鉆井廢棄物無害化處理技術(shù)研究與應用

段曉東，呂曉平，王　濤，楊　寬

（西部鉆探工程有限公司國際鉆井公司，新疆烏魯木齊830026）

鉆井廢棄物無害化處理技術(shù)研究與應用

段曉東*，呂曉平，王濤，楊寬

（西部鉆探工程有限公司國際鉆井公司，新疆烏魯木齊830026）

鉆井廢棄物含有為滿足鉆井液性能而添加的各種有機和無機化學藥劑，對環(huán)境會造成一定的污染。在研究分析國內(nèi)外鉆井廢棄物無害化處理技術(shù)基礎(chǔ)上，針對性開展了伊朗南阿油田廢棄鉆井液無害化處理研究，優(yōu)選出處理劑和優(yōu)化處理工藝。在2口井上應用，實現(xiàn)了鉆井液重復利用和無害化處理。值得下一步深入研究推廣應用。

鉆井液污染；無害化處理；推廣應用

處理鉆井廢棄物的目的是為了實現(xiàn)鉆井液的重復利用及減輕環(huán)境污染。對于鉆井廢棄物的處理，國內(nèi)外同行進行了多年的探索，積累了豐富的經(jīng)驗，但還存在著許多不完善的地方，需要開展進一步的研究。國內(nèi)外處理方法主要有以下幾種：回填法、墾植法、擠壓法、固液分離法、固化法、焚燒法、回收利用法、生物降解法等[1]。

1　鉆井廢棄物成分及其對環(huán)境的影響

鉆井廢棄物主要是有粘土、鉆屑、加重材料、化學添加劑、無機鹽、油組成的多相穩(wěn)定懸浮液，pH值較高[2]。導致環(huán)境污染的有害成份主要為石油類、鹽類、某些化學添加劑、重金屬、高分子有機物生物降解產(chǎn)生的低分子有機化合物和堿性物質(zhì)等。其對環(huán)境造成的影響主要表現(xiàn)在：①對地表水和地下水資源的污染；②導致土壤的坂結(jié)，對植物生長不利，甚至無法生長，致使土壤無法返耕；③各種重金屬滯留于土壤，影響植物的生長和微生物的繁殖，同時因植物吸收而富集，危害人獸的健康；④對水生動物和飛禽也會產(chǎn)生不良影響[3]。

2　鉆井廢棄物無害化處理技術(shù)思路

（1）廢棄水基鉆井液破膠技術(shù)：由于廢棄鉆井液中的有機類和其它化學物質(zhì)以分子和離子狀態(tài)存在，并且吸附在固相、膠體粒子上，也存在于液相中，固相和膠粒上的有機類和其它化學物質(zhì)用常規(guī)方法很難脫去，因此，需要一種廢棄鉆井液的破膠技術(shù)。

（2）破膠后的鉆井液脫液相技術(shù)：在負壓狀態(tài)下，對破膠后的廢棄鉆井液脫液相、過濾，把鉆井液中對環(huán)境有污染的化學物質(zhì)從鉆井液中脫離出來的技術(shù)。

（3）鉆井液脫出水中的化學物質(zhì)與水的分離工藝技術(shù)：采用復合過濾、精密過濾等工藝技術(shù)除去水中的化學物質(zhì)。

（4）廢棄水基鉆井液巖屑無害化處理配套工藝技術(shù)。

3　廢棄水基鉆井液常用處理方法[4]

3.1破乳法

鉆井液本身就是復雜的膠體穩(wěn)定體系，根據(jù)形成機理，破膠劑的選擇一般是陽離子型強電解質(zhì)，陽離子型電解質(zhì)加入鉆井廢液后，一是其電離出陽離子對顆粒表面的負電荷有中和作用，可降低粘土顆粒表面的負電荷，降低Zeta電位，減少顆粒間的斥力，使其穩(wěn)定性減弱或失去穩(wěn)定性；二是陽離子可被高分子材料的陰離子基團吸附，降低高分子鏈內(nèi)的斥力，使高分子鏈發(fā)生卷曲，將失穩(wěn)的粘土顆粒包裹起來并從鉆井液中分離出來；三是通過加入化學藥劑降低鉆井液的粘度等。這樣相當大部分的高分子及幾乎所有的粘土成分即從鉆井液廢棄液中被除去。

3.2絮凝沉降法

絮凝沉降法是在對鉆井廢液經(jīng)過破膠后，利用化學助凝劑絮凝、沉降和機械分離等強化措施，使廢棄鉆井液中的固液兩相得以分離。由于鉆井液體系的不同，一種助凝劑是不可能使各種鉆井液的固液分離的，對不同的廢棄鉆井液應使用不同的助凝劑。使用該方法進行鉆井液廢液的脫水處理，效果很好，但必須了解鉆井液的特性，選擇合適的助凝劑。

3.3固化法

廢棄鉆井液無害化處理時基于廢棄鉆井液中含有一定數(shù)量的固體顆粒，當向廢棄鉆井液中加入相應的固化劑、破乳劑、吸附劑時，使其與廢棄鉆井液發(fā)生一系列的化學反應和物理反應，將有害物質(zhì)封固起來，使其轉(zhuǎn)化為膠結(jié)很大的固體，就地填埋，使得不再擴散到環(huán)境中。當加入磷酸鹽時，與廢棄鉆井液中的鈣離子形成磷酸鈣，改變土壤肥力；粉煤灰是很強的吸附劑，吸附廢棄鉆井液中大量的有機物及金屬離子；用硫酸鹽、硅酸鹽將廢棄鉆井液中的水分離出來，使廢棄鉆井液很快形成相似土壤的具有一定強度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)并封固起來，使有害物質(zhì)不能溶解，防止對環(huán)境的二次污染，達到使廢棄鉆井液中的有害成分無害化處理的目的。

3.4氧化處理法

對污水進行氧化處理降低COD值，使其達到外排要求。

（1）臭氧氧化法：臭氧氧化性很強，能氧化或分解一些有害的物質(zhì)，且不會產(chǎn)生二次污染，但成本較高。

（2）光催化法：一種典型的高級氧化技術(shù)，近年來在難降解污染物的處理方面得到了廣泛的研究與應用。它不僅可以在常溫常壓下進行，而且反應速度快，有機污染物可能在很短時間內(nèi)被分解成二氧化碳和水，并且不會產(chǎn)生二次污染。

（3）雙氧水氧化法：加入氧化劑的同時，再升高反應溫度，使氧化劑快速釋放活性氧原子，利用其氧化性迫使鉆井廢液中的有機物、生物聚合物等還原性物質(zhì)與其反應，反應生成物還能將鉆井液中的懸浮物沉降，這種方法見效快、效率高、操作簡單，但氧化劑的反應效率較低。

4　伊朗南阿油田鉆井廢棄物無害化處理

借鑒國內(nèi)外好的處理方法，對伊朗南阿油田鹽水鉆井液體系針對性開展廢棄物處理研究與應用。

4.1室內(nèi)研究

伊朗南阿油田鉆井污水排放標準依據(jù)《污水綜合排放標準》GB8978-2002，鉆井廢棄物主要污染指標范圍見表1。

表1　伊朗南阿油田鉆井廢棄物主要指標

4.1.1破膠劑優(yōu)選

（1）高效破膠劑引入及機理分析。高效破膠劑SLA-1是一種含有陽離子的高分子聚合物，主要作用機理為:①吸附作用：高分子聚合物通過氫鍵，靜電引力及嵌入3種相互作用方式參與吸附；②架橋作用：高分子聚合物與許多粘土微粒連接一起架橋形成絮團；③電中和作用：陽離子型高分子聚合物與帶負電的粘土離子因電中和作用而產(chǎn)生絮凝；④沉淀物網(wǎng)捕機理：鉆井廢棄物中的膠體粒子被沉降成絮體沉降物[5]。

（2）高效破膠劑性能對比。用高效破膠劑SLA-1與AlCl3、Fe2SO4、MgCl2等常用絮凝劑進行破膠實驗，SLA-1破膠效果好，形成的絮體大而致密,分散出的水色度較低，出水率較高,是一種很好的破膠劑，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2　破膠劑絮凝效果數(shù)據(jù)表

4.1.2高效固化劑性能研究

SLG-1是由多種有機物和無機物合成的高效固化劑，通過絮凝、架橋、水化等反應，快速與鉆井廢棄物形成固體物質(zhì)，鎖住鉆井廢棄物的粒子空間，有效防止各種有害物質(zhì)浸出。SLG-1根據(jù)不同的鉆井液體系，其加量范圍為5%～8%。將SLG-1加入在不一定比例固化添加劑于直徑8cm，高4cm自制模具中成型，實驗3h后通過觀察和按壓，未成型和較軟的直接終止實驗，24h后測成型的固化浸出液的各項指標和固化體抗壓強度，數(shù)據(jù)見表3。

4.1.3固化劑優(yōu)選對比實驗

用高效固化體SLG-1與水泥、CaO等國內(nèi)常用固化劑進行性能對比實驗。實驗表明,SLG-1加量適中，浸出液COD含量低，固化時間短，固化效果好，實驗數(shù)據(jù)見表4。

表3　8%SLG-1固化劑處理效果數(shù)據(jù)表

表4　不同固化劑處理效果數(shù)據(jù)表

通過室內(nèi)實驗優(yōu)選出破膠劑、固化劑滿足處理需要，但受鹽水鉆井液體系的影響，鉆井廢水處理后無法除去水中溶解的高濃度NaCl，故處理后的廢水無法直接外排，只能進行回收，再次用于鉆井液施工。

4.2鉆井廢棄物處理工藝研究

4.2.1巖屑收集—固化處理系統(tǒng)

在振動篩和除砂器下方各安裝一個螺旋輸送機，并根據(jù)鉆屑的多少和濕度及振動篩跑漿情況，通過加料漏斗均勻加入固化劑，達到直接固化的目的，然后使用鏟車將固化后的鉆屑運至晾曬場，放置幾天后，鉆屑及其攜帶的少量泥漿會徹底固化，最終拉運至甲方指定的巖屑坑堆放。

4.2.2鉆井污水—調(diào)質(zhì)—離心分離系統(tǒng)

利用高效的復合型調(diào)節(jié)劑對污水進行破膠，固相沉淀至罐底，上層清水經(jīng)脫色等處理后進入精密過濾系統(tǒng)；沉淀物通過高速離心機再次進行二次分離，分離后的沉淀物直接進行固化處理，最終實現(xiàn)鉆井污水固液快速高效分離。

4.2.3鉆井污水氣浮氧化—精密過濾系統(tǒng)

離心分離出的污水通過一級高效淺層氣浮設(shè)備，進行氣浮絮凝、氧化脫色及破乳分離處理，實現(xiàn)了鉆井污水中中小有機物的絮凝分離、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)備進行精密過濾，從而實現(xiàn)污水回用或外排達標處理。

4.3現(xiàn)場應用

4.3.1污水和鉆屑的處理

（1）地層鉆屑的處理，主要是通過螺旋輸送機上方的加藥裝置實現(xiàn)的。根據(jù)鉆屑的濕度和振動篩跑漿情況，合理配比脫水劑和固化劑比例，將固化后的鉆屑轉(zhuǎn)運至晾曬場。

（2）螺旋輸送機內(nèi)固化劑加量不易過多，防止輸送機負荷增大，推動困難。

（3）固化劑加量不足時，可在晾曬場再次對鉆屑進行二次固化，直至其符合要求后方可拉運。

（4）沖洗設(shè)備的污水和雨水則采用直接加入破膠劑的方法，進行二次固液分離、脫色、過濾等處理后直接排放或多次回用。

（5）清理泥漿罐產(chǎn)生的污泥采用先脫水后固化的方式處理。

4.3.2廢棄鉆井液及高密度壓井液的處理

（1）振動篩跑漿及完井后的鉆井液，根據(jù)其固相含量的多少，確定處理方式，若固相含量低于30%則采用先將廢棄鉆井液收集至泥漿罐，提取少量鉆井液進行膠體破膠絮凝試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，確定破膠劑的類型和加量，將沉淀絮凝后的絮凝物再次用離心機進行二次固液分離，上層清水經(jīng)脫色、氣浮除油后，進入過濾裝置過濾后直接排放或重復使用。

（2）若固相含量超過30%以上的高密度鉆井液（壓井液），均采用先脫水后添加固化劑的方式進行固化處理，待固化強度達到要求后拉運至專用鉆屑坑排放。

4.3.3廢棄鉆井液的重復利用

伊朗南阿項目在完井作業(yè)時會將井筒內(nèi)所有泥漿都替換成CaCl2完井液，導致地面循環(huán)池泥漿量增加100m3以上，所以完井后循環(huán)池內(nèi)一般會有300m3左右泥漿（包括重漿）。相比無害化處理，鉆井液回收利用是最好的選擇。普通完井泥漿，通過稀釋處理可作為下口井鉆進泥漿繼續(xù)使用，而重泥漿則直接回收至重漿罐。伊朗S38井回收泥漿150m3，回收重漿100m3，大大降低了廢物處理成本，同時也節(jié)約了S37井鉆井液施工成本。

4.4效益評價

（1）直接經(jīng)濟效益為：第一口井甲方提供無害化處理費用—設(shè)備費用—處理劑消耗—運輸和人工成本費用，第一口井經(jīng)濟效益達到23萬美元。后期除去設(shè)備投入費用，經(jīng)濟效益會更高。

（2）公司首次在中東市場成功應用廢棄物隨鉆一體化處理技術(shù)，既增加了新的經(jīng)濟增長點，同時也為技術(shù)人員搭建了學習新技術(shù)、新工藝的平臺。該項技術(shù)的應用，杜絕了鉆井液及其工業(yè)污水亂排、外溢的事件發(fā)生,并多次在南阿油田HSE評比中榮獲第一名，樹立了公司良好的品牌形象。

5　結(jié)論和建議

（1）新型鉆井廢棄物無害化處理工藝技術(shù)先進，設(shè)計合理，安全可靠，具有很好的社會效益和經(jīng)濟效益，應用前景良好。

（2）水基鉆井液廢棄物無害化處理通過破膠、固化等工藝技術(shù)處理，工藝簡單，方便使用，廢棄物達到了GB18918-2002允許排放標準。

（3）伊朗南阿油田處理過的廢水中仍含有高濃度的NaCl，只能進行回收，再次用于鉆井液施工，需要進一步開展研究應用，提高鉆井廢棄物無害化處理水平。

[1]周迅.廢鉆井液的處理技術(shù)綜述[J].油氣田環(huán)境保護，2001，11（4）.

[2]艾光富.廢鉆井液復合固化處理技術(shù)及應用研究[J].油氣井環(huán)境保護，2004，28（3）：21-24.

[3]黎剛，朱墨，等.固液分離法處理廢棄鉆井液的技術(shù)與現(xiàn)狀[J].工業(yè)水處理，1997，17（1）：13-14.

[4]李世勇，張新發(fā)，徐軍，等.鉆井液無害化處理技術(shù)研究[J].石油天然氣學報，2008，30（2）：267-270.

[5] 薛玉芝，劉建民，劉剛.廢鉆井液化學脫穩(wěn)與分離處理的室內(nèi)研究[J].石油天然氣學報，2008，30（2）：111-113.

TE2

A

1004-5716(2016)11-0106-04

2015-12-08

2016-01-18

段曉東（1984-），男（漢族），陜西富平人，工程師，現(xiàn)從事鉆井科技管理工作。