渤海油田鉆井廢物處置技術適用性分析

張羽臣 岳 明 陳 毅 劉海龍 楊旭才

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司)

0 引 言

隨著渤海油田的多年開發，部分油田產量遞減嚴重，給渤海油田的持續穩產帶來壓力，向環境限制區邁進，環境限制區要求必須零排放，同時國家環保要求也日趨嚴格。渤海油田零排放井越來越多，鉆井廢物產生量的增加，回收和陸地處置成本也隨之增加，一口井的鉆井廢物回收處置費用為幾百萬元左右，占整口井鉆井成本的25%左右，現行處置方式難以滿足要求。渤海油田鉆井廢物處置技術起步較晚，而目前國內外對鉆井廢物處理方式很多，必須結合海上作業特點和自身需求，尋求適合渤海油田的鉆井廢物處置技術。

1 鉆井廢物成分及處置要求

1.1 鉆井廢物成分來源及危害

鉆井廢物主要是由黏土、加重材料、油、無機鹽、有機處理劑和鉆屑組成的多相穩定懸浮液，pH值較高[1]。主要來源[2]：①被更換的不適用于鉆井工程和地質要求的鉆井液；②鉆井過程中部分性能不合格而被排放的鉆井液；③固井時井筒內被海水替代出的鉆井液；④鉆井液循環系統“跑、冒、滴、漏”的鉆井液；⑤鉆井施工過程中產生的廢水；⑥鉆屑，如鹽巖、石膏、芒硝、硫化物等。導致環境污染的有害成分為油類、鹽類、殺菌劑、某些化學添加劑、重金屬、有機化合物和堿性物質等。隨著鉆井技術的發展，鉆井液添加劑的種類和數量越來越多，其環境危害性也隨之增加。如任意排海，鉆井廢物中的有機物等會造成水體富營養化，消耗水體中的氧，進而形成赤潮或綠潮，嚴重影響水生物的生存。此外，鉆井廢物內的烴類、化學合成物質及重金屬類物質也會在海藻、貝類動物和魚類體內富集，影響生物繁殖或致突變，影響海洋捕撈和養殖業，間接地對人類海洋食品安全造成威脅[3-4]。

1.2 海上鉆井廢物處置相關法規

針對海洋石油勘探開發，我國已頒布多項法律法規。《中華人民共和國海洋環境保護法》(2013年修正本)第五十一條規定，鉆井所使用的油基鉆井液和其他有毒復合鉆井液不得排放入海，水基鉆井液和無毒復合鉆井液及鉆屑的排放，必須符合國家有關規定。《中華人民共和國海洋石油勘探開發環境保護管理條例》第十二條規定，殘油、廢油、油基鉆井液、含油垃圾和其他有毒殘液殘渣，必須回收，不得排放或棄置入海。海上鉆井廢物排放在遵守以上法律法規的同時，主要參照GB 4914—2008《海洋石油勘探開發污染物排放濃度限值》[5]，其中鉆井液和鉆屑排放濃度限值如表1所示。

海域等級劃分如下：一級：適用于渤海、北部灣，國家劃定的其他海洋保護區和其他距離最近陸地4海里(7.4 km)以內的海域；二級：除渤海、北部灣，國家劃定的其他海洋保護區域外，其他距離最近陸地大于4海里(7.4 km)且小于12海里(22.2 km)的海域；三級：適用于一級和二級海區以外的其他海域。渤海禁止排放含油廢物，對于非含油廢物的排放需要得到當地海域主管部門的允許，才能排放。

表1 鉆井液和鉆屑排放濃度限值

備注：最新休漁法延長了渤海的休漁期。根據海洋環保法要求，休漁期要執行零排放政策。

2 渤海油田現行鉆井廢物處置方式及存在問題

渤海油田鉆井廢物現行處置方法主要分為兩種：排海和回收。未鉆入油氣層段的水基廢鉆井液及鉆屑滿足GB 4914—2008《海洋石油勘探開發污染物排放濃度限值》相關要求，并經所在海域主管部門批準后排海處理；鉆入油氣層的水基廢鉆井液、鉆屑及非水基鉆井液利用專用的回收箱回收，通過船舶運至陸地交于有資質的處理廠進行集中無害化處理。現行廢物處置方式現場未做任何減量化、無害化處理，隨著現場廢物量大量增加，出現下述問題：①廢物回收、運輸及陸地終端處置成本顯著提高；②現行處置方法回收效率較低，影響現場作業效率；③陸地處理廠接受能力受限致使鉆井廢物大量堆積，給HSE管控帶來風險。因此現行處理方法已無法滿足新形勢下鉆井廢物處置需求。

3 渤海油田鉆井廢物處置技術

3.1 國內外鉆井廢物處置技術

3.1.1 水基鉆井廢物處置技術

國內外水基鉆井廢物處置方法有很多，常用的方法有回填、固化、回注、鉆井液轉化固井液技術(MTC)、循環使用、生物降解等，選用何種方式處理，應根據區域的環境敏感性級別及鉆井廢物類型來選擇[6]。

1)回填法

回填法分為簡易回填和密封回填[7]，簡易回填通過簡單挖坑填埋后覆蓋表層土的方法。密封回填廢物需要在坑底部和四周鋪一層有機土，然后在上面鋪一層塑料隔離層作為墊層，最后再蓋一層有機土，或在底部和四周加固化層或具有一定強度的防滲膜。本法主要用于淡水基鉆井液產生的廢渣的處理。

2)固化法

固化是通過向廢鉆井液中投入適量配比的破膠劑和固化劑，按照技術要求進行均勻攪拌，通過一段時間的物理和化學變化，使其中的有害成分發生轉化、封閉、固定作用，降低有毒物質轉移擴散。該方法能有效治理難度最大的COD、Cr值和總鉻污染[8]。根據廢物中毒害物質類型選擇合適的固化劑，常用的固化劑有石灰、石膏、硅酸鹽、礦渣和水泥等。該方法適用于膨潤土鉆井液、聚合物鉆井液、磺化鉆井液和油基鉆井液等。現場工藝流程為：取樣化驗→方案設計→配料→固化施工→候凝→現場監測→平整井場→驗收交接[9]。

3)井下回注法

鉆屑回注技術是將鉆屑從固控設備傳輸到處理設備內，通過研磨、剪切和篩選，使鉆屑的粒度滿足回注要求，通過高壓注入泵將鉆屑漿注入到地層內的一種工藝。根據回注位置的不同分為環空回注和地層回注。環空回注是將廢物注入表層套管或生產套管環空中，該方法僅能一次性處理廢物，且該方法受到機械裝備和套管腐蝕的影響，如果管道長期遭受腐蝕，一旦損壞則注入液就可能污染水層。地層回注可將廢水基或油基鉆井液和鉆屑，通過地面處理回注到合適地層[10-11]。

4)鉆井液轉化固井液技術(MTC)

MTC技術是將廢鉆井液和礦渣混合，利用激活劑激活礦渣中的固化成分。再輔以其他添加劑得到各種用途的固井液。該技術在國內外都進行了大量的研究，并且取得了廣泛的應用，用其固井有很多優點：紊流排量低、與鉆井液的相容性好、稠化過渡時間和靜膠凝強度過渡時間短等特性，在防竄固井和提高頂替效率等方面較水泥漿都具有較大的優勢[12]。

5)循環使用技術

循環使用技術在國外的應用已十分廣泛，該技術利用化學絮凝、沉降和固液分離等組合技術，分離鉆井液中的固、液兩相，液相可以重復使用[8]。由于廢鉆井液是一種復雜的懸浮液，主要由膨潤土、無機鹽、化學處理劑、加重材料和鉆屑等組成，簡單自然沉降和固液分離很難破壞鉆井液中的膠體體系,需要加入破膠絮凝劑提高固液分離效果。采用固液分離技術可以使鉆井液維護的稀釋倍率從1.6降至0.3，大大節約鉆井液和終端廢物處置成本[13]。但循環使用屬于過程處理，經過固液分離后的鉆井廢物仍需終端處理。流程如圖1所示。

圖1 循環使用技術處理流程

6)生物降解技術

生物降解技術是向鉆井廢物中引入降解菌，通過細菌的生長、繁殖和內呼吸，來分解鉆井廢物中的油污。該方法中所用微生物需要通過自然篩選或誘變培育及基因工程、細胞工程技術獲得。生物處理技術主要的影響因素有充足的降解菌數量、足夠的氧氣、提供降解菌新陳代謝必要的營養元素、濕度控制、溫度、pH值和鹽度[14]。

3.1.2 油基鉆井廢物處置技術

國內外對于油基鉆井廢物處置技術有焚燒法、鉆屑清洗技術、溶劑萃取法等[15]，常用的處置技術是甩干分離和熱解析組合技術。利用甩干機機械外力清除含油鉆屑表面的游離態油類物質，將油基鉆井液鉆屑含油率減少到5%以下，再通過熱處理技術對鉆屑進行外界加熱，將鉆屑中所含油分、易揮發有機物和水分蒸發并收集后處理，處理后的鉆屑含油量小于1%。熱解吸裝置一般有低溫系統及高溫系統兩種類型，低溫系統的溫度通常是250～350℃，而高溫系統的溫度高達520℃。低溫系統足以處理輕油廢物，高溫系統能夠處理含量較低的重油廢物[12]。

3.2 不同鉆井廢物處置技術分析

鉆井廢物的處置方法有很多，每種方法都有自身的適用范圍和優缺點，不同鉆井廢物處理技術對比見表2。

表2 不同鉆井廢物處理技術對比

目前國內外鉆井廢物的處理方式主要是現場減量和無害化集中處理相結合，現場減量主要采用循環利用技術，也稱隨鉆處理技術，最終廢物的集中處理方式國內外有所區別；國內處理廠采用的技術基本是文中所述方法，而國外應用最廣泛的廢物集中處理方式為巖屑回注，占據主導地位。渤海特點是平臺空間受限，總體需求是廢物現場減量，降低廢物回收處理成本。渤海屬于內海，排放要求非常嚴格，減量的唯一手段是廢液循環利用，而固化、回填、生物降解等場地需求大且處理后廢物無利用價值的技術不適合海上現場使用，井下回注技術是海上最經濟可行的鉆井廢物處置方法，但受某油田溢油事故影響，井下回注技術被暫停使用，MTC和循環使用技術都是通過廢物的重復利用實現現場減量的目的，能很好地解決渤海油田鉆井廢物處置問題，應做深入研究。

4 結論與認識

①面對國家環保要求的日益嚴格，渤海油田作業量增大和零排放井增多，現行渤海油田鉆井廢物處置技術已不能滿足要求，有必要建立渤海油田鉆井廢物處置技術體系。

②渤海油田鉆井廢物處置的突出問題是鉆井廢物總量大，造成成本提高、環境風險增大等一系列問題。因此，研究重點應圍繞現場減量開展，應從源頭控制廢物產生量，如采用小井眼和環保型鉆井液體系等工藝，通過國內外鉆井廢物處置技術對比，結合渤海油田作業特點，認為MTC和循環使用技術能有效解決渤海油田鉆井廢物處置存在的問題，有必要進行針對性地深入研究。