廢棄鉆井液減量化技術(shù)探討

崔樹(shù)清，黃博華

（中國(guó)石油華北油田公司，河北任丘 062552）

據(jù)統(tǒng)計(jì)測(cè)算，在不發(fā)生井下復(fù)雜的情況下，平均一口測(cè)深4 000 m的215.9 mm井眼，產(chǎn)生的鉆屑等固體廢物超過(guò)600 m3，產(chǎn)生的廢液量大于850 m3。以某油田為例，按年鉆井進(jìn)尺110×104m測(cè)算，年產(chǎn)生固廢16.5×104m3，廢液23.4×104m3。隨著勘探開(kāi)發(fā)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生大量鉆井廢棄物，制約了石油工業(yè)清潔生產(chǎn)的發(fā)展進(jìn)程，增加了環(huán)保工作負(fù)擔(dān)。隨著國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是新《固體廢物污染環(huán)境防治法》的頒布實(shí)施，國(guó)家對(duì)固廢管理愈加嚴(yán)格、規(guī)范。推進(jìn)廢棄鉆井液減量化技術(shù)，從源頭減少?gòu)U棄鉆井液的產(chǎn)生顯得尤為重要。

1 鉆井泥漿不落地處理存在的技術(shù)缺陷分析

鉆井液用于鉆井過(guò)程中循環(huán)攜帶巖屑，對(duì)安全高效鉆井起著非常重要的作用，被譽(yù)為“鉆井的血液”。廢棄鉆井液的主要來(lái)源包括：在鉆井過(guò)程中因調(diào)整鉆井液性能或改變鉆井液體系而排出的鉆井液、振動(dòng)篩等固控系統(tǒng)分離脫除的鉆屑、處理井下事故復(fù)雜排出的鉆井液、固井作業(yè)排放出的被水泥漿污染的鉆井液、為應(yīng)對(duì)井控險(xiǎn)情而儲(chǔ)備的重漿等。

為實(shí)現(xiàn)清潔鉆井，目前國(guó)內(nèi)油氣田企業(yè)對(duì)廢棄鉆井液的處理方式由過(guò)去的泥漿池固化填埋逐漸被鉆井泥漿不落地處理[1，2]技術(shù)所替代。所謂泥漿不落地技術(shù)，又稱(chēng)“鉆井廢棄物隨鉆處理技術(shù)”。該技術(shù)是在鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)配套的隨鉆處理設(shè)備和添加相應(yīng)的處理藥劑，使廢棄鉆井液實(shí)現(xiàn)不落地?zé)o害化處理。鉆井廢棄物隨鉆處理設(shè)備和工藝一般包括廢棄物收集單元、破膠脫穩(wěn)單元、固液分離單元、污水處理單元四部分。鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄泥漿、巖屑通過(guò)收集單元被收集后，添加化學(xué)藥劑進(jìn)行破膠脫穩(wěn)、絮凝分離，進(jìn)入固液分離單元通過(guò)壓濾設(shè)備進(jìn)行固液分離。固液分離后形成的固廢（泥餅）可與黏土、水泥按比例摻和用來(lái)燒磚或填埋，分離出的濾液水經(jīng)吸附過(guò)濾等預(yù)處理工藝后可用于再次配漿或油田回注、回灌安全地層、達(dá)標(biāo)排放。

鉆井廢棄物隨鉆處理技術(shù)替代了傳統(tǒng)的泥漿坑，有效降低了廢棄鉆井液帶來(lái)的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境；同時(shí)，也減少了井場(chǎng)占地面積，節(jié)約了一定的土地征用費(fèi)。近年來(lái)，泥漿不落地技術(shù)在各油氣田企業(yè)得到廣泛的推廣應(yīng)用，但現(xiàn)階段該技術(shù)仍存在以下問(wèn)題尚未得到有效解決：

（1）固液分離后固相泥餅處置。鉆井泥漿不落地處理后的固相盡管主要指標(biāo)能夠達(dá)到GB15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（試行）要求，具體見(jiàn)表1，但仍屬于一般工業(yè)固體廢物，不能隨意丟棄、散落。目前，各油氣田正在積極探索用于機(jī)械化制磚、鋪路或其它建筑用途的可行性，但技術(shù)還不成熟，工業(yè)化推廣應(yīng)用尚須時(shí)日。近年來(lái)，該油田采用填埋場(chǎng)集中填埋處理，有效規(guī)避了大量固相泥餅露天存放可能帶來(lái)的二次污染風(fēng)險(xiǎn)，但每一口井產(chǎn)生的固相泥餅需要長(zhǎng)距離拉運(yùn)至填埋場(chǎng)進(jìn)行二次無(wú)害化處置，大幅增加了處置成本。

表1 華北油田固液分離后固相泥餅的主要指標(biāo)

（2）固液分離后的廢水處置?，F(xiàn)有技術(shù)條件下，固液分離后的廢水尚達(dá)不到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類(lèi)排放要求，化學(xué)需氧量、總磷、總氮等指標(biāo)超出基本限值。因此，需要將鉆井現(xiàn)場(chǎng)處理后的廢水拉運(yùn)進(jìn)入污水處理系統(tǒng)進(jìn)行二次處理，或拉運(yùn)至附近的聯(lián)合站（集中處理站）進(jìn)入聯(lián)合站污水系統(tǒng)，增加了拉運(yùn)成本和聯(lián)合站運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷。

（3）建井周期延長(zhǎng)。一是開(kāi)鉆前不落地處理設(shè)備需要在鉆井設(shè)備安裝就位后再進(jìn)行安裝，即：鉆井設(shè)備安裝就位后不能立即開(kāi)鉆，不落地處理設(shè)備的安裝需要1～2天，從而延長(zhǎng)了正常開(kāi)鉆時(shí)間；二是在淺層大井眼鉆速快的井段，目前不落地設(shè)備的正常處置能力尚不能滿足快速鉆進(jìn)要求，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)控制機(jī)械鉆速等不落地處理的情況。例如持續(xù)大雨造成道路受阻，由于臨時(shí)儲(chǔ)存固液分離后廢水的儲(chǔ)罐裝滿后不能及時(shí)拉運(yùn)，往往會(huì)影響正常鉆進(jìn)，甚至造成污水外溢等較大環(huán)保隱患。

2 廢棄鉆井液減量化技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)鉆井清潔生產(chǎn)，一方面需要不斷加強(qiáng)鉆井泥漿不落地處理技術(shù)的改進(jìn)完善[3]，另一方面需要從廢棄鉆井液減量化入手，從源頭控制減少?gòu)U棄鉆井液的產(chǎn)生量。廢棄鉆井液減量化是指利用各種技術(shù)手段減少鉆井施工過(guò)程中廢棄鉆井液的產(chǎn)生，達(dá)到源頭治理的目的。廢棄鉆井液減量化應(yīng)從水基鉆井液固相控制和重復(fù)利用、鉆井液集中配制以及開(kāi)展清潔鉆井液技術(shù)攻關(guān)、推廣應(yīng)用井筒新技術(shù)等方面入手。

2.1 水基鉆井液固相控制和重復(fù)利用技術(shù)

鉆井液性能指標(biāo)直接關(guān)系到安全高效鉆井，由于鉆井鉆遇的地層具有多樣性、復(fù)雜性，不同地層所用配漿材料和處理添加劑各不相同。因此，鉆井液體系和添加劑的多樣性制約了鉆井液的重復(fù)利用。

影響水基鉆井液重復(fù)利用的因素主要有：（1）鉆井液中的高分子聚合物類(lèi)材料在循環(huán)過(guò)程中與鉆井液中的固相顆粒吸附結(jié)合形成膠體，該膠體由井口到井底長(zhǎng)時(shí)間在較高溫度下循環(huán)流動(dòng)、攜帶巖屑，長(zhǎng)鏈高分子受剪切力作用發(fā)生斷裂。同時(shí)，一般情況下由于鉆井液使用和儲(chǔ)存需較長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致鉆井液中的大分子發(fā)生降解，使鉆井液各項(xiàng)指標(biāo)降低，不能滿足重復(fù)再利用的性能要求；（2）各類(lèi)鹽離子分布不均衡，例如在使用過(guò)的氯化鉀聚合物鉆井液中，由于鉀離子較氯離子更易吸附于黏土上，導(dǎo)致鉀離子減少、氯離子相對(duì)較多，影響了其原有性能；（3）使用過(guò)的鉆井液中固相含量往往較多，主要是重晶石、石灰石等加重材料以及鉆井巖屑等劣質(zhì)固相，特別是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)，亞微米級(jí)固相顆粒較多；（4）使用過(guò)的鉆井液經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)可能滋生細(xì)菌，造成鉆井液變質(zhì)。

2.1.1 充分應(yīng)用固控設(shè)備處理廢棄鉆井液

固相含量高是制約水基鉆井液重復(fù)利用的重要因素之一。振動(dòng)篩作為一級(jí)固控設(shè)備，用于篩除粒徑在250 μm以上的固相顆粒，振動(dòng)篩布的選擇直接關(guān)系到進(jìn)入鉆井液中固相顆粒的粒徑范圍[4，5]。因此，在確保不跑漿的前提下，應(yīng)盡可能選用小孔徑篩布。一般情況下，121/4〞井眼可選用不小于140目的篩布，81/2〞井眼應(yīng)選用不小于170目的篩布，篩除盡可能多的固相顆粒。二級(jí)固控設(shè)備主要是水力旋流器如除砂器、除泥器，它能篩除粒徑大于64 μm的固相顆粒，旋流器的配置數(shù)量及其有效性直接關(guān)系到二級(jí)固控效果。因此，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)合理優(yōu)化配備固控設(shè)備，做好日常維護(hù)保養(yǎng)，確保固控設(shè)備處理效能最大化。

該油田在楊稅務(wù)潛山帶深井鉆探過(guò)程中，根據(jù)鉆井液體系、鉆遇地層巖性特點(diǎn)合理優(yōu)化固相控制技術(shù)，合理配備振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、除氣器等固控系統(tǒng)，強(qiáng)化固控設(shè)施日常管控。鉆進(jìn)及循環(huán)過(guò)程中振動(dòng)篩、除砂器24小時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，并確保除砂效果良好；除泥器根據(jù)鉆遇地層情況確保開(kāi)動(dòng)率不低于80%；鉆進(jìn)過(guò)程中離心機(jī)每天開(kāi)啟不低于8小時(shí)。固控技術(shù)的應(yīng)用，有效凈化了鉆井液，提高了井眼清潔程度，減少了廢棄鉆井液產(chǎn)生量。根據(jù)該區(qū)域廢棄鉆井液拉運(yùn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，AT4X等3口預(yù)探井平均每米進(jìn)尺鉆井固廢產(chǎn)生量0.29 m3，較該區(qū)域同類(lèi)井每米進(jìn)尺減少0.09 m3，3口試驗(yàn)井累計(jì)減少?gòu)U棄鉆井液產(chǎn)生量達(dá)1 620 m3。

2.1.2 防腐處理

廢棄鉆井液中存在大量厭氧型微生物，用于調(diào)整鉆井液性能的各類(lèi)添加劑更容易被微生物降解（尤其是功能性官能團(tuán)），從而使添加劑降低或失去原有功能。由于微生物大多在偏酸性環(huán)境中生長(zhǎng)，因此可在使用過(guò)的鉆井液中加入適量的氫氧化鈉，將使用過(guò)的鉆井液pH值調(diào)整至8.5～9。此外，可在使用過(guò)的鉆井液中添加適量的殺菌劑，用于抑制微生物生長(zhǎng)。

2.1.3 應(yīng)用新漿稀釋處理廢棄鉆井液

固控設(shè)備無(wú)法完全清除廢棄鉆井液中更小的固相顆粒，因此可利用配置新漿來(lái)進(jìn)行稀釋處理。根據(jù)固控設(shè)備及防腐處理后廢棄鉆井液的實(shí)際性能，合理確定與新漿的配制比例，確保新、老漿混合均勻后的鉆井液性能滿足安全鉆井要求。

2.1.4 減少鉆井過(guò)程中鉆井液的排放量

按照“減量化、資源化、無(wú)害化”的工作思路和“源頭控制、過(guò)程監(jiān)控、末端治理”的管控模式，一方面要提倡鉆井液的重復(fù)利用；另一方面在上部地層鉆進(jìn)過(guò)程中要加強(qiáng)鉆井液用量控制，用足夠的大分子處理劑配合良好的固控控制好造漿，減少主動(dòng)排放鉆井液。同時(shí)，建設(shè)單位應(yīng)與鉆探企業(yè)結(jié)合，積極探討隨鉆減量化技術(shù)，最大限度減少鉆井過(guò)程中廢棄物排放量。

2.2 鉆井液集中配制和排放管理的運(yùn)行模式

鉆井液質(zhì)量是減少井下復(fù)雜、確保鉆井工程順利實(shí)施的基礎(chǔ)，如果鉆井液處理不當(dāng)，容易造成井眼縮徑、鉆頭泥包等井下復(fù)雜情況，從而降低鉆井時(shí)效、延長(zhǎng)鉆井周期[6]，也增加了鉆井液排放量。該油田經(jīng)過(guò)多年鉆井實(shí)踐，配套適用的鉆井液體系已基本形成[7]。為了減少單井施工時(shí)鉆井液的技術(shù)差異，使每口井鉆井液技術(shù)得到充分保障，應(yīng)探討嘗試建立鉆井液配制及回收處理中心，對(duì)鉆井液的配置和回收處理實(shí)施集中管理。鉆井液的集中配置和回收有利于建設(shè)、施工單位實(shí)現(xiàn)互利共贏：一是提高鉆井時(shí)效。單井所用鉆井液只需從處理中心拉入使用，減少了單井現(xiàn)場(chǎng)配制鉆井液的等停時(shí)間；二是能夠保證鉆井液質(zhì)量。鉆井液由處理中心統(tǒng)一配制，有利于控制鉆井液中各種添加劑含量，使鉆井液性能指標(biāo)得到充分保證；三是井控所需壓井液統(tǒng)一儲(chǔ)備，既能滿足重漿儲(chǔ)備要求，又方便了現(xiàn)場(chǎng)施工，同時(shí)避免了單井重復(fù)儲(chǔ)備重漿而造成的浪費(fèi)；四是減少了鉆井液的排放，每口井完井后，將其使用過(guò)的鉆井液拉回處理中心處理后可重復(fù)配漿使用，減少了浪費(fèi)，保護(hù)了環(huán)境。

鉆井液配制及回收處理中心的建立，有利于轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的生產(chǎn)組織方式，由單井、單機(jī)、單隊(duì)各自為戰(zhàn)向規(guī)?；┕まD(zhuǎn)變。實(shí)現(xiàn)了配漿在中心、送漿到井場(chǎng)、回收到中心全過(guò)程泥漿性能和維護(hù)的統(tǒng)一，從源頭上減少?gòu)U棄鉆井液產(chǎn)生。

2.3 積極開(kāi)展環(huán)境友好型鉆井液技術(shù)研究和應(yīng)用

近年來(lái)國(guó)內(nèi)環(huán)境友好型鉆井液技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，長(zhǎng)寧CN-H井采用了一種生物合成基環(huán)保鉆井液[8]，具有良好的潤(rùn)滑性、封堵性、抑制性和熱穩(wěn)定性，在水平段實(shí)現(xiàn)了高效安全鉆進(jìn)，且無(wú)毒無(wú)害，滿足安全環(huán)保要求。蔣官澄[9]等以GBFS-1為核心處理劑配制出仿生固壁鉆井液體系，在蘇里格氣田蘇53-86-15H1等3口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得良好效果。張佳寅[10]等利用環(huán)保降濾失劑研制出去磺化環(huán)保鉆井液，180℃以下具有良好的流變性、失水造壁性和潤(rùn)滑性且性能穩(wěn)定，具有良好的生物降解性，生物毒性達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

盡管近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)展了一系列環(huán)境友好型鉆井液技術(shù)研究攻關(guān)并取得較好的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，但普遍表現(xiàn)為性能單一、成本較高、應(yīng)用效果不理想[11-13]。特別是環(huán)保型鉆井液處理劑抗高溫效果較差，限制了其應(yīng)用范圍。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有建立統(tǒng)一的鉆井液環(huán)保性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系，缺乏對(duì)環(huán)保材料及鉆井液體系的有效檢測(cè)數(shù)據(jù)支撐，亟待加大清潔鉆井液技術(shù)攻關(guān)研究。具體思路是：一是從處理劑入手研發(fā)環(huán)保型鉆井液處理劑，原材料選用天然產(chǎn)物及提取物如淀粉、纖維素、木質(zhì)素、栲膠、腐殖酸等；二是在潤(rùn)滑劑方面，研究生物柴油、聚合醇等為基礎(chǔ)材料的潤(rùn)滑劑，減少礦物油類(lèi)潤(rùn)滑劑的使用；三是編寫(xiě)鉆井液環(huán)保性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系，力爭(zhēng)形成地方性標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

環(huán)境友好型鉆井液技術(shù)一旦取得突破，性能指標(biāo)滿足環(huán)保要求，將會(huì)大幅度降低廢棄鉆井液后續(xù)處置成本，緩解目前石油行業(yè)環(huán)保壓力，提升鉆井清潔生產(chǎn)水平。

2.4 充分利用井筒新技術(shù)減少?gòu)U棄鉆井液產(chǎn)生量

一是推廣應(yīng)用大叢式井、水平井、小孔徑井、開(kāi)窗側(cè)鉆井等鉆井技術(shù)，節(jié)約土地資源，縮短單井作業(yè)時(shí)間，減少?gòu)U棄鉆井液的產(chǎn)生量和排放量；二是加強(qiáng)地質(zhì)工程一體化，優(yōu)選鉆井設(shè)計(jì)方案，持續(xù)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)選鉆井參數(shù)，科學(xué)合理的選用鉆頭、提速工具和鉆井液體系，提高鉆井時(shí)效，縮短鉆井周期，減少鉆井液使用時(shí)間和使用量。

建設(shè)單位應(yīng)根據(jù)井身結(jié)構(gòu)、鉆遇地層巖性特征等因素，合理預(yù)測(cè)鉆井液排放量，納入鉆井工程設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格監(jiān)督考核。對(duì)無(wú)特殊原因造成鉆井液排放量超過(guò)考核標(biāo)準(zhǔn)的，超出部分的處置費(fèi)用由施工單位自行承擔(dān)，從而提高施工單位加強(qiáng)新技術(shù)應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)鉆井液減量化的自覺(jué)性和主動(dòng)性。

3 結(jié)論

（1）現(xiàn)階段鉆井泥漿不落地處理技術(shù)固液分離后固相泥餅及廢水處置中存在著諸多問(wèn)題，仍需要不斷升級(jí)完善。

（2）充分發(fā)揮水基鉆井液固相控制技術(shù)和鉆井液重復(fù)利用技術(shù)，是從源頭控制鉆井廢棄物產(chǎn)生量的有效方式。

（3）鉆井液集中配制和排放管理是從源頭上減少?gòu)U棄鉆井液產(chǎn)生量的有效途徑。

（4）開(kāi)展清潔鉆井液技術(shù)攻關(guān)是從根本上實(shí)現(xiàn)綠色鉆井的有效手段。