廢棄鉆井液處理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

張冬林，胡繼強(qiáng)，李 剛，曹 進(jìn)，王丹丹，岳柳青

[1.延長(zhǎng)油田股份有限公司下寺灣采油廠，陜西甘泉 716100；2.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710065；3.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司管道運(yùn)輸?shù)谖宸止?，陜西西?710600]

1 廢棄鉆井液危害性分析

鉆井液是石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)鉆井過(guò)程中必不可少的一種流體，為實(shí)現(xiàn)安全鉆井，通常會(huì)向鉆井液中投加多種不同的鉆井助劑；隨著鉆井深度的增大，通常鉆井難度也會(huì)隨著增大，投加鉆井助劑的種類(lèi)和數(shù)量也隨之增多，從而使得廢棄鉆井液的成分更復(fù)雜，危害性變大。廢棄鉆井液對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害性的主要成分有無(wú)機(jī)/有機(jī)鹽、石油烴類(lèi)、聚合物及其改性物等，表現(xiàn)為組成復(fù)雜、懸浮物含量高、色度深、礦化度高、COD高、污染因子種類(lèi)多且含量高等特點(diǎn)[1]。

2 廢棄鉆井液處理技術(shù)

2.1 直接排放

對(duì)于一些低毒甚至無(wú)毒、可生物降解的廢棄鉆井液，通常可以直接排放到自然環(huán)境中，如水基/礦物油/合成基廢棄鉆井液、合成基廢棄鉆屑等。但隨著鉆井液成分越來(lái)越復(fù)雜、環(huán)境保護(hù)要求越來(lái)越嚴(yán)格，排放法使用得越來(lái)越少。

2.2 分散處理法技術(shù)

廢棄鉆井液的pH通常大于7.0，若集中堆放可使得集中堆放區(qū)域的土壤堿化，不利于土壤保護(hù)，因此，在滿(mǎn)足環(huán)保要求的條件下，可采用分散處理技術(shù)，將廢棄鉆井液分到酸性土壤中，不僅處理了廢棄鉆井液，避免廢棄鉆井液對(duì)環(huán)境的破壞，同時(shí)還能起到中和土壤酸性、改良土壤的作用。

2.3 循環(huán)再利用技術(shù)

鉆井液使用量大，若不對(duì)有益成分加以循環(huán)再利用，一方面造成資源浪費(fèi)，另一面也會(huì)增加生產(chǎn)成本，因此對(duì)廢棄鉆井液中的有益成分加以循環(huán)再利用就顯得尤為重要。如：廢棄鉆井液固液分離后的廢水可清洗鉆頭；對(duì)清洗鉆頭后的加以簡(jiǎn)單處理收集后用于鉆井液配液，實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液的循環(huán)再利用。

2.4 回收再利用技術(shù)

對(duì)于廢棄油基/酯基/合成基鉆井液，可對(duì)其進(jìn)行基液的回收，或用于其他鉆井液的基液，或用于燃料。另外投加在鉆井液中的化學(xué)助劑也可以進(jìn)行回收再利用。

2.5 脫水減量技術(shù)

脫水減量技術(shù)就是利用破膠、固液分離、化學(xué)混凝沉降等技術(shù)對(duì)廢棄鉆井液進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液的減量化。使用該處理技術(shù)前，通常須對(duì)廢棄鉆井液進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)分析，了解其水質(zhì)特性，以便取得較好的處理效果[2]。

2.6 破乳處理技術(shù)

對(duì)于乳狀/半乳狀廢棄鉆井液，處理起來(lái)相當(dāng)困難，在處理前須先進(jìn)行破乳處理。實(shí)際生產(chǎn)中，使用較多的是化學(xué)破乳技術(shù)，即向廢棄鉆井液中投加適量的化學(xué)破乳劑，實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液破乳，降低廢棄鉆井液的粘，為其后續(xù)處理提供準(zhǔn)備。需要注意的是投加化學(xué)破乳劑，不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本，同時(shí)還會(huì)使得廢棄鉆井液的成分變復(fù)雜，處理更困難，因此開(kāi)展破乳劑的種類(lèi)篩選及加量?jī)?yōu)化就顯得尤為重要[3]。

2.7 回注技術(shù)

對(duì)于毒性較大且處理難度非常大的廢棄鉆井液，可進(jìn)行回注處理。通常分兩種情況：一是將廢棄鉆井液通過(guò)井眼注入深度大于600m的地層或井眼環(huán)空；二是注入非滲透性地層，即先用壓裂液將地層壓開(kāi)產(chǎn)生裂縫，再將廢棄鉆井液注入地層裂縫中，待壓力撤銷(xiāo)時(shí)，裂縫自行閉合，防止廢棄鉆井液發(fā)生遷移，避免對(duì)地層產(chǎn)生傷害，該處理技術(shù)多見(jiàn)于海上廢棄鉆井液的處理。

2.8 回填技術(shù)

回填技術(shù)是將廢棄鉆井液儲(chǔ)存在坑內(nèi)，實(shí)現(xiàn)沉降分離后，上清液滿(mǎn)足環(huán)保要求后直接排放，剩余廢棄物經(jīng)自然干燥后就地填滿(mǎn)，需要注意的是須保持回填坑頂部土層厚度1.0~1.5m和做好防滲處理。該技術(shù)多見(jiàn)于低毒、無(wú)毒廢棄鉆井液的處理，對(duì)于毒性較大的廢棄鉆井液不能使用[4]。

2.9 填埋冷凍技術(shù)

對(duì)于溫度極低，極其寒冷的區(qū)域，處理廢棄鉆井液可使用填埋冷凍法，即將廢棄鉆井液注入凍土層，實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液的永久冷凍封埋，避免了廢棄鉆井液對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，如美國(guó)阿拉斯加州北斜坡地區(qū)就是使用填埋冷凍技術(shù)處理廢棄鉆井液，取得了較為理想的效果。

2.10 集中處理技術(shù)

對(duì)于鉆井現(xiàn)場(chǎng)空間和處理設(shè)備有限不能現(xiàn)場(chǎng)處理，且不能直接排放的廢棄鉆井液須轉(zhuǎn)運(yùn)至集中處理站進(jìn)行處理，這主要是針對(duì)毒性較大，用常規(guī)處理工藝處理后仍難以達(dá)標(biāo)的廢棄鉆井液。

2.11 化學(xué)混凝技術(shù)

化學(xué)混凝技術(shù)具有較強(qiáng)的適用性，對(duì)于各種工業(yè)廢液均有較好的處理效果，因工藝簡(jiǎn)單、操作靈活易實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)成本低、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，是廢棄鉆井液最常用的處理方法之一?；瘜W(xué)混凝技術(shù)即向廢棄鉆井液中投加適量的混凝劑和絮凝劑，實(shí)現(xiàn)膠體、懸浮物的去除，但對(duì)廢液中溶解性有機(jī)物的去除效果有限，因此化學(xué)混凝技術(shù)通常作為廢棄鉆井液的預(yù)處理技術(shù)使用。

2.12 化學(xué)氧化技術(shù)

化學(xué)氧化技術(shù)即向廢棄鉆井液中投加適量的氧化劑，氧化降解廢液中的高分子化合物、有機(jī)物等，達(dá)到降黏降濁降COD等作用。常用的化學(xué)氧化技術(shù)有Fenton氧化技術(shù)、次氯酸氧化技術(shù)、臭氧氧化技術(shù)和二氧化氯氧化技術(shù)等。Fenton氧化技術(shù)即向廢棄鉆井液中引入Fe2+和H2O2，實(shí)現(xiàn)高分子化合物、有機(jī)物等的降解，國(guó)內(nèi)外對(duì)其處理廢棄鉆井液的研究和應(yīng)用較多，也取得了較好的處理效果，研究表明Fenton氧化技術(shù)可顯著降低廢棄鉆井液的COD和提高廢棄鉆井液的可生化性；臭氧氧化技術(shù)具有降解徹底、氧化能力強(qiáng)、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，但能耗高且生產(chǎn)成本偏高，一定程度上限制了其使用；二氧化氯催化氧化技術(shù)運(yùn)用廢棄鉆井液的處理較少，有研究表明處理混凝后的廢棄鉆井液，可使出水的COD降低至100mg/L以下。

2.13 生物處理技術(shù)

生物處理技術(shù)即向廢棄鉆井液中投加適量的微生物，利用微生物分解廢液中的有機(jī)污染物。其原理為利用微生物的代謝作用，將廢液中的污染物轉(zhuǎn)移到微生物體內(nèi)進(jìn)行代謝，分解為無(wú)害的物質(zhì)，達(dá)到凈化廢棄鉆井液的目的。運(yùn)用微生物處理廢棄鉆井液，其研究的重點(diǎn)是篩選并培養(yǎng)合適的微生物菌種及載體[5-6]。該處理技術(shù)具有污染區(qū)處理徹底、出水效果好、處理成本低等優(yōu)點(diǎn)，但微生物菌種篩選和培養(yǎng)難度大，且處理周期長(zhǎng)，因此大規(guī)模推廣使用受到一定限制。目前，用于處理廢棄鉆井液的生物技術(shù)主要有活性污泥技術(shù)、生物膜技術(shù)、生物轉(zhuǎn)盤(pán)技術(shù)、人工濕地技術(shù)和氧化塘技術(shù)等。

活性污泥技術(shù)以活性污泥為主體，通過(guò)對(duì)廢棄鉆井液進(jìn)行曝氣，利用自然產(chǎn)生的微生物對(duì)鉆井廢液進(jìn)行處理，達(dá)到凈化廢棄鉆井液的目的。有研究表明，利用序批式活性污泥技術(shù)（即SBR技術(shù)）對(duì)預(yù)處理后的鉆井廢水進(jìn)行處理，可極大提高鉆井廢水的可生化性，出水達(dá)到國(guó)家排放三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；另外，采用微電解-活性污泥聯(lián)合技術(shù)處理廢棄鉆井液，不僅可極大提高廢棄鉆井液的可生化性，同時(shí)還能極大提高污泥的沉降性能。

2.14 固化技術(shù)

固化技術(shù)即向廢棄鉆井液中投加適量的固化劑，使廢棄鉆井液膠結(jié)固化，固化后可填埋或者作為建筑材料使用。該處理技術(shù)是目前公認(rèn)較為理想，在石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)使用最為廣泛的廢棄鉆井液處理技術(shù)。該處理技術(shù)可很好地消除有機(jī)物、金屬離子對(duì)水體、土壤等生態(tài)環(huán)境的危害和不利影響，且對(duì)COD、pH和總鉻等處理難度大的處理效果較好。當(dāng)廢棄鉆井液含水量較高時(shí)（如油基鉆井液/膨潤(rùn)土型部分水解聚丙烯酰胺/木質(zhì)素磺酸鉻等），可聯(lián)合固液分離技術(shù)使用，能夠取得較理想的處理效果[5-7]。

2.15 焚燒

焚燒即在高溫條件下（一般為1 200~1 500℃）對(duì)廢棄鉆井液進(jìn)行燃燒處理，焚燒爐內(nèi)安有除塵/回收/ 氣體吸收等裝置，具有清潔、對(duì)環(huán)境不良影響小等優(yōu)點(diǎn)，焚燒回收的油可用作油基鉆井液基液，灰燼可燃料化使用[7]。

2.16 坑內(nèi)密封技術(shù)

坑內(nèi)密封技術(shù)是一種特殊的填埋處理技術(shù)，即在填埋坑的底部和周?chē)来武伾嫌袡C(jī)土、塑料墊層，或者在填埋坑的底部和周?chē)M(jìn)行固化處理，以防廢棄鉆井液滲漏；再將干燥系數(shù)較大（即基本干燥）的廢棄鉆井液填埋在坑內(nèi)，坑上部按照前述方法進(jìn)行有機(jī)土、塑料墊層覆蓋密封；最后恢復(fù)地貌。該處理技術(shù)主要用于毒性較大的廢棄鉆井液處理，但需要注意的是必須做好密封防滲處理，以避免廢棄鉆井液滲漏對(duì)土壤產(chǎn)生不利影響[8]。

2.17 鉆屑的綜合利用

（1）用作建筑材料。有研究表明將廢棄鉆井液進(jìn)行固化處理、膠結(jié)用于制造泵房，實(shí)現(xiàn)了廢棄鉆井液的循環(huán)再利用。

（2）用作水泥原材料。鉆屑一般由礦石、黏土等組成，主要成分包括SiO2、Al2O3、CaO等，這些成分正是水泥的主要成分，因此可提煉廢棄鉆井液中的SiO2、Al2O3、CaO等有效組分用作水泥原材料。實(shí)際生產(chǎn)中，水基廢棄鉆井液、油基廢棄鉆井液均可實(shí)現(xiàn)鉆屑的有效成分提煉再利用。

（3）用于改善濕地。國(guó)內(nèi)曾對(duì)廢棄鉆井液用于改善濕地進(jìn)行了可行性研究，取得了一定的成果，研究以某油田采油區(qū)周?chē)奶J葦為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，移位處理從鉆井現(xiàn)場(chǎng)拉運(yùn)過(guò)來(lái)的廢棄鉆井液，取得了較好的處理效果，結(jié)果表明濕地蘆葦對(duì)廢棄鉆井液中的礦物油具有較高的凈化率，且一定范圍內(nèi)廢棄鉆井液的投加量越大，礦物油的凈化率越高；同時(shí)發(fā)現(xiàn)使用該處理技術(shù)對(duì)該區(qū)域深層土壤的理化性質(zhì)無(wú)明顯影響，對(duì)深層地下水的水質(zhì)影響較小，對(duì)淺層地下水的水質(zhì)影響可通過(guò)防滲處理而加以避免；但對(duì)濕地蘆葦?shù)陌l(fā)芽率、生物量及葉齡指數(shù)產(chǎn)生一定的不利影響，對(duì)蘆葦?shù)钠焚|(zhì)基本不產(chǎn)生不利影響，因此廢棄鉆井液用于改善濕地不失為一種好的處理方法，既實(shí)現(xiàn)了廢棄鉆井液的處理，又保護(hù)了土壤環(huán)境及自然濕地。

（4）用于MTC技術(shù)。MTC技術(shù)即廢棄鉆井液轉(zhuǎn)化為固井液技術(shù)，其原理是將礦渣與廢棄鉆井液有效混合，通過(guò)投加激活劑來(lái)激活礦渣中的固化劑，再根據(jù)生產(chǎn)需要投加適宜的固井液助劑，從而制備成固井液而實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液的再利用。MTC技術(shù)具有泵入性好、水濾失量低、適用性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低、易生成井壁濾餅、易配制低密度固井液等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了大量相關(guān)研究，并且在石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[9]。

3 廢棄鉆井液處理工藝目前存在的問(wèn)題與設(shè)計(jì)原則

3.1 存在的問(wèn)題

（1）流程復(fù)雜，操作不方便；（2）技術(shù)單一，不具備廣闊的適應(yīng)性，應(yīng)用效果有限；（3）投資和運(yùn)行費(fèi)用高，且處理效率較低；（4）設(shè)備體積龐大，操作靈活性較低，且安全系數(shù)不高。

3.2 設(shè)計(jì)原則

目前國(guó)內(nèi)外車(chē)載移動(dòng)式廢棄鉆井液處理站通常采用物理+化學(xué)聯(lián)合處理技術(shù)，而廢棄鉆井液固定式處理站多采用生物處理技術(shù)，但由于其處理流程長(zhǎng)、處理設(shè)備多而復(fù)雜，通常會(huì)受限于空間的大小，因此生物處理技術(shù)的應(yīng)用受到較大限制。未來(lái)，廢棄鉆井液處理技術(shù)的研究重點(diǎn)是如何將物理和化學(xué)處理技術(shù)很好地結(jié)合起來(lái)，盡可能發(fā)揮最大處理效果。另外，車(chē)載可移動(dòng)式廢棄鉆井液處理技術(shù)的研究重點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

（1）技術(shù)可行、設(shè)備制造成本低；（2）流程簡(jiǎn)單、操作方便、安全系數(shù)高；（3）設(shè)備占地面積小，搬運(yùn)維修方便；（4）處理效率高、效果好；（5）運(yùn)行成本低。

4 需要解決的技術(shù)難題

不同處理工藝具有不同的特點(diǎn)，不同處理設(shè)備具有不同的適用范圍，同時(shí)不同油氣田區(qū)域的廢棄鉆井液水質(zhì)特性也有較大差異，因此正確選擇適用的處理工藝和設(shè)備就顯得尤為重要。分析總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)用的廢棄鉆井液處理技術(shù)，得出處理廢棄鉆井液需解決的主要技術(shù)難題如下。

1）研發(fā)“一劑多效”的廢棄鉆井液化學(xué)處理藥劑，提高廢棄鉆井液的沉降性能，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間高效率沉降；

2）深度處理技術(shù)（主要是廢棄鉆井液高COD的降解）；

3）可移動(dòng)式廢棄鉆井液處理工藝的研究及集成優(yōu)化；

4）多功能、可移動(dòng)污水處理設(shè)備的研制。