蘇里格氣田水基鉆井廢物資源化處置

姬 園 周楊振 魏自濤 劉 平

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田第三采氣廠；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田開(kāi)發(fā)分公司)

0 引 言

鉆井廢物主要包含鉆井液和鉆井巖屑，2015年在新《環(huán)保法》推出后，為防止鉆井廢液等污染物對(duì)環(huán)境造成污染，蘇里格氣田結(jié)合國(guó)內(nèi)各油氣企業(yè)鉆井試氣廢物處置利用情況，積極推進(jìn)“清潔化新工藝”，其中鉆井采取“鉆井液不落地”工藝、試氣采取“壓裂返排液回收利用”工藝[1-3]。實(shí)施過(guò)程中不斷改進(jìn)和優(yōu)化相關(guān)工藝，強(qiáng)化全過(guò)程監(jiān)管，積極探索和嘗試鉆井廢物資源化利用的有效途徑，先后經(jīng)歷了試驗(yàn)、應(yīng)用和推廣3個(gè)階段，形成了多種處置工藝并存的鉆井廢物處置模式。

1 巖屑成分

1.1 巖屑檢測(cè)與鑒定

自2015年以來(lái)，長(zhǎng)慶油田多次組織對(duì)鉆井巖屑進(jìn)行檢測(cè)，摸清蘇里格區(qū)域鉆井巖屑成分。巖屑主要是碎屑巖和碳酸鹽巖，成分為石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、高嶺石及蒙脫石等，其固相含量為70%～80%。碎屑巖巖屑固相中SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3含量分別為：44%～67%，4%～55%，0.3%～0.6%，0.5%～7%。碳酸鹽巖巖屑固相CaO、MgO、SiO2、Al2O3含量分別為：38%～56%，11%～21%，5%～12%，4%～9%。

長(zhǎng)慶油田委托兩家具有危險(xiǎn)廢物鑒定資質(zhì)的機(jī)構(gòu)開(kāi)展了鉆井巖屑的危險(xiǎn)特性鑒別。鑒定結(jié)果均為：各項(xiàng)指標(biāo)未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，不具有危險(xiǎn)特性。

為探索巖屑的資源化利用方式，長(zhǎng)慶油田委托建筑材料鑒定專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)巖屑理化指標(biāo)和放射指數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為與GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》中Ⅲ類砂指標(biāo)相當(dāng)，內(nèi)、外放射指數(shù)均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值。

通過(guò)對(duì)巖屑的各類指標(biāo)、危害性的檢測(cè)與鑒定，綜合結(jié)論為：水基巖屑不具有危險(xiǎn)屬性，組分與天然砂石類似，放射性未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，可用于油田基礎(chǔ)建設(shè)[4-6]。

1.2 泥漿池土壤和植被環(huán)境調(diào)研

長(zhǎng)慶油田邀請(qǐng)專門機(jī)構(gòu)對(duì)油氣井井場(chǎng)泥漿池土壤和植被環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，評(píng)估之前鉆井巖屑原位固化處理對(duì)環(huán)境帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

為保證采樣的連續(xù)性與科學(xué)性，更好地反映井場(chǎng)土壤和植被情況，采用兩種時(shí)間間隔取樣。1991—2010年每隔5年選取有代表性的井場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查；2011—2015年逐年選取具有代表性的井場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查。共完成2個(gè)采氣廠土壤樣品560個(gè)，植物樣品50個(gè)，農(nóng)作物樣品20個(gè)，泥漿池巖屑樣品6個(gè)。

采樣情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 采樣情況統(tǒng)計(jì)

調(diào)研結(jié)果表明：95%以上井場(chǎng)泥漿池內(nèi)植被長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于池外。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是泥漿池內(nèi)優(yōu)勢(shì)種群的總蓋度、株高和生物量顯著高于泥漿池外；二是泥漿池內(nèi)植被種類普遍比池外多，物種多樣性增加，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

泥漿池內(nèi)的農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于池外，體現(xiàn)在單株作物株高、生物量和籽粒飽滿度等方面，其中蕎麥增產(chǎn)30%，大豆、玉米增產(chǎn)10%以上。不同時(shí)間段泥漿池內(nèi)、外植被數(shù)量比較見(jiàn)圖1。

圖1 不同時(shí)間段泥漿池內(nèi)、外植被數(shù)量比較

泥漿池內(nèi)土壤剖面是一種類似“上沙下黏”的土壤結(jié)構(gòu)。土壤上層(0～100 cm)孔隙結(jié)構(gòu)顯著提高，可以增加降水入滲、減少地表徑流，進(jìn)而增加土壤貯水量，可促進(jìn)植被生長(zhǎng)。泥漿池內(nèi)外農(nóng)作物取樣質(zhì)量(濕重)比較見(jiàn)表2。

表2 泥漿池內(nèi)外農(nóng)作物取樣質(zhì)量(濕重)比較

整體試驗(yàn)結(jié)果表明：巖屑泥漿池安全固化填埋技術(shù)可以改善土壤剖面物理結(jié)構(gòu)特性，起到了蓄水保墑的效果。井場(chǎng)內(nèi)泥漿池生長(zhǎng)的冰草見(jiàn)圖2。

圖2 井場(chǎng)內(nèi)泥漿池生長(zhǎng)的冰草

在陜北和內(nèi)蒙3個(gè)井場(chǎng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)我國(guó)特有珍稀牧草——蒙古冰草，又名沙蘆草，為禾本科優(yōu)質(zhì)牧草。其中烏審旗井場(chǎng)內(nèi)泥漿池上發(fā)現(xiàn)了4株沙蘆草，2株根系已經(jīng)扎根在巖屑當(dāng)中。沙蘆草是國(guó)家二級(jí)保護(hù)植物，列入我國(guó)珍稀瀕危保護(hù)植物名錄，出芽率低至千分之一，能在泥漿池正常發(fā)育，說(shuō)明泥漿池生態(tài)環(huán)境適合沙蘆草生長(zhǎng)。

2 鉆井廢物處置及資源化利用情況

2.1 固化法

2015年以前，井場(chǎng)修建泥漿池并鋪設(shè)土工膜進(jìn)行防滲，泥漿池使用完畢后進(jìn)行無(wú)害化處理，蘇里格氣田開(kāi)發(fā)伊始，制定了以“固化法”為主的泥漿池治理的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，從企業(yè)資質(zhì)審查、現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)工管理、治理過(guò)程控制、驗(yàn)收質(zhì)量檢測(cè)等方面進(jìn)行規(guī)范。其主要工藝是在泥漿池內(nèi)加入混凝劑沉降分離，清液經(jīng)地方環(huán)保部門檢測(cè)達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)后用于井場(chǎng)綠化；隨后在泥漿池內(nèi)加入固化劑，通過(guò)挖掘機(jī)攪拌，與鉆井廢液進(jìn)行混合、固化，固化后的浸出液達(dá)到GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，適時(shí)進(jìn)行植被恢復(fù)?！肮袒ā碧幚砉に囀疽庖?jiàn)圖3。

圖3 “固化法”處理工藝示意

2.2 實(shí)施鉆井液不落地

2015年蘇里格氣田全面推廣實(shí)施鉆井液不落地和壓裂液循環(huán)利用工藝，取消開(kāi)挖泥漿池，強(qiáng)化源頭控制，從根本上降低鉆井廢物排放。巖屑固廢處理工藝從試驗(yàn)到推廣經(jīng)歷了3個(gè)階段的發(fā)展。

2.2.1 試驗(yàn)階段(2015—2016年)

該階段主要采取的工藝有：“混合收集、破膠脫穩(wěn)壓濾”“四級(jí)振動(dòng)篩分+機(jī)械離心分離”“大罐循環(huán)沉降+隨鉆隨拉運(yùn)”。這些工藝雖然對(duì)鉆井廢物進(jìn)行了合理處置，但在成本控制、巖屑減量、鉆井提速等方面存在很多弊端。

“混合收集、破膠脫穩(wěn)壓濾”工藝：完井液經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)處理后部分用于配制鉆井液，鉆井液循環(huán)處理系統(tǒng)排出的鉆井廢物進(jìn)行混相收集，進(jìn)入儲(chǔ)液罐，經(jīng)破膠脫穩(wěn)和板框壓濾機(jī)處置，脫出水用于鉆井液補(bǔ)充液或下口井表層鉆進(jìn)施工，分離出的巖屑在儲(chǔ)存箱或地面用防滲布下鋪上蓋暫存。優(yōu)點(diǎn)：固液分離徹底，巖屑脫水率高，便于存儲(chǔ)、拉運(yùn)處置。直/定向井產(chǎn)生量約380～450 m3/口；缺點(diǎn)：破膠后的鉆井廢液性能無(wú)法滿足循環(huán)利用要求，需要再加化學(xué)藥劑進(jìn)行鉆井液性能調(diào)整，破膠及再調(diào)整性能均存在化學(xué)藥劑成本，同時(shí)，性能調(diào)整需要一定周期，不能滿足鉆井“快速鉆進(jìn)階段”鉆井提速要求。

“四級(jí)振動(dòng)篩分+機(jī)械離心分離”工藝：鉆井液循環(huán)處理系統(tǒng)排出的巖屑及鉆井液經(jīng)螺旋輸送機(jī)進(jìn)入四級(jí)振動(dòng)篩篩出，循環(huán)罐排出的鉆井液經(jīng)低位回收罐進(jìn)入下一級(jí)振動(dòng)篩，篩出的鉆井液經(jīng)高速離心及處理后補(bǔ)充鉆井液重復(fù)利用，巖屑收集后干化處理。優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)物理分離，固液分離后的鉆井液性能未被破壞，能夠滿足鉆井“快速鉆進(jìn)階段”鉆井提速鉆井液性能要求，無(wú)需使用化學(xué)藥劑，相對(duì)成本較低。缺點(diǎn)：固液不能有效分離，固液混合物需要進(jìn)行固化，極大增加了單井巖屑產(chǎn)生量，直/定向井產(chǎn)生量約750～850 m3/口。

“大罐循環(huán)沉降+隨鉆隨拉運(yùn)”工藝：將返出的鉆井液和巖屑收集在大罐內(nèi)，沉降分離，逐級(jí)沉降后，上層鉆井液循環(huán)利用，下層巖屑等固液混合物及時(shí)隨鉆隨拉運(yùn)出井場(chǎng)。優(yōu)點(diǎn)：采用罐體逐級(jí)沉降的方式取代原有壓濾設(shè)備，成本降低，做到“隨鉆隨拉運(yùn)”，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化處理工藝，提高鉆井效率，消除環(huán)保隱患，做到“工完、料凈、場(chǎng)地清”，同時(shí)，鉆井液性能也未被破壞，能夠滿足鉆井“快速鉆進(jìn)階段”鉆井提速鉆井液性能要求。直/定向井產(chǎn)生量約500～600 m3/口。缺點(diǎn)：固液未被分離，處理廠暫存困難且處置費(fèi)用相對(duì)較高。

2.2.2 應(yīng)用階段(2017—2018年)

該階段主要采取的工藝有：“大罐循環(huán)沉降+隨鉆隨拉運(yùn)”“多組罐循環(huán)沉降+破膠板框壓濾”。基本滿足了產(chǎn)能部署工作量大幅增加，鉆井全面提速現(xiàn)場(chǎng)“快速鉆進(jìn)”的需要。同時(shí)采取隨鉆隨拉運(yùn)方式，將鉆井廢物直接拉運(yùn)至就近的處理廠，經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較低。但鉆井巖屑無(wú)法進(jìn)行資源化利用，最終只能進(jìn)行外委處置。

“多組罐循環(huán)沉降+破膠板框壓濾”工藝：將返出的鉆井液和巖屑收集在大罐內(nèi)混相均質(zhì)，通過(guò)多組罐分級(jí)沉降分離、破膠脫穩(wěn)、板框壓濾后，實(shí)現(xiàn)最大程度上的固液分離，脫出水用于鉆井液補(bǔ)充液或下口井表層鉆進(jìn)施工，分離出的巖屑在井場(chǎng)臨時(shí)存儲(chǔ)后外運(yùn)。優(yōu)點(diǎn)：固液分離徹底，巖屑便于存儲(chǔ)、拉運(yùn)處置，濾餅拉運(yùn)、處理費(fèi)用較“大罐循環(huán)沉降+隨鉆隨拉運(yùn)”工藝略低。缺點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)清潔化程度不高，濾液利用率低，環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)大。

2.2.3 推廣階段(2019年)

提升現(xiàn)場(chǎng)清潔化生產(chǎn)水平，規(guī)模推廣“鉆井廢物隨鉆處理及資源化利用一體化”工程。該階段主要采取的工藝有：“鉆井廢物處理一體化”“大罐循環(huán)沉降+隨鉆隨拉運(yùn)”。

其中“鉆井廢物隨鉆處理及資源化利用一體化工藝”通過(guò)破膠脫穩(wěn)、固液分離、轉(zhuǎn)化還原等物理及化學(xué)方式，鉆井廢液固液分離徹底，轉(zhuǎn)化為泥餅與濾液。泥餅干燥堅(jiān)硬，含水率控制在30%以內(nèi)，甚至可以達(dá)到20%，易于存放和后期利用。濾液澄清，經(jīng)處理后可在鉆井現(xiàn)場(chǎng)回用配制鉆井液。鉆井廢液處理過(guò)程中，不添加任何固化劑，固體廢物總量無(wú)增加，便于運(yùn)輸，降低運(yùn)輸過(guò)程中的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可用于制磚或鋪墊井場(chǎng)等資源化再利用。如2019年蘇里格某采氣廠實(shí)施的一體化工藝62口井，液相循環(huán)利用率達(dá)到73%，固相(壓濾泥餅)含水率低于35%[7-8]。

鉆井廢物隨鉆處理及資源化利用一體化工藝流程見(jiàn)圖4，工藝現(xiàn)場(chǎng)效果見(jiàn)圖5。

圖4 鉆井廢物隨鉆處理及資源化利用一體化工藝流程

圖5 鉆井廢物隨鉆處理及資源化利用一體化工藝現(xiàn)場(chǎng)效果

2.3 存在問(wèn)題

蘇里格氣田每年產(chǎn)生約50萬(wàn)m3鉆井固廢，體量巨大，如果全部外委處置，氣田開(kāi)發(fā)成本大幅增加，平均每口井費(fèi)用增加20～30萬(wàn)元，運(yùn)輸過(guò)程中也存在較大的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。而當(dāng)下游巖屑處理廠處于飽和時(shí)，鉆屑只能暫存為主。

同時(shí)，因暫無(wú)鉆井廢物處置及資源化利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，只能少部分用于試驗(yàn)性的制磚，無(wú)法大規(guī)模資源化利用。

3 結(jié)論與建議

水基鉆井巖屑屬于一般固體廢物，理化指標(biāo)和與建設(shè)用砂指標(biāo)相當(dāng)，在可資源化利用等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。蘇里格氣田屬于“低滲、低壓、低豐度”氣田，資源品位差，單井產(chǎn)量低，產(chǎn)能遞減快，因此每年建井?dāng)?shù)量多，鉆井巖屑數(shù)量巨大。應(yīng)嘗試在考慮巖屑危險(xiǎn)性，保障對(duì)環(huán)境無(wú)污染的前提下，加大推廣小井眼和水平井鉆井規(guī)模、不斷優(yōu)化鉆井液體系，強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)處置及監(jiān)管力度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)源頭控制及循環(huán)利用。同時(shí)，盡快制定蘇里格氣田鉆井固廢處置及資源化利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外鉆井廢物處置、再利用現(xiàn)狀，積極探索鉆井固廢鋪墊井場(chǎng)、鋪墊油區(qū)道路等大規(guī)模資源化利用方式。