海上鉆井廢物管理原則及處理技術探討

2019-09-23 08:53:04張羽臣林家昱霍宏博劉海龍

油氣田環境保護 2019年4期

張羽臣林家昱霍宏博劉海龍張磊

(中海石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引言

在國家環保要求日益嚴格的形勢下，如何在油氣勘探開發過程中更好地實現清潔生產，是海上油田面臨的突出問題[1-3]。隨著海上鉆井作業量持續增加，鉆井廢物產生量也隨之增加，部分區塊要求鉆井廢物“零排放”，對環境保護帶來巨大挑戰，而海上作業特點是平臺空間嚴重受限，運輸成本較高，本文介紹了海上鉆井廢物的處理原則，對適用海上水基鉆井廢物的循環利用技術和適用油基鉆井廢物的熱處理技術進行了研究。

1 海上鉆井廢物現行處理方法及存在的問題

海上鉆井廢物目前的管理原則較為粗獷，沒有系統性考慮鉆井廢物減排問題，海上鉆井廢物現行處理方法主要分為兩種：排海和回收。海上鉆井廢物排放遵循的標準為GB 4914—2008《海洋石油勘探開發污染物排放濃度限值》[4]。通常未鉆入油氣層段的水基廢鉆井液及鉆屑在滿足以上標準要求，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、鉆屑及油基鉆井液、鉆屑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。隨著現場鉆井廢物產量大量增加，海上現行鉆井廢物處理暴露出一些問題：①鉆井廢物回收、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的處理需求。

2 海上鉆井廢物管理原則

國外對于鉆井廢物的管理始終遵循鉆井廢物處理數量最少化、毒性最小化的管理原則，稱為“4R”原則，即源頭減少(Reduce)、再利用(Reuse)、再循環(Recycle)、再回收(Recovery)[5]。近年來，越來越多的海上區塊要求鉆井廢物“零排放”，因此，有必要建立鉆井廢物系統化管理體系。“4R”原則同樣適用于國內海上鉆井廢物管理，圍繞減量開展，從源頭減少、現場過程控制、循環使用到最終回收處理都進行嚴格控制，在遵守“4R”原則的同時達到“零排放”，將鉆井廢物對環境的污染降至最低。

3 海上鉆井廢物處理技術

3.1 源頭減量控制技術

鉆井廢物的控制從最初的設計階段就應該考慮，在源頭上降低鉆井廢物處理的數量及毒性[6-8]。

1)采用小井眼鉆井工藝

井眼尺寸越小，廢鉆井液和鉆屑的產生量越小，井深500 m時不同井眼直徑與鉆井廢物產生量的關系[6]見表1。由此可見，采用小井眼鉆井工藝會大幅度降低鉆井廢物的產出量。

表1 井深500 m時井眼直徑與鉆井廢物產生量的關系

2)選用環境友好型鉆完井液體系及添加劑

隨著鉆井技術的不斷進步，鉆井液類型越來越多，各種添加劑越來越復雜，甚至同一口井用幾種鉆井液體系，無形中增加了鉆井廢物量，給廢鉆井液的處理帶來極大困難。建議研發環境友好和區域通用型鉆完井液體系，提高鉆井液的重復利用率，將大大降低廢鉆井液產出量。

3)加強對現場污染源的管理，提高固控效率

淘汰老舊落后固控設備，全面升級四級固控系統，保證固控效果，降低因維護鉆井液性能而頻繁稀釋及反復添加處理劑現象，同時防止“跑、冒、滴、漏”等，從而減低鉆井廢物產出量。

3.2 鉆井廢物現場循環減量技術

國內外鉆井廢物處理技術有很多，如固化法、回填法、焚燒法、生物降解法、回注法、固液分離法、熱處理、萃取和化學清洗等[8-10]，康菲石油公司常用回注法處理鉆井巖屑，該方法將廢鉆井液回注地層不僅會造成地層污染，也可能造成回注地層壓力過大，導致壓漏地層，陸地油田較早時期也曾采用回填法，將廢鉆井液經絮凝、自然干化后就地加土掩埋，易造成土壤及水源污染。考慮海上運輸成本較高及平臺的空間限制，其最好的減量手段就是廢鉆井液的現場循環使用。從各方法所采用的工藝設備、占地面積、適合海上平臺現場應用情況來看[11]，化學脫穩固液分離技術適用于處理水基廢鉆井液，熱處理技術適用于處理油基廢鉆井液。

鉆井廢物不同處理技術對比見表2。

1)水基廢鉆井液化學脫穩固液分離技術

化學脫穩固液分離技術在國內外已廣泛應用，該技術利用化學藥劑破膠、絮凝沉降和機械固液分離等組合技術，分離鉆井液中的固、液兩相，液相可以重復配漿或達標排放[4，12]。廢鉆井液是一種復雜的懸浮液，主要包括膨潤土、無機鹽、化學添加劑、加重材料等，膨潤土本身就有很強的水化功能，又加入了大量的護膠劑，致使廢鉆井液比較穩定，簡單自然沉降和固液分離很難破壞鉆井液中的膠體體系，通過加入破膠劑改變鉆井液的物理、化學性質，破壞其膠體體系，促使懸浮的細小顆粒聚結成較大的絮凝體，再采用壓濾、離心等機械手段進行固液分離。該技術在蘇里格和長北氣田得到廣泛應用[13-14]，固液分離后的液體BOD、COD大幅降低，回配新鉆井液性能與采用清水配制基本一致。固液分離出的液相體積達到70%以上，分離出的固相含水率低，降低鉆井廢物產出量70%以上，化學脫穩固液分離主要設備及處理流程見圖1。

表2 鉆井廢物不同處理技術對比

圖1 化學脫穩固液分離主要設備及處理流程

該技術在海上蓬萊19-3油田應用，使用濾液配制的鉆井液對體系流變性能沒有影響，整個鉆井液性能可控，切力、3/6轉穩定，返砂良好，失水始終控制在4 mL左右，所鉆井起下鉆效率與海水所配漿應用效果基本一致，尾管順利到位。海水配制與濾液配制鉆井液性能對比見表3。

表3 海水配制與濾液配制鉆井液性能對比

2)油基鉆屑熱處理技術

國內外對于油基鉆井廢物常用的處理技術是機械分離和熱脫附組合技術[15]。利用離心甩干機械外力清除含油鉆屑表面的游離態油類物質，實現初步固液分離；含油鉆屑中達標部分合規處理或回收，未達標部分經高溫熱脫附處理，使固相含油率、尾氣及污水達到相關國家標準[4，16]。油基廢鉆井液處理系統主要包含機械除油裝置和電磁感應熱脫附裝置兩部分。機械除油裝置關鍵設備是甩干機和高速離心機，甩干機針對大顆粒含油鉆屑，處理后固相含油率可低于6%；高速離心機針對粒徑2～10 μm的固相物質，處理后固相含油率5%～50%。電磁感應熱脫附裝置主要設備包括：鉆屑輸送裝置、反應釜、冷卻系統、油水回收裝置、尾氣凈化裝置，其工作原理是高溫負壓狀態下，含油鉆屑在容器內發生熱解反應，使基礎油和水以氣體餾分的形式分離，剩余的固態殘渣自動排出，廢氣中的含硫氣體、有機物氣體，經過水封罐堿洗、脫硫罐脫硫、有機物氣體催化高溫燃燒后排放。主要用于處理經機械除油處理后無法達標排放的含油鉆屑[4]，含油鉆屑經熱脫附處理后，鉆屑含油量低于1%，油水回收，尾氣達標[16]，有助于含油鉆屑的無害化處理。該技術在南海東部某油田應用，處理后鉆屑含油率小于1%。油基鉆井廢物處理主要設備及流程見圖2。含油鉆屑熱處理前后組分含量對比見表4。