鉆井廢棄物無(wú)害化處理技術(shù)研究與應(yīng)用

段曉東，呂曉平，王　濤，楊　寬

（西部鉆探工程有限公司國(guó)際鉆井公司，新疆烏魯木齊830026）

鉆井廢棄物無(wú)害化處理技術(shù)研究與應(yīng)用

段曉東*，呂曉平，王濤，楊寬

（西部鉆探工程有限公司國(guó)際鉆井公司，新疆烏魯木齊830026）

鉆井廢棄物含有為滿(mǎn)足鉆井液性能而添加的各種有機(jī)和無(wú)機(jī)化學(xué)藥劑，對(duì)環(huán)境會(huì)造成一定的污染。在研究分析國(guó)內(nèi)外鉆井廢棄物無(wú)害化處理技術(shù)基礎(chǔ)上，針對(duì)性開(kāi)展了伊朗南阿油田廢棄鉆井液無(wú)害化處理研究，優(yōu)選出處理劑和優(yōu)化處理工藝。在2口井上應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鉆井液重復(fù)利用和無(wú)害化處理。值得下一步深入研究推廣應(yīng)用。

鉆井液污染；無(wú)害化處理；推廣應(yīng)用

處理鉆井廢棄物的目的是為了實(shí)現(xiàn)鉆井液的重復(fù)利用及減輕環(huán)境污染。對(duì)于鉆井廢棄物的處理，國(guó)內(nèi)外同行進(jìn)行了多年的探索，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但還存在著許多不完善的地方，需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究。國(guó)內(nèi)外處理方法主要有以下幾種：回填法、墾植法、擠壓法、固液分離法、固化法、焚燒法、回收利用法、生物降解法等[1]。

1　鉆井廢棄物成分及其對(duì)環(huán)境的影響

鉆井廢棄物主要是有粘土、鉆屑、加重材料、化學(xué)添加劑、無(wú)機(jī)鹽、油組成的多相穩(wěn)定懸浮液，pH值較高[2]。導(dǎo)致環(huán)境污染的有害成份主要為石油類(lèi)、鹽類(lèi)、某些化學(xué)添加劑、重金屬、高分子有機(jī)物生物降解產(chǎn)生的低分子有機(jī)化合物和堿性物質(zhì)等。其對(duì)環(huán)境造成的影響主要表現(xiàn)在：①對(duì)地表水和地下水資源的污染；②導(dǎo)致土壤的坂結(jié)，對(duì)植物生長(zhǎng)不利，甚至無(wú)法生長(zhǎng)，致使土壤無(wú)法返耕；③各種重金屬滯留于土壤，影響植物的生長(zhǎng)和微生物的繁殖，同時(shí)因植物吸收而富集，危害人獸的健康；④對(duì)水生動(dòng)物和飛禽也會(huì)產(chǎn)生不良影響[3]。

2　鉆井廢棄物無(wú)害化處理技術(shù)思路

（1）廢棄水基鉆井液破膠技術(shù)：由于廢棄鉆井液中的有機(jī)類(lèi)和其它化學(xué)物質(zhì)以分子和離子狀態(tài)存在，并且吸附在固相、膠體粒子上，也存在于液相中，固相和膠粒上的有機(jī)類(lèi)和其它化學(xué)物質(zhì)用常規(guī)方法很難脫去，因此，需要一種廢棄鉆井液的破膠技術(shù)。

（2）破膠后的鉆井液脫液相技術(shù)：在負(fù)壓狀態(tài)下，對(duì)破膠后的廢棄鉆井液脫液相、過(guò)濾，把鉆井液中對(duì)環(huán)境有污染的化學(xué)物質(zhì)從鉆井液中脫離出來(lái)的技術(shù)。

（3）鉆井液脫出水中的化學(xué)物質(zhì)與水的分離工藝技術(shù)：采用復(fù)合過(guò)濾、精密過(guò)濾等工藝技術(shù)除去水中的化學(xué)物質(zhì)。

（4）廢棄水基鉆井液巖屑無(wú)害化處理配套工藝技術(shù)。

3　廢棄水基鉆井液常用處理方法[4]

3.1破乳法

鉆井液本身就是復(fù)雜的膠體穩(wěn)定體系，根據(jù)形成機(jī)理，破膠劑的選擇一般是陽(yáng)離子型強(qiáng)電解質(zhì)，陽(yáng)離子型電解質(zhì)加入鉆井廢液后，一是其電離出陽(yáng)離子對(duì)顆粒表面的負(fù)電荷有中和作用，可降低粘土顆粒表面的負(fù)電荷，降低Zeta電位，減少顆粒間的斥力，使其穩(wěn)定性減弱或失去穩(wěn)定性；二是陽(yáng)離子可被高分子材料的陰離子基團(tuán)吸附，降低高分子鏈內(nèi)的斥力，使高分子鏈發(fā)生卷曲，將失穩(wěn)的粘土顆粒包裹起來(lái)并從鉆井液中分離出來(lái)；三是通過(guò)加入化學(xué)藥劑降低鉆井液的粘度等。這樣相當(dāng)大部分的高分子及幾乎所有的粘土成分即從鉆井液廢棄液中被除去。

3.2絮凝沉降法

絮凝沉降法是在對(duì)鉆井廢液經(jīng)過(guò)破膠后，利用化學(xué)助凝劑絮凝、沉降和機(jī)械分離等強(qiáng)化措施，使廢棄鉆井液中的固液兩相得以分離。由于鉆井液體系的不同，一種助凝劑是不可能使各種鉆井液的固液分離的，對(duì)不同的廢棄鉆井液應(yīng)使用不同的助凝劑。使用該方法進(jìn)行鉆井液廢液的脫水處理，效果很好，但必須了解鉆井液的特性，選擇合適的助凝劑。

3.3固化法

廢棄鉆井液無(wú)害化處理時(shí)基于廢棄鉆井液中含有一定數(shù)量的固體顆粒，當(dāng)向廢棄鉆井液中加入相應(yīng)的固化劑、破乳劑、吸附劑時(shí)，使其與廢棄鉆井液發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)，將有害物質(zhì)封固起來(lái)，使其轉(zhuǎn)化為膠結(jié)很大的固體，就地填埋，使得不再擴(kuò)散到環(huán)境中。當(dāng)加入磷酸鹽時(shí)，與廢棄鉆井液中的鈣離子形成磷酸鈣，改變土壤肥力；粉煤灰是很強(qiáng)的吸附劑，吸附廢棄鉆井液中大量的有機(jī)物及金屬離子；用硫酸鹽、硅酸鹽將廢棄鉆井液中的水分離出來(lái)，使廢棄鉆井液很快形成相似土壤的具有一定強(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)并封固起來(lái)，使有害物質(zhì)不能溶解，防止對(duì)環(huán)境的二次污染，達(dá)到使廢棄鉆井液中的有害成分無(wú)害化處理的目的。

3.4氧化處理法

對(duì)污水進(jìn)行氧化處理降低COD值，使其達(dá)到外排要求。

（1）臭氧氧化法：臭氧氧化性很強(qiáng)，能氧化或分解一些有害的物質(zhì)，且不會(huì)產(chǎn)生二次污染，但成本較高。

（2）光催化法：一種典型的高級(jí)氧化技術(shù)，近年來(lái)在難降解污染物的處理方面得到了廣泛的研究與應(yīng)用。它不僅可以在常溫常壓下進(jìn)行，而且反應(yīng)速度快，有機(jī)污染物可能在很短時(shí)間內(nèi)被分解成二氧化碳和水，并且不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

（3）雙氧水氧化法：加入氧化劑的同時(shí)，再升高反應(yīng)溫度，使氧化劑快速釋放活性氧原子，利用其氧化性迫使鉆井廢液中的有機(jī)物、生物聚合物等還原性物質(zhì)與其反應(yīng)，反應(yīng)生成物還能將鉆井液中的懸浮物沉降，這種方法見(jiàn)效快、效率高、操作簡(jiǎn)單，但氧化劑的反應(yīng)效率較低。

4　伊朗南阿油田鉆井廢棄物無(wú)害化處理

借鑒國(guó)內(nèi)外好的處理方法，對(duì)伊朗南阿油田鹽水鉆井液體系針對(duì)性開(kāi)展廢棄物處理研究與應(yīng)用。

4.1室內(nèi)研究

伊朗南阿油田鉆井污水排放標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》GB8978-2002，鉆井廢棄物主要污染指標(biāo)范圍見(jiàn)表1。

表1　伊朗南阿油田鉆井廢棄物主要指標(biāo)

4.1.1破膠劑優(yōu)選

（1）高效破膠劑引入及機(jī)理分析。高效破膠劑SLA-1是一種含有陽(yáng)離子的高分子聚合物，主要作用機(jī)理為:①吸附作用：高分子聚合物通過(guò)氫鍵，靜電引力及嵌入3種相互作用方式參與吸附；②架橋作用：高分子聚合物與許多粘土微粒連接一起架橋形成絮團(tuán)；③電中和作用：陽(yáng)離子型高分子聚合物與帶負(fù)電的粘土離子因電中和作用而產(chǎn)生絮凝；④沉淀物網(wǎng)捕機(jī)理：鉆井廢棄物中的膠體粒子被沉降成絮體沉降物[5]。

（2）高效破膠劑性能對(duì)比。用高效破膠劑SLA-1與AlCl3、Fe2SO4、MgCl2等常用絮凝劑進(jìn)行破膠實(shí)驗(yàn)，SLA-1破膠效果好，形成的絮體大而致密,分散出的水色度較低，出水率較高,是一種很好的破膠劑，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2　破膠劑絮凝效果數(shù)據(jù)表

4.1.2高效固化劑性能研究

SLG-1是由多種有機(jī)物和無(wú)機(jī)物合成的高效固化劑，通過(guò)絮凝、架橋、水化等反應(yīng)，快速與鉆井廢棄物形成固體物質(zhì)，鎖住鉆井廢棄物的粒子空間，有效防止各種有害物質(zhì)浸出。SLG-1根據(jù)不同的鉆井液體系，其加量范圍為5%～8%。將SLG-1加入在不一定比例固化添加劑于直徑8cm，高4cm自制模具中成型，實(shí)驗(yàn)3h后通過(guò)觀(guān)察和按壓，未成型和較軟的直接終止實(shí)驗(yàn)，24h后測(cè)成型的固化浸出液的各項(xiàng)指標(biāo)和固化體抗壓強(qiáng)度，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

4.1.3固化劑優(yōu)選對(duì)比實(shí)驗(yàn)

用高效固化體SLG-1與水泥、CaO等國(guó)內(nèi)常用固化劑進(jìn)行性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,SLG-1加量適中，浸出液COD含量低，固化時(shí)間短，固化效果好，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表3　8%SLG-1固化劑處理效果數(shù)據(jù)表

表4　不同固化劑處理效果數(shù)據(jù)表

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出破膠劑、固化劑滿(mǎn)足處理需要，但受鹽水鉆井液體系的影響，鉆井廢水處理后無(wú)法除去水中溶解的高濃度NaCl，故處理后的廢水無(wú)法直接外排，只能進(jìn)行回收，再次用于鉆井液施工。

4.2鉆井廢棄物處理工藝研究

4.2.1巖屑收集—固化處理系統(tǒng)

在振動(dòng)篩和除砂器下方各安裝一個(gè)螺旋輸送機(jī)，并根據(jù)鉆屑的多少和濕度及振動(dòng)篩跑漿情況，通過(guò)加料漏斗均勻加入固化劑，達(dá)到直接固化的目的，然后使用鏟車(chē)將固化后的鉆屑運(yùn)至晾曬場(chǎng)，放置幾天后，鉆屑及其攜帶的少量泥漿會(huì)徹底固化，最終拉運(yùn)至甲方指定的巖屑坑堆放。

4.2.2鉆井污水—調(diào)質(zhì)—離心分離系統(tǒng)

利用高效的復(fù)合型調(diào)節(jié)劑對(duì)污水進(jìn)行破膠，固相沉淀至罐底，上層清水經(jīng)脫色等處理后進(jìn)入精密過(guò)濾系統(tǒng)；沉淀物通過(guò)高速離心機(jī)再次進(jìn)行二次分離，分離后的沉淀物直接進(jìn)行固化處理，最終實(shí)現(xiàn)鉆井污水固液快速高效分離。

4.2.3鉆井污水氣浮氧化—精密過(guò)濾系統(tǒng)

離心分離出的污水通過(guò)一級(jí)高效淺層氣浮設(shè)備，進(jìn)行氣浮絮凝、氧化脫色及破乳分離處理，實(shí)現(xiàn)了鉆井污水中中小有機(jī)物的絮凝分離、氧化脫色和石油類(lèi)降解去除，隨后采用高效纖維球過(guò)濾器成套設(shè)備進(jìn)行精密過(guò)濾，從而實(shí)現(xiàn)污水回用或外排達(dá)標(biāo)處理。

4.3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.3.1污水和鉆屑的處理

（1）地層鉆屑的處理，主要是通過(guò)螺旋輸送機(jī)上方的加藥裝置實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)鉆屑的濕度和振動(dòng)篩跑漿情況，合理配比脫水劑和固化劑比例，將固化后的鉆屑轉(zhuǎn)運(yùn)至晾曬場(chǎng)。

（2）螺旋輸送機(jī)內(nèi)固化劑加量不易過(guò)多，防止輸送機(jī)負(fù)荷增大，推動(dòng)困難。

（3）固化劑加量不足時(shí)，可在晾曬場(chǎng)再次對(duì)鉆屑進(jìn)行二次固化，直至其符合要求后方可拉運(yùn)。

（4）沖洗設(shè)備的污水和雨水則采用直接加入破膠劑的方法，進(jìn)行二次固液分離、脫色、過(guò)濾等處理后直接排放或多次回用。

（5）清理泥漿罐產(chǎn)生的污泥采用先脫水后固化的方式處理。

4.3.2廢棄鉆井液及高密度壓井液的處理

（1）振動(dòng)篩跑漿及完井后的鉆井液，根據(jù)其固相含量的多少，確定處理方式，若固相含量低于30%則采用先將廢棄鉆井液收集至泥漿罐，提取少量鉆井液進(jìn)行膠體破膠絮凝試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定破膠劑的類(lèi)型和加量，將沉淀絮凝后的絮凝物再次用離心機(jī)進(jìn)行二次固液分離，上層清水經(jīng)脫色、氣浮除油后，進(jìn)入過(guò)濾裝置過(guò)濾后直接排放或重復(fù)使用。

（2）若固相含量超過(guò)30%以上的高密度鉆井液（壓井液），均采用先脫水后添加固化劑的方式進(jìn)行固化處理，待固化強(qiáng)度達(dá)到要求后拉運(yùn)至專(zhuān)用鉆屑坑排放。

4.3.3廢棄鉆井液的重復(fù)利用

伊朗南阿項(xiàng)目在完井作業(yè)時(shí)會(huì)將井筒內(nèi)所有泥漿都替換成CaCl2完井液，導(dǎo)致地面循環(huán)池泥漿量增加100m3以上，所以完井后循環(huán)池內(nèi)一般會(huì)有300m3左右泥漿（包括重漿）。相比無(wú)害化處理，鉆井液回收利用是最好的選擇。普通完井泥漿，通過(guò)稀釋處理可作為下口井鉆進(jìn)泥漿繼續(xù)使用，而重泥漿則直接回收至重漿罐。伊朗S38井回收泥漿150m3，回收重漿100m3，大大降低了廢物處理成本，同時(shí)也節(jié)約了S37井鉆井液施工成本。

4.4效益評(píng)價(jià)

（1）直接經(jīng)濟(jì)效益為：第一口井甲方提供無(wú)害化處理費(fèi)用—設(shè)備費(fèi)用—處理劑消耗—運(yùn)輸和人工成本費(fèi)用，第一口井經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到23萬(wàn)美元。后期除去設(shè)備投入費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更高。

（2）公司首次在中東市場(chǎng)成功應(yīng)用廢棄物隨鉆一體化處理技術(shù)，既增加了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，同時(shí)也為技術(shù)人員搭建了學(xué)習(xí)新技術(shù)、新工藝的平臺(tái)。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，杜絕了鉆井液及其工業(yè)污水亂排、外溢的事件發(fā)生,并多次在南阿油田HSE評(píng)比中榮獲第一名，樹(shù)立了公司良好的品牌形象。

5　結(jié)論和建議

（1）新型鉆井廢棄物無(wú)害化處理工藝技術(shù)先進(jìn)，設(shè)計(jì)合理，安全可靠，具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景良好。

（2）水基鉆井液廢棄物無(wú)害化處理通過(guò)破膠、固化等工藝技術(shù)處理，工藝簡(jiǎn)單，方便使用，廢棄物達(dá)到了GB18918-2002允許排放標(biāo)準(zhǔn)。

（3）伊朗南阿油田處理過(guò)的廢水中仍含有高濃度的NaCl，只能進(jìn)行回收，再次用于鉆井液施工，需要進(jìn)一步開(kāi)展研究應(yīng)用，提高鉆井廢棄物無(wú)害化處理水平。

[1]周迅.廢鉆井液的處理技術(shù)綜述[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2001，11（4）.

[2]艾光富.廢鉆井液復(fù)合固化處理技術(shù)及應(yīng)用研究[J].油氣井環(huán)境保護(hù)，2004，28（3）：21-24.

[3]黎剛，朱墨，等.固液分離法處理廢棄鉆井液的技術(shù)與現(xiàn)狀[J].工業(yè)水處理，1997，17（1）：13-14.

[4]李世勇，張新發(fā)，徐軍，等.鉆井液無(wú)害化處理技術(shù)研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30（2）：267-270.

[5] 薛玉芝，劉建民，劉剛.廢鉆井液化學(xué)脫穩(wěn)與分離處理的室內(nèi)研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30（2）：111-113.

TE2

A

1004-5716(2016)11-0106-04

2015-12-08

2016-01-18

段曉東（1984-），男（漢族），陜西富平人，工程師，現(xiàn)從事鉆井科技管理工作。