鉆井作業(yè)廢棄物處理技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

馮金禹,閆鐵,李卓,唐海燕,孫士慧,候兆凱

(1.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田鉆探工程公司鉆井三公司,黑龍江 大慶 163413； 3.大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠,黑龍江 大慶 163511)

鉆井作業(yè)是油田勘探和開發(fā)重要的工序。特別是近年來,隨著常規(guī)油氣資源的萎縮,致密油和頁巖氣等非常規(guī)油氣資源的大量鉆探與開發(fā),鉆井?dāng)?shù)量和鉆井深度都在不斷的增長[1-4]。但是伴隨鉆井作業(yè)會(huì)產(chǎn)生許多廢棄物,這些廢棄物主要包括廢棄鉆井液、鉆井作業(yè)從地下帶出的巖屑以及鉆井作業(yè)生活區(qū)的污水。這些廢棄物含有大量的有毒有害化學(xué)物質(zhì),對環(huán)境有極大的破壞作用,所以如何合理、高效、環(huán)保的處理這些鉆井廢棄物是我們亟待解決的問題。

1 廢棄鉆井液的處理

鉆井液因?yàn)楣こ痰男枰?需加入多種化學(xué)藥劑。鉆井液含有大量的油類、重金屬類(如銅、汞、鎘、鋅、鉛、鋇等)等物質(zhì)[5]。這些物質(zhì)直接排放,將造成巨大的環(huán)境污染。國內(nèi)外目前現(xiàn)場大多采用回注法和熱處理法[6-7],雖取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,但是由于這兩種方法耗能高、處理不徹底、對環(huán)境造成二次污染,所以國內(nèi)外許多學(xué)者對廢棄鉆井液的處理進(jìn)行了研究,并提出了多種處理的方法。

1.1 水基鉆井液

水基鉆井液是一種以水為連續(xù)相,以粘土(膨潤土)、加重劑及各種化學(xué)處理劑為分散相的多相分散體系。含有大量的無機(jī)鹽、聚合物和重金屬,不經(jīng)處理排放后容易導(dǎo)致土壤漬化,重金屬富集,水體污染等情況的發(fā)生[8]。目前國內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的主要方法可分為固化處理法、固液分離處理法以及微生物處理法等。

1.1.1 固化處理法 固化處理法是向廢棄鉆井液中加入固化劑,使其轉(zhuǎn)化為土壤或膠結(jié)強(qiáng)度很大的固體,該方法能夠消除廢棄鉆井液中的金屬離子和有機(jī)物對水體、土壤和生態(tài)環(huán)境的影響和危害[9-10]。

李瑞龍等[10]以磷石膏與粉煤灰對采集于四川氣田的廢棄鉆井液進(jìn)行固化實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了磷石膏可以取代工業(yè)石膏用于廢棄鉆井液處理的可能性,且其固化物具有低污染、抗壓強(qiáng)度高的特性。尹亞君等[11]以新疆塔河油田的廢棄鉆井液為實(shí)驗(yàn)材料,以處理后的浸出液CODCr和pH值為主要指標(biāo),對不同比例配制的水泥、生石灰、粉煤灰、石膏及氯化鈣為原料的固化劑配方進(jìn)行效果測試,最后得出16%的水泥+2%生石灰+8%粉煤灰+1%氯化鈣+5%石膏的最佳配方,并在塔河油田多口井進(jìn)行試驗(yàn),均取得了良好的效果。蔣云云等[12]采用水泥和粉煤灰為固化劑,對新疆油田的水機(jī)廢棄鉆井液進(jìn)行固化處理,針對固化劑的配比、固化時(shí)間以及添加劑的種類與抗壓強(qiáng)度、浸出液pH和COD的關(guān)系進(jìn)行了研究。得出了當(dāng)水泥和粉煤灰的質(zhì)量為5∶4時(shí),各項(xiàng)固化指標(biāo)均較好的結(jié)論。黃鳴宇[13]針對吉林油田的廢棄鉆井液,優(yōu)選出了以粉煤灰和水泥為原料固化劑的配方,并對固化后物質(zhì)的浸出液的有機(jī)物和重金屬進(jìn)行檢測,各項(xiàng)毒性指標(biāo)均在國標(biāo)之內(nèi)。

對于固化處理法,目前學(xué)者們大多集中在固化劑選擇和其比例配方的研制,但是對于固化劑新材料的研究較少,未來隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),環(huán)境友好型的新固化劑的研制將成為新的熱點(diǎn)。

1.1.2 固液分離處理法 固液分離處理法主要針對廢棄的磺化鉆井液或聚磺鉆井液。主要有破膠、絮凝、分離三個(gè)步驟。這種工藝簡單靈活,對懸浮雜質(zhì)和膠質(zhì)脫除率較高。

耿學(xué)禮等[14]針對渤海油田渤中地區(qū)的PEC鉆井液,摒棄傳統(tǒng)的氧化破膠劑或酶破膠劑破膠的方法,而采用鹽酸調(diào)節(jié)pH值的方法進(jìn)行破膠。Zou J等[15]制備了一種原料為玉米淀粉和水玻璃的廢鉆井液絮凝劑CSSAD,這種絮凝劑具有高絮凝性能的新型絮凝劑。實(shí)驗(yàn)表明在室溫下相同劑量的CSSAD比其他無機(jī)或有機(jī)絮凝劑對廢鉆井液具有更好的絮凝能力,經(jīng)過該絮凝劑絮凝后,廢棄鉆井液水分含量可以控制在21.34%。黎金明等[16]研發(fā)出了適合于一開低固相鉆井液凈化處理的固液分離及回用技術(shù),加入自主研制的絮凝劑和破膠劑后在蘇里格區(qū)塊進(jìn)行試驗(yàn),取得了良好的效果。董懷榮等[17]對陰離子型和陽離子型聚丙烯酰胺在勝利油田二開清水快速鉆進(jìn)時(shí)廢棄鉆井液的絮凝效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明陽離子型的聚丙烯酰胺效果好于陰離子型,并且在相同分子量下,陽離子度高的干粉效果較好。

1.1.3 微生物處理法 微生物處理法,是利用微生物技術(shù)對廢棄鉆井液中的烴類物質(zhì)進(jìn)行降解,同時(shí)對無機(jī)鹽進(jìn)行微生物處理,具有高效且不產(chǎn)生二次污染的特性。目前國內(nèi)外對微生物處理廢棄鉆井液多集中在菌種的選擇以及效果測試方面的研究。

侯博等[18]對蘇里格氣田區(qū)塊廢棄鉆井液進(jìn)行微生物-固化處理,以浸出液重金屬離子含量、CODCr和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為考察指標(biāo),對蘇里格區(qū)塊的廢棄鉆井液微生物-固化復(fù)合處理技術(shù)進(jìn)行優(yōu)選。結(jié)果表明,微生物-固化處理后的廢棄泥漿鉆井液,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高達(dá)3.41 MPa,含水率為36.9%～40.7%,浸出液的pH為6.9～8.7,重金屬離子含量、CODCr、石油類和色度均符合國標(biāo)污水排放標(biāo)準(zhǔn),可直接覆土掩埋,達(dá)到無害化處理的結(jié)果。宋淑芬等[19]為了篩選磺化鉆井液高效降解菌株,以新疆某磺化鉆井液傷害土壤為菌源,磺化鉆井液為唯一碳源,通過富集馴化分離篩選出一株降解磺化鉆井液效率較高的菌株Xh8。Yao L等[20]對土壤中微生物對硅酸鉀水基鉆井液處理的效果進(jìn)行了測試,實(shí)驗(yàn)選擇了沙土、壤土、黏土三種質(zhì)地的土壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將土壤和硅酸鉀水基鉆井液按比例混合后,在室溫條件下進(jìn)行培養(yǎng)2周,實(shí)驗(yàn)表明硅酸鉀水基鉆井液的存在能有效刺激硝化菌在各種土壤中生長,刺激硫酸還原菌在黏土和壤土中生長,并且其他真菌和細(xì)菌群落也都不同程度的加速繁殖,并且這些菌落可以將廢棄鉆井液中的有機(jī)物和無機(jī)物轉(zhuǎn)化成植物生長所需的無機(jī)鹽,可以改良土壤。

對于微生物處理的方法,由于其處理方式高效、處理后的物質(zhì)對環(huán)境友好、無污染廣受人們的歡迎,目前是廢棄鉆井液處理研究的熱點(diǎn)問題之一。未來,選擇優(yōu)良的菌種仍將是該處理方法研究的重點(diǎn)問題,同時(shí)對于微生物處理設(shè)備以及處理后的物質(zhì)的利用,將會(huì)越來越受到學(xué)者的關(guān)注。

1.2 油基鉆井液

廢棄油基鉆井液是一種多相膠體-懸浮體體系,主要由各種化學(xué)試劑、柴油、黏土、污水及鉆屑組成,具有高pH值(如 NaOH、Na2CO3溶液)、高COD、高含油等特點(diǎn),相較于水基鉆井液油基鉆井液的處理也比較困難[21],相適用的處理方法也相較來說比較少。主要有超臨界流體萃取法、破乳法以及熱蒸餾法等處理方法。

1.2.1 超臨界流體萃取法 由于油基鉆井液以油為連續(xù)相,廢棄的鉆井液中含有大量的油,采用萃取法,利用溶解性的不同,對廢棄的油基鉆井液進(jìn)行處理。傳統(tǒng)萃取溶劑主要是乙烷、乙酸或氯代烴等沸點(diǎn)較低的有機(jī)化學(xué)溶解劑萃取,但是處理過程中有機(jī)溶劑的性質(zhì)不穩(wěn)定、萃取劑的成本太高,并且最重要的是會(huì)對人體健康造成影響。

目前,國內(nèi)外較為流行使用的萃取溶劑是超臨界流體,這些超臨界流體既具有液相的溶解能力,又兼有氣相易擴(kuò)散、低粘度的特點(diǎn),對環(huán)境無毒無害,同時(shí)超臨界流體可以回收再利用[22]。TESCHE C等[23]取少量的廢棄鉆井液樣品,通入超臨界狀態(tài)的二氧化碳對鉆井液中的烴類物質(zhì)進(jìn)行萃取實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超臨界二氧化碳有很好的萃取效果。

由于超臨界流體萃取技術(shù)在廢棄鉆井液應(yīng)用時(shí)間還比較短,特別是由于超臨界流體的物性不好控制,油田現(xiàn)在還沒有大面積的應(yīng)用,所以這方面的研究還比較少。未來隨著技術(shù)的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),超臨界流體萃取技術(shù)將會(huì)在處理廢棄油基鉆井液方面大有發(fā)展。

1.2.2 破乳法 破乳法是通過對廢棄油基鉆井液破乳分離,回收其中的礦物油和各種烴類物質(zhì)。馬雅雅等[24]采用“破乳-絮凝-分離”的處理工藝,研制了一種廢棄油基鉆井液專用破乳劑ZYFYP,該破乳劑由AE8051、BP-169、AP-05和OP-10組成,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證油回收率可達(dá)98.6%。唐曉旭等[25],采用熱化學(xué)破乳-離心分離的方法處理廢棄油基鉆井液。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化確定了破乳劑SP-7及油清洗劑E,并對處理過程中的影響因素進(jìn)行了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在破乳劑投量1.5%,油清洗劑投量5%,反應(yīng)溫度70 ℃,破乳時(shí)間90 min的條件下,脫油率可達(dá)76.2%。夏家祥等[26]利用聲化破乳-離心分離法處理廢棄油基鉆井液,實(shí)驗(yàn)表明聲化破乳-離心分離法處理廢棄油基鉆井液的脫油率達(dá)81.78%。

目前,對于破乳的方法研究的較多,但是破乳劑的投放會(huì)導(dǎo)致“二次污染”。未來,相關(guān)學(xué)者應(yīng)對微生物破乳、以及機(jī)械破乳相關(guān)方法進(jìn)行研究測試,提高破乳的效率,減少了藥劑的使用,能降低成本并減少對環(huán)境的污染。

1.2.3 熱蒸餾法 熱蒸餾法是在減壓密閉的環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)加入廢棄油基鉆井液,讓鉆屑和油基鉆井液中所含有的烴類成分揮發(fā)出來。經(jīng)熱蒸餾回收的油可用于油基泥漿回配或再次用作熱蒸餾燃料等其他用途,剩余固體殘?jiān)?jīng)固化后可重新制作板磚、型煤或用于基礎(chǔ)工程建設(shè)等。目前該技術(shù)比較完備,在國內(nèi)外被廣泛的使用。

2 鉆井巖屑的處理和綜合利用

鉆屑是鉆井過程中從地下帶出的巖石碎屑,由于鉆屑具有疏松多孔的性質(zhì),吸附著鉆井液中的化學(xué)物質(zhì),同時(shí)鉆屑還存在大量的油及各種烴類物質(zhì),如果直接排放或者利用,會(huì)對環(huán)境造成巨大的影響。目前國內(nèi)外學(xué)者對鉆屑的處理和利用進(jìn)行了大量研究。

葉珺[27]利用超臨界氧化物對廢棄鉆屑降解的效果進(jìn)行研究,研究表明超臨界氧化物能降解廢棄鉆屑中的有機(jī)物、穩(wěn)定重金屬和中和堿性鹽,對處理廢棄鉆屑有很好的效果。孫根行等[28]研究了熱化學(xué)清洗法處理西南某油田油基鉆屑,在實(shí)驗(yàn)條件下,可將含油率降至1%以下。鄭學(xué)成等[29]對采于西南某頁巖氣井場的廢棄巖屑對鉆屑中的石油烴,利用電場與表面活性劑聯(lián)合作用的方式,探究其遷移與降解過程,實(shí)驗(yàn)表明在20 V電壓下作用24 h后,石油烴的降解率最高可達(dá)到69.6%。

對于鉆屑綜合利用方面目前主要用于鋪路和作為建筑材料。Dhir R K[30]選取北海地區(qū)廢棄鉆屑,對巖屑中的含油量,含水量和致密程度進(jìn)行了研究,優(yōu)選出可以用于鋪路的產(chǎn)品。Ayati B等[31]利用在北海地區(qū)鉆井遺留下來的廢棄鉆井巖屑,采用浸出法收集其中的殘余油,用蒸餾水洗滌去除無機(jī)鹽,用行星式球磨機(jī)將巖屑打磨成小顆粒狀后進(jìn)行煅燒實(shí)驗(yàn)。在1 180 ℃煅燒后,這些處理過的廢棄的鉆屑具有良好的機(jī)械性能,鉆屑中的無機(jī)鹽和重金屬含量均在達(dá)標(biāo)范圍內(nèi),可作為一種商業(yè)用的輕質(zhì)建筑材料使用。范思思等[32]以鉆屑為原料,經(jīng)過焙燒制備多孔吸附材料,研究了其最佳制備條件和最佳吸附條件。

鉆屑的處理和綜合應(yīng)用上,相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,并且對于鉆屑的綜合利用已經(jīng)有了許多成功案例。但是,目前對于鉆屑的處理還是存在處理成本高、處理后的產(chǎn)品品質(zhì)低等特點(diǎn),不能高效的利用廢棄鉆屑。未來,如何降低處理成本、提高產(chǎn)品的品質(zhì)、開拓更多的利用途徑,將是未來的相關(guān)學(xué)者的研究重點(diǎn)。

3 生活污水的處理

鉆井作業(yè)中的生活污水主要包括兩類：一類是廚房、洗滌、洗浴等的污水,這類污水中含有大量的氮、磷元素,隨意排放會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化；另一類是廁所、醫(yī)護(hù)排水,這類廢水含有許多有毒有害物質(zhì),對環(huán)境影響很大。

國內(nèi)外比較成熟的污水處理工藝主要有物化法、生化法和電解法等。但是由于鉆井作業(yè)地點(diǎn)常常位于遠(yuǎn)郊地區(qū),并且鉆井作業(yè)的地點(diǎn)經(jīng)常變換,無法建設(shè)固定的污水處理設(shè)施,同時(shí)在實(shí)際作業(yè)中,也無法配備專門的人員對污水處理設(shè)備進(jìn)行維護(hù),這些方法無法適應(yīng)鉆井作業(yè)的要求。

目前研究較多的和應(yīng)用比較高效的是膜處理技術(shù)。吳百春等[33]應(yīng)用倒置A2/O懸浮填料生物膜處理工藝,對油田作業(yè)區(qū)的生活污水處理流程和設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì),測試了相關(guān)參數(shù),并對該技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評述。卞超峰[34]對某海上油氣田生活污水處理裝置在實(shí)際運(yùn)行使用過程中存在的有機(jī)物消化分解能力下降研究、污水量產(chǎn)生高峰時(shí)段處理能力不足以及船舶搖晃造成的沉淀柜內(nèi)泥水分離困難等問題進(jìn)行了分析,針對分析結(jié)果,結(jié)合膜法膜生物反應(yīng)器(MBR)生活污水處理裝置原理對污水處理流程進(jìn)行了優(yōu)化及改造設(shè)計(jì),保證了生活污水處理裝置長期穩(wěn)定運(yùn)行。邵天澤等[35]對經(jīng)過特殊性設(shè)計(jì)并具備遠(yuǎn)郊營地使用的MBR工藝進(jìn)行調(diào)研,對相關(guān)污水處理的設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用效果測試,測試結(jié)果表明該技術(shù)適合鉆井作業(yè)的處理要求,并滿足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

由于鉆井作業(yè)的特點(diǎn),鉆井作業(yè)生活污水的處理上正向著小型化,輕量化,一體化的方向發(fā)展,對于處理設(shè)備、流程的優(yōu)化以及處理后水的二次利用將是未來的研究重點(diǎn)。

4 結(jié)束語

隨著鉆井作業(yè)量的增大,同時(shí)各項(xiàng)環(huán)保法律法規(guī)的出臺(tái),人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),鉆井作業(yè)廢棄物的處理得到了越來越多的重視和研究,但是目前還有許多不足。一是,水基鉆井液相關(guān)處理方法較為完備,但是對于油基鉆井液的處理方法研究較少；二是,鉆屑的處理成本還比較高,產(chǎn)品品質(zhì)不高,并且大多集中應(yīng)用在鋪路和建筑等“低品位”行業(yè),不能高效合理利用鉆屑,無法提高產(chǎn)品的附加值；三是,鉆井作業(yè)生活污水的處理目前還存在膜處理技術(shù)成本高,不能大面積推廣,污水產(chǎn)生高峰時(shí)處理能力不足、設(shè)備維護(hù)困難等問題。

未來,對于鉆井廢棄物處理新技術(shù)將會(huì)不斷涌現(xiàn),高效的固化、絮凝以及破乳的方法仍將是研究的重點(diǎn),同時(shí)隨著微生物處理技術(shù)的成熟和大面積推廣,將會(huì)成為鉆井作業(yè)中廢棄的物處理主要方式,而對于鉆井廢棄物全面綜合利用也會(huì)成為未來的研究熱點(diǎn)。