國內(nèi)外海上油氣田開發(fā)廢棄物處理技術(shù)與裝備

單軍鋒 任憲剛 姚競爭 閆學(xué)濤

（1.中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)分公司；2.哈爾濱工程大學(xué)煙臺研究院）

隨著海上油氣田開發(fā)的速度逐漸加快，對海洋環(huán)境的保護也變得尤為重要。 在海上鉆井平臺上，平均每一口井就要產(chǎn)生100～500 m3的廢棄鉆井液［1］，其中包含水、油、鉆屑、粘土、加重物料及各種化學(xué)處理劑等，直接排放會對海洋生物和水域造成極大的危害。 為研發(fā)海上油氣田開發(fā)中鉆井/完井“零排放”水基鉆屑的高效處理/輸運技術(shù)，需要了解海洋環(huán)境存在的問題，制定和執(zhí)行相應(yīng)的海洋環(huán)境保護法規(guī)，改進之前的有關(guān)大量水基鉆屑的處理方法，形成更為完備的廢棄物處理體系，減少鉆井液處理盲區(qū)，力爭在近年大幅減少渤海海域海洋廢棄物的排放［2］。

隨著海洋油氣的增儲上產(chǎn)需求和海洋環(huán)保的生態(tài)紅線限制力度加大，海上油氣田環(huán)保處理技術(shù)和裝備升級面臨巨大挑戰(zhàn)。 為保證生產(chǎn)效率， 需建立油氣平臺→環(huán)保處理船→穿梭運輸船→陸地接收端的新型廢棄物處理模式，其中亟待解決的問題為：在原有平臺限制空間內(nèi)提高裝備的處理能力； 增強廢棄物遠距高效的傳輸能力；大容量廢棄物存儲處理船型的開發(fā)；陸地接收、處理與再利用技術(shù)。 從而實現(xiàn)油氣田開發(fā)過程中真正意義上的海上零排放、陸地資源化等技術(shù)的突破，降低油氣田開發(fā)成本，實現(xiàn)油氣田廢棄物處理技術(shù)的新舊動能轉(zhuǎn)化。 為此，筆者就國內(nèi)外海上油氣田開發(fā)的法律法規(guī)、廢棄物處理技術(shù)和裝備體系做一綜述和展望，為海上油氣田開發(fā)零排放的實現(xiàn)提供基礎(chǔ)性參考。

1 國內(nèi)外環(huán)保技術(shù)規(guī)范與排放標(biāo)準(zhǔn)

1.1 國外規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

2000 年歐盟頒布的鉆井/完井廢棄物排放標(biāo)準(zhǔn)主要遵循的是北大西洋和東大西洋環(huán)境保護委員會的標(biāo)準(zhǔn)——OSPAR 公約。該標(biāo)準(zhǔn)禁止向海水中排放油基鉆屑，其他排放液中鉆屑殘留礦物油含量要低于1%；要求污水中年均值生物需氧量不得高于25 mg/L、 固體懸浮物不得高于35 mg/L、化學(xué)需氧量不得高于125 mg/L［3］。

加拿大關(guān)于鉆井/完井廢棄物的處置方法主要根據(jù) 《近海廢物處理指南》（Offshore Waste Treatment Guidelines）來制定［4］。 該處理指南規(guī)定了廢棄材料、大氣污染物、鉆井泥漿、排放物中的鉆屑、井下作業(yè)液的排放和處理標(biāo)準(zhǔn)，要求鉆井泥漿中的總多環(huán)芳烴濃度低于10 mg/kg，且在海洋環(huán)境中相對無毒和好氧條件下可生物降解；水基鉆井液泥漿攜帶的鉆屑允許排放到海中，油基鉆井液泥漿攜帶的鉆屑不許排放，合成基鉆井液泥漿攜帶的鉆屑須使油在濕固體中的濃度達到每百克6.9 g 或更低后方可排放；采出水中30 日體積加權(quán)平均含油濃度不應(yīng)超過30 mg/L、 排出水中24 h 平均含油濃度（每天至少測算兩次）不應(yīng)超過44 mg/L。

美國聯(lián)邦法律中，與海洋油氣開發(fā)廢物處理相關(guān)的法律包括聯(lián)邦環(huán)境政策法（National Enviromental Policy Act of 1969）、 資源保護與補償法（Resource Conservation and Recovery Act）、 石油污染法（The Oil Pollution Act of 1990）、污染預(yù)防法 （The Pollution Prevention Act） 及清潔水法（Clean Water Act）等［5］。 資源保護與補償法授權(quán)美國環(huán)保署（EPA）全方位控制有害廢物， EPA 自1988 年就將油氣開采鉆井/完井廢棄物排除在資源保護與補償法規(guī)定的有害廢棄物范圍內(nèi)（即豁免權(quán)），對于混合物的排放，主要取決于混合之前的性質(zhì)并進行化學(xué)分析。 《清潔水法》40 卷的第435 部分對近岸鉆井平臺鉆井廢物的規(guī)定有：非水基鉆井泥漿不準(zhǔn)直接排放；非水基鉆井巖屑的排放物經(jīng)處理不含油后才能排放；生產(chǎn)廢水含油濃度單日最大排放限值為72 mg/L、30 日平均值限制為48 mg/L；對于鉆屑的排放，要求排海鉆屑的含油量必須低于1%， 而且排放物中的重金屬含量也有所限制，如墨西哥灣排放鉆屑中要求鉻含量低于3.0 mg/kg、汞含量低于1.0 mg/kg。 需要說明的是，美國各州法案中多數(shù)禁止鉆屑排海。

其他擁有海上鉆井的國家也依據(jù)各國國情推出了一些標(biāo)準(zhǔn)。 其中，挪威、英國北海及澳大利亞等地推行的標(biāo)準(zhǔn)與歐盟的相似，排放鉆屑的含油量要求低于1%。 巴西在加拿大排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上做了改進，根據(jù)水深的不同，規(guī)定：不超過60 m 的海域?qū)嵭辛闩欧耪撸?0～1 000 m 的海域排放鉆屑含油量不超過6.9%，大于1 000 m 海域排放物不需要檢測。

1.2 國內(nèi)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)最早針對海洋石油勘探開發(fā)的法律法規(guī)是1982 年8 月23 日頒布的《中華人民共和國海洋環(huán)境保護法》，現(xiàn)行的所有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，都以此法為依據(jù)［6］。 1983 年12 月29 日，國務(wù)院公布了《海洋石油勘探開發(fā)環(huán)境保護管理條例》， 并于1990 年9 月20 日發(fā)布實施，第15 條量化規(guī)定含油鉆井/完井廢棄物的排放標(biāo)準(zhǔn)：禁止水基泥漿含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%和油基鉆屑含油量超過15%排放入海。2000 年4 月1 日修訂正式施行的《海洋石油勘探開發(fā)污染物的排放濃度限值》對海洋石油鉆井和開采提出明確要求。

2001 年，國家頒布了GB 18420.1—2001《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性分級》將海域進行三級劃分，規(guī)定：鉆屑排放一級海域含油量不超過1%，二級海域不超過3%，三級海域不超過8%，重金屬Hg含量不超過1 mg/kg，Cd 含量不超過3 mg/kg。

2008 年修訂頒布的海洋石油開發(fā)工業(yè)含油污水排放標(biāo)準(zhǔn)——GB 4914—2008 《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》規(guī)定渤海地區(qū)實行零排放政策，鉆屑不得排放［7］。

2012 年，針對當(dāng)時石油開發(fā)廢棄物多數(shù)為回注處理的情況，中國石油天然氣總公司推出SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》，該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對回注水中懸浮物含量、懸浮物粒徑、含油量、平均腐蝕率、SRB、IB 及TGB等做出具體要求［8］。

2019 年12 月13 日國家生態(tài)環(huán)境部辦公廳發(fā)文《關(guān)于進一步加強石油天然氣行業(yè)環(huán)境影響評價管理的通知》強調(diào)：生產(chǎn)水的排放濃度應(yīng)符合GB 18420.1—2001 規(guī)定的生產(chǎn)水生物毒性容許值，非水基鉆井液（即油基鉆井液和合成基鉆井液）不得排放入海，在渤海海域不得排放非水基鉆井液鉆屑，也不得排放鉆井油層的水基鉆井液及其水基鉆井液鉆屑。

由上述標(biāo)準(zhǔn)對排放鉆屑含油量和重金屬含量的規(guī)定要求可以看出，國內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)已與歐美國家看齊。 尤其是渤海地區(qū)的排放要求，足以彰顯國家對于海洋環(huán)保整治的決心。 因此，保障海上鉆屑零排放裝備的研發(fā)勢在必行。

2 油氣田廢棄物處理技術(shù)

2.1 通用技術(shù)

隨著石油開采業(yè)的發(fā)展，廢棄物處理技術(shù)也趨于成熟。 目前，廢棄物處理技術(shù)主要采用固液分離、生物處理、回注、焚燒處理、坑內(nèi)密封、分散處理、回收再利用、固化及破乳等方法［1］。

固液分離法是利用化學(xué)絮凝劑絮凝、沉降及機械分離等工藝， 將廢棄鉆井液固液兩相分離，現(xiàn)已研發(fā)出多種有機/無機絮凝劑；生物處理法是利用微生物將有機長鏈或有機高分子降解，或使一些高分子有機物絮凝并沉積，其中必須采用自然篩選（誘變培育）、基因工程和細胞工程技術(shù)獲得的特種微生物；回注法是將鉆井液注入深度大于600 m 的非滲透性地層中，但此法可能對地質(zhì)狀況產(chǎn)生破壞； 焚燒處理是在1 200～1 500 ℃高溫下對廢棄鉆井液進行焚燒，并在焚燒爐的煙囪內(nèi)安置有除塵、回收和吸收設(shè)備；坑內(nèi)密封法主要針對毒性較大或難以處理的鉆井液，在坑內(nèi)放置多層有機土和塑料墊層并加固化層后，在坑內(nèi)存放廢棄鉆井液，此法對封閉性要求較高。 另外，該類鉆井液因其毒性較大，不能采用常規(guī)方法處理，可運至指定地點集中處理。

2.2 國外技術(shù)

為應(yīng)對國外日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，國外石油公司在廢棄物處理技術(shù)和裝備方面開展了一系列的研發(fā)。

SWACO 公司研發(fā)了一套完整的廢棄物密閉處理系統(tǒng)，包括頁巖振動篩、大容量泥漿清理系統(tǒng)、大容量高頻離心機、脫水、運輸、收集及密閉等系統(tǒng)。 SWACO 公司主要服務(wù)于美洲和歐洲，基本滿足了當(dāng)?shù)貙ε欧陪@屑含油量不超過1%的要求［9］。 值得一提的是，SWACO 公司為了應(yīng)對不同情況下的離心需求， 設(shè)計了各種型號的離心機，包括CD-500、CD-518、CD-250， 處理能力為83 ～248 gal/min（1 gal=3.785 L）。 CD-518 離心機用于Llanos Orientales 盆地的鉆探作業(yè)中，發(fā)揮了它的強大功能（高轉(zhuǎn)速），使含有大量低比重固體的泥漿得以順利分離。此外，在處理污水方面，SWACO公司設(shè)計了一種新型的渦軸分離設(shè)備，能夠從各類混合液中分離油、氣、水和密度不同的固體，該設(shè)備最大處理量為18.9 m3/min，性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的離心機或水力旋流器［10］。

在污水處理破乳劑和絮凝劑的研制方面，Baker Hughes 公司形成了一套完整的試劑研發(fā)技術(shù)，其中Tretolite Clear 試劑用于解決含油量較高的污水處理問題。 加拿大常規(guī)油田的生產(chǎn)水和污水一直含油量較高， 不僅無法滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，還常發(fā)生油污阻礙機器運轉(zhuǎn)的情況，Baker Hughes公司首先對現(xiàn)場環(huán)境進行全方位檢測，之后根據(jù)水中含油組分對Tretolite Clear 試劑做了改進，配合現(xiàn)場的離心設(shè)備將油污分離率提高至98%，達到排放標(biāo)準(zhǔn)［11］。

微生物處理技術(shù)作為一種環(huán)保有效的石油廢棄物處理技術(shù)近年來備受關(guān)注。 目前，國外微生物處理技術(shù)最先進的國家是美國， 早在1989年3 月的Exxon Valdez 漏油事故中，美國就率先應(yīng)用了微生物處理技術(shù)。 該技術(shù)的基本原理是海洋中存在可分解石油的微生物，經(jīng)篩選土著微生物，根據(jù)微生物生長條件投入大量N、P 等營養(yǎng)元素促進微生物富集，從而分解油類物質(zhì)。 2010 年4 月， 美國墨西哥灣漏油事件部分油污也采用了該技術(shù)。 因微生物處理技術(shù)的處理周期較長，一般用于海上溢油和漏油事件，有時也用于處理陸地石油開采污染的土壤。

2.3 國內(nèi)技術(shù)

國內(nèi)的油氣田廢棄物處理技術(shù)主要用于陸地石油的開采。

中國石油南方石油勘探開發(fā)有限責(zé)任公司下屬的海南福山油田成功研發(fā)出 “泥漿不落地”技術(shù)［12］，該技術(shù)包含3 個工藝單元：廢棄物收集單元、破膠脫穩(wěn)單元和固液分離單元（圖1）。整套裝備總占地面積約250 m2，在廢棄物實際處理過程中效果良好。

圖1 海南福山油田泥漿不落地處理工藝流程示意圖

中石化華北分公司在國內(nèi)油氣田率先使用鉆井液不落地技術(shù)（圖2），已在大牛地氣田和東勝氣田全面推廣應(yīng)用，該技術(shù)通過在固控系統(tǒng)下設(shè)置固液收集初分裝備，經(jīng)初步分離后固相進入巖屑收集罐待后續(xù)處理［13］。 整套裝備總占地面積約300 m2。

圖2 大牛地氣田鉆進液不落地處理工藝流程示意圖

大港油田、塔里木油田等油田的鉆屑隨鉆處理技術(shù)相對成熟［14］，針對本區(qū)塊鉆井液體系適用性較強。 鉆屑隨鉆處理工藝流程示意圖如圖3 所示。 由于陸地鉆井空間大，處理設(shè)備占地面積也大，因此大多數(shù)油井對分離出的液相未做現(xiàn)場回注處理。

圖3 鉆屑隨鉆處理工藝流程示意圖

國內(nèi)絮凝劑的生產(chǎn)研究已有了比較完備的體系。 如成都科龍化工生產(chǎn)的聚合氯化物（PAC）和聚合硫酸鐵（PFS）、上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)的聚乙烯亞胺（PEI）及云海凈水生產(chǎn)的陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）等均可凈化鉆井/完井污水的絮凝劑。 但是，鉆井/完井廢棄物的處理手段還需因地制宜，不同地區(qū)的廢棄物有機物和無機鹽的含量不盡相同，需要形成一套全方位檢測技術(shù)，讓絮凝劑的使用更高效。

國內(nèi)的生物處理技術(shù)起步較早，現(xiàn)也處于國際領(lǐng)先水平。 早在1983 年，國家海洋局第三研究所就開始了海洋油污染生物降解技術(shù)的研究。 該項目根據(jù)廈門港的石油污染物進行研究，調(diào)查培養(yǎng)廈門港區(qū)內(nèi)的烴降解菌群，最終培養(yǎng)出一批適合廈門港的油污處理菌群［15］。 目前，比較成熟的海上鉆井/完井廢棄物生物處理技術(shù)是由海軍醫(yī)學(xué)研究所和復(fù)旦大學(xué)合作培養(yǎng)出的石油降解菌，在含柴油200 mL/m3，原油比95∶5 的污水中，15 h油污降解率達到93%以上。 生物處理技術(shù)在國內(nèi)陸地油田上使用較多，如新疆、甘肅等地，海上生物處理法還有待繼續(xù)開發(fā)。

3 總結(jié)與展望

國內(nèi)的鉆井/完井廢棄物處理技術(shù)雖然已經(jīng)有了突破性進展，但是隨著海上石油開采技術(shù)的急速發(fā)展和對海洋環(huán)境保護愈加重視，制定了更加嚴(yán)格的廢棄物排放標(biāo)準(zhǔn)，這就需要進一步優(yōu)化廢棄物的處理辦法。

從標(biāo)準(zhǔn)制定的情況來看，國內(nèi)海洋環(huán)境保護規(guī)范在經(jīng)過近40 年的發(fā)展歷程后， 已達到國際水平。 特別是2008 年后修訂的國標(biāo)，據(jù)渤海海域情況提出零排放要求，說明國家已把環(huán)保問題放在工作的重中之重，對今后海洋生態(tài)保護、海上產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展等起到了一定的保護作用。

目前，國內(nèi)行業(yè)技術(shù)裝備發(fā)展領(lǐng)域、機械制造、化工生產(chǎn)和生物技術(shù)方面，已達到國際水平，尤其是生物處理石油技術(shù)已達國際領(lǐng)先水平。 但是，相對于成熟的國際油服公司，國內(nèi)并沒有一套成熟的海上廢棄物處理體系， 既無法像SWACO 一樣， 利用一套海上廢棄物處理體系及其每個處理階段不同型號的設(shè)備來應(yīng)對各種海上生產(chǎn)條件，也無法像Baker Hughes 一樣，因地制宜地改進絮凝劑的配方，適宜處理各種廢棄物。 因此，需要石油公司根據(jù)我國國情和生產(chǎn)環(huán)境在零排放的工作中不斷積累經(jīng)驗，促進這些技術(shù)體系的形成。

國內(nèi)海上油氣田開發(fā)已將零排放作為發(fā)展方向，需要找到海上鉆井/完井情況的一套完善的技術(shù)路線，研發(fā)出適于海上不同區(qū)域各種泥漿性質(zhì)的廢棄物處理裝備，結(jié)合作業(yè)面積有限、安裝成本高等特點，參考國內(nèi)外的處理方法尋找到適用于國內(nèi)海上的廢棄物處理體系，最終達到海上鉆井/完井開發(fā)的零排放這一目標(biāo)。