海上鉆井廢物管理原則及處理技術(shù)探討

張羽臣 林家昱 霍宏博 劉海龍 張 磊

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司)

0 引 言

在國(guó)家環(huán)保要求日益嚴(yán)格的形勢(shì)下，如何在油氣勘探開發(fā)過程中更好地實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，是海上油田面臨的突出問題[1-3]。隨著海上鉆井作業(yè)量持續(xù)增加，鉆井廢物產(chǎn)生量也隨之增加，部分區(qū)塊要求鉆井廢物“零排放”，對(duì)環(huán)境保護(hù)帶來巨大挑戰(zhàn)，而海上作業(yè)特點(diǎn)是平臺(tái)空間嚴(yán)重受限，運(yùn)輸成本較高，本文介紹了海上鉆井廢物的處理原則，對(duì)適用海上水基鉆井廢物的循環(huán)利用技術(shù)和適用油基鉆井廢物的熱處理技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 海上鉆井廢物現(xiàn)行處理方法及存在的問題

海上鉆井廢物目前的管理原則較為粗獷，沒有系統(tǒng)性考慮鉆井廢物減排問題，海上鉆井廢物現(xiàn)行處理方法主要分為兩種：排海和回收。海上鉆井廢物排放遵循的標(biāo)準(zhǔn)為GB 4914—2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》[4]。通常未鉆入油氣層段的水基廢鉆井液及鉆屑在滿足以上標(biāo)準(zhǔn)要求，并經(jīng)所在海域主管部門批準(zhǔn)后排海處理；鉆入油氣層的水基廢鉆井液、鉆屑及油基鉆井液、鉆屑利用專用的回收箱回收，通過船舶運(yùn)至陸地，交于有資質(zhì)的處理廠進(jìn)行集中無害化處理。隨著現(xiàn)場(chǎng)鉆井廢物產(chǎn)量大量增加，海上現(xiàn)行鉆井廢物處理暴露出一些問題：①鉆井廢物回收、運(yùn)輸及陸地終端處置成本顯著提高；②現(xiàn)行處置方法回收效率較低，影響現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率；③處理廠接受能力受限致使鉆井廢物大量堆積，給HSE管控帶來風(fēng)險(xiǎn)。因此現(xiàn)行處理方法已無法滿足新形勢(shì)下鉆井廢物的處理需求。

2 海上鉆井廢物管理原則

國(guó)外對(duì)于鉆井廢物的管理始終遵循鉆井廢物處理數(shù)量最少化、毒性最小化的管理原則，稱為“4R”原則，即源頭減少(Reduce)、再利用(Reuse)、再循環(huán)(Recycle)、再回收(Recovery)[5]。近年來，越來越多的海上區(qū)塊要求鉆井廢物“零排放”，因此，有必要建立鉆井廢物系統(tǒng)化管理體系。“4R”原則同樣適用于國(guó)內(nèi)海上鉆井廢物管理，圍繞減量開展，從源頭減少、現(xiàn)場(chǎng)過程控制、循環(huán)使用到最終回收處理都進(jìn)行嚴(yán)格控制，在遵守“4R”原則的同時(shí)達(dá)到“零排放”，將鉆井廢物對(duì)環(huán)境的污染降至最低。

3 海上鉆井廢物處理技術(shù)

3.1 源頭減量控制技術(shù)

鉆井廢物的控制從最初的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該考慮，在源頭上降低鉆井廢物處理的數(shù)量及毒性[6-8]。

1)采用小井眼鉆井工藝

井眼尺寸越小，廢鉆井液和鉆屑的產(chǎn)生量越小，井深500 m時(shí)不同井眼直徑與鉆井廢物產(chǎn)生量的關(guān)系[6]見表1。由此可見，采用小井眼鉆井工藝會(huì)大幅度降低鉆井廢物的產(chǎn)出量。

表1 井深500 m時(shí)井眼直徑與鉆井廢物產(chǎn)生量的關(guān)系

2)選用環(huán)境友好型鉆完井液體系及添加劑

隨著鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步，鉆井液類型越來越多，各種添加劑越來越復(fù)雜，甚至同一口井用幾種鉆井液體系，無形中增加了鉆井廢物量，給廢鉆井液的處理帶來極大困難。建議研發(fā)環(huán)境友好和區(qū)域通用型鉆完井液體系，提高鉆井液的重復(fù)利用率，將大大降低廢鉆井液產(chǎn)出量。

3)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)污染源的管理，提高固控效率

淘汰老舊落后固控設(shè)備，全面升級(jí)四級(jí)固控系統(tǒng)，保證固控效果，降低因維護(hù)鉆井液性能而頻繁稀釋及反復(fù)添加處理劑現(xiàn)象，同時(shí)防止“跑、冒、滴、漏”等，從而減低鉆井廢物產(chǎn)出量。

3.2 鉆井廢物現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)減量技術(shù)

國(guó)內(nèi)外鉆井廢物處理技術(shù)有很多，如固化法、回填法、焚燒法、生物降解法、回注法、固液分離法、熱處理、萃取和化學(xué)清洗等[8-10]，康菲石油公司常用回注法處理鉆井巖屑，該方法將廢鉆井液回注地層不僅會(huì)造成地層污染，也可能造成回注地層壓力過大，導(dǎo)致壓漏地層，陸地油田較早時(shí)期也曾采用回填法，將廢鉆井液經(jīng)絮凝、自然干化后就地加土掩埋，易造成土壤及水源污染。考慮海上運(yùn)輸成本較高及平臺(tái)的空間限制，其最好的減量手段就是廢鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)使用。從各方法所采用的工藝設(shè)備、占地面積、適合海上平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來看[11]，化學(xué)脫穩(wěn)固液分離技術(shù)適用于處理水基廢鉆井液，熱處理技術(shù)適用于處理油基廢鉆井液。

鉆井廢物不同處理技術(shù)對(duì)比見表2。

1)水基廢鉆井液化學(xué)脫穩(wěn)固液分離技術(shù)

化學(xué)脫穩(wěn)固液分離技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用，該技術(shù)利用化學(xué)藥劑破膠、絮凝沉降和機(jī)械固液分離等組合技術(shù)，分離鉆井液中的固、液兩相，液相可以重復(fù)配漿或達(dá)標(biāo)排放[4，12]。廢鉆井液是一種復(fù)雜的懸浮液，主要包括膨潤(rùn)土、無機(jī)鹽、化學(xué)添加劑、加重材料等，膨潤(rùn)土本身就有很強(qiáng)的水化功能，又加入了大量的護(hù)膠劑，致使廢鉆井液比較穩(wěn)定，簡(jiǎn)單自然沉降和固液分離很難破壞鉆井液中的膠體體系，通過加入破膠劑改變鉆井液的物理、化學(xué)性質(zhì)，破壞其膠體體系，促使懸浮的細(xì)小顆粒聚結(jié)成較大的絮凝體，再采用壓濾、離心等機(jī)械手段進(jìn)行固液分離。該技術(shù)在蘇里格和長(zhǎng)北氣田得到廣泛應(yīng)用[13-14]，固液分離后的液體BOD、COD大幅降低，回配新鉆井液性能與采用清水配制基本一致。固液分離出的液相體積達(dá)到70%以上，分離出的固相含水率低，降低鉆井廢物產(chǎn)出量70%以上，化學(xué)脫穩(wěn)固液分離主要設(shè)備及處理流程見圖1。

表2 鉆井廢物不同處理技術(shù)對(duì)比

圖1 化學(xué)脫穩(wěn)固液分離主要設(shè)備及處理流程

該技術(shù)在海上蓬萊19-3油田應(yīng)用，使用濾液配制的鉆井液對(duì)體系流變性能沒有影響，整個(gè)鉆井液性能可控，切力、3/6轉(zhuǎn)穩(wěn)定，返砂良好，失水始終控制在4 mL左右，所鉆井起下鉆效率與海水所配漿應(yīng)用效果基本一致，尾管順利到位。海水配制與濾液配制鉆井液性能對(duì)比見表3。

表3 海水配制與濾液配制鉆井液性能對(duì)比

2)油基鉆屑熱處理技術(shù)

國(guó)內(nèi)外對(duì)于油基鉆井廢物常用的處理技術(shù)是機(jī)械分離和熱脫附組合技術(shù)[15]。利用離心甩干機(jī)械外力清除含油鉆屑表面的游離態(tài)油類物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)初步固液分離；含油鉆屑中達(dá)標(biāo)部分合規(guī)處理或回收，未達(dá)標(biāo)部分經(jīng)高溫?zé)崦摳教幚?，使固相含油率、尾氣及污水達(dá)到相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4，16]。油基廢鉆井液處理系統(tǒng)主要包含機(jī)械除油裝置和電磁感應(yīng)熱脫附裝置兩部分。機(jī)械除油裝置關(guān)鍵設(shè)備是甩干機(jī)和高速離心機(jī)，甩干機(jī)針對(duì)大顆粒含油鉆屑，處理后固相含油率可低于6%；高速離心機(jī)針對(duì)粒徑2～10 μm的固相物質(zhì)，處理后固相含油率5%～50%。電磁感應(yīng)熱脫附裝置主要設(shè)備包括：鉆屑輸送裝置、反應(yīng)釜、冷卻系統(tǒng)、油水回收裝置、尾氣凈化裝置，其工作原理是高溫負(fù)壓狀態(tài)下，含油鉆屑在容器內(nèi)發(fā)生熱解反應(yīng)，使基礎(chǔ)油和水以氣體餾分的形式分離，剩余的固態(tài)殘?jiān)詣?dòng)排出，廢氣中的含硫氣體、有機(jī)物氣體，經(jīng)過水封罐堿洗、脫硫罐脫硫、有機(jī)物氣體催化高溫燃燒后排放。主要用于處理經(jīng)機(jī)械除油處理后無法達(dá)標(biāo)排放的含油鉆屑[4]，含油鉆屑經(jīng)熱脫附處理后，鉆屑含油量低于1%，油水回收，尾氣達(dá)標(biāo)[16]，有助于含油鉆屑的無害化處理。該技術(shù)在南海東部某油田應(yīng)用，處理后鉆屑含油率小于1%。油基鉆井廢物處理主要設(shè)備及流程見圖2。含油鉆屑熱處理前后組分含量對(duì)比見表4。

圖2 油基鉆井廢物處理主要設(shè)備及流程

鉆屑含水率含油率含固率處理前5～1010～1575～85處理后<5<1>95

4 結(jié)論和建議

1)海上鉆井廢物處理突出問題是其數(shù)量巨大，管理原則圍繞現(xiàn)場(chǎng)減量開展，從源頭減少、現(xiàn)場(chǎng)過程控制、循環(huán)使用到最終回收處理都進(jìn)行嚴(yán)格控制，遵守“4R”原則的同時(shí)達(dá)到“零排放”，將鉆井廢物對(duì)環(huán)境的污染降至最低。

2)采用小井眼工藝和研發(fā)環(huán)保型鉆井液體系，實(shí)現(xiàn)體系統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化、單井一致性、區(qū)域適用性，從源頭有效減少鉆井廢物的產(chǎn)生量。

3)目前來看，國(guó)內(nèi)外油田針對(duì)水基和油基鉆井廢物主流的循環(huán)使用技術(shù)分別是水基廢鉆井液化學(xué)脫穩(wěn)固液分離技術(shù)和油基鉆屑熱處理技術(shù)，但由于海洋作業(yè)的特殊性、平臺(tái)空間限制等因素，在鉆井平臺(tái)開展隨鉆壓濾作業(yè)仍存在較大的困難和局限性，應(yīng)繼續(xù)探索小型化、高效減量的現(xiàn)場(chǎng)處理工藝和設(shè)備。