廢棄水基鉆井液不落地高效處理技術研究

周佰剛，馬孟磊，楊暕暕，王 虎，劉海云

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司鉆井技術服務分公司

0 引言

在石油和天然氣工業中，從勘探到生產直至開采結束的每個階段幾乎都涉及鉆井。鉆井液消耗量巨大，同時產生大量需要處理的廢棄鉆井液。在石油和天然氣工業的早期，鉆井廢棄物被忽視，而且大多以最簡單或最快的方式處理。20世紀70年代有大量證據表明廢棄鉆井液排放對當地生態產生嚴重污染，歐美國家開始制定新的政策來限制和規范油田廢物處理，目前已經形成了完備的法律法規來約束環境污染問題，要求對廢棄鉆井液實現“零排放”［1］。近年來，我國新《環境保護法》頒布實施，廢棄鉆井液無害化高效處理得到高度重視，很多常用的處理方法已經不再適用，對排出水的水質要求也越來越嚴格。

固液分離技術是廢棄鉆井液的減量化、穩定化的重要技術方法，同時分離出的水通過簡單處理后回用于配置和維護鉆井液，降低了鉆井作業清潔水的用量和廢棄鉆井液的排放體積。目前廢棄鉆井液處理技術在固液分離技術、實施工藝、現場應用設備等方面取得了眾多進展，但仍存在設備分散、設備布局亂、占用面積大、處理效率低等缺點。因此，從環境保護和降本增效的角度出發，采用化學和物理方法來處理廢棄水基鉆井液顯得非常重要。

1 高效處理技術研究

1.1 廢棄鉆井液處理技術現狀

我國從20世紀80年代開始對廢鉆井液進行深度處理和嚴格控制，30多年來我國的廢棄鉆井液處理技術得到長足發展。目前采用的技術主要有：直接回用、提取含油物質和添加劑、脫水、破乳、填埋、生物處理、物理化學固化、焚燒與吸附材料混合等［2］。此外，廢棄鉆井液處理技術最新進展主要涉及吸附、電化學、固液分離、固化、生物處理等［3］。每種方法都有其優缺點，也可以采用兩種或兩種以上的方法一起使用。

根據我國大部分油田使用水基鉆井液的實際情況，研究主要集中在固化技術、固液分離技術兩個方向［4］。廢棄鉆井液的固液分離技術是廢棄鉆井液的減量化穩定化的重要技術方法，同時，分離出的水通過簡單處理后回用于配置和維護鉆井液，降低了鉆井作業清潔水的用量和廢棄鉆井液的排放體積。固液分離技術方面，形成了脫穩—絮凝的處理方法，通過使用無機、有機和復合絮凝劑達到固液分離的目的；在實施工藝上，已由處理的簡單沉降工藝發展到使用壓濾、離心分離處理工藝；開發了多種現場應用設備，如：絮凝—離心—絮凝式固液分離裝置、鉆井廢棄液—廢水處理一體化設備（CNPC環境工程中心）等；而針對脫穩—絮凝處理的高效處理劑和高效反應器技術、固液分離處理后續環境污染控制技術以及廢物綜合利用技術研究的較少。目前，普遍采用的處理工藝為：不落地收集—破膠絮凝—固、液分別處理或處置的工藝，該工藝的核心是破膠—絮凝。

1.2 混凝劑優選

混凝是指通過雙電層作用使膠體顆粒相互聚結過程的凝聚，以及通過高分子物質的吸附架橋作用使膠體顆粒相互黏結過程的凝聚。常用的混凝劑可分為普通無機混凝劑、無機高分子混凝劑和有機高分子混凝劑三大類。同時，為提高混凝效果，有時需要加入一定量的助凝劑。

1.2.1 無機混凝劑優選

無機混凝劑包括普通無機混凝劑與高分子無機混凝劑。兩者之間優先選擇高分子無機混凝劑，其根本原因在于它能提供大量的絡合離子，且能夠強烈吸附膠體微粒，通過吸附、橋架、交聯作用，使膠體凝聚。同時還發生物理化學變化，中和膠體微粒及懸浮物表面的電荷，降低了δ電位，使膠體微粒由原來的相斥變為相吸，破壞了膠團穩定性，使膠體微粒相互碰撞，從而形成絮狀混凝沉淀，沉淀的表面積可達200～1 000 m2/g，極具吸附能力。

無機高分子混凝劑主要是鋁鹽與鐵鹽，鐵鹽處理后水色發暗，一般選鋁鹽。鋁鹽主要是聚合氯化鋁和聚合硫酸鋁，聚合氯化鋁實際上是一種無機高分子聚合物。聚合氯化鋁對高濁度、低濁度、高色度及低溫水都有較好的混凝效果。它形成絮凝體（俗稱“礬花”）快且顆粒大而重，易沉淀，投加量比硫酸鋁低，適用的pH值范圍較寬，在5～9之間。而且還可以根據所處理的水質不同，制取適量的聚合氯化鋁，而硫酸鋁則不能。

故選定聚合氯化鋁作為混凝劑，且聚合氯化鋁與聚丙烯酰胺配合使用效果更佳。

1.2.2 有機混凝劑優選

有機高分子混凝劑包括人工合成的有機高分子材料和天然的有機高分子材料，其中以人工合成的有機高分子混凝劑為主，如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉等。聚丙烯酰胺用得最多，其產量約占高分子混凝劑生產總量的80%。故選定聚丙烯酰胺為混凝劑。

聚丙烯酰胺中陰離子聚丙烯酰胺一般在廢水處理時使用，陽離子聚丙烯酰胺通常作為污泥脫水使用，考慮到實際使用情況，因此選定為陽離子聚丙烯酰胺。

1.2.3 助凝劑優選

當單獨使用混凝劑不能達到預期效果時，需要投加某種輔助藥劑以提高混凝效果，這種藥劑稱為助凝劑。常用的助凝劑有：氯氣、生石灰、熟石灰、活化硅酸、活化水玻璃和泡花堿等。

根據實際情況及為降低固液分離出水色度考慮，并綜合考慮性價比，采用熟石灰。

1.2.4 新型表面活性劑優選

油區二開或三開時會選擇鉀鹽聚合物鉆井液或鹽水鉆井液，加入一定量氯化鉀/氯化鈉、抗鹽降濾失劑、抗鹽強包被抑制劑和潤滑劑，對鉆井液破膠絮凝影響較大，延長壓濾周期，影響壓濾效果。為此針對鉀鹽聚合物和鹽水鉆井液進行大量試驗，在原有無機絮凝劑和有機絮凝劑基礎上，加入一種新型表面活性劑的目的不是優選出新型處理藥劑，而是縮短壓濾周期，提高壓濾效果，以優選出新型處理藥劑。試驗結果如圖1～圖3所示，HLB為10.6，在藥劑用量為0.3%時，濾餅含水率最低，表面活性劑在固相上的吸附達到最佳效果。

圖1 無機混凝劑添加量與濾餅含水率關系圖

圖2 有機混凝劑添加量與濾餅含水率關系圖

圖3 新型表面活性劑用量與濾餅含水率關系圖

2 高效處理技術工藝研究

2.1 環渤海與長慶油田廢棄鉆井液處理現狀

我國各大油田嚴格遵守新環境法規，對廢棄鉆井液處理的規定也逐漸嚴格，例如大港油田和長慶油田在要求廢棄鉆井液不落地的基礎上，要逐漸采用鉆井廢棄液不落地固液分離處理。環渤海與長慶油田廢棄鉆井液處理通過不斷改進和優化，已經經歷了三個階段：①前期采取現場固化處理工藝，其中包括落地式鉆井液固化和不落地鉆井液固化處理；②逐步過渡到不落地收集外運處理；③向鉆井現場固液分離過渡處理。目前，主要形成了兩種處理模式：離心式鉆井廢棄液固液分離處理模式和壓濾式鉆井廢棄液固液分離處理模式，設備布置如圖4和圖5所示。

圖4 離心式鉆井廢棄液固液分離處理布局示意圖

圖5 壓濾式鉆井廢棄液固液分離處理布局示意圖

目前，鉆井液不落地處理工藝存在以下缺點：①設備分散，設備布局亂，占用面積大。收集、處理、儲存設備眾多且分散，占用大量井場面積，而現在鉆井井場面積呈縮小的發展趨勢，二者相矛盾。連接用管線、罐內泵送設備等附件多，連接繁瑣，導致設備安裝、拆卸效率低下，現場布局亂，不利于現場車輛、機具通行；②處理效率低。離心機雖說能夠連續處理，但離心機普遍處理量小，且固液分離效果與壓濾機相比有一定差距。壓濾機屬于間歇式處理設備，如果要得到理想的壓濾效果，必須長時間保壓，每次壓濾時間長，導致壓濾效率低下，不能滿足鉆井提速的需要。

2.2 高效處理工藝研究

針對目前鉆井液不落地處理工藝存在的不足，基于廢棄鉆井液的特點，改進了固液分離高效處理工藝流程，如圖6所示。

圖6 固液分離高效處理工藝現場圖

（1）收集模塊。在收集罐加裝“可拆卸式活蓋”，并安裝攪拌器及自動升降泵，同時優化管路流程，使收集模塊更加簡潔高效，實現電動化控制。罐底采用船型圓弧形設計，能夠有效防止沉砂堆積，并且在收集口上方安裝防護板，使整套流程更加安全可靠。

（2）破膠絮凝模塊。配藥倉改到濾液罐內，安裝藥劑加注泵，優化加藥管路流程，使操作更加簡便，同時破膠罐攪拌器葉輪選用加長葉片，使鉆井液與藥劑混拌更加均勻。

（3）壓濾處理模塊。采用隔膜壓榨工藝，壓濾效率由原來4 h縮減至1 h，壓濾出的濾餅含水率更低，濾液更加清澈。操作過程全部采用PLC程序控制，實現一鍵式操作，并增加自動卸濾餅功能，極大降低人員勞動強度。

（4）傳輸模塊。采用電動皮帶輸送機，可實現濾餅的自動裝車。

3 高效處理設備配套優化

3.1 高效固液分離設備原理分析

我國各大油田普遍使用的固液分離設備包括沉降式離心機與壓濾機。離心機的分離原理是利用滾筒的高速旋轉帶動進入滾筒中的鉆井液高速旋轉，鉆井液被甩到筒壁上形成一個液圈，液圈中的固相顆粒由于受到大于自身重力幾百倍甚至幾千倍的離心力的作用，就克服鉆井液黏度的阻力快速沉降到滾筒的內壁上，形成固相層，液體形成液相層。離心機的推渣工作是由螺旋推進器完成的。經現場應用反復證明，雖然離心機存在連續工作的優點，但離心機工作時間長容易出現堵塞的現象，且與大型壓濾機相比，工作效率也存在劣勢。因此，壓濾機逐漸在鉆井液固液分離處理中得到普遍應用。

壓濾機過濾后的濾餅有更高的含固率和優良的分離效果。固液分離的基本原理是混合液流經過濾介質（濾布），固體停留在濾布上，并逐漸在濾布上堆積形成過濾餅。而濾液部分則滲透過濾布，成為不含固體的清液。壓濾機除了優良的分離效果和濾餅高含固率外，還可提供進一步的分離過程。目前，隨著壓濾機行業的發展，在板框壓濾機的基礎上，在每個濾室內布置隔膜，通過向隔膜注液或注氣的方式充壓，在壓濾后形成二次壓榨，使壓濾效率顯著提升，提出了隔膜式壓濾機，因此確定固液分離設備選用隔膜式壓濾機。由于增加隔膜二次壓濾，壓濾同樣的介質，每次壓濾時間較普通板框式壓濾機節省約40%。

3.2 高效配套設備的設計與優化

根據前面對廢棄鉆井液處理技術及工藝的分析，優化不落地收集外運設備，配套固液分離高效處理設備。首先，精簡設備流程，去除地罐及多余桿泵，將井隊1號循環罐與不落地收集罐直接連接，整套流程更加精簡高效，使井隊清罐更加便捷，同時節約設備安裝拆卸時間。其次，罐面增加防滲漏設施，杜絕挖掘機倒運時，鉆井液灑落井場、污染環境情況發生。安裝電動升降泵，替換原有的手拉葫蘆和泵架，提高工作效率。

在以上高效處理設備基礎上，根據長慶油田蘇里格地區地層情況、井隊發電機組負荷情況，設計配套適合于長慶油田的固液分離高效處理設備。蘇里格地層以砂泥、砂礫巖層為主，井隊循環罐巖屑沉積嚴重，需要頻繁清罐，專門為長慶油田固液分離設備配備地罐一具，用于井隊循環罐清砂。針對蘇里格地區地層情況，破膠罐內加裝鉆井液槍，防止罐內沉砂堆積。蘇里格地區固液分離場地面積較大，井場與處理廠之間運距較遠，專門配備存儲罐3具，由于存放濾餅和濾液，應避免因拉運不及時，污染環境的情況發生。

4 應用實例

油田建設了很多類似和衍生的廢棄鉆井液處理工藝，針對不同的油田現場，圍繞這類技術出現了大量新穎的技術、設備和化學品。本文介紹的廢棄鉆井液高效處理技術取得了一些顯著的成果。利用鉆井液不落地固液分離高效處理設備分別在大港油區官頁1-1-10L、官東19-20、家41-43等井及蘇里格蘇20、25、76區塊進行了成功應用，取得了較好的效果。現場試驗47口井，其中環渤海地區試驗15口井，長慶油田試驗32口井。其中官頁1-1-13L井共計施工17 d，處理鉆井液555 m3，產生濾液345 m3，濾餅200 m3，處理效果明顯。

從應用效果方面分析，本文研究的廢棄鉆井液高效處理技術具有以下優點：①設備精簡高效，安裝周期縮短，由原來3 d縮短到1～1.5 d；②分離的液相清澈透明，檢測報告表明，處理后的廢水水質和固體廢物浸出毒性完全符合相關環境法規的要求，分離出水滿足回注水要求，最終回注地層處理；③固液分離設備選用隔膜式壓濾機，增加隔膜二次壓濾，壓濾同樣的介質，每次壓濾時間較普通板框式壓濾機節省約40%；④壓濾出濾餅的固相含水率低，滿足土壤質量要求，能夠進行資源利用，可以作為一般廢棄物回收處理；⑤處理效率滿足井隊鉆進需求，實現井隊零等停。

5 結束語

（1）分析了目前廢棄鉆井液處理技術存在的不足，并對原有技術進行改進，通過現場應用，處理效果明顯，處理后的廢水符合新環保法的要求。但環渤海地區存在鉆井液排放量較大，且超出設計量的問題。

（2）建議環渤海地區鉆井過程中控制鉆井液排放量，并從以下幾個方面進行工藝優化：①加強處理藥劑研發，研發合適的處理藥劑，提高聚合物、鹽水、磺化鉆井液處理效率；②繼續改進環渤海地區鉆井液不落地高效處理工藝，提高處理效率和處理效果，滿足鉆井提速要求；③加強固相資源化利用方面研究，加入高強度固化劑，增加固相強度，實現固相墊井場、鋪路等資源化利用。