鉆井液處理劑對(duì)鉆井廢物主要污染物的貢獻(xiàn)

陳立榮 劉漢軍 董星言 潘 敏 蔣學(xué)彬 陳萬(wàn)德 文煒濤 李 陽(yáng)

(中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院)

0 引 言

油氣勘探鉆井作業(yè)由于其特殊性,必將產(chǎn)生一定的鉆井廢水和大量鉆井固體廢物,這些污染物的源頭控制、過(guò)程減量利用及末端資源化是實(shí)施綠色清潔鉆井的重要保障[1]。油氣勘探鉆井作業(yè)廢水和固體廢物包括兩部分:一部分是鉆井所鉆地下地質(zhì)巖石和水;另一主要部分為鉆井液,而鉆井液的組分、性質(zhì)及污染物含量又主要取決于添加的各種鉆井液處理劑,也稱油田化學(xué)劑[2]。由于西南油氣田常規(guī)油氣勘探地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,勘探井深平均已達(dá)5 500 m左右,為實(shí)現(xiàn)安全快速鉆達(dá)目的層的要求,對(duì)鉆井液性能提出了更高的要求,添加的鉆井液處理劑種類(已達(dá)近100種)和添加量增加[3],造成鉆井作業(yè)產(chǎn)生的鉆井廢水和固體廢物組成復(fù)雜,污染物含量高,處置及資源化利用難度大,加之西南地區(qū)雨水多,鉆井作業(yè)環(huán)保壓力增大。因此,本文分析了主要鉆井液處理劑對(duì)鉆井廢物主要污染物指標(biāo)的貢獻(xiàn),有助于優(yōu)選低污染、低毒性鉆井液處理劑,從而調(diào)配低污染、低毒性鉆井液,對(duì)從源頭控污減污具有十分重要的意義。

1 鉆井液處理劑的作用及種類

1.1 鉆井液處理劑的作用

鉆井液是油氣勘探鉆井的血液,在鉆井作業(yè)中主要起攜帶和懸浮巖屑、穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力、冷卻和潤(rùn)滑鉆頭鉆具、傳遞水動(dòng)力沖刷地層等作用[4]。現(xiàn)代鉆井技術(shù)還要求鉆井液必須與所鉆遇的油氣層相配伍,滿足保護(hù)油氣層的要求;同時(shí)為了滿足地質(zhì)要求,所使用的鉆井液必須有利于地層測(cè)試,不影響對(duì)地層的評(píng)價(jià)[5];鉆井液還應(yīng)對(duì)鉆井人員及環(huán)境不產(chǎn)生傷害和污染,對(duì)井下工具及地面裝備不腐蝕或盡可能減輕腐蝕[6]。由此可見(jiàn),鉆井液的性能會(huì)嚴(yán)重影響鉆井速度和安全性等。而鉆井液主要由水或油+膨潤(rùn)土+重晶石+各種鉆井液處理劑調(diào)配而成[7],要使鉆井液達(dá)到安全快速鉆井的性能要求,不同鉆井液處理劑的選擇匹配對(duì)鉆井液起決定性作用。

1.2 鉆井液處理劑的種類

根據(jù)SY/T 5596—2009《鉆井液用處理劑命名規(guī)范》規(guī)定[8],鉆井液處理劑按照功能和原料兩種方法進(jìn)行分類。

1)功能分類法

根據(jù)鉆井液用處理劑的功能可分為18類,分別為降濾失劑、防塌封堵劑、頁(yè)巖抑制劑、包被絮凝劑、增粘劑、降粘劑、潤(rùn)滑劑、解卡劑、防泥包劑、消泡劑、乳化劑、發(fā)泡劑、堵漏劑、加重劑、殺菌劑、緩蝕劑、潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑和特殊功能處理劑。

2)主要原材料分類

以其中的一種主要原材料作為分類依據(jù),鉆井液用處理劑可分為18類,分別為配漿土類腐植酸類、瀝青類、丙烯酰胺類、丙烯腈類、淀粉類、纖維素類、木質(zhì)素類、酚/脲醛樹(shù)脂類、動(dòng)/植物油類、植物膠類、聚合醇類、有機(jī)硅類、有機(jī)鹽類、單寧類、堿類、礦石類、礦物油類和兩性金屬氫氧化合物類。

2 鉆井液處理劑對(duì)主要污染物指標(biāo)的貢獻(xiàn)

2.1 試驗(yàn)材料

從西南油氣田鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及鉆井液處理劑材料供應(yīng)儲(chǔ)存庫(kù),采集防卡潤(rùn)滑劑、降濾失劑、防塌劑、降粘劑、頁(yè)巖抑制劑、增粘劑、阻燃劑、乳化劑、消泡劑、堵漏劑、pH調(diào)節(jié)劑、穩(wěn)定劑、氧化鈣及緩蝕劑共14大類102種常用處理劑進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

將采集的鉆井液處理劑配成1%(質(zhì)量百分比)的水溶液,存放3 d后,進(jìn)行pH值、COD、色度及重金屬分析。其中采用電極法測(cè)定pH值[9];采用重鉻酸鹽法測(cè)定COD值[10];采用稀釋倍數(shù)法測(cè)定色度[11];采用SY/T 6788—2010《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)評(píng)價(jià)方法》中的重金屬消解方法對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理后,采用原子吸收分光光度法和原子熒光光譜法測(cè)定汞、砷、鎘、鉛和鉻共5種重金屬含量[12]。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 鉆井液處理劑對(duì)COD和色度等主要染物指標(biāo)的貢獻(xiàn)

根據(jù)采集的102種處理劑特性,篩選出13類57種處理劑進(jìn)行pH值、COD和色度測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出,西南油氣田常用的57種鉆井液處理劑均對(duì)行業(yè)最關(guān)注的廢水和固廢中的重要COD指標(biāo)具有重大貢獻(xiàn),1%濃度條件下對(duì)COD貢獻(xiàn)值達(dá)2.42×102～8.59×104mg/L;其中潤(rùn)滑劑平均達(dá)到1.01×104mg/L,水基潤(rùn)滑劑(CAL)的COD貢獻(xiàn)值最高,達(dá)到8.59×104mg/L;降濾失劑平均達(dá)到0.41×104mg/L,降濾失水劑(CXB8-1)的COD貢獻(xiàn)值最高,達(dá)到1.50×104mg/L;防塌劑平均達(dá)到2.46×104mg/L,水分散性陽(yáng)離子乳化瀝青(SEB)的COD貢獻(xiàn)值最高,達(dá)到7.76×104mg/L;降粘劑平均達(dá)到1.00×104mg/L,磺化木質(zhì)素單寧酸鈉(HTX)的COD貢獻(xiàn)值最高,達(dá)到1.69×104mg/L;頁(yè)巖抑制劑平均達(dá)到1.24×104mg/L,腐殖酸鉀(KHM)的COD貢獻(xiàn)值最高,達(dá)到2.78×104mg/L;增粘劑、阻燃劑、乳化劑、pH調(diào)節(jié)劑、穩(wěn)定劑等對(duì)COD貢獻(xiàn)值相對(duì)較小。

表1 鉆井液處理劑對(duì)COD和色度的貢獻(xiàn)分析結(jié)果

續(xù)表1

COD是以化學(xué)方法測(cè)量水樣中需要被強(qiáng)氧化劑氧化的還原性物質(zhì)(一般為有機(jī)物)的氧當(dāng)量。1%鉆井液添加劑水溶液中的還原性物質(zhì)為添加劑中的有機(jī)碳,而鉆井液處理劑大都是由各種天然或化工有機(jī)原料合成或化學(xué)反應(yīng)而得,因此有機(jī)碳含量高,這導(dǎo)致絕大部分處理劑COD貢獻(xiàn)值較高。在同類型處理劑中,有些處理劑COD貢獻(xiàn)高的原因也是其有機(jī)碳含量高于其他處理劑。

色度方面,測(cè)定結(jié)果顯示鉆井液處理劑對(duì)行業(yè)關(guān)注的廢水色度指標(biāo)貢獻(xiàn)差別大,1%濃度下57種處理劑對(duì)色度指標(biāo)貢獻(xiàn)大于5 000倍的有7種;大于500倍、小于等于5 000倍的有13種;大于50倍、小于等于500倍的有12種;大于10倍、小于等于50倍的有10種,小于10倍的有15種。鉆井液處理劑的色度主要取決于物質(zhì)中的發(fā)色物質(zhì),包括不帶苯環(huán)的碳氧化合物(如羧酸、脂、酮和醛等)、芳香族化合物和含氮碳氧化合物,因此高色度處理劑的發(fā)色物質(zhì)含量相對(duì)更高,同時(shí)部分處理劑的分子結(jié)構(gòu)中含有烯鍵、羧鍵、酰胺基、磺酰胺基、羰基、硝基等生色團(tuán),其與發(fā)色物質(zhì)之間互相作用增加了處理劑的色度。

pH值方面,1%濃度下57種處理劑的pH值為5.65～12.99,跨度較大。

以上分析結(jié)果表明,鉆井液處理劑或鉆井液是鉆井作業(yè)廢水和固廢的主要污染物來(lái)源;同類型鉆井液處理劑多數(shù)對(duì)COD和色度貢獻(xiàn)差值達(dá)10～100倍,少數(shù)達(dá)1 000倍以上,如防卡劑、增粘劑、降濾失劑、降粘劑、頁(yè)巖抑制劑和堵漏劑。因此,為降低鉆井作業(yè)產(chǎn)生的廢水和固廢對(duì)環(huán)境的影響,鉆井液配制時(shí)在滿足鉆井液性能要求前提下,按表1測(cè)定結(jié)果優(yōu)選同類型中對(duì)COD和色度貢獻(xiàn)值低的鉆井液處理劑。

2.3.2 鉆井液處理劑對(duì)有害重金屬指標(biāo)的貢獻(xiàn)

根據(jù)采集的102種處理劑特性,篩選出13類57種處理劑進(jìn)行環(huán)境影響最嚴(yán)重的汞等5種有害重金屬含量分析,結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出,57種鉆井液處理劑在1%濃度條件下,汞和砷檢出率較低,含量也低,其中6種檢出汞,檢出率為10.5%,8種檢出砷,檢出率為14%,僅重晶石的汞濃度超過(guò)1 mg/kg、砷濃度超過(guò)10 mg/kg;鎘檢出率為33.3%,濃度超過(guò)1 mg/kg的有4種;鉛檢出率為66.7%,濃度超過(guò)10 mg/kg的有10種;其中鉻檢出率最高,達(dá)89.5%,濃度超過(guò)10 mg/kg的有23種。通過(guò)對(duì)比SY/T 6787—2010《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)要求》,發(fā)現(xiàn)57種鉆井液處理劑中5種重金屬含量存在較大差異,無(wú)機(jī)礦物類處理劑重金屬含量較高,代表性添加劑重晶石的總鉛含量超標(biāo),達(dá)到2 838.9 mg/kg;其他處理劑也含有一種或多種重金屬,雖未超標(biāo),但存在通過(guò)積累方式污染環(huán)境的可能,因此,據(jù)于上述分析,鉆井液配制時(shí)在滿足鉆井液性能要求的前提下,按表2測(cè)定結(jié)果優(yōu)選同類型中重金屬污染物含量低的鉆井液處理劑。

表2 鉆井液處理劑有害重金屬含量檢測(cè)結(jié)果 mg/kg

續(xù)表2

3 結(jié) 論

1)西南油氣田各種主要鉆井液處理劑對(duì)鉆井廢水和固廢中的COD和色度均具有較大貢獻(xiàn),同類型鉆井液處理劑因其物質(zhì)有機(jī)碳和發(fā)色團(tuán)含量差異,導(dǎo)致對(duì)COD和色度貢獻(xiàn)值差別大,配制鉆井液時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇同類型中對(duì)COD和色度貢獻(xiàn)值低的鉆井液處理劑。

2)西南油氣田57種常用鉆井液處理劑中汞等5種有害重金屬指標(biāo)檢出率存在較大差異,汞和砷檢出率較低,含量也低,鎘、鉛和鉻檢出率較高,含量也較高,存在通過(guò)積累方式污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

3)鉆井液配制時(shí)在滿足鉆井液性能要求前提下,應(yīng)綜合考慮其對(duì)COD和色度的貢獻(xiàn)值和有害重金屬含量,優(yōu)選低污染的處理劑,以便有效降低鉆井廢水和固廢的污染物含量,從鉆井源頭控污減污,更有利于污染物末端的清潔友好資源化利用。