廢棄鉆井液處理技術(shù)進(jìn)展

朱迪斯，馮美貴，翁煒，黃玉文，蔣睿，史新慧，楊鵬，徐軍軍

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

石油天然氣勘探開發(fā)及地質(zhì)鉆探過程中，產(chǎn)生的最大容積量廢棄物是廢棄鉆井液，如果不加處理任意排放，會(huì)污染地表、土壤和地下水，對(duì)自然環(huán)境造成破壞。尤其是在海洋、湖泊等天然水體中的油氣勘探和開發(fā)，環(huán)境一旦被污染，即使采取治理措施，其危害也難以在短時(shí)間內(nèi)消除。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提高，鉆井(探)過程中因鉆井液可能造成的環(huán)境影響受到人們的不斷重視，國家對(duì)石油行業(yè)的環(huán)境管理日益嚴(yán)格，鉆井液無害化處理技術(shù)逐漸成為鉆井液技術(shù)領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)之一。

1 廢棄鉆井液處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

鉆井液按分散介質(zhì)不同可分為水基鉆井液和油基鉆井液，根據(jù)不同地層巖性及鉆井類型選用。水基泥漿是以海水、淡水、化學(xué)鹽水等為分散介質(zhì)，以黏土、各種化學(xué)處理劑為分散相的溶膠懸浮混合體系；油基泥漿常由石油制品如柴油、瀝青、礦物油調(diào)配而成。針對(duì)兩種泥漿主要成分的區(qū)別，在廢棄鉆井液處理技術(shù)上也具有各自的針對(duì)性。

1.1 水基廢棄鉆井液處理技術(shù)

在國內(nèi)鉆井施工中水基鉆井液應(yīng)用廣泛，產(chǎn)生的廢液和鉆屑是破壞環(huán)境的主要廢棄物，如果處理不及時(shí)或處理不當(dāng)將會(huì)污染地下水及地表土，影響周圍居民及動(dòng)植物的生存環(huán)境。針對(duì)水基鉆井液，國內(nèi)外發(fā)展應(yīng)用的廢棄鉆井液處理技術(shù)主要包括以下幾種：就地排放、注入安全地層、回填處理、MTC轉(zhuǎn)化技術(shù)、固液分離法、土地耕作、化學(xué)固化處理等處理方法。

1.1.1 就地排放

就地排放是最傳統(tǒng)的處理方式。常規(guī)水基鉆井液中的添加劑毒性較小，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響較低。這種情況下，會(huì)將廢鉆井液進(jìn)行自然沉降并添加絮凝劑處理后，直接就地排放。

1.1.2 回注安全地層法

回注安全地層法是通過泵以大于地層破裂壓力的泵壓將廢鉆井液注入地層中。為了減少回注鉆井液對(duì)地下水資源及油層的污染，關(guān)鍵是選擇適當(dāng)?shù)陌踩刈⒌貙?，通常選擇破裂壓力低、滲透性差的地層，同時(shí)上下蓋層必須致密、強(qiáng)度高。這種方法難以大范圍推廣的主要原因是成本較高，處理費(fèi)用約為28～35美元/噸，且仍有可能污染地下水和油層，在北美地區(qū)嚴(yán)格限制使用。

1.1.3 回填處理法

回填處理法是先將廢鉆井液沉降分離后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的液相(必要時(shí)加入絮凝劑)，就地排放。剩下的固相，待其自然干燥到一定程度，在其上面加1～1.5 m厚的土層掩埋，恢復(fù)地貌。該方法優(yōu)點(diǎn)是成本較低，污染周圍地下水的可能性小，適用于低鹽量的水基鉆井液。

1.1.4 MTC轉(zhuǎn)化技術(shù)

MTC(Mud To Cement)轉(zhuǎn)化技術(shù)是在廢棄鉆井液中加入礦渣和其他處理劑，將廢棄鉆井液轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行固井作業(yè)的水泥漿，在消除了排放鉆井液可能造成污染的同時(shí)，又使得廢棄鉆井液得以重新利用，降低了鉆井成本。國外20世紀(jì)50年代開始研究該項(xiàng)技術(shù)，20世紀(jì)90年代初隨著良好的分散劑和有機(jī)促凝劑的開發(fā)和應(yīng)用，形成了以Wilson為代表的波特蘭水泥轉(zhuǎn)化技術(shù)和以Cowan為代表的礦渣轉(zhuǎn)化技術(shù)，使MTC技術(shù)具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值[1]。我國石油天然氣勘探開發(fā)研究院廊坊分院和中國石油大學(xué)均研發(fā)出了MTC技術(shù)，已在冀東、吉林等油田成功應(yīng)用，但僅限于處理井筒內(nèi)的廢棄鉆井液，還無法處理地面上的廢棄鉆井液。

1.1.5 固液分離法

固液分離法原理是在廢棄鉆井液中加入絮凝劑，使得鉆井液中的部分添加劑絮凝成塊，再通過固液分離設(shè)備進(jìn)行分離處理，分離出的液相達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排放，固相填埋處理。應(yīng)用該方法較簡便，所需的設(shè)備較少。缺點(diǎn)是需要較大量的混凝劑，且絮凝效果有待提高；固液分離設(shè)備成本高，在山區(qū)、丘陵地區(qū)運(yùn)輸安裝不便。

1.1.6 土地耕作覆蓋法

土地耕作覆蓋法原理是先移除泥漿池上部的液相，將剩余固相直接噴撒到淺層地表(深度視固相中的有害成分含量而定)，再用耕作機(jī)將土壤與其充分的混合。利用土壤來吸附、降解和固定廢棄鉆井液中的有害金屬離子和處理劑，從而實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液無害化處理的目的。

1.1.7 固化處理

廢棄鉆井液固化處理技術(shù)的原理是把具有液體固結(jié)作用的固化劑加入到廢棄鉆井液中，使其轉(zhuǎn)化成類似混凝土的固化體，從而固結(jié)有害成分，可顯著減小有害成分在土壤中的擴(kuò)散，從而減少對(duì)環(huán)境的影響和危害。目前，主要采取水泥作為固化劑，導(dǎo)致處理成本隨著廢棄鉆井液量變大而快速升高。

1.2 油基廢棄鉆井液處理技術(shù)

相比于水基鉆井液，油基鉆井液具有耐高溫、抗污染性強(qiáng)、防塌性能高、潤滑性好、易于形成大的巖屑、重復(fù)利用率高和對(duì)油氣層污染較小等優(yōu)點(diǎn)。油基鉆井液已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高溫深井、定向井、水平井施工和鉆進(jìn)松散易塌、強(qiáng)水敏性等各種復(fù)雜地層。隨著目前超深井、水平井和海洋鉆井?dāng)?shù)量的日益增多，油基鉆井液的應(yīng)用越來越廣泛。廢棄油基鉆井液要比水基鉆井液危害更大，消除難度更高。廢棄油基鉆井液中的油類、有機(jī)污染物、可溶性重金屬離子、高分子有機(jī)物等均會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。其中重金屬離子毒性大，并能在動(dòng)植物體內(nèi)積蓄，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生長期的惡性影響，所以各國對(duì)排放的廢棄鉆井液(鉆屑)中含油量做出了嚴(yán)格的規(guī)定[2]，見表1。

表1 含油廢棄鉆井液(鉆屑)排放標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)外油基廢棄鉆井液處理技術(shù)主要包括以下幾種：注入地層法、熱蒸餾法、溶劑萃取法、超臨界流體提取技術(shù)、化學(xué)破乳法、生物修復(fù)法和機(jī)械除油法。

1.2.1 注入地層法

注入地層法也適用于油基鉆井液,采用該處理方法時(shí)必須慎重選擇鉆井液注入地層。2003年，阿聯(lián)酋ADCO公司成功地將70萬桶廢棄油基鉆井液通過兩口深1500 m的注入處理井注入安全地層。我國在蓬萊19-3油田Ⅰ期開發(fā)過程中首次使用，但應(yīng)用并未成功，造成經(jīng)濟(jì)損失200萬美元。

1.2.2 熱蒸餾法

熱蒸餾法是將放入到密閉減壓系統(tǒng)中的廢棄油基鉆井液進(jìn)行加熱，大部分液相(油和水)由于受到高溫蒸發(fā)，然后再進(jìn)行冷凝收集，固相在經(jīng)過其他方法處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后直接排放。熱蒸餾法的回收率高，但能耗大、費(fèi)用高。英國北海油田用此法處理油基鉆井液，分離后鉆屑含油量小于1%，符合國際環(huán)保要求，解決了海上處理油基鉆井液的難題[3]。

1.2.3 溶劑萃取法

溶劑萃取法是采用己烷、乙酸乙酯或氯代烴等低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑將廢棄油基鉆井液中的油類溶解萃取出來，加入有機(jī)溶劑后的鉆井液經(jīng)快速蒸餾出溶劑，油類回收，蒸餾出的有機(jī)溶劑仍可繼續(xù)循環(huán)使用。挪威某鉆井廢棄物處理廠采用該方法處理廢棄油基泥漿，油回收率高達(dá)94.56%，但出于成本、安全等方面考慮，此技術(shù)被迫暫停。該方法面臨的主要問題是有機(jī)溶劑揮發(fā)性強(qiáng)，對(duì)人體健康及周圍空氣產(chǎn)生巨大安全隱患。

1.2.4 超臨界流體提取法

超臨界流體提取法是將廢棄油基鉆井液與超臨界流體混合，當(dāng)在超臨界流體通過減壓等方式離開超臨界區(qū)域時(shí)，該流體失去了溶解非極性分子的能力，那么油分子就與超臨界流體分離，實(shí)現(xiàn)油基鉆井液回收的目的。加拿大Alberta大學(xué)的C.G.Street和S.E.GuiGard研究了用二氧化碳超臨界流體萃取廢棄油基鉆井液中的油，萃取率高達(dá)98%[4]。超臨界流體提取法是在溶劑萃取法基礎(chǔ)上發(fā)展而來，但CO2沒有毒性，處理效果更好。

1.2.5 化學(xué)破乳法

化學(xué)破乳法是在廢棄油基鉆井液中加入具有破乳性能的化學(xué)藥劑、絮凝劑及助劑，使油與添加劑反應(yīng)后絮凝析出，實(shí)現(xiàn)油水分離。中石油環(huán)境工程技術(shù)中心許毓等人研究了“化學(xué)熱洗-析油-離心”處理廢棄油基鉆井液，油回收率達(dá)84%以上；通過實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)比稀釋加熱過濾、酸洗、堿洗等方法，熱洗破乳回收效果最好[5]。

1.2.6 生物修復(fù)法

生物修復(fù)法主要包括微生物降解法和生物絮凝法。微生物降解法是通過微生物作用將廢棄油基鉆井液中的石油烴(PHCs)降解成水和二氧化碳；生物絮凝法是利用具有絮凝作用的微生物或微生物代謝物使廢棄油基鉆井液破乳，油類物質(zhì)絮凝析出[6]。英國石油公司與Appla BTS公司聯(lián)合在英國的Warren試驗(yàn)場(chǎng)用一種名為Alpha Bi的微生物進(jìn)行含油鉆屑處理試驗(yàn)。結(jié)果表明，這種微生物在24小時(shí)內(nèi)能夠把鉆屑中72.5%的油份降解。該方法具有成本低、簡便易行等優(yōu)點(diǎn)，難點(diǎn)是如何針對(duì)不同油基鉆井液選擇合適的微生物菌種。

1.2.7 機(jī)械除油法

機(jī)械除油法主要是應(yīng)用巖屑甩干機(jī)對(duì)含油鉆屑(含油量10%～30%)進(jìn)行甩干，使含油量降低到5%以下，再用高速離心機(jī)將甩干機(jī)甩出的液相進(jìn)行固液分離，回收的油品再重復(fù)利用。巖屑甩干機(jī)等除油設(shè)備具有體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外均有相關(guān)產(chǎn)品。但該技術(shù)方法必須配合其他廢棄油基鉆井液處理方法。

2 鉆井液不落地處理技術(shù)

所謂鉆井液不落地是指不采用挖鉆井液循環(huán)池的傳統(tǒng)做法，在鉆井施工過程中，利用相關(guān)工藝和技術(shù)對(duì)巖屑、廢棄鉆井液進(jìn)行處理，使得廢水和部分鉆井液能得以再利用，干燥鉆屑可用于井場(chǎng)和路基鋪設(shè)，減少井場(chǎng)土地使用面積，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)，降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 水基鉆井液不落地處理系統(tǒng)

水基鉆井液不落地系統(tǒng)一般由三個(gè)模塊五個(gè)單元組成：輸送系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、破膠系統(tǒng)、壓濾系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)是密封式螺旋輸送器，收集來自固控設(shè)備分離出的巖屑；干燥系統(tǒng)包括干燥篩、回收罐、帶式輸送機(jī)；破膠系統(tǒng)包括儲(chǔ)備罐、離心泵、破膠罐；壓濾系統(tǒng)包括柱塞泵、箱式壓濾機(jī)、帶式輸送機(jī)；污水處理系統(tǒng)將井場(chǎng)污水及壓濾系統(tǒng)處理后的液相處理并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排放或循環(huán)使用。流程如圖1所示。

圖1 水基廢棄鉆井液不落地系統(tǒng)流程

固控設(shè)備分離出的巖屑通過輸送系統(tǒng)統(tǒng)一收集到一個(gè)罐中，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬笸ㄟ^渣漿泵輸送到儲(chǔ)備罐或破膠罐，對(duì)破膠罐中的廢棄物進(jìn)行加藥、脫穩(wěn)、破膠、絮凝、沉淀后，泵入壓濾系統(tǒng)處理，使水和固相有效分離，固相經(jīng)干燥系統(tǒng)干燥并壓成泥餅。

2.2 油基鉆井液不落地處理系統(tǒng)

目前常用的油基鉆井液不落地系統(tǒng)一般由螺旋輸送機(jī)、巖屑甩干機(jī)、離心機(jī)、螺桿泵、熱解-冷凝分離單元等設(shè)備組成。含油鉆屑輸送到熱解析裝置內(nèi)，熱解析裝置的加熱器通過間接加熱使油基含油鉆屑升溫到油沸點(diǎn)，讓油基含油鉆屑的油充分脫離，大幅降低含油率，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。脫離油基含油鉆屑的油蒸汽、水蒸汽通過真空泵抽出，進(jìn)入油水分離罐完成柴油和水的分離，柴油蒸汽分離后輸送到柴油罐，水蒸汽進(jìn)入水池中繼續(xù)重復(fù)使用，處理后的油基含油鉆屑?xì)堅(jiān)ㄟ^出料系統(tǒng)輸送到堆渣池。其工藝流程圖如圖2所示。

圖2 含油鉆屑處理工藝流程

3 巖屑的綜合利用

(1)許海彬等人發(fā)明將廢棄鉆井液和固化劑按1∶1.5的質(zhì)量比混合后形成混凝土類似物質(zhì)，作為建筑泵房的材料。

(2)巖屑的成分為黏土、氧化鈣、碳酸鈣、鋁酸鈣、硅酸鈣等，這些正是水泥的主要成分，因此可以采用巖屑作為原材料制作水泥。

(3)美國路易斯安納大學(xué)在20世紀(jì)90年代進(jìn)行了使用鉆井廢棄物恢復(fù)濕地的研究，并取得階段性成功。中國科學(xué)研究院應(yīng)用生態(tài)研究所也對(duì)此進(jìn)行了研究，選取了遼河油田某采油區(qū)附近的蘆葦?shù)刈鰹檠芯繉?duì)象，通過對(duì)比試驗(yàn)，研究了在不同量鉆井廢棄物條件下，蘆葦發(fā)芽、生長及成熟期和土壤資源還有地下水的影響。研究表明，蘆葦濕地對(duì)礦物油具有較高的凈化率，對(duì)深層土壤理化性質(zhì)無顯著影響。

(4)將廢棄鉆井液與礦渣及處理劑混合，利用激活劑激活礦渣中的固化成分，再輔以其他添加劑制得固井液。

4 結(jié)論與展望

(1)目前我國鉆井廢棄物的環(huán)保處理技術(shù)較國外相比具有水平低、可靠性差、效果差、應(yīng)用范圍小等問題，鉆井廢棄物的無害化處理技術(shù)已嚴(yán)重制約了我國油氣行業(yè)的發(fā)展及海外擴(kuò)張。我國石油、環(huán)保行業(yè)應(yīng)加快廢棄鉆井液處理技術(shù)、設(shè)備及系統(tǒng)的研發(fā)，縮小差距并爭取趕超國際先進(jìn)水平。

(2)減少鉆井液對(duì)環(huán)境的污染不能完全依靠廢棄鉆井液處理技術(shù)，還要從廢棄鉆井液產(chǎn)生的源頭把關(guān)。一方面選用合適的固控設(shè)備，延長鉆井液使用周期，提高鉆井效率，減少廢棄鉆井液的產(chǎn)生；另一方面采用環(huán)保型化學(xué)處理劑及添加劑，做到清潔生產(chǎn)。

(3)不同配方的鉆井液的成分均有所差別，因此對(duì)于不同地域和不同性質(zhì)的廢棄鉆井液，要做充分的針對(duì)性研究，選擇合適的無害化處理工藝，同時(shí)可以采用多種處理技術(shù)聯(lián)合使用的方式，提高處理效果。

(4)強(qiáng)化鉆井工程的管理控制，加強(qiáng)監(jiān)管。如施工隊(duì)伍的選擇、安全環(huán)保管理規(guī)章制度的建立、健全考核機(jī)制等措施，都會(huì)對(duì)廢棄鉆井液的無害化治理產(chǎn)生積極的影響。

(5)目前陸地上的廢棄油基鉆井液處理技術(shù)相對(duì)比較成熟，油基鉆井液不落地處理系統(tǒng)可以滿足環(huán)保要求，但是海洋鉆井產(chǎn)生的廢棄油基鉆井液處理難度要比陸地上大很多。一方面，海洋對(duì)廢棄物排放要求更高；另一方面，設(shè)備要滿足海上鉆井平臺(tái)更嚴(yán)苛的防爆標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還要適應(yīng)平臺(tái)面積有限等現(xiàn)場(chǎng)條件的制約。因此，針對(duì)海上鉆井特點(diǎn)，研制性能可靠的海上廢棄油基鉆井液處理設(shè)備及系統(tǒng)顯得尤為迫切與重要。