從而實(shí)現(xiàn)油類的二次清除；同時(shí)，微納米氣泡界面帶電，能夠與水中固態(tài)懸浮物等雜質(zhì)顆粒相黏附形成污泥浮渣并浮出水面，從而實(shí)現(xiàn)固液分離[20-21]。浮渣進(jìn)入破膠單元循環(huán)處理；鉆井液污水進(jìn)入精細(xì)過濾單元。

鉆井液污水經(jīng)過微納米氣泡氣浮分離后，進(jìn)一步清除了其中的油類、固態(tài)懸浮物和有機(jī)質(zhì)，為后續(xù)的催化氧化或RO膜處理奠定了基礎(chǔ)。

2.2.4 精細(xì)過濾清除濾渣

經(jīng)過強(qiáng)效破膠和混凝絮凝除污泥、微納米氣泡氣浮除油和分離浮渣后，鉆井液污水中仍含有少數(shù)污泥和浮渣，可應(yīng)用精細(xì)過濾單元清除濾渣。濾渣送入破膠單元循環(huán)處理，鉆井液污水進(jìn)入液體儲(chǔ)存罐，等待化學(xué)處理。

2.3 化學(xué)處理

鉆井液污水化學(xué)處理流程為：液體儲(chǔ)存罐中的鉆井液污水依次經(jīng)過化學(xué)處理一體裝置的Fe/C微電解-Fenton催化氧化反應(yīng)單元以降低COD和凈化水質(zhì)、RO反滲透膜單元以脫離出高濃度鹽類溶液和多羥基高級(jí)氧化化學(xué)處理單元以深度氧化分解污染物后，鉆井液達(dá)標(biāo)排放或重復(fù)利用，高濃度鹽溶液經(jīng)MVR多效蒸發(fā)單元加熱蒸發(fā)掉水分后得到固態(tài)鹽。

2.3.1 Fe/C微電解-Fenton催化氧化處理

經(jīng)過固液深度分離后的鉆井液污水的COD仍然大于GB 8978—2002規(guī)定的一級(jí)排污標(biāo)準(zhǔn)50 mg/L，需采用Fe/C微電解-Fenton氧化處理工藝對其進(jìn)行處理[22-30]。其基本原理為：在酸性條件下，F(xiàn)e/C因存在電勢差，形成Fe/C原電池反應(yīng)(其中C為陽極，F(xiàn)e為陰極)，反應(yīng)產(chǎn)生的高化學(xué)活性的H原子和Fe2+能夠有效降解有機(jī)物，在曝氣條件下Fe2+發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe3+，F(xiàn)e3+水解后生成的Fe(OH)3是一種高效絮凝劑，能夠增強(qiáng)對鉆井液污水的凈化。

Fenton氧化反應(yīng)是指Fe2+與H2O2反應(yīng)生成具有極強(qiáng)氧化能力的羥基自由基(·OH)，(·OH)是氧化有機(jī)物的有效因子，能將廢水中的有機(jī)物氧化分解生成CO2、H2O及Fe(OH)3，F(xiàn)e(OH)3具有絮凝、吸附功能，可以清除水中部分有機(jī)物，從而降低水相中的COD值。這個(gè)過程中，F(xiàn)e2+、H2O2和pH值等決定了(·OH)的產(chǎn)生及氧化程度。

經(jīng)過Fe/C微電解-Fenton催化氧化反應(yīng)后，鉆井液污水中的COD減少了75%～90%，處理后的鉆井液污水COD低于800 mg/L。

經(jīng)過Fe/C微電解-Fenton氧化反應(yīng)處理后的鉆井液污水進(jìn)入RO反滲透膜單元脫鹽或進(jìn)入多羥基高級(jí)氧化化學(xué)處理單元，進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2.3.2 RO反滲透膜脫鹽

經(jīng)過Fe/C微電解-Fenton氧化反應(yīng)單元處理的鉆井液污水中仍然含有純堿、燒堿、氯化鈉、氯化鈣和氯化鉀等鹽類，其中的Cl-等大量無機(jī)鹽離子排放會(huì)造成嚴(yán)重環(huán)境污染，排放前必須進(jìn)行脫鹽處理。目前,反滲透膜脫鹽技術(shù)已相當(dāng)成熟,反滲透膜經(jīng)擴(kuò)散作用可去除離子型無機(jī)物[31]，因而可以應(yīng)用到鉆井液污水脫鹽處理中[32-33]。RO反滲透膜采用專用膜片改性技術(shù)和抗污染結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有膜通量高、防阻塞、易清洗、壽命長、能耗低、維護(hù)簡單和壽命長等特點(diǎn)，能夠有效實(shí)現(xiàn)鉆井液污水脫鹽，且較為經(jīng)濟(jì)。分離后的高含鹽濃縮液和較清潔鉆井液分別進(jìn)入MVR多效蒸發(fā)單元和多羥基高級(jí)氧化化學(xué)處理單元，進(jìn)行下一步處理。

2.3.3 多羥基高級(jí)氧化化學(xué)處理

鉆井液污水經(jīng)過催化氧化及RO反滲透膜脫鹽處理后，COD仍達(dá)500～800 mg/L，達(dá)不到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的COD≤50 mg/L的要求[34]，必須進(jìn)行深度氧化處理?，F(xiàn)有研究表明[35]，羥基自由基具有極強(qiáng)的氧化性，可以將水中多種污染物深度氧化分解，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的有效凈化，其氧化的最終產(chǎn)物是H2O、CO2或無機(jī)鹽，不會(huì)產(chǎn)生污染，且羧基越多，氧化效果越佳。

催化氧化后的鉆井液污水經(jīng)過多羥基高級(jí)氧化30～60 min后，其COD可降至50 mg/L以下。

另外，由于羥基高級(jí)氧化劑的腐蝕性強(qiáng)，設(shè)備必須具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力。長北氣田試驗(yàn)應(yīng)用了由厚度6.0 mm的Q235鋼板壓筋加強(qiáng)防腐和內(nèi)外防腐處理的高級(jí)氧化裝置，現(xiàn)場應(yīng)用表明，該裝置具有很好的防腐性能。

2.3.4 MVR多效蒸發(fā)脫鹽

該工藝的核心是通過暴曬、加熱等方法處理經(jīng)RO反滲透膜脫鹽所得到的高含鹽濃縮液體，使其水分蒸發(fā)，鹽類回收利用。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)在長北氣田5口井廢棄鉆井液處理中進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，廢棄鉆井液處理后產(chǎn)生的巖屑、泥餅和鉆井液污水能夠達(dá)標(biāo)排放，與目前長北氣田普遍應(yīng)用的固化-凈化法廢棄鉆井液處理方法相比，效果更好，成本更低。下面以CB10-2井為例，介紹廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

3.1 廢棄鉆井液處理后的污水性能

CB10-2井為雙分支水平井，一開井段采用清水聚合物鉆井液體系，處理劑主要包括膨潤土、燒堿和聚陰離子纖維素(高黏)PAC-HV提黏劑；二開井段采用KCl-聚合物鉆井液體系，應(yīng)用的主要處理劑包括KCl、GD-K(3)、G309-JLS、XCD、PAC-HV、PAC-LV、G303-WYR和重晶石；三開井段采用低傷害無固相鉆井液體系，應(yīng)用的主要處理劑包括甲酸鈉、GD-K(3)、XCD、PAC-HV、PAC-LV、DFL-1和石灰石等。

3.1.1 鉆井液處理前后主要污染物對比

利用COD加熱回流裝置、2106P便攜式濁度儀、PHS-3精度酸度計(jì)等儀器和重鉻酸鹽法、便攜式濁度儀法、玻璃電極法等方法，依次對經(jīng)固液分離—化學(xué)處理法處理前后的CB10-2井二開及三開井段鉆井液中的COD值、懸浮物和pH值等污染指標(biāo)進(jìn)行了檢測，結(jié)果見表1。

另外，分別利用50 mL滴定管、LCE-3500原子吸收分光光度儀對鉆井液處理前后的氯化物和總鐵進(jìn)行了檢測，處理前的一開、二開和三開井段鉆井液中氯化物含量分別為1 540，83 596和27 860 mg/L(參考河北省地方標(biāo)準(zhǔn)《氯化物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 13/831—2006)中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)為400 mg/L),總鐵分別為0.29，0.36和5.21 mg/L(國家標(biāo)準(zhǔn)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中排放標(biāo)準(zhǔn)為0.30 mg/L)；處理后的一開、二開和三開井段鉆井液中氯化物含量分別為155，377和200 mg/L，總鐵含量分別為0.06，0.06和0.26 mg/L。

表1 CB10-2井各開次鉆井液經(jīng)固液分離—化學(xué)處理技術(shù)處理前后的污染指標(biāo)對比

Table 1 Pollution indexes of drilling fluids before and after processing by solid-liquid separation and chemistry processing technology in Well CB10-2

項(xiàng)目污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB8978—2002原始鉆井液處理后鉆井液一級(jí)二級(jí)三級(jí)一開二開三開一開二開三開COD/(mg·L-1)506010055 2024364 027172 651 005 0015 00懸浮物/(NTU)102030157 1273 8427 0<5<5<5pH值6～96～96～99 010 010 06 86 26 2色度/度30304045 2418290 2212072 12<5<5<5石油類物質(zhì)，%135—13 967 73—<0 160 29氨氮/(mg·L-1)5825—76 887 3—3 624 82硫化物/(mg·L-1)1 00 9813 925 55<0 005<0 005<0 005總汞/(mg·L-1)0 0001—0 150 07—0 000040 00004總鉻/(mg·L-1)0 1—3 225 47———總銅/(mg·L-1)0 5—0 120 15—0 050 05總鋅/(mg·L-1)1 0—13 215 7—0 010 01總鉛/(mg·L-1)0 1—0 941 67———總鎘/(mg·L-1)0 0—0 00840 0040———總砷/(mg·L-1)0 5—47 6263 6———

由表1及上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用固液分離—化學(xué)處理技術(shù)處理后，CB10-2井二開及三開井段鉆井液的污染指標(biāo)均低于一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，表明該處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄鉆井液的有效處理，滿足達(dá)標(biāo)排放的要求。

3.1.2 處理后鉆井液污水與鉆井液處理劑的配伍性試驗(yàn)

經(jīng)固液分離—化學(xué)處理技術(shù)處理后的鉆井液污水除了實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放外，還要用來重新配制鉆井液。按照一開、二開和三開井段鉆井液配方，分別用清水和處理后的鉆井液污水配制鉆井液，并進(jìn)行了性能測試，結(jié)果見表2。

3.1.3 處理后鉆井液污水配制的鉆井液對儲(chǔ)層傷害試驗(yàn)

表2 清水和鉆井液污水配制的鉆井液性能對比

Table 2 Comparison of the performance of drilling fluids prepared by using fresh water and these prepared by using processed water from drilling fluids

配制用水樣品來源六速黏度計(jì)讀數(shù)濾失量/mL密度/(kg·L-1)硬度/(mg·L-1)CO2-3/HCO-3/(mg·L-1)清水一開71/54/42/38/5/48 01 040380683/805二開71/53/43/37/5/47 61 035380610/1000三開81/61/51/37/11/99 21 095420549/1037污水一開66/49/41/32/10/99 61 090440475/1146二開65/48/41/31/10/8 58 01 090420475/1268三開43/29/23/15/2 5/18 01 030380488/1220

要將固液分離—化學(xué)處理技術(shù)處理后的鉆井液污水用于配制鉆井液，除了確保其與鉆井液處理劑配伍之外，還要確保其不會(huì)傷害儲(chǔ)層。鑒于此，按照三開井段鉆井液配方，分別用清水、處理后的一開、二開和三開井段鉆井液污水配制鉆井液，并選取了Yu25井山2段相鄰4塊巖心，采用美國AC-FDS-800-10000地層傷害測試系統(tǒng),在溫度90°C、圍壓12 MPa、入口壓力3.5 MPa、出口壓力0 MPa條件下對巖心進(jìn)行了鉆井液傷害室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 不同鉆井液的巖心滲透率恢復(fù)率室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

Table 3 Lab test results for permeability restoration in cores with different drilling fluids

巖心編號(hào)配鉆井液所用水巖心原始滲透率/mD傷害后滲透率/mD滲透率恢復(fù)率，%1清水0 82160 762592 682一開鉆井液污水0 81270 743991 533二開鉆井液污水0 81270 745791 764三開鉆井液污水0 82370 749290 95

從表3可以看出，不同鉆井液傷害后的巖心滲透率基本相當(dāng)，滲透率恢復(fù)率都在90%以上，表明用處理后的鉆井液污水配制的鉆井液對儲(chǔ)層傷害輕微，且與清水配制的鉆井液對儲(chǔ)層的傷害相當(dāng)，能夠滿足配制鉆井液并保護(hù)儲(chǔ)層的要求。

3.2 處理后固體廢棄物毒性評(píng)價(jià)

在CB10-2井廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理試驗(yàn)中，采集處理后的巖屑和污泥樣品128個(gè)，按照環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》(HJ/T 299—2007)制備固體廢物浸出液，并對浸出液毒性進(jìn)行了檢測，其中6個(gè)樣品(其中1—4號(hào)為巖屑樣品，5—6號(hào)為泥餅樣品)的測試結(jié)果見表4。

表4 處理后的巖屑和泥餅浸出液毒性檢測結(jié)果

Table 4 Toxicity testing data of the drilling cuttings and mud cake after processing by solid/liquid separation-chemistry processing technology

項(xiàng)目一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)樣品檢測結(jié)果123456色度/度50(GB8978—2002)151513151515COD/(mg·L-1)100(GB8978—2002)679878695761懸浮物/(NTU)70(GB8978—2002)56866332836石油類物質(zhì)，%5(GB8978—2002)0 080 100 100 060 020 01pH值6～9(GB8978—2002)8 138 707 608 238 168 11總銅/(mg·L-1)100(GB5085 3—2007)—0 160 14———總鋅/(mg·L-1)100(GB5085 3—2007)—0 760 58———總鎘/(mg·L-1)1 0(GB5085 3—2007)—0 030 01———總鉛/(mg·L-1)5 0(GB5085 3—2007)—0 070 66———總砷/(mg·L-1)5 0(GB5085 3—2007)—0 050 04———六價(jià)鉻/(mg·L-1)15 0(GB5085 3—2007)—0 040 02———汞/(mg·L-1)0 1(GB5085 3—2007)—0 0040 003———鐵/(mg·L-1)0 30(GB3838—2002)0 060 300 300 160 250 20氯化物/(mg·L-1)400(DB13/831—2006)29635631377347236

從表4可以看出，CB10-2井廢棄鉆井液經(jīng)固液分離—化學(xué)處理后的巖屑和污泥樣品浸出液的pH值、色度、COD、銅、鋅、鎘、鉛、砷、六價(jià)鉻、汞、鐵和氯化物含量均低于一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，表明處理后的污泥和巖屑達(dá)到了固體廢棄物排放或重新利用的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 效益評(píng)價(jià)

目前，長北氣田主要采用固化-凈化法處理廢棄鉆井液，首先需要挖2個(gè)鉆井液池(一個(gè)沉淀經(jīng)固控設(shè)備分離后的巖屑等固相，一個(gè)容納分離后的液相)，完井后固相固化填埋，液相運(yùn)往當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S處理后達(dá)標(biāo)排放。按照長北氣田標(biāo)準(zhǔn)要求，每個(gè)鉆井液池規(guī)格為長35.0 m、寬25. 0 m、深3.5 m，鉆井液池底部和四周用240 mm×115 mm×53 mm實(shí)心標(biāo)準(zhǔn)磚混結(jié)構(gòu)修砌，表面再澆筑厚50 mm的砂漿。按照以上鉆井液池修建要求計(jì)算，2個(gè)鉆井液池總土方約6 120 m3,表面積約2 600 m2，挖、砌鉆井液池單價(jià)分別為6.6元/m3和230.0元/m2，則挖、砌鉆井液池分別需要4.04萬元和59.80萬元；實(shí)際每口井約產(chǎn)生廢棄鉆井液2 500 m3,距離最近污水處理廠150 km，處理和運(yùn)費(fèi)單價(jià)分別為368.0元/m3和2.17元/(t·km),合計(jì)凈化費(fèi)用92.00萬元，運(yùn)輸費(fèi)用81.38萬元，總計(jì)廢棄鉆井液處理費(fèi)用約250萬元。

CB10-2井所用的固液分離—廢棄鉆井液設(shè)備租賃于其他公司，租期96 d，每日租金1.0萬元，租金共計(jì)96.0萬元人民幣；消耗破膠劑、絮凝劑和混凝劑等各種化學(xué)藥品約4.0 t，價(jià)值約1.6萬元，則該井廢棄鉆井液處理費(fèi)用共計(jì)約97.6萬元。

由此可知，固液分離—化學(xué)處理技術(shù)的廢棄鉆井液處理成本遠(yuǎn)低于常規(guī)的固化-凈化法。

4 結(jié)論與建議

1) 廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)對廢棄鉆井液進(jìn)行固液初步分離、固液深度分離及化學(xué)處理，使處理后產(chǎn)生的鉆井液污水、巖屑和污泥能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)排放或者重復(fù)利用，且處理費(fèi)用比固化-凈化法低，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

2) 廢棄鉆井液固液分離—化學(xué)處理技術(shù)所用的設(shè)備多，占地廣，投資大，自動(dòng)化程度較低，需要加大投入和研究，使其向小型化、自動(dòng)化、智能化和低成本方向發(fā)展。

3) 目前該工藝花費(fèi)仍然比較高，需對破膠劑、絮凝劑、Fe/C微電解反應(yīng)的高效微電解填料、Fenton氧化反應(yīng)的H2O2用量、RO反滲透膜和多羥基高級(jí)氧化劑進(jìn)一步優(yōu)選或優(yōu)化，以提高處理廢棄鉆井液的能力和降低成本。

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[編輯 滕春鳴]

The Application of Solid Liquid Separation-Chemistry Processing Technology for Waste Drilling Fluid in the Changbei Gas Field

ZHAO Hongbo,LI Xinbao,WANG Chong,CAO Guojia

(No.2GasProductionPlant，PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an,Shaanxi,710021,China)

Toxicand harmful chemical components in waste drilling fluids may cause severe environmental pollution and physical injuries.To reduce the quantity of such toxic materials and to minimize concentrations of these materials,preliminary solid/liquid separation,deep solid/liquid separation and chemical processing techniques were combined to establish integral solid/liquid separation-chemistry processing technology.Field application results obtained in 5 wells of Changbei Gas Field showed that upon processing of waste drilling fluids by using the innovative separation technology,sewage contents,cuttings,mud cake leachates and all other indexes could meet the requirements specified in relevant emission standards.The processed waste fluids could be discharged or reused as required，and the cost was lower than the conventional solidification-purification technologies.Research results showed the proposed integral solid/liquid separation-chemistry processing technology could effectively process waste drilling fluids.

waste drilling fluid;environmental pollution;solid-liquid separation;chemical processing;economic benefit;Changbei Gas Field

2016-10-12；改回日期：2017-03-22。

趙宏波(1976—)，男，甘肅鎮(zhèn)原人，1999年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院石油地質(zhì)專業(yè)，高級(jí)工程師，主要從事石油與天然氣的勘探開發(fā)工作。E-mail：2290236948@qq.com。

10.11911/syztjs.201703009

TE992

A

1001-0890(2017)03-0048-09