渤海油田鉆井廢物處置技術(shù)適用性分析

張羽臣 岳 明 陳 毅 劉海龍 楊旭才

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

隨著渤海油田的多年開發(fā)，部分油田產(chǎn)量遞減嚴(yán)重，給渤海油田的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)帶來(lái)壓力，向環(huán)境限制區(qū)邁進(jìn)，環(huán)境限制區(qū)要求必須零排放，同時(shí)國(guó)家環(huán)保要求也日趨嚴(yán)格。渤海油田零排放井越來(lái)越多，鉆井廢物產(chǎn)生量的增加，回收和陸地處置成本也隨之增加，一口井的鉆井廢物回收處置費(fèi)用為幾百萬(wàn)元左右，占整口井鉆井成本的25%左右，現(xiàn)行處置方式難以滿足要求。渤海油田鉆井廢物處置技術(shù)起步較晚，而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鉆井廢物處理方式很多，必須結(jié)合海上作業(yè)特點(diǎn)和自身需求，尋求適合渤海油田的鉆井廢物處置技術(shù)。

1 鉆井廢物成分及處置要求

1.1 鉆井廢物成分來(lái)源及危害

鉆井廢物主要是由黏土、加重材料、油、無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)處理劑和鉆屑組成的多相穩(wěn)定懸浮液，pH值較高[1]。主要來(lái)源[2]：①被更換的不適用于鉆井工程和地質(zhì)要求的鉆井液；②鉆井過(guò)程中部分性能不合格而被排放的鉆井液；③固井時(shí)井筒內(nèi)被海水替代出的鉆井液；④鉆井液循環(huán)系統(tǒng)“跑、冒、滴、漏”的鉆井液；⑤鉆井施工過(guò)程中產(chǎn)生的廢水；⑥鉆屑，如鹽巖、石膏、芒硝、硫化物等。導(dǎo)致環(huán)境污染的有害成分為油類、鹽類、殺菌劑、某些化學(xué)添加劑、重金屬、有機(jī)化合物和堿性物質(zhì)等。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆井液添加劑的種類和數(shù)量越來(lái)越多，其環(huán)境危害性也隨之增加。如任意排海，鉆井廢物中的有機(jī)物等會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，消耗水體中的氧，進(jìn)而形成赤潮或綠潮，嚴(yán)重影響水生物的生存。此外，鉆井廢物內(nèi)的烴類、化學(xué)合成物質(zhì)及重金屬類物質(zhì)也會(huì)在海藻、貝類動(dòng)物和魚類體內(nèi)富集，影響生物繁殖或致突變，影響海洋捕撈和養(yǎng)殖業(yè)，間接地對(duì)人類海洋食品安全造成威脅[3-4]。

1.2 海上鉆井廢物處置相關(guān)法規(guī)

針對(duì)海洋石油勘探開發(fā)，我國(guó)已頒布多項(xiàng)法律法規(guī)。《中華人民共和國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)法》(2013年修正本)第五十一條規(guī)定，鉆井所使用的油基鉆井液和其他有毒復(fù)合鉆井液不得排放入海，水基鉆井液和無(wú)毒復(fù)合鉆井液及鉆屑的排放，必須符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定。《中華人民共和國(guó)海洋石油勘探開發(fā)環(huán)境保護(hù)管理?xiàng)l例》第十二條規(guī)定，殘油、廢油、油基鉆井液、含油垃圾和其他有毒殘液殘?jiān)?，必須回收，不得排放或棄置入海。海上鉆井廢物排放在遵守以上法律法規(guī)的同時(shí)，主要參照GB 4914—2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》[5]，其中鉆井液和鉆屑排放濃度限值如表1所示。

海域等級(jí)劃分如下：一級(jí)：適用于渤海、北部灣，國(guó)家劃定的其他海洋保護(hù)區(qū)和其他距離最近陸地4海里(7.4 km)以內(nèi)的海域；二級(jí)：除渤海、北部灣，國(guó)家劃定的其他海洋保護(hù)區(qū)域外，其他距離最近陸地大于4海里(7.4 km)且小于12海里(22.2 km)的海域；三級(jí)：適用于一級(jí)和二級(jí)海區(qū)以外的其他海域。渤海禁止排放含油廢物，對(duì)于非含油廢物的排放需要得到當(dāng)?shù)睾Ｓ蛑鞴懿块T的允許，才能排放。

表1 鉆井液和鉆屑排放濃度限值

備注：最新休漁法延長(zhǎng)了渤海的休漁期。根據(jù)海洋環(huán)保法要求，休漁期要執(zhí)行零排放政策。

2 渤海油田現(xiàn)行鉆井廢物處置方式及存在問題

渤海油田鉆井廢物現(xiàn)行處置方法主要分為兩種：排海和回收。未鉆入油氣層段的水基廢鉆井液及鉆屑滿足GB 4914—2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》相關(guān)要求，并經(jīng)所在海域主管部門批準(zhǔn)后排海處理；鉆入油氣層的水基廢鉆井液、鉆屑及非水基鉆井液利用專用的回收箱回收，通過(guò)船舶運(yùn)至陸地交于有資質(zhì)的處理廠進(jìn)行集中無(wú)害化處理。現(xiàn)行廢物處置方式現(xiàn)場(chǎng)未做任何減量化、無(wú)害化處理，隨著現(xiàn)場(chǎng)廢物量大量增加，出現(xiàn)下述問題：①?gòu)U物回收、運(yùn)輸及陸地終端處置成本顯著提高；②現(xiàn)行處置方法回收效率較低，影響現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率；③陸地處理廠接受能力受限致使鉆井廢物大量堆積，給HSE管控帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。因此現(xiàn)行處理方法已無(wú)法滿足新形勢(shì)下鉆井廢物處置需求。

3 渤海油田鉆井廢物處置技術(shù)

3.1 國(guó)內(nèi)外鉆井廢物處置技術(shù)

3.1.1 水基鉆井廢物處置技術(shù)

國(guó)內(nèi)外水基鉆井廢物處置方法有很多，常用的方法有回填、固化、回注、鉆井液轉(zhuǎn)化固井液技術(shù)(MTC)、循環(huán)使用、生物降解等，選用何種方式處理，應(yīng)根據(jù)區(qū)域的環(huán)境敏感性級(jí)別及鉆井廢物類型來(lái)選擇[6]。

1)回填法

回填法分為簡(jiǎn)易回填和密封回填[7]，簡(jiǎn)易回填通過(guò)簡(jiǎn)單挖坑填埋后覆蓋表層土的方法。密封回填廢物需要在坑底部和四周鋪一層有機(jī)土，然后在上面鋪一層塑料隔離層作為墊層，最后再蓋一層有機(jī)土，或在底部和四周加固化層或具有一定強(qiáng)度的防滲膜。本法主要用于淡水基鉆井液產(chǎn)生的廢渣的處理。

2)固化法

固化是通過(guò)向廢鉆井液中投入適量配比的破膠劑和固化劑，按照技術(shù)要求進(jìn)行均勻攪拌，通過(guò)一段時(shí)間的物理和化學(xué)變化，使其中的有害成分發(fā)生轉(zhuǎn)化、封閉、固定作用，降低有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)移擴(kuò)散。該方法能有效治理難度最大的COD、Cr值和總鉻污染[8]。根據(jù)廢物中毒害物質(zhì)類型選擇合適的固化劑，常用的固化劑有石灰、石膏、硅酸鹽、礦渣和水泥等。該方法適用于膨潤(rùn)土鉆井液、聚合物鉆井液、磺化鉆井液和油基鉆井液等?，F(xiàn)場(chǎng)工藝流程為：取樣化驗(yàn)→方案設(shè)計(jì)→配料→固化施工→候凝→現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)→平整井場(chǎng)→驗(yàn)收交接[9]。

3)井下回注法

鉆屑回注技術(shù)是將鉆屑從固控設(shè)備傳輸?shù)教幚碓O(shè)備內(nèi)，通過(guò)研磨、剪切和篩選，使鉆屑的粒度滿足回注要求，通過(guò)高壓注入泵將鉆屑漿注入到地層內(nèi)的一種工藝。根據(jù)回注位置的不同分為環(huán)空回注和地層回注。環(huán)空回注是將廢物注入表層套管或生產(chǎn)套管環(huán)空中，該方法僅能一次性處理廢物，且該方法受到機(jī)械裝備和套管腐蝕的影響，如果管道長(zhǎng)期遭受腐蝕，一旦損壞則注入液就可能污染水層。地層回注可將廢水基或油基鉆井液和鉆屑，通過(guò)地面處理回注到合適地層[10-11]。

4)鉆井液轉(zhuǎn)化固井液技術(shù)(MTC)

MTC技術(shù)是將廢鉆井液和礦渣混合，利用激活劑激活礦渣中的固化成分。再輔以其他添加劑得到各種用途的固井液。該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究，并且取得了廣泛的應(yīng)用，用其固井有很多優(yōu)點(diǎn)：紊流排量低、與鉆井液的相容性好、稠化過(guò)渡時(shí)間和靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間短等特性，在防竄固井和提高頂替效率等方面較水泥漿都具有較大的優(yōu)勢(shì)[12]。

5)循環(huán)使用技術(shù)

循環(huán)使用技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用已十分廣泛，該技術(shù)利用化學(xué)絮凝、沉降和固液分離等組合技術(shù)，分離鉆井液中的固、液兩相，液相可以重復(fù)使用[8]。由于廢鉆井液是一種復(fù)雜的懸浮液，主要由膨潤(rùn)土、無(wú)機(jī)鹽、化學(xué)處理劑、加重材料和鉆屑等組成，簡(jiǎn)單自然沉降和固液分離很難破壞鉆井液中的膠體體系,需要加入破膠絮凝劑提高固液分離效果。采用固液分離技術(shù)可以使鉆井液維護(hù)的稀釋倍率從1.6降至0.3，大大節(jié)約鉆井液和終端廢物處置成本[13]。但循環(huán)使用屬于過(guò)程處理，經(jīng)過(guò)固液分離后的鉆井廢物仍需終端處理。流程如圖1所示。

圖1 循環(huán)使用技術(shù)處理流程

6)生物降解技術(shù)

生物降解技術(shù)是向鉆井廢物中引入降解菌，通過(guò)細(xì)菌的生長(zhǎng)、繁殖和內(nèi)呼吸，來(lái)分解鉆井廢物中的油污。該方法中所用微生物需要通過(guò)自然篩選或誘變培育及基因工程、細(xì)胞工程技術(shù)獲得。生物處理技術(shù)主要的影響因素有充足的降解菌數(shù)量、足夠的氧氣、提供降解菌新陳代謝必要的營(yíng)養(yǎng)元素、濕度控制、溫度、pH值和鹽度[14]。

3.1.2 油基鉆井廢物處置技術(shù)

國(guó)內(nèi)外對(duì)于油基鉆井廢物處置技術(shù)有焚燒法、鉆屑清洗技術(shù)、溶劑萃取法等[15]，常用的處置技術(shù)是甩干分離和熱解析組合技術(shù)。利用甩干機(jī)機(jī)械外力清除含油鉆屑表面的游離態(tài)油類物質(zhì)，將油基鉆井液鉆屑含油率減少到5%以下，再通過(guò)熱處理技術(shù)對(duì)鉆屑進(jìn)行外界加熱，將鉆屑中所含油分、易揮發(fā)有機(jī)物和水分蒸發(fā)并收集后處理，處理后的鉆屑含油量小于1%。熱解吸裝置一般有低溫系統(tǒng)及高溫系統(tǒng)兩種類型，低溫系統(tǒng)的溫度通常是250～350℃，而高溫系統(tǒng)的溫度高達(dá)520℃。低溫系統(tǒng)足以處理輕油廢物，高溫系統(tǒng)能夠處理含量較低的重油廢物[12]。

3.2 不同鉆井廢物處置技術(shù)分析

鉆井廢物的處置方法有很多，每種方法都有自身的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，不同鉆井廢物處理技術(shù)對(duì)比見表2。

表2 不同鉆井廢物處理技術(shù)對(duì)比

目前國(guó)內(nèi)外鉆井廢物的處理方式主要是現(xiàn)場(chǎng)減量和無(wú)害化集中處理相結(jié)合，現(xiàn)場(chǎng)減量主要采用循環(huán)利用技術(shù)，也稱隨鉆處理技術(shù)，最終廢物的集中處理方式國(guó)內(nèi)外有所區(qū)別；國(guó)內(nèi)處理廠采用的技術(shù)基本是文中所述方法，而國(guó)外應(yīng)用最廣泛的廢物集中處理方式為巖屑回注，占據(jù)主導(dǎo)地位。渤海特點(diǎn)是平臺(tái)空間受限，總體需求是廢物現(xiàn)場(chǎng)減量，降低廢物回收處理成本。渤海屬于內(nèi)海，排放要求非常嚴(yán)格，減量的唯一手段是廢液循環(huán)利用，而固化、回填、生物降解等場(chǎng)地需求大且處理后廢物無(wú)利用價(jià)值的技術(shù)不適合海上現(xiàn)場(chǎng)使用，井下回注技術(shù)是海上最經(jīng)濟(jì)可行的鉆井廢物處置方法，但受某油田溢油事故影響，井下回注技術(shù)被暫停使用，MTC和循環(huán)使用技術(shù)都是通過(guò)廢物的重復(fù)利用實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)減量的目的，能很好地解決渤海油田鉆井廢物處置問題，應(yīng)做深入研究。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

①面對(duì)國(guó)家環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，渤海油田作業(yè)量增大和零排放井增多，現(xiàn)行渤海油田鉆井廢物處置技術(shù)已不能滿足要求，有必要建立渤海油田鉆井廢物處置技術(shù)體系。

②渤海油田鉆井廢物處置的突出問題是鉆井廢物總量大，造成成本提高、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增大等一系列問題。因此，研究重點(diǎn)應(yīng)圍繞現(xiàn)場(chǎng)減量開展，應(yīng)從源頭控制廢物產(chǎn)生量，如采用小井眼和環(huán)保型鉆井液體系等工藝，通過(guò)國(guó)內(nèi)外鉆井廢物處置技術(shù)對(duì)比，結(jié)合渤海油田作業(yè)特點(diǎn)，認(rèn)為MTC和循環(huán)使用技術(shù)能有效解決渤海油田鉆井廢物處置存在的問題，有必要進(jìn)行針對(duì)性地深入研究。