俄羅斯油氣鉆采廢棄物處理及其利用研究

湯鳳林，趙榮欣，周 欣，段隆臣，ТретьякА.А.

（1.上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032；2.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；3.湖北省地震局，湖北 武漢 430064；4.Южно-РоссийскийГосударственныйТехническийуУниверситет，НовочеркаскРосcия 364611）

世界上由于人類生產(chǎn)和生活活動的結(jié)果，對生態(tài)環(huán)境的影響和污染幾乎達到了毀滅性的規(guī)模，因此，研究和解決生態(tài)安全和環(huán)境保護問題非常緊迫。地質(zhì)鉆探中，特別是石油天然氣鉆采工作中，常常產(chǎn)生很多廢棄物，對周圍環(huán)境和生態(tài)平衡造成了嚴重危害，對于人民的生活也有很大的負面影響［1-5］。俄羅斯環(huán)境和自然資源發(fā)展規(guī)劃規(guī)定：要降低周圍自然環(huán)境污染，滿足進出口需求，保證自然資源和原料資源穩(wěn)定增長。實踐和統(tǒng)計表明，俄羅斯的石油生產(chǎn)企業(yè)和石油加工企業(yè)是周圍環(huán)境的主要污染源之一。這種污染在油氣鉆井、開采、運輸、加工等全過程都會發(fā)生，產(chǎn)生大量的廢棄物，如石油廢棄物、石油產(chǎn)品、巖屑等，對生態(tài)環(huán)境影響很大［4］。西伯利亞西部的石油開采量占俄羅斯石油總開采量的50%以上，單是巖屑（俗稱巖粉）每年的數(shù)量就達到100 t以上。巖屑的礦物成分復雜，含有石油廢棄物、石油產(chǎn)品和鉆井液處理用的有毒處理劑，如КМЦ（羧基甲基纖維素）、ССБ（亞硫酸鹽酒精廢液）、ПА?。ň郾０罚?、ОЭЦ（氧化乙基纖維素）等殘留，在和地下自然條件，如和地下水等接觸時，會對生物群和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的穩(wěn)定自然平衡產(chǎn)生不可控制的負面影響［4-5］。

俄羅斯在鉆采廢棄物處理和利用方面做了很多工作，取得了一定的效果。他們主要采用2種方法：綜合處理方法和磁化處理方法［4-24］。

1 綜合處理方法

這種方法（見圖1）分2步。

圖1 巖屑綜合處理方法示意[5]Fig.1 Schematical diagram of the complex processing method for drilling cuttings

第一步是初步處理，即巖屑從井口返出來，通過螺桿泵使巖屑和水進入沉淀池。此后，初步凈化的巖屑一方面通過螺桿泵進入水力旋流器除砂除泥后，使水進入水池子凈化；另一方面通過離心泵使水進入水池子，對巖屑繼續(xù)凈化。

第二步是后續(xù)處理。把巖屑儲存在巖屑池中。在混凝土攪拌車中，利用CaO和石油廢棄物容器中的石油廢棄物混和的辦法來準備加速劑。凈化可在鉆采井場進行。處理后的巖屑可以用作鋪筑馬路，其中一部分可以作為水泥漿的組成部分，通過粉碎機處理后，用水泥運輸車及水泥攪拌車將其壓入套管外空間，作為灌注水泥漿進行固井。

1.1 廢棄物處理用加速劑優(yōu)化

為了提高加速劑材料的強度，使用了水泥灰（水泥工業(yè)中的大量廢料）作為粘結(jié)添加劑。為了防止周圍自然環(huán)境、地質(zhì)生態(tài)環(huán)境因素對加速劑的負面影響，使用了全年四季可用的聚合物水添加劑ПВВ（技術(shù)條件2216-002-75821482-2006）。通過試驗確定，加速劑材料質(zhì)量最優(yōu)組成為：水泥灰15%～30%；加速劑材料20%～30%；聚合材料ПВВ 1%～2%；巖屑：其余的。

還研究了加速劑材料的抗水性和抗酸性，因為這2個指標是評價毒性組成材料是否有析出的標準指標。為了分析酸對加速劑材料的作用，使用了耗時4個月制備的石油廢棄物和十六烷為基礎(chǔ)的處理劑。此外，研究了加有ПВВ和未加ПВВ加速劑的性能。所有樣品都是用0.1當量鹽酸、0.1當量硫酸和0.1當量硝酸處理的。

研究確定，利用質(zhì)量1.5%ПВВ處理的加速劑材料的抗水性最強（見圖2），此時質(zhì)量損失最小，小于1%，說明毒性成分幾乎沒有解析出來。用十六烷基制備的材料抗水性較差，使用30%十六烷制備的材料時，質(zhì)量損失達到9%以上［4-5］。

圖2 加速劑材料的抗水性[4]Fig.2 Water-resistance of capsulated reagent materials

研究結(jié)果還表明，利用ПВВ處理的加速劑材料，在酸性介質(zhì)中浸濕7個晝夜之后，強度變化不大，只降低了6.67%，而沒有利用ПВВ處理的加速劑材料，在酸性介質(zhì)中浸濕7個晝夜之后，強度降低了33.3%?？梢?，使用ПВВ是非常必要的。

1.2 非病原微生物分解劑處理巖屑毒性成分

為了提高凈化后巖屑的地質(zhì)生態(tài)安全性，烏拉爾國立科技大學應用生態(tài)教研室對利用非病原微生物分解劑Rhodococcus erythropolis（紅細胞紅斑）AC-1339Д、與其組合的Bacillus（病菌）BKM 1742Д和Fusarium species（鐮刀魚類）No.56，按1∶1∶1比例對毒性聚合物鉆井液處理劑進行了試驗研究。結(jié)果表明，利用上述組合微生物分解劑對毒性聚合物的分解速度比單用Rhodococcus erythropolis AC-1339Д進行分解的速度平均高出20%～30%，見圖3［4-5］。

圖3 單項微生物與組合微生物處理聚合物毒性添加劑的分解程度[5]Fig.3 Decomposition degrees of polymer toxic additives processed with individual microorganisms and combinational microorganisms

關(guān)于利用非病原微生物分解劑Rhodococcus erythropolis AC-1339Д、Bacillus BKM 1742Д和Fusarium species No.56按1∶1∶1比例組合，對毒性聚合物處理劑分解情況進行了工業(yè)試驗。對巖屑中的Na-КМЦ殘余含量，每月測量2次。結(jié)果表明，利用鋸屑作結(jié)構(gòu)形成劑時，經(jīng)過180 d，Na-КМЦ的分解程度最好，回歸方程和趨勢曲線見圖4。

圖4 組合的非病原微生物作用時，Na-КМЦ的分解程度與時間的關(guān)系[4]Fig.4 Na-КМЦdecomposition degree vs time when processing with nonpathogenic combinational microorganisms

俄羅斯聯(lián)邦巴什科爾斯坦（Башкорстан）共和國鑒定實驗室的實驗室鑒定結(jié)果表明，鉆探巖屑的安全等級為4級。利用非病原微生物分解劑Rhodococcus erythropolis AC-1339Д、Bacillus BKM 1742Д和Fusarium species No.56按1∶1∶1比例組合對毒性聚合物處理劑進行分解后的安全等級為5級。安全等級降到5級，說明這種方法的有效性，可以用來改善油氣鉆采區(qū)域的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境［4-5］。

1.3 已凈化巖屑的應用

為了探討凈化巖屑的應用可能性，把凈化后的巖屑磨碎，通過0.9 mm篩網(wǎng)后，以不同比例添加到ПЦТ1/50牌號水泥中，攪拌水泥漿，形成水泥石，測量其強度，見圖5。從圖5可見，經(jīng)過粉碎凈化后巖屑，其含量（質(zhì)量）為5%時，水泥石強度最大，比原始的ПЦТ1/50牌號水泥石強度提高了30%～35%。經(jīng)過粉碎機粉碎的巖屑比未經(jīng)過粉碎機粉碎的巖屑形成的水泥石強度高出15%～20%［4-5］。

圖5 水泥石抗壓強度與水泥漿中凈化巖屑含量的關(guān)系Fig.5 Cement stone compressive strength vs content of processed drilling cuttings in cement slurry

2 磁化處理方法

目前，世界上許多國家提出了用不同方法來解決鉆采廢棄物及其利用問題。俄羅斯南方國立工業(yè)大學ТретьякА.А.教授等對鉆井液磁化處理問題進行了理論和試驗研究【5-12】，提出了利用磁場處理的方法，見圖6。

圖6 鉆井液磁化處理示意Fig.6 Schematic diagram of magnetization processing of drilling fluid

2.1 磁化處理原理［5］

目前，大多數(shù)情況下使用膨潤土泥漿作為鉆井液，其主要原料是粘土，含有高分散的鐵磁性顆粒，所以，可以把鉆井液看成是一個鐵磁性系統(tǒng)。由于范德瓦爾斯（Ван-дер-валь）力是因與原子中電子有關(guān)產(chǎn)生量子力學發(fā)生作用的，所以，永久磁鐵可以改變這種分子力。施加磁場時，電子的運動及其能量將明顯改變。當排斥力＞吸引力時，粘土顆粒從鉆井液中絮凝沉降出來。

粘土顆粒具有一定的磁矩，在外磁場的作用下，可以將其看成是帶有電荷的載體。因此，應該把絮凝過程不僅看成是分子能平衡、靜電能平衡、熱能平衡，而且也是磁場能的平衡。

顆粒沉降速度按下式計算：

式中：V（r）——半徑為r的顆粒沉降速度，規(guī)定單位；C——常數(shù)；j——冪指數(shù)（2，1，1/2）；H——磁場強度，Oe；t——時間，h。

2.2 鉆井液凈化過程和試驗結(jié)果

鉆井液凈化過程見圖7。在精細凈化站處理后，為了進行分析研究和對比，一部分鉆井液進入巖屑池，另一部分鉆井液進行磁化處理。

圖7 鉆井液凈化過程示意Fig.7 Schematic diagram of drilling mud cleaning

為了改善在復雜地質(zhì)條件和工程條件下（如高粘性粘土、易于膨脹和強度變?nèi)醯貙又械拇怪本?、定向斜井和水平井鉆進情況）鉆井液的結(jié)構(gòu)流變性能、抑制性能、潤滑性能、過濾性能、防卡鉆性能、保護自然環(huán)境性能等，研發(fā)出新型納米級結(jié)構(gòu)鉆井液（俄羅斯發(fā)明專利，專利號為No.RU3708849），其主要成分（質(zhì)量百分比）為：大理石顆粒5%～10%，多離子纖維素5%～10%，蘇發(fā)努爾2%～5%，氯化鉀2%～5%，甲基硅酸鉀1%～4%，醋酸鉀1.5%～4%，水氯鎂石2%～5%，鉻鐵木質(zhì)磺酸鹽1%～5%，ГКЖ-11硅有機液2%～5%，重晶石0.5%～5%，消泡劑0.5%～1%，鋁酸鉀1%～5%，納米級分散銅0.5%～4%，液相-廢植物油和廢水按比例55/45為80%～20%；其它。

通過試驗，研究了該鉆井液中巖屑沉降含量與磁場強度的關(guān)系（見圖8），可知：鉆井液中沉淀出的巖屑量隨著磁場強度的增加而增加，磁場強度0.50 kOe時的沉淀巖屑量為4.5%，磁場強度2.0 kOe時為6.1%，達到了最大值。磁場強度＞2.0 kOe時，沉淀巖屑量開始減小，這可能與鉆井液的成分復雜有關(guān)。

圖8 40 min內(nèi)巖屑從鉆井液中沉淀出的數(shù)量與磁場強度的關(guān)系Fig.8 Percentage of drilling cuttings settled down from drilling fluid during 40 minutes vs magnetic field strength

通過試驗，研究了該鉆井液巖屑沉降速度與溫度的關(guān)系（見圖9）。鉆井液中的粘土顆?？闯墒且粋€處于布朗運動中的微小物體，可以以一定速度在鉆井液任何方向上移動。鉆井液是膠體顆粒懸浮體。磁場對膠體顆粒懸浮體的作用在于，膠體顆粒在磁場作用下，可以相對介質(zhì)產(chǎn)生一定方向的運動，膠體溶液在磁場作用下形成結(jié)構(gòu)。當溶液整體穩(wěn)定性遭到破壞時，即排斥力＞吸引力時，膠體溶液沉降性質(zhì)發(fā)生明顯變化，不僅是各個顆粒沉降，而且是絮凝物沉降。可見，磁場的作用促進了巖屑從鉆井液中沉淀出來，增大了其沉降速度，有利于鉆井液中巖屑的凈化。

圖9 粘土顆粒從納米結(jié)構(gòu)高抑制鉆井液中沉降速度與溫度的關(guān)系Fig.9 Precipitation speed of clay particles from nanostructue and highly inhibited drilling fluid vs temperature

從圖9可見，巖屑沉降速度與溫度有關(guān)，磁化前后均隨著溫度的升高而增加，磁化后增加的幅度更為明顯。溫度40℃以后，沉降速度增加幅度有所下降。

通過試驗，研究了該鉆井液沉淀巖屑量與時間的關(guān)系（見圖10）。

從圖10可見，沉淀巖屑的數(shù)量均隨著時間的增加而增加，但是，磁化后巖屑沉淀的數(shù)量比磁化前的沉降數(shù)量要高出1.5%～2%，磁化的效果是明顯的。

圖10 巖屑從納米結(jié)構(gòu)高抑制鉆井液中沉淀巖屑量與時間的關(guān)系Fig.10 Percentage of drilling cuttings precipitated from nanostructure and highly inhibited drilling fluid vs time

研究和試驗結(jié)果表明，從經(jīng)過磁化處理的鉆井液中沉淀出來的巖屑量均比未經(jīng)過磁化處理鉆井液中沉淀的巖屑多，說明磁化處理是有效的、成功的。

3 結(jié)語及建議

（1）地質(zhì)鉆探和石油天然氣鉆井、開采產(chǎn)生的廢棄物很多，對人民生活和環(huán)境保護具有負面影響，對廢棄鉆井液的處理應當更加關(guān)注。鉆井液用的處理劑，如КМЦ（羧基甲基纖維素）、ССБ（亞硫酸鹽酒精廢液）、ПА?。ň郾０罚ⅶ哀咖福ㄑ趸一w維素）等具有一定的毒性，過去研究不夠、認識不足。俄羅斯鉆探專家為了提高凈化后巖屑的地質(zhì)生態(tài)安全性，研究了利用非病原微生物分解劑來處理這些毒性處理劑殘留問題。通過對Rhodococcus erythropolis AC-1339Д及其組合的Bacillus BKM 1742Д和Fusarium species No.56，按1∶1∶1比例組合對毒性聚合物處理劑進行分解的試驗研究發(fā)現(xiàn)，利用上述組合微生物分解劑對毒性聚合物的分解速度比單用Rhodococcus erythropolis AC-1339Д進行分解的速度平均高出20%～30%，對生態(tài)安全和環(huán)境保護具有應用意義。

（2）通過利用CaO和石油廢棄物混合的辦法制備的加速劑有利于巖屑的再生和后續(xù)有效使用。對粘土型鉆井液施加磁場時，磁化作用有利于巖屑從鉆井液中沉淀出來。

（3）俄羅斯南方國立技術(shù)大學鉆探工作者開發(fā)出了一種新型納米級結(jié)構(gòu)高抑制性鉆井液，可用于復雜地質(zhì)條件下鉆井，如高粘性粘土、易于膨脹和強度變?nèi)醯貙又械拇怪本?、定向斜井和水平井，主要是為了改善鉆井液的結(jié)構(gòu)流變性能、抑制性能、潤滑性能、過濾性能、防卡鉆性能、保護自然環(huán)境性能等。建議對其進行研究與探討。

（4）在鉆探和油氣井鉆采廢棄物綜合處理方法中，經(jīng)過初步處理后，后續(xù)處理的巖屑可以用作鋪筑馬路，其中一部分可以作為水泥漿的組成部分，壓入套管外空間作為灌注水泥漿進行固井。

（5）建議有關(guān)單位和專家對地質(zhì)鉆探和石油天然氣鉆井、開采中的廢棄物處理和利用進行研究，以便妥善解決其對生態(tài)安全和環(huán)境保護帶來的負面影響。