渤海鉆井廢物無害化處置技術(shù)研究*

張羽臣 岳 明 霍宏博 林家昱 張 磊

(中海石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

環(huán)境保護是我國的一項基本國策，尤其是2015年1月1日，新環(huán)保法的正式實施，對油田鉆井作業(yè)的污染治理工作提出了更高的要求。目前三省一市(遼寧、河北、山東和天津)根據(jù)所轄海域、海島、海岸線等生態(tài)保護紅線區(qū)內(nèi)要求污染物零排放，現(xiàn)行廢物處置方式已經(jīng)暴露出諸多問題，而隨著國家環(huán)保要求的日趨嚴格，渤海鉆井廢物回收量增加，勘探開發(fā)將面臨巨大的成本壓力，因此有必要提出新的渤海油田鉆井廢物處置技術(shù)。本文分析了現(xiàn)行海上鉆井廢物處置方式存在的問題，通過調(diào)研，并結(jié)合海上作業(yè)特點提出了廢物處置原則、處置思路，提出適用于渤海鉆井廢物無害化處置技術(shù)。

1 渤海鉆井廢物種類及危害

1.1 渤海鉆井廢物種類

鉆井廢物從來源看主要包括：廢鉆井液、廢液和鉆屑[1]。廢鉆井液來源于鉆完井、修井、測試過程中產(chǎn)生的過?；虿荒茉偈褂玫你@完井液、修井液、測試液，其主要污染物為化學添加劑和油；廢液來源較廣，包括清潔作業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的清洗液、沖洗鉆井平臺產(chǎn)生的污水等，主要污染物為重金屬、有機處理劑和油；鉆屑來源于鉆井過程中攜帶到地面的巖體碎屑，其表面被泥漿所包裹，主要污染物為重金屬和油。

1.2 渤海鉆井廢物危害

渤海各油田目前均采用水基鉆井液，相對油基鉆井液和合成基鉆井液，對環(huán)境污染程度要小很多，但其中的芳香烴類、有毒化學物質(zhì)、重金屬等也會對海洋環(huán)境造成較大影響。此外，鉆井廢物中的烴類、化學合成劑及重金屬類物質(zhì)也會在浮游生物、水藻、甲殼類及魚類等體內(nèi)富集，干擾系統(tǒng)生態(tài)平衡，也會對人類海洋食品安全間接造成威脅[2-4]。

2 渤海鉆井廢物處置方法及存在問題

2.1 現(xiàn)行處置方法

渤海鉆井廢物現(xiàn)行處置方法主要分為兩種：排海和回收。未鉆入油氣層段的廢鉆井液及鉆屑滿足GB 4914—2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》相關(guān)要求，并經(jīng)所在海域主管部門批準后排海處理；鉆入油氣層的廢鉆井液及鉆屑利用專用的回收箱回收，通過船舶運至陸地交于有相應(yīng)資質(zhì)的處理廠進行集中無害化處理[5-6]。

2.2 存在的問題

近年來，隨著各地環(huán)保要求的提高以及作業(yè)量的增加，廢物回收量顯著增大，現(xiàn)行處置方式暴露出一些問題：

1)廢物回收、運輸及陸地終端處置成本大幅提高；

2)對于零排放井，現(xiàn)行處置方式回收效率較低，嚴重影響現(xiàn)場鉆井作業(yè)效率；

3)在特殊時期，如國家地區(qū)重大活動，各地方加強廢物的管控，致使廢物大量堆積，給HSE管控帶來風險。

3 渤海鉆井廢物處置技術(shù)研究

3.1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

國際上海洋鉆井廢物處置方式很多，主要包括井下回注處理、循環(huán)利用、自然蒸發(fā)、集中固化處理、土壤分散處理等方法。國內(nèi)外鉆井廢物無害化處置技術(shù)占比情況見圖1。常用處置方式是循環(huán)利用、地層回注和運回陸地集中處置，考慮成本因素，循環(huán)利用和地層回注仍是目前運用較多的處置方式[6-9]。在國內(nèi)受地層特征、經(jīng)濟性、回注目的層篩選及回注能力計算等因素限制及個別油田溢油事故的影響，地層回注技術(shù)應(yīng)用較少。

圖1 國內(nèi)外鉆井廢物無害化處置技術(shù)占比情況

3.2 渤海鉆井廢物無害化處置難點

渤海鉆井廢物處置的主要矛盾在于廢物總量大帶來的一系列問題，2016—2018年，鉆井廢物隨作業(yè)量逐年增加，因此重點分析影響廢物產(chǎn)出量的原因，從源頭到現(xiàn)場工藝、流程等分析渤海廢物產(chǎn)生量影響因素，主要有以下方面。

1)環(huán)保政策要求越來越多的區(qū)域?qū)嵭辛闩欧牛S著政策的趨緊，需要處理的廢物總量將增加；

2)渤海鉆井液體系眾多，不同區(qū)塊、不同地層采用不同鉆井液體系，甚至同一口井要采用幾種鉆井液體系，且體系之間不能相互轉(zhuǎn)化，大大增加了廢物產(chǎn)生量；

3)現(xiàn)場巖屑的收集主要通過螺旋傳送器將振動篩分離的巖屑輸送至巖屑回收箱，收集的巖屑含水量過高，固體和液體的體積比達到4∶6，主要原因：一是振動篩分離的巖屑本身含水率較高；二是巖屑輸送過程中需要用清水清洗輸送；

4)現(xiàn)場鉆井液循環(huán)利用率低，海洋鉆井雖然采用批鉆模式，但為維護良好的鉆井液性能，需要不時排放大量老漿，補充新的膠液，因此廢液量很大。

3.3 渤海鉆井廢物無害化處置技術(shù)

通過國內(nèi)外處置方法調(diào)研及渤海廢物處置問題分析，并結(jié)合海上特點，確定渤海鉆井廢物處置原則為現(xiàn)場減量，主要手段為廢液循環(huán)再利用。

3.3.1 源頭減量控制技術(shù)

1)渤?？芍貜?fù)利用鉆井液體系優(yōu)化技術(shù)

鉆井液技術(shù)體系優(yōu)化與源頭控制，主要表現(xiàn)在對現(xiàn)有鉆井液體系的標準化改進，提高環(huán)保性能，在源頭實現(xiàn)廢物減排。

首先，采用環(huán)保型合成基鉆井液體系替代現(xiàn)有的非水基鉆井液體系，突出環(huán)保、可重復(fù)利用率高的特點，可大幅減少現(xiàn)場廢物量并降低廢物處理難度。其次，針對水基鉆井液，通過減少封堵劑和潤滑劑加量、選擇不同鹽抑制劑加強體系抗污染能力、使用高效環(huán)保的添加劑等手段，開發(fā)一套具有單井一致性和區(qū)域適用性特點的體系，替代現(xiàn)有多個水基體系，從而有效增加循環(huán)利用率和減少廢物產(chǎn)出量。

新的環(huán)保體系要突出通用性，能兼顧不同區(qū)域地層特點和作業(yè)難題，同時也要考慮降低廢物處理難度，技術(shù)路線見圖2。

圖2 源頭減量技術(shù)路線

2)井身結(jié)構(gòu)“瘦身”技術(shù)

在滿足勘探或開發(fā)生產(chǎn)要求的前提下，將渤海常用的井身結(jié)構(gòu)進行“瘦身”，能有效降低廢物的產(chǎn)出量，井身結(jié)構(gòu)“瘦身”示意見圖3。以2 500 m井為例，井身結(jié)構(gòu)“瘦身”后鉆井產(chǎn)生的巖屑和鉆井液總量降低40%左右，井身結(jié)構(gòu)“瘦身”前后巖屑和鉆井液量見圖4。

圖3 井身結(jié)構(gòu)“瘦身”示意

圖4 井身結(jié)構(gòu)“瘦身”前后巖屑和鉆井液量

3.3.2 鉆井廢物現(xiàn)場減量處置技術(shù)

1)現(xiàn)場減量初級處置技術(shù)

初級處置技術(shù)主要針對現(xiàn)場鉆屑減量，關(guān)鍵點在于如何降低目前回收巖屑含水率過高問題，海上條件允許的情況下，盡可能升級海上現(xiàn)有固控設(shè)備，但目前渤海大部分平臺受各種條件限制，短期內(nèi)很難大規(guī)模替換，因此建議在螺旋傳送裝置之后增加一臺初級固液分離裝置，渤海鉆井廢物處置設(shè)備及流程見圖5。初級固液分離裝置陸地油田通常采用簡易振動篩，也叫干燥篩，但考慮渤海油田上部為新生界地層，泥巖含量高，成巖性差，簡易振動篩固液分離效果難以保證，而負壓抽吸振動篩能有效解決該問題，并且在渤海埕北油田有所應(yīng)用，效果較好，通過含水率測定，進料含水率56%，出料含水率33.3%，鉆屑總量減少34%(質(zhì)量比)。

2)現(xiàn)場減量深度處置技術(shù)

深度處置技術(shù)主要針對廢鉆井液減量，采取的工藝為破膠絮凝和固液分離技術(shù)[10]，該項技術(shù)的關(guān)鍵是如何保證處置之后的濾液能夠循環(huán)使用，回用方式為復(fù)配鉆井液或作為注水井注水用水。

(1)濾液重復(fù)配鉆井液

廢鉆井液通過破膠絮凝-機械固液分離系統(tǒng)處置后分為兩部分：泥餅(巖屑)、濾液，占比1∶4。工作原理是采用化學強化固液分離技術(shù)，在廢鉆井液中加入絮凝劑，通過化學脫穩(wěn)處理，在機械力的作用下實現(xiàn)固液分離。固相用巖屑箱回收經(jīng)船舶運至陸地處置，濾液全部用于重新配制鉆井液。海水配制與濾液配制鉆井液的性能對比見表1。由表1可見，濾液配制鉆井液性能與海水配制基本相同，濾液復(fù)配鉆井液，大大提高了廢液利用率，廢液產(chǎn)出量減少75%，處置流程見圖5。

圖5 渤海鉆井廢物處置設(shè)備及流程

表1 海水配制與濾液配制鉆井液的性能對比

目前的固液分離處理工藝主要有重力濃縮脫水、真空脫水、壓濾脫水、離心脫水、污泥干化、污泥焚燒等工藝[11]。從現(xiàn)場應(yīng)用看，固液分離技術(shù)應(yīng)首選離心脫水或壓濾脫水工藝，常用設(shè)備有板式壓濾機、高速離心機和碟螺機。但目前設(shè)備普遍占地面積較大，難以滿足海上空間限制、作業(yè)效率需求，必須配備單獨的支持平臺，增加了成本，后期應(yīng)向小型化、撬裝化方向發(fā)展。

(2)濾液作為注水井注水用水

固液分離出的濾液通過一級高效氣浮設(shè)備，進行氣浮絮凝、氧化脫色，實現(xiàn)了鉆井污水中有機物的絮凝分離、氧化脫色和石油類降解去除，隨后采用高效纖維球過濾器成套設(shè)備深層精密過濾，從而實現(xiàn)污水回用或復(fù)配鉆井液[12]。處置流程見圖5。

4 結(jié)論與建議

1)隨著國家環(huán)保要求日趨嚴格，現(xiàn)行渤海鉆井廢物處置方式已不適合未來環(huán)保要求，為應(yīng)對渤海全面零排放技術(shù)需求，有必要建立渤海鉆井廢物處置技術(shù)體系。

2)渤海鉆井廢物處置問題主要矛盾在于隨著環(huán)保要求提高及作業(yè)量增加致使廢物處理量增大，處置原則圍繞現(xiàn)場減量開展技術(shù)研究，通過源頭減量控制技術(shù)和廢物初級、絮凝-深度固液分離技術(shù)實現(xiàn)了無害化處理。

3)通過調(diào)研及現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，目前固液分離裝備無法滿足海上空間限制及處理效率需求，未來應(yīng)向小型化、撬裝化固液分離工藝設(shè)備發(fā)展。

4)未來如果渤海全面實施零排放，可以改造現(xiàn)有平臺或新建專用的移動式廢物中心處理平臺。