鉆采廢液集中處理及再生利用模式構(gòu)建與工程應(yīng)用

毛 寧，姚留栓，李廣平，劉世軍，金鵬康，金 鑫

（1. 西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055； 2. 內(nèi)蒙古恒盛環(huán)保科技工程有限公司，內(nèi)蒙古烏審旗017300）

鉆采廢液是油氣田井場(chǎng)開采過程中產(chǎn)生的一類污染物，主要包括廢棄鉆井液和措施廢液。廢棄鉆井液也稱廢棄鉆井泥漿，具有高懸浮物、高含油量及含有一定量有毒有機(jī)和無機(jī)污染物等特點(diǎn)〔1〕。 措施廢液主要來源于壓裂、酸化、修井、洗井等井下作業(yè)產(chǎn)生的廢水，主要以壓裂返排液為主。壓裂返排液呈黑褐色，成分復(fù)雜，具有高COD、高色度、高懸浮物、高含油量、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)〔2〕。 長(zhǎng)慶油田對(duì)鉆采廢液早期的處理思路是現(xiàn)場(chǎng)挖池，池底部鋪設(shè)防滲膜，將鉆采廢液排入溝池中進(jìn)行自然沉降， 沉降后上部鉆采廢液就地處理回注，底部鉆屑和沉砂（泥），加入固化劑后就地固化填埋處理〔3〕。 這種處理方式一方面會(huì)造成大量的土地荒廢， 另一方面在上述處理過程中不可避免地出現(xiàn)漏失、處理不徹底等問題，從而造成不同程度的環(huán)境污染。

另外，長(zhǎng)慶油田地處我國(guó)西北生態(tài)脆弱區(qū)域，溝壑縱橫， 井場(chǎng)分布分散。 由于各井場(chǎng)間鉆采工藝不同，導(dǎo)致處理工藝差別很大，處理效果差異明顯，不可避免地造成資源的浪費(fèi)。因此，建立分散式井場(chǎng)集中化處理模式， 即將各分散井場(chǎng)中產(chǎn)生的鉆采廢液進(jìn)行集中收集、處理及資源化再利用，對(duì)于油氣田開采污染控制及節(jié)約資源具有重要意義。 構(gòu)建分散式井場(chǎng)集中化處理模式具有如下優(yōu)點(diǎn):（1）將各分散井場(chǎng)鉆采廢液進(jìn)行統(tǒng)一收集， 可實(shí)現(xiàn)鉆采廢液水質(zhì)均質(zhì)化，便于后續(xù)處理；（2）對(duì)鉆采廢液進(jìn)行集中處理，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化集中處理廠，便于管理，并可制定適用于資源再利用的統(tǒng)一處理標(biāo)準(zhǔn)；（3）對(duì)鉆采廢液進(jìn)行集中處理，可節(jié)約處理資源與成本；（4）構(gòu)建集中化處理模式，可避免處置的無序化，有利于處理后的資源再利用及集中再分配。

1 工程概況

“蘇里格氣田鉆井巖屑/壓裂返排液集中處理廠” 位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗，是國(guó)內(nèi)最大的鉆采廢液集中處理廠，總投資9 937.39 萬元，占地面積約200 畝（133 334 m2），處理規(guī)模為鉆井巖屑50 萬m3/a，壓裂返排液5 000 m3/d。

由于鉆井泥漿與措施廢液性質(zhì)差別很大， 需采取不同的處理方式。對(duì)于鉆井泥漿，首先通過震動(dòng)分離以及延時(shí)攪拌等物化手段實(shí)現(xiàn)固液分離， 所產(chǎn)生的固相物質(zhì)進(jìn)行資源化利用； 所產(chǎn)生的的液相與措施廢液混合，進(jìn)行后續(xù)處理。 對(duì)于措施廢液，在預(yù)處理階段， 通過鐵碳微電解與核晶凝聚等對(duì)其進(jìn)行固液分離， 分離后的液相再與鉆井泥漿壓濾后的上清液混合進(jìn)入生物處理階段。在生物處理階段，通過水解酸化-生物接觸氧化工藝對(duì)水中污染物進(jìn)行降解，然后進(jìn)入深度處理階段。 在深度處理階段，采用電誘導(dǎo)臭氧氣浮工藝對(duì)水中污染物進(jìn)行進(jìn)一步降解，然后進(jìn)入膜處理組件。 經(jīng)過兩級(jí)膜處理，可大幅度提高中水的回收率。 由于膜處理產(chǎn)生的濃水含鹽量高，直接排放會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，故將其接入機(jī)械蒸發(fā)系統(tǒng)（MVR），實(shí)現(xiàn)水中鹽分結(jié)晶回收。 處理工藝流程如圖1 所示。

圖1 處理廠鉆采廢液處理工藝流程

2 運(yùn)行效果評(píng)價(jià)

2.1 預(yù)處理效果評(píng)價(jià)

2.1.1 鉆井泥漿預(yù)處理

將鉆井泥漿拉運(yùn)至廠區(qū)卸料泥斗進(jìn)行震動(dòng)分離，分離后的液相經(jīng)過延時(shí)攪拌、壓濾后，產(chǎn)生的固相送至制磚廠房或送至微生物修復(fù)床， 添加復(fù)合菌劑，完成污染物降解過程后，再用于后續(xù)的免燒磚制作、路基材料制作及沙坑恢復(fù)治理。產(chǎn)生的濾液經(jīng)過沉淀后與預(yù)處理后的措施廢液一并進(jìn)入生化處理系統(tǒng)。

2.1.2 措施廢液預(yù)處理

將措施廢液由井場(chǎng)運(yùn)至廠區(qū)調(diào)蓄池儲(chǔ)存， 調(diào)節(jié)pH 后首先進(jìn)行鐵碳微電解處理，以提高水體的可混凝性。隨后廢液進(jìn)入核晶凝聚反應(yīng)池，進(jìn)行固液分離處理， 該技術(shù)可有效提高絮凝體的有效密度以及沉降速度等，從而提高去除效果〔4〕。 措施廢液的預(yù)處理效果如圖2 所示。

圖2 措施廢液預(yù)處理效果

由圖2 可以看出，經(jīng)預(yù)處理后，措施廢液的COD由平均3 740 mg/L 降至2 650 mg/L，COD 去除率為29.14%。 結(jié)果表明，經(jīng)過鐵碳微電解與核晶凝聚反應(yīng)后，水中有機(jī)物得到有效去除，為下一步進(jìn)行生物處理提供了良好的基礎(chǔ)。

2.2 生物處理效果評(píng)價(jià)

生物處理階段的工藝為水解酸化+生物接觸氧化， 其核心在于培養(yǎng)適應(yīng)于高鹽度及高有機(jī)物含量廢水體系的微生物種群， 并針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)長(zhǎng)期低溫的條件， 通過調(diào)控生物處理系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)與影響因子，保證生物處理工藝的穩(wěn)定處理效果〔5〕。

將取自城市污水處理廠的活性污泥置于鉆采廢液中進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控， 以保證接種在水解酸化池與生物接觸氧化池中的活性污泥微生物具有適應(yīng)高鹽度及高有機(jī)物含量廢水環(huán)境的能力。 內(nèi)蒙古地區(qū)秋季天氣寒冷，水溫降低，大多數(shù)微生物的生長(zhǎng)代謝會(huì)受到抑制，導(dǎo)致生物處理出水水質(zhì)惡化，處理效果不穩(wěn)定。 秋季可通過延長(zhǎng)廢水在水解酸化池和接觸氧化池的HRT 來提高有機(jī)物與水中微生物的接觸時(shí)間，本項(xiàng)目確定HRT 為4 d。 此外，將生物接觸氧化池設(shè)置于室內(nèi)，在曝氣池中懸掛塑料蜂窩填料，池底部配加熱設(shè)施，頂棚設(shè)置噴霧保溫措施，以保證在秋季低溫條件下的生物處理效果。冬季由于溫度過低，處理效果差，處理廠在冬季停止運(yùn)行。在水解酸化工藝中，進(jìn)水pH 不同可能導(dǎo)致水解產(chǎn)物不同，本項(xiàng)目確定進(jìn)水pH 為7.5。 在生物接觸氧化工藝中，本項(xiàng)目確定缺氧、好氧的容積比為1∶3。 生物處理階段進(jìn)水為預(yù)處理后的措施廢液與壓濾后鉆井泥漿上清液的混合液，COD 平均為3 120 mg/L。生物處理效果如圖3 所示。

圖3 生物處理效果

由圖3 可知，經(jīng)生物處理后，污水平均COD 降至450 mg/L，COD 去除率達(dá)85.6%。

2.3 深度處理效果評(píng)價(jià)

為使水中各類污染物質(zhì)得到進(jìn)一步降解以滿足資源化再利用要求，采用電誘導(dǎo)臭氧氣浮+膜處理+MVR 的工藝對(duì)生物處理階段出水進(jìn)行深度處理。 通過電化學(xué)誘導(dǎo)將水中污染物改性， 再結(jié)合臭氧氧化進(jìn)一步降低水體中難凝聚的有機(jī)物含量， 最后通過氣浮過濾除濁〔6〕。 在電誘導(dǎo)臭氧氣浮中，控制原水pH 為7，電流密度為10 mA/cm2，極板間距為2 cm，臭氧濃度為2 mgO3/mgCOD。 在膜處理中，通過超濾膜和反滲透膜兩級(jí)膜處理對(duì)水中的無機(jī)鹽進(jìn)行濃縮，從污水中分離出可回收利用的中水，同時(shí)減少高濃鹽水的處理量。 對(duì)于分離出的高濃鹽水采用MVR技術(shù)進(jìn)行蒸發(fā)脫鹽， 蒸發(fā)出的水分最終變成冷凝水排出，所產(chǎn)生的結(jié)晶鹽經(jīng)干燥后返回井場(chǎng)，用于配制壓裂返排液。 深度處理效果如圖4 所示。

由圖4 可知， 深度處理進(jìn)水COD 平均為450 mg/L，經(jīng)電誘導(dǎo)臭氧氣浮與膜分離后出水COD 平均降至20 mg/L 左右，COD 去除率為95.6%；MVR 出水COD 平均降至2.1 mg/L 左右，總的COD 去除率為99.5%。 膜分離出水與MVR 出水水質(zhì)均優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅴ類水的標(biāo)準(zhǔn)，可用于廠區(qū)自用、市政雜用等。

圖4 深度處理效果

2.4 資源化利用效果評(píng)價(jià)

生化處理出水可用于配制工作液（鉆井液、壓裂液）。 蘇里格氣田井場(chǎng)對(duì)于所配制的鉆井液，要求其表觀黏度損失≤15%。 在一定量的生化出水中加入14 g/L 離子沉淀劑AIP-1 進(jìn)行充分反應(yīng)，然后過濾，取上清液并加入0.2 g/L 的離子屏蔽劑ISA-1。 經(jīng)過離子沉淀與屏蔽處理后，生化出水中的鈣離子由平均2 820 mg/L 降至140 mg/L， 鎂離子由平均410 mg/L降至40 mg/L， 鈣鎂離子去除率達(dá)90%以上。 經(jīng)檢測(cè)，由此配制出的鉆井液表觀黏度損失≤15%，符合《鉆井液技術(shù)規(guī)范》（SY/T 8129—2005），滿足井場(chǎng)再利用配制鉆井液的要求。

在配制壓裂液的過程中， 主要影響因素為有機(jī)物含量、總鐵濃度、鈣鎂離子含量及含鹽量。 將生化出水與一定量的離子沉淀劑及離子屏蔽劑反應(yīng)后，調(diào)節(jié)pH=7，然后將其與胍膠、殺菌劑、起泡助排劑等快速攪拌混合，即可制成壓裂液。配制壓裂液的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 配制壓裂液的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1 可知， 所配制的壓裂液基液表觀黏度≥42 mPa·s，交聯(lián)時(shí)間45～80 s，符合《壓裂液通用技術(shù)條件》（SY/T 6376—2008），滿足井場(chǎng)再利用要求。

將預(yù)處理壓濾工段產(chǎn)生的固體物質(zhì)與普通硅酸鹽水泥、膠黏劑或石灰粉充分拌合并壓制成型后，輸送至帶遮雨棚的養(yǎng)護(hù)場(chǎng)，陰涼風(fēng)干約20 d，即可得成品免燒磚和路基材料〔7〕。 按照《陸上石油天然氣開采含油污泥資源化綜合利用及污染控制技術(shù)要求》（SY/T 7301—2016），對(duì)磚坯體和路基材料進(jìn)行石油烴總量檢測(cè)，結(jié)果表明，制備的免燒磚、路基材料中的石油烴為0.46%，小于2%；且成型路基浸出液中六價(jià)鉻0.012 mg/L，氟化物0.21 mg/L，鋅0.31 μg/L，汞0.82 μg/L，達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—2002）的要求。由此本項(xiàng)目所生產(chǎn)的免燒磚與路基材料可自用或外售至蘇里格氣田井場(chǎng)、 建筑工地進(jìn)行綜合利用。

鉆采廢液經(jīng)過固液分離之后產(chǎn)生的固體物質(zhì)與預(yù)處理壓濾工段產(chǎn)生的固體物質(zhì)， 通過添加土著降解—產(chǎn)表活劑復(fù)合菌劑〔8〕處理后，其中所含有的石油類污染物質(zhì)含量顯著降低。 將處理好的樣品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，本項(xiàng)目所處理修復(fù)的土壤的各項(xiàng)指標(biāo)符合《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995），達(dá)到了沙漠修復(fù)的要求。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

本項(xiàng)目主要針對(duì)鉆井泥漿和措施廢液進(jìn)行處理，其中運(yùn)行費(fèi)用主要包括鉆井泥漿和措施廢液分離出的固廢處理與廢水處理運(yùn)行費(fèi)用。固廢處理運(yùn)行費(fèi)用主要包括加藥費(fèi)69.7 元/m3， 水電費(fèi)8.35 元/m3，人工費(fèi)2.45 元/m3，折合處理費(fèi)用80.5 元/m3；廢水處理運(yùn)行費(fèi)用主要包括加藥費(fèi)148.4 元/m3，水電費(fèi)25.75元/m3，人工費(fèi)8.25 元/m3，折合處理費(fèi)用182.4 元/m3。

4 結(jié)論

（1）地處生態(tài)脆弱區(qū)的長(zhǎng)慶油田，其井場(chǎng)分布較為分散，存在各井場(chǎng)就地現(xiàn)場(chǎng)處理鉆采廢液難度高、處理工藝差異大及容易造成資源浪費(fèi)等問題， 由此提出了分散式井場(chǎng)的集中化處理模式， 并建成了國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的鉆采廢液集中處理廠——“蘇里格氣田鉆井巖屑/壓裂返排液集中處理廠”。 其采用預(yù)處理、水解酸化-生物接觸氧化、電誘導(dǎo)臭氧氣浮、膜過濾、MVR 的處理工藝，處理鉆井巖屑50 萬m3/a，壓裂返排液5 000 m3/d。

（2）該廠鉆采廢液經(jīng)處理后，生化出水可用于配制鉆井液、壓裂液。 配制出的鉆井液符合《鉆井液技術(shù)規(guī)范》（SY/T 8129—2005），壓裂液符合《壓裂液通用技術(shù)條件》（SY/T 6376—2008）。 膜分離出水與MVR 出水水質(zhì)均優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅴ類水的標(biāo)準(zhǔn)，可用于廠區(qū)自用、市政雜用等。 處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物可用于制作免燒磚、路基材料及沙漠修復(fù)。