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废弃钻井液处理技术

废弃钻井液处理技术

摘　要:

综述了近年来废钻井液无害化处理发展概况,介绍了国外废钻井液处理技术现状与发展趋势,并对废钻井液处理方法作了评述,认为废钻井液处理技术是一种技术上和经济上都可行的处理方法。

指出推行清洁生产、开发利用综合技术、加强源头与过程控制是目前治理废弃钻井液的当务之急,同时对治理废弃钻井液的未来发展趋势做了展望。

关键词:

废弃钻井液;污染;处理方法;固化

0前言

随着石油工业的快速发展,由废弃钻井液带来的污染问题越来越受到世界各国的重视.石油工业的全部过程（勘探、钻井、开发、储运和加工）在相应的条件下都会产生各种污染物（原油、油田污水、废弃钻井液和钻屑）,如不加以处理就直接排放,必然会对自然生态环境造成一定的破坏。

废弃钻井液是石油工业的主要污染物之一。

据统计,钻一口3000～4000m的普通油气井,完井后废弃的钻井液接近300m3。

根据中国石油天然气集团公司2008年对石油污染源的调查结果,我国油田每年钻井产生的废弃钻井液约1200多万吨,其中1/2直接排放到周围环境中。

近几年来世界各国迫于对能源的需求，导致钻井液的种类不断增加,添加剂与有毒有害成分也日益增多，使其组成极为复杂。

然而随着世界各国对环保要求的提高,对废弃钻井液的无害化治理已经成为当前亟待解决的问题。

本文从废弃钻井液的组成与对环境的危害分析出发,对近年来国外各油田处理废弃钻井液的技术方法进行了综述。

1废弃钻井液的组成无害化处理的目的与意义

在钻井作业中,钻井液是钻井的血液,是保证钻井正常运行不可缺少的物质,它能起到平衡地层压力、携带悬浮钻屑、清洗井底、保护井壁、录井、冷却、润滑钻具与传递动力等作用。

由于野外作业的特征,完井后施工现场存留的大量的废弃钻井液与废弃物几乎全部堆积于井场周围的废弃钻井泥浆储存坑,这就使本来成分复杂的废弃钻井液更加复杂,最终形成一种由粘土、加重材料、各种化学处理剂、污水、污油与钻屑等组成的多相悬浮性的体系。

这些体系在相应的条件下都会破坏自然生态环境。

石油、油碳氢化合物、油废钻井液和钻屑,以与含有各种化学物质的污水,都能够对空气、水、土地、动物界和人类起危害作用。

前联学者对石油和天然气工业生产过程中产生的污染与其生态危害有过详尽的论述。

废钻井液是石油工业的主要污染源之一,钻井产生的钻屑可能含有7.5%的石油和15%配制钻井液的有机和无机化学药剂。

通常钻井都备有钻井液池,用来储存废钻井液,其容积的大小与所钻井的深度有关。

因此,在一般情况下,完井后都留有一定数量的废钻井液。

目前相当数量井场的废钻井液与岩屑不经处理直接采用储存坑储存的方法处理,它会导致对土壤、表和地下水的污染,对环境造成影响和破坏,直接或间接对动物、植物与人类健康产生危害,不利于人类对环境和经济实施可持续发展的战略目标,因此应在钻井完成后对钻井液进行无害化处理。

2废弃钻井液的应用现状与发展趋势

20世纪70年代初,国外开始研究废钻井液对土壤、滩涂、沼泽与陆海动植物的影响,得到许多有价值的结论,并颁布了一系列环保条规和法规,也随之形成初步的废钻井液处理技术。

随着对环境保护的重视,环保法律日益完善,相应废钻井液处理技术也得到发展和提高。

另外,国外各大钻井液公司基本形成最正确废物管理系统。

该管理系统首先根据地质特点,正确选用钻井液与其处理剂,科学进行水质管理,使钻井过程中产生的废物减至最低量;二是鉴别和隔离潜在的废物源,减少引起问题的复杂性,使废物的加工和处理更加容易和经济;三是选择经济且符合环保要求的废钻井液处理方法。

我国该领域研究已有十几年的历史,在不同钻井废物对环境的影响与评价和钻井废物处理技术方面已取得不少研究成果,但国目前还没形成完备的设备和产品系列化。

目前国外各大钻井液公司基本形成最正确废物管理系统,产品也形成系列化,它的基本目的是选择最正确钻井作业,使废物量减至最小。

目前,国外废钻井液处理技术主要有:

简单处理排放、注入安全地层或井的环形空间、集中处理、回填、坑密封、土地耕作、固化、固—液分离、焚烧、微生物处理等。

我国石油工业虽然起步较晚,但对废钻井液的治理工作极为重视,胜利油田、辽河油田、油田、石油大学等单位在钻井液固化、固液分离、回收利用等方面做了大量的有益工作,探索出许多适合本单位的废钻井液处理技术。

现将几个典型技术分述如下:

2.1　废钻井液固化处理技术

固化处理系向废水基钻井液（或沉积物）中加入固化剂,使其转化为类固体,原地填埋或用作建筑材料等。

该方法能显著降低钻井液中金属离子和有机质对土壤的沥滤程度,从而减少了对环境的影响和危害,回填还耕也比较容易。

它是取代简单回填的一种更易为人们所承受的方法,近年来受到了重视。

固化法所用的固化剂分为有机系列和无机系列两大类。

有机系列固化剂,具有应用围广,适用于多种类型废物的处理,且具有固化有机废物效果好的优点,但处理费用高,废物中某些成分可能会引起有机固化剂降解,且该类固化剂使用时,需配用乳化剂等缺点。

无机固化剂的优点是:

原材料价廉易得,使用方便,处理费用低,固结好,稳定周期长（可达10年以上）,原料无毒,抗生物降解,低水溶性与较低的水渗透性,固结物机械强度高,对高固相废物的处理效果好等。

缺点是,固化剂用量大、使处理后的体积增加。

2.2废钻井液固液分离处理技术

废钻井液的含水率一般在80%～90%,因而可以考虑固液分离后对沉积固相固化处理。

选用有效的絮凝剂使废钻井液中体系最大程度脱水。

另外化学脱稳、絮凝技术可以强化机械分离固体的能力,使用这种技术可以使废钻井液体积减少50%～70%,分离出的泥饼固相最大可达50%～60%。

2.3废钻井液回收再利用处理技术

随着勘探开发的需要,定向井、丛式井占钻井施工的比例增加,对钻井液的性能要求也越来越高,钻井液材料耗量增加,回收钻井液对降低钻井成本,提高经济效益意义重大。

几种主要方法为:

2.3.1用机械方法将钻井液转化成干料再利用

此法采用钻井液回收处理装置将钻井液干燥固化处理后可获得钻井液干粉制剂。

固化回收装置回收后的钻井液干粉水化后虽然不能恢复原有的性质,但仍可以作为加重剂使用。

此法的缺点是燃料耗量大,处理费用高。

2.3.2老井钻井液回用技术

此法是将一口井的钻井液完井后移至另一口相似的异地的井,再加一些处理剂调整钻井液的性能达到设计要求后再使用。

该法简单易行,回收成本低,无需中转处理,回收过程中所需设备和人员比较少,是一条降低钻井液成本、防止环境污染的有效途径。

无论是经济效益,工程效益,还是环境效益都比较显著。

2.3.3老井钻井液用于新井压井液

转运罐车将高密度的完井钻井液转运到储备站,根据情况和需要再转到现场利用。

钻井工作中迫切需要解决的实用科学问题,是要寻找一个最方便,耗费最小的废钻井液利用方法。

而使钻井液能够多次利用,仍是最有前途的方法。

这种方法是适用于井网密度很高的地区。

2.3.4利用固相分离技术将钻井液再利用

结合固液分离技术,分别利用脱出水和脱出固相再配淡水钻井液、盐水钻井液与饱和盐水钻井液。

这种再配钻井液性能与现场钻井液和室按常规方法配制的钻井液性能相近;用脱出固相再配置的钻井液原材料成本只是常规钻井液材料成本的1/6。

为废钻井液再利用和解决钻井液环境污染问题提供有用的方法。

以上各种处理方法各有其优缺点,固化处理技术对于水基、油基以与盐基钻井液都适用,而且具有简便易行、成本相对较低、处理效果较好等优点,其主要缺点是固化剂用量大,使处理后的体积增加;回收再利用技术只适用于水基钻井液,而且操作比较复杂。

其优点相对于配制新钻井液来说成本较低;固液分离技术具有处理后液体和固相体积都比较小,设备易于车载、配套,适用于各种钻井液处理等优点,其主要缺点是劳动量极大,二次污染严重,设备投资量大,资金积累维护要求严格,很难实现机械化操作等。

综上所述,认为废钻井液固化处理技术是一种技术上和经济上都可行的处理方法。

3废钻井液固化处理方法概述

固化处理系向废水基钻井液中加入固化剂,使其转化成类似土壤的固体,原地填埋或用作建筑材料等。

该方法能显著降低废钻井液中金属离子和有机质对土壤的侵蚀和土壤沥滤程度,从而减少对环境的影响和危害,回填还耕也比较容易。

它是取代简单回填法的一种更易为人们承受的方法,近年来受到了重视。

国关于废弃钻井液的研究是从20世纪80年代开始的。

所用的固化剂基本上是水泥混合物,如1989年由石油管理局川西南矿区发明的废弃钻井液固化处理技术（专利公开号为CN1031519A-1989.3）,系以水泥作为主凝剂,水玻璃为助凝剂,硫酸盐或氯化物为催化剂。

经处理后的钻井液,2～7天后其强度>1.2MPa,采用此法具有费用低、固化效果好的优点。

其缺点是固化处理过程中需要投加主凝剂、助凝剂、催化剂等多种处理剂,处理过程过于复杂。

国外关于废钻井液固化处理技术较成熟,固化法所用的化学固化剂分为有机系列和无机系列两大类。

有机系列固化剂包括脲醛树脂、聚脂、环氧乙烷、丙烯酰胺凝胶体、聚丁二烯等;具有应用围广,适用于多种类型废物的处理,且有固化有机废物效果好的优点;但处理费用较高,可能会引起有机固化剂降解,且该类固化剂使用时,需配用乳化剂等缺点。

无机固化剂有波特兰水泥、波特兰水泥混合物以与近年选用的磷石膏等,它的优点是:

原料价廉易得,使用方便,处理费用低,固结、解毒效果好,稳定周期长,原料无毒,抗生物降解,低水溶性与低水渗透性,固结物机械强度高,对高固相含量废物的处理效果好等。

缺点是,常在特定条件下使用,适用围窄,固化剂用量大,使处理后得体积增加。

固化剂使危害性成分稳定住的原因可能有两种:

一是将可溶性的成分转化为难溶性的;另一种是把有害成分用土壤封闭、包裹在其中,从而达到降低其淋浴、沥滤性与迁移作用。

选用固化剂应使其与废物的混合比达到最小,这样不仅费用减少,而且可抑制固化后的产物体积过大。

多年来人们常用的固化剂与其性能有:

（1）波特兰水泥:

常用来处理固相含量<60%、含油量<19.8×104mg/L、COD值<17.5×104mg/L的废钻井液。

用量为废钻井液重量的40%～50%,经7～14天固化后,萃取水pH值为9.5～10,检测不出石油类的含量,COD值35～595mg/L,能消除有机物对环境的有害影响,缺点是水泥消耗量大,固化时间长。

（2）波特兰水泥混合物:

其配比为波特兰水泥∶胶岭石粘土∶纯碱=50∶45～49.5∶0.5,常用来处理固相含量>16%、含油量2.8%,COD值<5.9×104mg/L的废钻井液。

用量为废浆重量的2.5%,经7～14天固化后,固化物抗压强度0.81～3.72MPa,固化物在水中养护7天后,萃取水pH值10.5,COD值20～257mg/L,测不出石油类的含量。

该剂用量较小,对污染物固定能力强,固结质量好,工艺简单,成本也较低。

（3）波特兰水泥混合物:

其配比为波特兰水泥∶填料珍珠粉岩=100∶（50～100）。

常用来处理固相含量>16%、含油量2%、COD值<5.9×104mg/L的废钻井液。

用量为废钻井液重量的7%～20%,经7～14天固化后,固化物抗压强度0.1～2.24MPa,固化物在水中养护7天后,萃取水COD值20～360mg/L,测不出石油类的含量。

该剂能保证污染物完全固结。

（4）水泥窑粉与水泥混合物:

其配比为水泥窑粉尘∶水泥=（4～11）∶（0.3～1.0）常用来处理盐水钻井液废渣,其用量为钻井液废渣∶水泥窑粉尘∶水泥=（70～75）∶（4～11）（0.3～1.0）,经0.5～1天固化后,其机械强度高,废弃物可被完全固结,原料组成简单,处理费用较低。

（5）氯化镁饱和溶液与氧化镁的混合物:

常用来处理固相含量<63%,原油含量<4.3%,COD值<1.55×104mg/L的废钻井液,其用量为废液量的10%～30%,经2～7天固化后,固化物机械强度为1.5MPa,固化物在水中养护7天后,萃取水COD值为206mg/L,测不出石油类的含量,该剂固化时间短,能完全固化污染组分。

（6）低级纤维石棉:

用来处理固相含量<59%,COD值<6200mg/L的废钻井液。

其用量为废液的10%～20%,经1～7天的固化后,固化物机械强度为0.4～1.5MPa,固化物在水中养护7天后,萃取水pH值7.6～7.9,COD值为60～90mg/L,测不出石油类的含量,该固化时间短,固化物强度高,缺点是纤维石棉有毒。

（7）磷石膏:

用来处理固相含量60%～73%,原油含量2%～4.5%,COD值5257～8384mg/L的废钻井液。

其用量为废液量的20%～30%,经7天固化后,固化物强度为1.86～2.4MPa,固化物在水中养护7天后,萃取水pH值为7.1～7.4,COD值为994～1258mg/L。

该剂系工业废物固化剂,处理方法简单、经济,能改良土壤,固化物有足够的强度。

（8）氨基甲酸乙酯聚合物:

用来处理固相含量<63%,原油含量<8×104mg/L的废钻井液,固化后,固化物机械强度好,固化物在水中养护7天后,萃取水pH值为8.6～9.0,COD值为1220～2840mg/L,石油类20～30mg/L。

该处理剂用量少,固化时间短,对污染物去除能力低于波特兰水泥,但能使有机物大量固结。

（9）双过磷酸钙与脲醛树脂的混合物:

常用来处理固相含量>10%,含油量4%～10%,COD值1.55mg/L的废钻井液,用量为5%～25%,经2～17天固化后,抗压强度0.43～0.60MPa,固化物在水中养护7天后,萃取水pH值为5.3～5.7,COD值为1420～2080mg/L,测不出石油类的含量。

经处理后的固化物可供掩埋,能有效的处理有机杂质与石油类。

（10）水泥硅酸钠固化体系:

主要配方为2%Na2SiO3+1%Na2CO3+10%的水泥固化剂;5%的石膏+1.5%的碳酸纳+10%的水泥固化剂;2%的硅酸钠+1%氧化钙+10%的水泥固化剂。

除了技术上可行、经济上合理的废钻井液固化处理技术外,减小钻井废物污染是控制废钻井液污染的另一发展趋势。

在钻井作业过程中控制废物的排放量和毒性,变末端处理为全过程控制,采取各种措施预防钻井废物的污染是近年来国外油气田环保工作的一项重要容。

目前,国际上对废钻井液和钻屑进行管理的法规越来越严格,要求的处理程度不断提高,因此,无论从环境效益还是经济效益来讲,都应着重研究如何减少钻井废物的产生量。

4减少钻井废物的产生量

4.1小井眼钻井工艺

当钻井深度一定时,井眼尺寸越小,废钻井液和钻屑的产生量就越小,因此在可能的情况下采用小井眼钻井工艺会大幅度降低钻井废物的产生量。

4.2减小井眼冲蚀

钻井作业是在未下表层套管的裸眼情况下进行的,要实现安全快速钻井就必须保持井壁稳定,减小井眼冲蚀。

具体做法为:

①采用具有抑制泥页岩水化作用的钻井液;②改进钻井工艺、提高钻井操作水平。

4.3强化环境管理,控制污染发生

钻井作业过程中,加强工艺技术的环境管理手段可以减少钻井废物的产生量。

（1）进行科学控制,避免钻井液的频繁稀释与反复加药,这样可以使钻井液量减小,耗药量降低,从而使完井后的废钻井液处理量降低。

（2）减少起下钻、接单根时的钻井液喷溅。

调整适宜的钻井液性能,坚持用防喷盒。

（3）设置专门的储砂坑堆放钻屑,更不要把钻屑冲入废水池中。

（4）一口井完井后,对剩余钻井液应组织回收再利用。

4.4提高钻井液固控系统的处理效率

从经济角度分析,提高固控效率,可减少钻井液稀释和废钻井液处理所用资金。

现场测定说明:

若固控系统的处理效率从0提高到5%,则含量4%的低密度固体可减少5/6,从而减少钻井废物量。

4.5减少钻井液与添加剂对环境的影响

钻井废弃物对环境的危害性差别很大,这主要取决于所用钻井液与其添加剂的类型,因此,积极开发并尽量选用低污染或无污染钻井液与添加剂,是非曲直控制钻井液的根本措施。

20世纪90年代以来,为了减轻钻井废物对环境的污染,国外一些公司特别注重各种新型低污染钻井液的开发,包括研制各种新型低毒无害的化学添加剂,以替代传统的化学添加剂。

4.5.1开发各种合成基钻井液

油基钻井液对环境的污染程度较高,而合成基钻井液除了具有油基和水基钻井液的必备性能外,还具有污染危害小的显著特点,是近年来国外一些著名的钻井液公司（如美国的M-I钻井液公司）开发产品的主要方向之一。

在选择合成基钻井液的种类时,应考虑:

①液体的物理性质应该与矿物油相似;

②液体的毒性必须很低;

③不论是在好氧,还是在厌氧条件下,液体都应是可生物降解的。

R、L普端斯奇等人曾在SPE钻井学术会议上介绍了一种低污染、可生物降解的酯基钻井液。

这种钻井液在中部的挪威油田进行了现场实验,结果说明:

其性能与油基钻井液相当,优于水基钻井液,且有效地降低了钻井废物对环境的污染。

美国的M—I钻井液公司又推出了两种新型低污染钻井液,它们分别是“Dovadirl”钻井液和“PAO”（聚α-烯）钻井液,两者都不含矿物油,是可生物降解的合成基钻井液。

4.5.2采用低毒无害的钻井液化学添加剂

通常,用于解决诸如扩径、热流变、失水稳定性、减阻等钻井技术问题的钻井液化学剂都会带来不同程度的环境污染,比如烧碱、铁铬盐、红矾等添加剂都具有较大的环境危害性和毒性,因此应积极开发并且采用那些既具有良好的工艺性能指标,又能满足环保要求的新型化学添加剂。

在这一领域,国外目前都已取得了一些成功经验,如油田使用的“聚丙烯酰胺—磺化烤胶粘土相高密度”钻井液,不仅减少了钻井液中的有害成分,还提高了钻井的经济效益;又比如广泛用作钻井液稀释剂的木质素磺酸铬会引起重金属污染,对此国外开发了无污染多糖类聚合物,成功地替代了木质素磺酸铬。

最近国外又开发了一种加重甲酸盐溶液用作钻井液加重剂,这种加重剂生化降解好,避免了传统加重剂重晶石和赤铁矿对环境的污染。

污染控制的理论和实践证明,防治污染与保护环境最经济、有效的途径是在生产过程中尽可能减少污染。

目前,国外特别重视在石油钻井的整个过程中（从钻井工程设计开始到井厂废弃为止）系统地、全方位地考虑环境保护问题,尽可能减少钻井废物的产生量,同时致力于开发、使用无污染或低污染钻井液与添加剂。

与国外相比,我国钻井废物治理工作起步较晚,目前防治方法的研究和应用还停留在末端处理和废物资源化上,而对钻井废物产生的全过程控制和预防重视与研究不够,应借鉴国外经验,重视钻井过程中环境控制技术,将以防为主、综合防治作为今后钻井污染控制工作的指导思想。

5对处理技术的展望

无论以上哪种处理技术都有一定的应用围,因此在方法选择上要根据各油田产生的废弃钻井液的性质与各油田所在的地理、气候、环境等特点进行最合理的优化选择,同时为了更有效的治理废弃钻井液的污染问题,作者认为今后的研究工作既要强化源头与过程控制,又要开发综合利用新技术。

具体有以下几个方面:

（1）推行清洁生产,治标先治本。

目前急需对废弃钻井液产生的源头进行治理,推行清洁生产,加强固控,减少排放。

通过固控改善钻井液的性能,并重视重复利用技术,以降低综合处理成本。

钻井时采用环保型化学处理剂与添加剂代替毒性较大的化学处理剂与添加剂,做到源头控制清洁生产。

（2）开发研制低成本高性能的环保型钻井液。

目前国外开发的合成基、甲基葡萄糖苷等环保钻井液,虽然有无毒、可生物降解的性能,但成本高无法广泛推广使用。

而近年发展起来的低毒性油基钻井液和新型合成基钻井液在使用过程中也对环境造成种种影响,所以在今后的研究中应该重视对价格低廉的天然高分子材料和各种环保处理剂的改性和完善以与对无毒无污染的有机盐和无机盐使用技术的研究。

（3）新型废弃钻井液处理剂与通用技术的研发。

由于国各油田产生的废弃钻井液性质不同,就需要加入专门的化学处理剂进行治理,同时由于添加了不同的化学处理剂,就使废弃物的成分变得越来越复杂,对环境的危害也就越来越大。

如果研制出新型环保处理剂就能减少后期对环境的危害,如天然有机高分子絮凝剂的优良絮凝性、不致病性与安全性、可生物降解性,越来越受到人们的重视,如果将天然高分子絮凝剂进行改性,制备环保型处理剂一定能得到广泛的应用。

另外还可以针对中国现在使用的聚合物钻井液、三磺钻井液、正电胶钻井液、混油钻井液、加重钻井液以与含铁铬盐钻井液等多种体系,研制了一种通用的处理技术与固化配方.

（4）开发无害化综合利用新技术。

开发废弃钻井液无害化综合利用新技术也是未来的趋势之一,做到随钻处理,固液分离,分类综合治理,最大限度地综合利用和实现节能减排。

如将废弃钻井液实现液屑清洗分离后净化岩屑,其中一部分泥水回用配浆;剩余泥水固液分离脱水污泥成饼回收利用;将分离的污水处理主要污染物指标达标用于场地回用;液屑分离后回收的清洗用水随钻治理。

（5）强化管理控制,加强过程监管。

先进的管理方法、严格的政策措施以与施工过程的监督检查（如:

施工队伍的选择、施工地点的选址、防渗与封固处理、安全环保管理规章制度与量化考核机制的建立健全等）都是有效处理废弃钻井液无害化治理的前提和保证。

中国近几年在这方面已经做了很多努力,取得了显著的效果,但是还需要进一步学习与借鉴国外的先进管理方法与成功经验。

总结

对于油田的环境治理,经济有效的途径是控制好污染物的源头,以防为主,使用安全环保的钻井完井液,尽可能做到钻井液的循环利用,因此选择经济合理的方法对钻井废弃物进行处理是当前石油企业急需解决的问题。

随着科学技术的发展,新的处理方法和工艺将会不断地涌现。

我们应该根据本地环境的特点和要求,进行最优化的选择和组合,以达到最正确环境效益和经济效益,促进环境和企业的可持续发展。

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