國內(nèi)外廢棄鉆井液處理技術研究現(xiàn)狀

王學川, 胡艷鑫, 鄭書杰, 強濤濤

(1.教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室， 陜西科技大學， 陜西 西安 710021; 2.中國石油長慶油田分公司第四采氣廠， 陜西 西安 710021)

0 前 言

隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展，由廢棄鉆井液帶來的污染問題越來越受到世界各國的重視.石油工業(yè)的全部過程(勘探、鉆井、開發(fā)、儲運和加工)在相應的條件下都會產(chǎn)生各種污染物(原油、油田污水、廢棄鉆井液和鉆屑)，如不加以處理就直接排放，必然會對自然生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞.

廢棄鉆井液是石油工業(yè)的主要污染物之一.據(jù)統(tǒng)計，鉆一口3 000～4 000 m的普通油氣井，完井后廢棄的鉆井液接近300 m3[1].根據(jù)中國石油天然氣集團公司2008年對石油污染源的調查結果，我國油田每年鉆井產(chǎn)生的廢棄鉆井液約1 200多萬噸，其中1/2直接排放到周圍環(huán)境中.近幾年來世界各國迫于對能源的需求，導致鉆井液的種類不斷增加，添加劑及有毒有害成分也日益增多，使其組成極為復雜.然而隨著世界各國對環(huán)保要求的提高，對廢棄鉆井液的無害化治理已經(jīng)成為當前亟待解決的問題.本文從廢棄鉆井液的組成及對環(huán)境的危害分析出發(fā)，對近年來國內(nèi)外各油田處理廢棄鉆井液的技術方法進行了綜述.

1 廢棄鉆井液的組成及危害

在鉆井作業(yè)中，鉆井液是鉆井的血液，是保證鉆井正常運行不可缺少的物質，它能起到平衡地層壓力、攜帶懸浮鉆屑、清洗井底、保護井壁、錄井、冷卻、潤滑鉆具及傳遞動力等作用[2].由于野外作業(yè)的特征，完井后施工現(xiàn)場存留的大量的廢棄鉆井液及廢棄物幾乎全部堆積于井場周圍的廢棄鉆井泥漿儲存坑內(nèi)，這就使本來成分復雜的廢棄鉆井液更加復雜，最終形成一種由粘土、加重材料、各種化學處理劑、污水、污油及鉆屑等組成的多相懸浮性的體系.

據(jù)統(tǒng)計，中國目前每個鉆井隊每天排放廢水約30 m3，每口壓裂井產(chǎn)生廢水100～200 m3,每口酸化井排放廢水100～200 m3[3]，這些都將排入廢棄鉆井泥漿儲存坑中.廢棄鉆井液產(chǎn)生的主要來源有以下幾種[4，5]：(1)鉆井液污水.包括廢棄的鉆井液以及散落的鉆井液；(2)機械污水.包括柴油機冷卻水、鉆井泵拉桿沖洗水、水剎車排出水等；(3)沖洗污水.包括沖洗振動篩用水、沖洗鉆臺和鉆具用水、清洗設備用水；(4)巖屑.鉆井過程中產(chǎn)生大量的巖屑，巖屑吸附了大量的泥漿，由于對巖屑樣的沖洗及雨水對巖屑的沖刷，便會使巖屑吸附的泥漿進入鉆井廢水系統(tǒng)；(5)鉆井過程的酸化和固井作業(yè)產(chǎn)生大量的廢水；(6)鉆井事故，特別是井噴也會產(chǎn)生大量的廢水；(7)儲油罐、機械設備的油料散落；(8)天然降雨侵入增加的廢水量.

由于廢棄鉆井液成份比較復雜，所以對環(huán)境的影響也是多方面的，主要表現(xiàn)在以下方面：(1)污染地表水和地下水資源，而且由于鉆井生產(chǎn)的流動性造成污染面積大、區(qū)域廣；(2)各種重金屬滯留于土壤，影響植物的生長和微生物的繁殖，同時因植物吸收而富集危害人畜的健康[6]；(3)過高的pH、高濃度的可溶性鹽及石油類造成土壤板結，危害動植物的生長；(4)廢物中的有機處理劑使水體的COD、BOD增高，影響水生生物的正常生長[7].

2 廢棄鉆井液的處理方法與應用現(xiàn)狀

(1)直接排放法.此方法只限于那些低毒或無毒、易生物降解的鉆井廢棄液.如：水基鉆井液、礦物油基鉆井液(回收基液后剩余的廢棄物)、合成基鉆井液和鉆屑等.

(2)循環(huán)使用法.有些廢棄鉆井液、廢水等可直接或經(jīng)簡單的設備處理后循環(huán)使用.如從鉆井液中分離出來的廢水可用于清洗鉆頭，清洗鉆頭后的廢水可以收集后再循環(huán)使用；生產(chǎn)水經(jīng)過處理后再注入井內(nèi)以平衡井內(nèi)壓力，也可用于重油的處理[6].

大港油田將廢棄鉆井液與井下作業(yè)廢液處理后產(chǎn)生的高鹽濃水定期拉運至泥漿公司用于重新配置泥漿，產(chǎn)生的清水直接外輸或回注，收集的原油可卸放至附近聯(lián)合大站進行回收.這不僅對油田加強環(huán)境保護、實現(xiàn)清潔生產(chǎn)具有重要意義，而且能夠變廢為寶，成為油田打造循環(huán)經(jīng)濟的又一范本[8].

(3)分散處理法.由于絕大多數(shù)鉆井液pH均在7以上，一般情況下多在7.5～10之間，鈣處理鉆井液甚至達到11以上.如此高pH的廢棄鉆井液集中堆放，必然導致該地區(qū)的土壤鹽堿化.若在滿足環(huán)境保護要求的條件下將其分散到酸性土壤中，既能中和土壤中的酸性使土壤得到改良，又能節(jié)省一定的處理費用.另外對少量的油基鉆井液也可用分散法進行處理[9].

(4)回收再利用法.將廢棄鉆井液回收再利用是一項既經(jīng)濟又符合現(xiàn)代發(fā)展趨勢的處理方法.塔河油田采用建立鉆井液儲存、中轉站等實現(xiàn)鉆井液的回收利用，不僅可以降低環(huán)境污染治理工作量，還降低了鉆井液的使用成本.其技術經(jīng)濟評價結果表明：一口普通油氣井可節(jié)約鉆井液費用15萬元，而且還會因有利于保護環(huán)境而產(chǎn)生巨大的社會效益[10].另外有些油田還將廢棄鉆井泥漿回收形成泥餅作為渣土鋪墊井場使用，收集的原油卸放至附近回收站進行回收，以及將鉆井液中的添加劑采用適當方法回收再利用.

(5)破乳法.破乳方法主要有化學破乳、膜破乳、電場破乳、剪切破乳[11]、加熱破乳[12]、離心破乳等.現(xiàn)在應用較多的是化學法破乳，即向乳化含油鉆井廢水中投加破乳劑，通過化學作用，輔以其他分離方式，達到乳化液脫穩(wěn)、破乳，實現(xiàn)油水分離的目的.而國內(nèi)外采取的化學破乳方法主要有鹽析法、酸堿法、凝聚法和混合法.但這些方法雖然使處理效果顯著，但由于加入了化學添加劑，提高了成本，而且對環(huán)境也帶來了新的影響.

遼河油田針對廢棄鉆井液為水基、油基混合液的特點，根據(jù)破乳和絮凝機理采取了一套既有效又經(jīng)濟的處理工藝流程.研究結果表明：該處理技術能使廢棄鉆井液中的油、泥、水三相得到有效分離，使污泥量減少，出液污染物含量有很大改善，處理后的固相基本符合國家固體廢棄物排放標準，基本上解決了遼河油田廢棄鉆井液的處理排放問題[13].另外委內(nèi)瑞拉石油公司也實施了一項新技術——微波破乳法[14].

(6)機械脫水法.該方法是利用化學絮凝劑沉降和機械分離等強化措施，使廢棄鉆井液中的固液兩相得以分離.但由于各油田產(chǎn)生的鉆井液特性不同，單一的絮凝劑無法使各種性質的鉆井液進行有效的固液分離，對于不同的廢棄鉆井液應使用不同的絮凝劑.

河南油田分公司第二采油廠針對其稠油污水粘度大、油水密度差小、乳化嚴重、水質水量變化大的特點，研制開發(fā)了一種由兩劑復配的絮凝劑，結果表明該產(chǎn)品具有絮凝速度較快、污泥生成量較小、雜質去除率較高的優(yōu)點[15].

(7)微生物處理法.微生物處理技術具有投資少，運行費用及能耗低，二次污染小，操作簡單，除油率高等優(yōu)點[16].其處理廢棄鉆井液的方法有很多，如微生物降解法、生物絮凝法等，使用該方法的困難是如何選擇合適的微生物菌種和載體.

長慶油田采用此法從2008年4月到9月底進行了56口氣井、18個油井場、110口油井的微生物無害化處理工作，為油田節(jié)約處理費用100多萬元[17].

(8)回注法.有些毒性較大又難以處理的廢棄鉆井液可以通過回注法處理.回注方法主要有注入非滲透地層和注入地層或井眼環(huán)形空間兩種.第一種方法注入非滲透性地層是用壓裂液在機械作用下加壓到足以將地層壓裂的壓力，將要處理的廢棄鉆井液注入地層裂縫中，當撤消壓力時周圍地層中的裂縫自行關閉，從而防止地層中的廢棄鉆井液發(fā)生遷移.現(xiàn)在海上鉆井在多數(shù)多情況下的廢棄鉆井液處理就是用該方法[6].第二種注入地層或井眼環(huán)形空間的方法[18]，如張店油田因其油藏屬于復雜斷塊，儲層結構復雜，斷塊多，有效孔隙度低，水敏性強等，針對這些問題優(yōu)選出回注地層水配置無滲透壓屏蔽鉆井液配方，該配方既降低了大量污水排放，又利用了鉆井液濾餅的高屏蔽及濾液與地層水活度的配伍性，降低了儲層水敏性污染，提高了鉆井液抑制防塌能力，滿足了地質和工程施工需要[19].

另外有報道，國外有專門的注入處理井來處理廢棄鉆井液[20].2003年上半年，ADCO公司鉆成兩口深1 500 m的專門注入處理井，并裝備了儲罐和注入泵.我國新星石油公司華東局六普鉆井公司也曾試用該法處理廢棄鉆井液[21].

(9)回填法.回填法是一種花費較少而又普遍采用的方法.在回填開始之前，首先將儲存坑內(nèi)的廢物進行沉降分離，將上面的水澄清(必要時可加入一些混凝劑)達到規(guī)定要求后就地排放.剩下的污泥干燥一定程度后即可在儲存坑內(nèi)就地填埋，一般頂部要保持較厚的表土層，并使儲存坑的周圍恢復到原來的地貌.本法主要用于淡水基鉆井泥漿產(chǎn)生的廢渣的處理.

石油環(huán)境研究委員會對某些填埋在坑內(nèi)的鉆井廢棄物通過中子探針通道管、測滲計、真空萃取濕度計和石膏阻塞劑在坑的周圍設點，就地表水和受輻射的土壤進行了跟蹤研究[22]，結果發(fā)現(xiàn)該方法對地表水和其輻射的土壤有很大的影響，所以回填法必須要慎用.

(10)坑內(nèi)密封法.坑內(nèi)密封法實質上是一種特殊的回填處理法，其做法是先在儲存坑的底部和四周鋪墊一層有機土(通常用量為21～28 kg/m2)，上面鋪一層厚度為0.51毫米的塑料墊層，再蓋一層有機土，以防塑料膜破裂.經(jīng)上述處理后的儲存坑成為廢棄鉆井泥漿充填池，待廢泥漿中水分基本蒸發(fā)完后，再蓋上有機土頂層回填恢復地貌.但此方法要保證密封嚴實，不能漏失.目前國內(nèi)中原油田廣泛采用此法進行廢棄物的處理[23].

(11)焚燒回收法.此方法要求具有很高的溫度(1 200～1 500 ℃)和密閉的回收裝置，燃燒的氣體經(jīng)過煙塵回收和氣體吸收裝置，剩余的灰燼可綜合利用，油和其它物質也可以回收用于油基鉆井液的基液或移作他用，因此它是一種非常潔凈的處理方法.

現(xiàn)在國外正廣泛使用一項稱作加熱解吸的技術，用于加熱解吸油基鉆井液中鉆屑含有的油類物質(溫度大約為400 ℃).北海油田用其處理油基鉆井液中的鉆屑，分離后使鉆屑中的剩余含油量小于1%，符合國際和國家的環(huán)保要求，可直接排放到海洋中，解決了海上使用油基鉆井液產(chǎn)生的油基鉆屑處理困難的問題.目前國外又研發(fā)了一項新技術——低溫加熱解吸油基鉆井液鉆屑中含有的油類物質的處理技術[24].

(12)運至指定地點集中處理法[25].該方法處理費用較高，主要是針對那些毒性比較大、用常規(guī)方法處理會嚴重污染環(huán)境，也沒有合適的處理方法的廢棄鉆井液，由抽吸車把廢鉆井泥漿運到指定處理場集中處理，該方法用于油、水基兩種廢鉆井泥漿，一般只在特殊情況下采用.

(13)固化法.固化法是向廢水基鉆井泥漿或鉆井泥漿沉積物中加入固化劑，使之轉化成像土壤一樣的固體(假性土壤)填埋在原處或用作建筑材料等，這種方法能較大程度地減少廢棄鉆井泥漿中的金屬離子和有機物對土壤的侵蝕，從而減少廢棄鉆井泥漿對環(huán)境的影響與危害，同時又可保證廢棄鉆井泥漿池在鉆井過程一結束即能還耕.該方法目前被認為是一種比較可靠的治理廢棄鉆井液方法.

新疆石油學院崔之健等研制開發(fā)了廢棄鉆井液XG-固化劑，它可以在24 h內(nèi)使廢棄物固化，效果良好[26，27].

中石化勘探開發(fā)研究院石油鉆井研究所宋明全等人研制的另外一種固化劑HB-1具有更好的固化效果，廢棄鉆井液在固化處理48 h后完全可以滿足人員及小型車輛行走需要[28].

長慶蘇里格中部氣田開發(fā)項目部根據(jù)毛烏素沙漠環(huán)境生態(tài)特點及井場廢液成分基礎上，將廢棄鉆井液經(jīng)固化處理后回填并恢復地貌，經(jīng)回填改良后的土壤達到GB15618-96土壤環(huán)境質量標準和GB5085.3-2007危險廢棄物浸出毒性標準，土壤保水增肥能力增強.

(14)填埋冷凍法.在比較寒冷的地方，可以把廢棄鉆井液和鉆屑注入凍土層，將這些廢棄物永久地冷凍在凍土層中，這樣就不會發(fā)生遷移造成環(huán)境污染.該方法在適宜的區(qū)域處理鉆井廢棄物是很理想的.

美國阿拉斯加州的北斜坡地區(qū)使用填滿冷凍法，已經(jīng)成功地將1 908 000 m3鉆井廢棄物注入到609.6 m 深的地下冷凍層，并跟蹤了它的潛在污染情況，結果發(fā)現(xiàn)非常理想[29].

(15)鹽穴法[30-32].利用地下鹽穴將廢棄鉆井液進行埋藏處理，目前在國外已得到很好的應用.它具有安全性高、費用較低、占地面積小、容量大等優(yōu)點.將廢物埋藏在地面1 000 m以下的鹽層中，由于鹽層本身具有封閉性和抗泄露的特點，因此可以長時間安全地埋在地下，而且超過5 000 m3的廢鉆井液采用鹽穴埋藏其費用低于地表埋藏，同時還可以節(jié)省很大的地表面積.

該法在歐美國家已經(jīng)有近20年的歷史.鹽穴最初的用途主要是進行石油和天然氣的儲存，作為儲備庫來使用.到目前為止，世界上有1 000多個用于除采鹽以外的各類型的鹽穴，美國、德國已經(jīng)將它作為進行核廢料填埋的主要方法之一.利用鹽穴進行儲存和廢物的處理已經(jīng)廣泛應用于石油天然氣工業(yè)、化學工業(yè)、核工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個領域，但建設鹽穴所需的地質條件要求較高，掩埋的廢物需要通過一系列的特定工藝才能完成.

(16)MTC(Mud To Cement)技術.廢棄鉆井液轉化為水泥漿技術，簡稱MTC技術[33]，它是將廢棄鉆井液和礦渣混合，利用激活劑激活礦渣中的固化成分，再輔以其它添加劑得到各種用途的固井液.該技術在國內(nèi)外都進行了大量的研究，并且取得了廣泛的應用，用其固井還有很多優(yōu)點：紊流排量低、與泥漿的相容性好、稠化過渡時間和靜膠凝強度過渡時間短等特性，在防竄固井和提高頂替效率等方面較水泥漿都具有較大的優(yōu)勢.

中國石化勘探開發(fā)研究院德州石油鉆井研究所應用不同的泥漿體系研究出了能明顯提高調整井固井質量的MTC配方，在大港油田多個區(qū)塊調整井固井中進行了10多井次的現(xiàn)場應用，封固段固井合格率100% ，優(yōu)質率73%以上，取得了良好的固井效果[33].

3 發(fā)展趨勢與展望

無論以上哪種處理技術都有一定的應用范圍，因此在方法選擇上要根據(jù)各油田產(chǎn)生的廢棄鉆井液的性質及各油田所在的地理、氣候、環(huán)境等特點進行最合理的優(yōu)化選擇，同時為了更有效的治理廢棄鉆井液的污染問題，作者認為今后的研究工作既要強化源頭與過程控制，又要開發(fā)綜合利用新技術.具體有以下幾個方面：

(1)推行清潔生產(chǎn)，治標先治本.目前急需對廢棄鉆井液產(chǎn)生的源頭進行治理，推行清潔生產(chǎn)，加強固控，減少排放.通過固控改善鉆井液的性能，并重視重復利用技術，以降低綜合處理成本.鉆井時采用環(huán)保型化學處理劑及添加劑代替毒性較大的化學處理劑及添加劑，做到源頭控制清潔生產(chǎn).

(2)開發(fā)研制低成本高性能的環(huán)保型鉆井液.目前國外開發(fā)的合成基、甲基葡萄糖苷等環(huán)保鉆井液，雖然有無毒、可生物降解的性能，但成本高無法廣泛推廣使用.而近年發(fā)展起來的低毒性油基鉆井液和新型合成基鉆井液在使用過程中也對環(huán)境造成種種影響，所以在今后的研究中應該重視對價格低廉的天然高分子材料和各種環(huán)保處理劑的改性和完善以及對無毒無污染的有機鹽和無機鹽使用技術的研究.

(3)新型廢棄鉆井液處理劑及通用技術的研發(fā).由于國內(nèi)各油田產(chǎn)生的廢棄鉆井液性質不同，就需要加入專門的化學處理劑進行治理，同時由于添加了不同的化學處理劑，就使廢棄物的成分變得越來越復雜，對環(huán)境的危害也就越來越大.如果研制出新型環(huán)保處理劑就能減少后期對環(huán)境的危害，如天然有機高分子絮凝劑的優(yōu)良絮凝性、不致病性及安全性、可生物降解性，越來越受到人們的重視，如果將天然高分子絮凝劑進行改性，制備環(huán)保型處理劑一定能得到廣泛的應用.另外還可以針對中國現(xiàn)在使用的聚合物鉆井液、三磺鉆井液、正電膠鉆井液、混油鉆井液、加重鉆井液以及含鐵鉻鹽鉆井液等多種體系，研制了一種通用的處理技術及固化配方.

(4)開發(fā)無害化綜合利用新技術.開發(fā)廢棄鉆井液無害化綜合利用新技術也是未來的趨勢之一，做到隨鉆處理，固液分離，分類綜合治理，最大限度地綜合利用和實現(xiàn)節(jié)能減排.如將廢棄鉆井液實現(xiàn)液屑清洗分離后凈化巖屑，其中一部分泥水回用配漿；剩余泥水固液分離脫水污泥成餅回收利用；將分離的污水處理主要污染物指標達標用于場地回用；液屑分離后回收的清洗用水隨鉆治理.

(5)強化管理控制，加強過程監(jiān)管.先進的管理方法、嚴格的政策措施以及施工過程的監(jiān)督檢查(如：施工隊伍的選擇、施工地點的選址、防滲與封固處理、安全環(huán)保管理規(guī)章制度與量化考核機制的建立健全等)都是有效處理廢棄鉆井液無害化治理的前提和保證.中國近幾年在這方面已經(jīng)做了很多努力，取得了顯著的效果，但是還需要進一步學習與借鑒國外的先進管理方法與成功經(jīng)驗.

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