臨興–神府井區(qū)廢棄鉆井液處理技術(shù)

王 景

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

臨興–神府井區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣，橫跨伊陜斜坡和鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶，是當(dāng)前我國陸上致密氣藏勘探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)塊之一，鉆井和壓裂井?dāng)?shù)量逐年增多[1–4]，每年產(chǎn)生大量廢棄鉆井液和壓裂返排液。按照當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，自2016年起該井區(qū)所有鉆井廢棄物全面執(zhí)行零排放無害化處理政策。在提質(zhì)增效、控本減排的大背景下，亟需研究鉆井廢棄物無害化處理技術(shù)，減少環(huán)境危害，降低鉆井完井成本[5–6]。目前，廢棄鉆井液無害化處理和循環(huán)利用的技術(shù)方法很多，包括填埋法、回注法、焚燒法、固化法、固液分離法、電吸附法和隨鉆不落地處理技術(shù)等[7–11]，這些技術(shù)方法均具有較好的處理效果，但也存在一定的局限性和適應(yīng)性，如工藝復(fù)雜或成本高昂等[12]。受限于當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境和處理成本控制要求，臨興–神府井區(qū)主要采用固化法和破膠壓濾法進(jìn)行廢棄鉆井液的無害化處理。以往使用的處理材料主要為常規(guī)的氧化鈣和聚合氯化鋁，雖然成本低、操作簡單，但加量大、效率低，處理效果較差，無法重復(fù)利用。

為滿足當(dāng)?shù)卦絹碓礁叩沫h(huán)保要求、降低開發(fā)成本、提高廢棄鉆井液處理效率，筆者在分析臨興–神府井區(qū)廢棄鉆井液特性和作業(yè)條件的基礎(chǔ)上，分析了該井區(qū)廢棄鉆井液無害化處理的難點(diǎn)，研發(fā)了價(jià)格低、效果好的固化處理劑，研究形成了適用于臨興–神府井區(qū)的廢棄鉆井液無害化處理和重復(fù)利用技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，為該井區(qū)的低成本廢棄鉆井液處理提供了可借鑒的方法和經(jīng)驗(yàn)。

1 廢棄鉆井液組成及處理難點(diǎn)

1.1 廢棄鉆井液性能及組成

選取現(xiàn)場3種典型的廢棄鉆井液，分別編號。1號、2號廢棄鉆井液顏色較深，具有刺激性氣味；3號廢棄鉆井液土黃色，無特殊氣味。此外，1號廢棄鉆井液黏度較低，固相含量11.5%，且其濾失量很高，抑制性不足；2號廢棄鉆井液基本性能與1號類似，黏度較低，固相含量10.2%，濾失量高；1號和2號廢棄鉆井液已基本失去了設(shè)計(jì)性能，無法滿足現(xiàn)場鉆井需求；3號廢棄鉆井液主要表現(xiàn)為高黏、高固相含量，設(shè)計(jì)密度為1.60 kg/L，但經(jīng)過井底循環(huán)后，密度已經(jīng)降至1.23 kg/L，但濾失量仍然較低，性能相對較穩(wěn)定，屬于有回收利用價(jià)值的廢棄鉆井液，可通過去除固相、補(bǔ)充添加劑等方法恢復(fù)其性能。3種廢棄鉆井液的基本性能見表1。

表1 3種廢棄鉆井液的基本性能Table 1 Basic properties of three kinds of waste drilling fluids

對廢棄鉆井液進(jìn)行污染物成分檢測，結(jié)果見表2。3種廢棄鉆井液均具有一定的生物毒性，有機(jī)污染物較多，尤其是2號廢棄鉆井液毒性相對較大。這些廢棄鉆井液若直接排放，容易對生態(tài)環(huán)境造成危害，大幅提高后期治理成本。

表2 3種廢棄鉆井液的污染物檢測結(jié)果Table 2 Detection result of pollutants in three kinds of waste drilling fluids

1.2 處理難點(diǎn)

1）廢棄鉆井液排放量大，處理成本高。按照當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，所有鉆井廢棄物全區(qū)域禁止直接排放，均需拉運(yùn)至當(dāng)?shù)刂付ǖ攸c(diǎn)集中處理。在施工現(xiàn)場，廢棄鉆井液主要采用2種處理方式進(jìn)行處理：1）直接固化后拉運(yùn)，固化物需符合《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)：浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）；2）經(jīng)過“不落地處理”實(shí)現(xiàn)固液分離后，分類運(yùn)送至處理廠處理。該井區(qū)每年產(chǎn)生幾十萬噸廢棄鉆井液，現(xiàn)有處理手段效率低、達(dá)標(biāo)難，環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)高[6]；常規(guī)不落地處理方式綜合處理成本高。因此，需要研究成本低、能夠重復(fù)利用的新型處理方式。

2）井區(qū)地處山區(qū)，設(shè)備搬運(yùn)困難。臨興–神府井區(qū)內(nèi)大山環(huán)繞，若設(shè)備體積過大，搬運(yùn)困難，設(shè)備搬遷成本高，因此需要研究工藝簡單、能夠就地處理廢棄鉆井液的技術(shù)。

3）當(dāng)?shù)厮Y源缺乏，自然取水無法滿足大規(guī)模鉆井用水量。臨興–神府井區(qū)處于開發(fā)初期，鉆井用水量大，但該井區(qū)處于水資源匱乏的山丘地帶，自然供水量有限，因此研究和采用廢棄鉆井液回收再利用技術(shù)勢在必行。

4）廢棄鉆井液、鉆屑無法實(shí)現(xiàn)隨鉆高效處理。鉆井過程為持續(xù)過程，需要研究隨鉆處理重復(fù)利用模式，減少廢棄物總量，完鉆后就地固化，提高作業(yè)時(shí)效。

5）常規(guī)固化、破膠方法存在問題?，F(xiàn)場廢棄鉆井液量較大，需要及時(shí)、快速、高效固化或破膠，以便于進(jìn)一步處理，現(xiàn)有固化技術(shù)成本較高，破膠材料破膠時(shí)效低，難以同時(shí)滿足井區(qū)對成本和效果的要求。

2 廢棄鉆井液無害化處理與重復(fù)利用技術(shù)

2.1 技術(shù)思路

廢棄鉆井液無害化處理與重復(fù)利用技術(shù)，主要利用負(fù)壓減量設(shè)備減少固體廢棄物總量，采用直接固化方法對最終廢棄鉆井液進(jìn)行固化和直接拉運(yùn)，結(jié)合破膠作業(yè)和壓濾設(shè)備實(shí)現(xiàn)固液分離，壓濾液經(jīng)處理后用來配制鉆井液實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。具體處理流程見圖1。

圖1 廢棄鉆井液無害化處理與重復(fù)利用流程Fig.1 Harmless treatment and reuse process of waste drilling fluids

該處理流程主要包括以下3方面：1）采用減量設(shè)備對廢棄鉆井液進(jìn)行二次篩分[13]，最大程度分離其中的液相，降低分離后固相（鉆屑）的含液率，實(shí)現(xiàn)鉆屑減量；2）對含水率較高的廢棄鉆井液進(jìn)行破膠絮凝，然后利用壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離，分離液相在儲集罐中進(jìn)行處理，用來配制鉆井液；3）對于固相含量高、稠度大的廢棄鉆井液，以及處理過程中分離出的鉆屑和其他固相，就地進(jìn)行無害固化處理，并根據(jù)當(dāng)?shù)匾罄\(yùn)至處理廠。

廢棄鉆井液性能分析表明，1號、2號廢棄鉆井液性能失效嚴(yán)重，可利用該流程進(jìn)行無害化處理；3號廢棄鉆井液的性能相對損失較小，經(jīng)過常規(guī)的固控設(shè)備處理后可回收重復(fù)利用，無需深度處理。因此，下面主要針對1號、2號廢棄鉆井液進(jìn)行處理研究。

2.2 固化處理

通過室內(nèi)材料優(yōu)選、復(fù)配和單因素試驗(yàn)，研究確定了復(fù)合固化劑SD配方為8%～12%SD-1（粉煤灰）+8%～10%SD-2（CaO）+1%～3%SD-3（膠結(jié)劑）+2%～3%SD-4（飽和氯化鈣溶液）。固化劑中的Ca2+具有強(qiáng)烈的吸水特性，極易與水反應(yīng)，同時(shí)釋放出大量的熱量激活固化劑中其他組分的膠凝特性。粉煤灰中的SiO2和Al2O3可在廢棄鉆井液中與CaO的水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣，提高廢棄鉆井液的膠凝組分含量和硬化質(zhì)量[14–15]。同時(shí)，氯化鈣可與氧化鈣反應(yīng)生成金屬堿式氯化物，其具有類似水泥的硬化性質(zhì)，可快速吸水、稠化和固化廢棄鉆井液，形成不易流動(dòng)的固體膠結(jié)物[16]。

采用該配方對廢棄鉆井液進(jìn)行固化，并測試固化物的抗壓強(qiáng)度和其浸出液的毒性。固化物浸出7 d后，取浸出液測試，各項(xiàng)指標(biāo)滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中的二級水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)（COD 小于 150 mg/L，pH 值 6～9，色度小于 80，見表3），固化物強(qiáng)度較高，可直接拉運(yùn)。

表3 復(fù)合固化劑的固化效果Table 3 Curing effect of composite curing agents

2.3 破膠處理

室內(nèi)試驗(yàn)表明，芬頓試劑對聚合物鉆井液具有較好的破膠效果，但原料管控嚴(yán)格、成本高、二次污染大，因此，結(jié)合臨興–神府井區(qū)的廢棄鉆井液特點(diǎn)，研發(fā)了以鋁鹽為主要成分的破膠劑。該破膠劑無毒、成本低，主要為硫酸鋁、聚合氯化鋁和陽離子聚合物的復(fù)合水溶液，通過單因素法確定硫酸鋁、聚合氯化鋁和陽離子聚合物的質(zhì)量比為（3.00～5.00）∶2.00∶0.33。鋁鹽類水溶液可以生成羥基鋁離子，與其他離子形成羥基橋聯(lián)，生成無機(jī)高分子聚合物，直至出現(xiàn) Al（OH）3沉淀。其破膠機(jī)理為：1）水解聚合形態(tài)物質(zhì)吸附膠體離子，使之脫穩(wěn)；2）膠體離子被氫氧化鋁沉淀物網(wǎng)捕，再與陽離子聚合物的絮凝作用結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)高效破膠作用。在100.0 g 水中加入 30.0 g 硫酸鋁、15.0 g 聚合氯化鋁和2.5 g陽離子聚合物，配制成破膠劑溶液，對廢棄鉆井液進(jìn)行破膠試驗(yàn)，結(jié)果見表4。從表4可以看出，破膠劑溶液加量達(dá)到13.33%時(shí)，1號、2號廢棄鉆井液的破膠出水率分別可達(dá)到60%和50%左右，具有較好的破膠效果，此時(shí)破膠劑的有效加量為4.29%。

表4 破膠劑加量優(yōu)選試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of gel breaker dosage optimization

2.4 壓濾液處理及重復(fù)利用

廢棄鉆井液經(jīng)破膠壓濾后，產(chǎn)生黃褐色的壓濾液，這部分液體需要經(jīng)過處理后進(jìn)行重復(fù)利用。壓濾液的處理流程為：1）向100 mL壓濾液中加入0.5 g NaOH 和 1.0 g Na2CO3，攪拌 5 min，然后靜置 30 min除去底部沉淀；2）加入 0.5 g 活性炭和 1.0 mL NaClO溶液，攪拌 10 min；3）加入 2.5 g 膨潤土，攪拌 10 min，靜置20 min；4）將處理液進(jìn)行過濾，除去沉淀。

處理后的壓濾液無色透明、呈弱堿性，使用處理后的壓濾液配制鉆井液。鉆井液配方為：2.0%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.4%增黏提切劑+2.0%降濾失劑+3.0%封堵劑+3.0%抑制劑+重晶石粉。采用處理前、后的壓濾液配制的鉆井液性能見表5。

由表5可知，與采用清水配制的鉆井液相比，利用壓濾液直接配制鉆井液的黏度和切力有一定程度降低，濾失量略上升，且出現(xiàn)嚴(yán)重沉降現(xiàn)象，說明不能直接用壓濾液配制鉆井液；利用處理后壓濾液配制鉆井液的流變性能變化較小，且與清水混合后配制的鉆井液無沉降，性能與清水配制的鉆井液基本相當(dāng)，可用于配制淺層鉆井液。

表5 清水與破膠壓濾液所配鉆井液的性能Table 5 Performance of drilling fluids prepared with clean water and gel-breaking filtrate

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

2019年3—7 月，臨興–神府井區(qū)3口井進(jìn)行了廢棄鉆井液無害化處理及重復(fù)利用技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)，現(xiàn)場處理廢棄鉆井液1 238 m3。經(jīng)減量處理后，固相含量較高、稠度較大的廢棄鉆井液利用研發(fā)的固化劑直接固化處理，固化24 h后已經(jīng)充分固結(jié)為可直接運(yùn)輸?shù)墓袒?，具有一定?qiáng)度；含水率較高的廢棄鉆井液，進(jìn)一步處理后配制鉆井液185 m3，實(shí)際入井測試未發(fā)生異常情況，滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。下面以SM-29井為例說明試驗(yàn)情況。

SM-29井鉆井循環(huán)出來的鉆井液，首先采用負(fù)壓減量撬，利用高頻振動(dòng)結(jié)合負(fù)壓抽汲原理，將附著于鉆屑表面的廢棄鉆井液最大限度分離出來，實(shí)現(xiàn)鉆屑減量；現(xiàn)場分離后鉆屑的含液率低于30%，鉆屑質(zhì)量減少20%～40%，回收廢棄鉆井液34 m3，進(jìn)一步處理后可以重復(fù)利用。

對需要固化的廢棄鉆井液，按照15%的加量向廢棄鉆井液中加入固化劑進(jìn)行固化，使用現(xiàn)場的挖掘機(jī)等設(shè)備輔助攪拌，使廢棄鉆井液迅速固結(jié)、硬化，轉(zhuǎn)化成高強(qiáng)度的固化物。對固化3 d后的樣品進(jìn)行浸出試驗(yàn)，取浸出液進(jìn)行檢測。浸出液中銅含量90 μg/L，鋅含量小于 5 μg/L，鉛含量 300 μg/L，鎘含量 18 μg/L，鎳含量小于 50 μg/L，鉻含量 60 μg/L，砷含量 6.37×10–4mg/L，汞含量 1.60×10–4mg/L，pH 值為12.3，滿足《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)：浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）中的相關(guān)要求。

含水率較高的廢棄鉆井液采用破膠絮凝、固液分離和水質(zhì)調(diào)節(jié)等工藝進(jìn)行處理，得到壓濾液，用來配制鉆井液。所配鉆井液的表觀黏度為22 mPa·s，動(dòng)切力為 8 Pa，中壓濾失量僅為 4.2 mL，靜置 24 h 后無沉降；鉆井過程中鉆井液性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常情況，順利完成SM-29井鉆井作業(yè)。

4 結(jié) 論

1）針對臨興–神府井區(qū)廢棄鉆井液的無害化處理與重復(fù)利用要求，研發(fā)了高效的復(fù)合固化劑和復(fù)合鋁鹽破膠劑，其成本低廉，且具有良好的固化、破膠效果，優(yōu)于常見的處理劑。

2）結(jié)合負(fù)壓減量設(shè)備，研究形成了廢棄鉆井液無害化處理與重復(fù)利用技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，滿足了臨興-神府井區(qū)作業(yè)需求。

3）臨興-神府井區(qū)廢棄鉆井液處理過程中，單井作業(yè)應(yīng)以隨鉆減量、高效固化為主，叢式井可著重廢棄鉆井液重復(fù)利用，減少廢棄物總量，降低作業(yè)成本。未來大規(guī)模推廣應(yīng)用時(shí)，臨近區(qū)塊可建立集中處置維護(hù)站，實(shí)現(xiàn)降本增效。