水基鉆井廢棄物“不落地”處理技術發展的分析

劉光全 （中國石油安全環保技術研究院，北京102206）

陳海濱 （中石化華北油氣分公司油氣生產支持中心，陜西 榆林719000）

胡彬 （中石油西南油氣田分公司川中油氣礦，四川 遂寧629000）

任雯，張明棟 （中國石油安全環保技術研究院，北京102206）

李青洋 （西南石油大學石油工程學院，四川 成都610500）

水基鉆井廢棄物主要來源為鉆井過程產生的鉆屑、廢棄泥漿和設施設備清洗廢水等。根據來源、組成物性與污染物特征，主要可分為水基鉆屑和水基廢泥漿，據估算，水基鉆屑、水基廢泥漿所占比例分別為64．7%和35．0%，二者約占鉆井廢棄物總量的99．7%。

國外，對于鉆井廢棄物的管理及處理處置以處理量最少化、毒性最小化為標準，即源頭減量化、處理后再利用、處理后再循環、回收再生處理等。近幾年，許多國家提出了鉆井廢棄物 “零排放”的目標，從鉆井廢棄物源頭減量、過程控制到末端處理都分階段進行了嚴格要求，以便能將鉆井廢棄物的環境污染降至最低水平，從而推動鉆井廢棄物處理的系統化、規范化和標準化。我國20世紀80年代開始對廢棄鉆井液處理技術進行研究，先后系統地研究了廢棄鉆井液的毒性分析、對環境影響效應，并基本掌握了相應的固化處理方法［1～5］。

目前，水基鉆井廢棄物處理技術主要包括回收技術［6］、泥漿池就地固化 （或無害化）［7～11］、鉆井廢水處理［12～14］、鉆井廢液廢水一體化處理、生物處理技術［15～17］、鉆井廢棄物 “不落地”無害化處理，技術總體趨于多功能集合［18～20］。隨著鉆井環保形勢發展，特別是2015年1月1日實施的新環保法的新要求，國內外一些特殊地區要求實現鉆井廢棄物 “不落地”隨鉆處理，要求處理后的巖屑、廢渣等固相可就地達標堆放或填埋，或者用于墊井場，處理后的廢水可就地達標排放或拉運到特許排放口排放。

1 國外技術現狀

國外，在水基鉆井廢棄物處理方面，大力發展脫水處理技術 （de－watering）［21～25］，主要服務商有美國M－I SWACO （隸屬于斯倫貝謝公司）、美國NVO 公司、馬來西亞的KMC Oiltools公司等，主要技術為化學強化固液分離技術，分離出水回用或拉運至集中處理站處理，分離出渣拉運處理。

從國外處理流程來看，與國內應該是大同小異，但國外的技術集成較國內的領先［26～29］。例如，一種油田污物凈化裝置，由美國MEW PARK 廢棄物處理公司開發，主要由鉆井液脫水裝置、固體顆粒控制裝置和污水處理裝置等處理單元組成。污水處理裝置處理單元，配備有16～320m3的藥劑混合罐、沉淀池和離心機，占地較小且可根據處理量的大小決定使用的設備；YOB 鉆井污水處理裝置，由烏克蘭石油工業聯合公司研制，主要采用化學混凝和多級沉淀的工藝來處理鉆井污水；橇裝閉路式污水處理裝置，由法國PAU 國際石油設備公司開發，主要采用中和、混凝和離心分離工藝，設備運行方式靈活，可根據現場需要進行連續或間歇式操作，處理量36m3／h，處理后的出水可再利用。以下列舉了幾種國外水基鉆井廢棄物 “不落地”處理設備［30～33］。

1）鉆機真空抽吸系統 該系統是鉆井液收集和排放系統，是清理廢液池、存放鉆屑的容器和溝渠。可回收利用從鉆臺、振動篩以及泥漿池出來的鉆井液。

2）海上鉆機真空容器抽吸系統 該系統是挪威船級社 （DNV）認證的容器，噪聲小，安裝簡單。可回收利用從振動篩以及泥漿池出來的鉆井液，以很高的氣流速率 （大約85m／s）傳送鉆井液材料，主空氣泵能提供高達15mmHg的真空壓，并且噪聲低于85分貝。

3）真空抽吸機 該設備僅由防靜電和導電部分組成，緊湊的模塊化設計，易安裝。僅與空氣源，吸入管線和排除管線連接即可工作。

4）巖屑收集站 可選2、3或4個巖屑收集箱，通過控制刀形進料口，把鉆屑從螺旋輸送器排放到巖屑箱。

5）廢棄物收集箱 用于把鉆井廢棄物運輸到處理或者排放地的容器，易疊起堆放。

6）罐清洗裝置 可提供38～380L／min的清洗水，清洗頭可360°清洗墻體，且清洗水能循環回緩沖罐，減少了廢水的排放。

7）便攜式罐清洗裝置 雙撬裝泵式組在壓力為225psi時提供1520L／min的清洗水，或單撬裝泵式組在壓力為225psi時提供760L／min的清洗水。可應用便攜的或永久的自動控制系統，減少非生產鉆井時間。

8）鉆屑回注系統 該系統凈化鉆井廢棄物并將其注入合適的地層，磨碎并分散鉆屑。注入之前，在流體中加入增黏劑，適用于現場的處理和排放鉆井廢棄物的設備。

9）巖屑干燥機 適用于所有鉆井廢棄物，易維護，圓錐漏斗在清洗時不需要拆卸干燥器。

10）化學強化離心系統 通過凝結和絮凝等化學處理以去除鉆井液中的細小顆粒，減少了鉆井液和水泥漿的用水量。

2 國內水基鉆井廢棄物“不落地”處理技術現狀

水基鉆井廢棄物隨鉆 “不落地”處理已成為鉆井環保發展的趨勢，國內已在塔里木油田、南方勘探公司、冀東油田及鄂爾多斯大牛地氣田等敏感地區示范應用多口井。

2．1 鉆井廢棄物隨鉆處理綜合應用技術

該技術主要包括廢棄物收集單元、破膠脫穩單元、固液分離單元等3部分，工藝流程見圖1。1）廢棄物收集單元 通過螺旋輸送機組，隨鉆收集鉆井廢棄物，并輸送至破膠處理單元。

2）破膠處理單元 破膠罐中的鉆井廢棄物進行加藥、脫穩、破膠、絮凝、沉淀，達到固液分離要求后，泵入固液分離單元。

3）固液分離單元 包括隔膜壓濾機、泥餅輸送機、濾液收集輸送裝置。壓濾機對廢棄泥漿進行固液強化分離，將濾餅含水率控制在20%以內。

截至2014年9月，在南方勘探公司福山油田23口井進行隨鉆處理，完井18口。現場采用螺旋輸送機，對鉆井廢棄物進行隨鉆收集，并對破膠罐中的鉆井廢棄物進行加藥、脫穩、破膠、絮凝、沉淀，達到固液分離要求后，泵入隔膜壓濾機進行固液強化分離。處理后濾餅含水率≤20%，出水達到GB 8978—1996二級排放標準。共計處理鉆井固體廢棄物7633m3、鉆井廢水11772m3。

圖1 鉆井廢棄物隨鉆處理工藝流程

2．2 廢棄鉆井泥漿 “不落地”無害化處理技術

該技術主要處理工藝為：收集—→砂石分離—→化學處理—→除油—→泥餅脫水—→水處理。工藝流程見圖2。將廢棄泥漿經過稀釋、絮凝、分離，使之成為固相和水2個部分。其中，固相部分中的巖屑可直接排放，余者則經過水洗、絮凝分離、化學反應處理以及物理脫干后成為無害化泥餅并達到排放標準，其有機類、有害類化學物質成分和氯離子則被析入水中。對無害泥餅進行收集，可直接拋灑，亦可用于井場建設。水進入水處理單元，通過過濾、精密過濾、二段式反滲透相結合的工藝除去其中的鹽分和其他化學物質，得到符合國家 《污水綜合排放標準》 （GB 8978—1996）一級標準的凈水，可供整套裝置回用。

圖2 廢棄鉆井泥漿 “不落地”無害化處理工藝流程

2009年8月在塔里木油田英買7－H12井試驗開始，依次在哈702井、新墾101井開展現場試驗。2011年9月起在哈10－1X 井、輪古15－1井繼續現場試驗與應用，目前正在克深2－2－9井、克深2－2－5井、迪那2－25井和熱普14井準備現場試驗。2014年4月9日在西南油氣田女深002－11－X1井開始先導性試驗，2014年8月20日試驗結束，通過隨鉆收集處理廢棄泥漿縮減了井場廢棄泥漿池的面積，節省了井前施工費用，同時節省了土地資源。處理后的排出物經過脫干脫水，降低了最終固體廢物量。

2．3 廢棄鉆井液 “不落地”處理循環利用

該技術工藝流程見圖3。采用螺旋輸送裝置及固相輸送泵對泥漿固控系統產生的鉆屑進行隨鉆收集。鉆井過程中，泥漿體系替換外排漿，采用高頻振動篩和離心設備去除廢棄鉆井液中的大顆粒有害固相，然后采用電化學系統去除細微有害固相，實現重復利用 （其中70%～80%能夠及時回用于該井場，其余20%～30%來不及回用于該井場的，需拉運至下一個井場回用或者就地深度處理后外排）。處理過程中分離出來的巖屑及固相物質無害化處理后制備成免燒磚和免燒陶粒等資源化產品，免燒磚達到JC 422—2007 《非燒結普通黏土磚標準》要求，抗壓強度≥10MPa （28d）；免燒陶粒 （鋪路石）達到GBT 17431．1—2010 《輕集料及其試驗方法第1部分：輕集料》要求，筒壓強度≥3MPa（28d）。該工藝已在中石化大牛地氣田D65－3井、DPH－74井及PG9井等20多口井試用。

圖3 廢棄鉆井液 “不落地”處理工藝流程

3 國內水基鉆井廢棄物“不落地”處理技術的優點

3．1 避免了挖掘廢棄物儲存池和固化填埋池

現有鉆井廢棄物處理工藝需在鉆井現場挖掘廢棄物 （廢棄泥漿、鉆井廢水）儲存池，由于從開鉆到完井這段時間較長，廢棄泥漿可逐漸滲入到地層，并隨著時間推移不斷下滲，嚴重污染著地層。“不落地”處理技術采用可拆卸式軟體池或可移動式鉆井液儲存池，不再開挖廢棄鉆井液儲存池，同時鉆屑無害化處理后制備成了鋪路基土等資源化產品，也不需要挖掘填埋池 （1500～2000m3／井），減少了占地。

3．2 實現了鉆井廢棄物 “不落地”收集與分類處理

現有鉆井廢棄物處理工藝是將鉆井廢水和固體廢棄物共同存放在一個儲存池 （泥漿坑）內。鉆井廢液（廢泥漿、鉆井廢水）和鉆屑長時間存放于儲存池內，鉆屑中的多種污染物通過浸泡進入鉆井廢液，增加了鉆井廢液成份的復雜性，也增加了鉆屑無害化處理的難度。采用 “不落地”處理工藝，對鉆屑和鉆井廢液進行 “不落地”分類收集 （即鉆井廢液收集于可拆卸廢液儲存池中，鉆屑則收集于可拆卸巖屑池中），便于后期分類處理。

3．3 實現了廢泥漿和鉆屑無害化處理及資源化利用

現有鉆井廢棄物處理工藝將廢泥漿、鉆屑等廢棄物直接在儲存池中進行固液分離處理。分離后的固相固化后填埋處理，分離出的廢水在井場混凝沉降處理后再拉運至井場臨近的污水處理廠。 “不落地”處理技術通過廢泥漿再生處理，可將廢棄鉆井液再生回用井場，鉆屑用于制備成鋪路基土材料，鉆井廢水處理后沖洗鉆井設備或配制鉆井液。

4 國內水基鉆井廢棄物“不落地”處理技術的不足

鉆井廢棄物處理方式從早期的簡單回填到后來普遍使用的固化方式再到大力推行的 “不落地”處理技術，體現了國家和集團公司對環保問題的重視和對鉆井廢棄物的管理日益嚴格。但與國外相比，國內的處理方式仍較單一，鉆井廢棄物配套處理設備研發力度仍然不夠，各油田應用或現場試驗的水基鉆井廢棄物處理設備差異大，技術功能、處理效果和處理成本差別大。如固液分離裝置，現場采用的設備陶瓷真空轉鼓過濾、板框壓濾機、帶式壓濾機、帶式真空脫水機、脫液離心機、甩干機、電化學處理機等。同時，處理裝置適用的鉆井液體系液和地方環境保護要求也不相同，如針對常規水基鉆井廢棄物、頁巖氣開發鉆井廢棄物及深井復雜井鉆井廢棄物等，部分處理技術及裝置還處在先導試驗階段，未形成技術裝置模塊化、標準化、撬裝化。

5 結語與建議

1）開發低毒或環境友好的鉆井液技術 加強鉆井液基礎研究，為研發新型優質鉆井液體系奠定基礎；嚴格控制鉆井液處理劑質量，完善和發展現有鉆井液體系，形成穩定配方，提高廢棄物處理方案的針對性；組織研發新型鉆井液處理劑，構建新型優質鉆井液 （包括水基、油基和氣體鉆井流體）；從鉆井源頭控制鉆完井廢棄物的環境污染，降低和消除鉆井液對環境的影響，降低廢棄物后期處理難度和處理成本。

2）強化設備研發，加快裝備配套集成步伐 ①針對不同體系、不同市場科學合理配備設備，使鉆井液得到得大限度的應用，減少綜合治理成本；②借鑒國際先進公司裝備配套工藝先進的經驗，本著移運性好、自動化程度高、設備運行高效穩定等原則優化裝備的集成，優化裝備性能和工藝流程；③對現有處理裝備優化改善，力爭在質量、性能、流程、處理指標、操作方便等方面優化設計。

3）豐富和完善完、鉆井廢棄物無害化與資源化技術體系 針對不同廢棄水基鉆井液，不同鉆井平臺 （陸上和海上）開發特點，研發系列處理劑、處理技術與工藝，如水基鉆井液回收、再利用技術；水基鉆井液廢棄物高效固液分離技術；廢水無害化處理再利用技術；穩定化／固化處理、微生物處理等終端處置技術；鉆屑資源化利用技術等，并在此基礎上完成配套高效處理裝備的開發，建立完善的鉆完井廢棄物無害化處理與資源化利用技術體系與技術數據庫。

4）加快海上鉆井廢棄物處理與資源化利用技術及裝備的研發 目前，海上鉆井廢棄物的處理多采用回注地層、轉運到陸地集中處理等模式，處理成本高，同時還存在二次污染的風險。另一方面，海洋石油在世界能源結構中越來越凸顯其重要性，但與之配套的鉆完井廢棄物處理技術與裝備處于滯后狀態，缺少適用于海上鉆井平臺的高效廢棄物處理劑與處理設備，研發這類處理劑及設備，將是解決海上鉆完井廢棄物無害化與資源化的有效手段。

5）開發環保達標、低成本水基鉆井廢棄物無害化處理與資源化技術 新環保法實施后，環境保護要求和鉆井廢棄物無害化處理標準提高，與現有的鉆井廢棄物處理技術相比，處理成本也相應增加。滿足環境保護標準要求、低成本的鉆井廢棄物處理與資源化技術也將成為不落地處理技術的發展方向之一。

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