水基鉆井廢物處理工藝研究與試驗＊

賈 悅 李慧敏 周龍濤 安 靜 張櫨丹 孫福泰 張 莉

(中國石油新疆油田公司工程技術研究院)

0 引 言

油田鉆井時需要在鉆井液中加入必要的化學處理劑，在鉆井過程中，鉆井液從地下帶出巖屑，巖屑將地層中的重金屬等帶入鉆井液中，隨著地層情況的變化，需要添加多種具有特殊性能的化學處理劑以保持鉆井液性能的穩定，其中部分化學處理劑本身就對環境有污染。此外，鉆井液中含有黏土、加重材料、化學處理劑、污油及巖屑等，其中聚合物、重金屬離子、鹽類和瀝青等改性物質對環境影響較大[1-2]。目前油田水基鉆井廢物處理主要采用固化混拌技術，該技術一般以水泥為主材料、輔之以各種添加劑，將鉆井廢物中的有害成分通過物理和化學變化進行束縛、穩定或包容，以減小廢物的毒性、可遷移性和溶解性[3]。處理后固廢總量會成倍增加，造成堆存量大，占地面積大，處理后的固廢還需拉運至集中存放點，添加劑中的材料性能不穩定或失效后，包裹的污染物易被水浸泡滲出，增加了環境風險。油田需要結合生產實際，研究鉆井廢物多元協同處理新技術。

1 油田水基鉆井廢物現狀

新疆油田水基鉆井廢物隨著油田上產呈遞增趨勢，水基鉆井廢物理化性質分析結果表明，COD、苯并(a)芘及含油率超標較高，為主要污染因子。其中，各類聚合物是造成鉆井廢物COD高的一個主要原因，鉆井廢物必須進行處理。

2017年實施的DB65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》，提高了對油氣田水基鉆井廢物的環保管控要求，該標準明確鉆井廢物中主要污染指標是：pH值、COD、含油率、苯并(a)芘、銅、鋅、鎳、鉛、鎘、砷、六價鉻、含水率12項。某區塊鉆井廢物中污染因子檢測結果見表1。由表1可知，該區塊鉆井廢物中COD等指標存在不同程度超標現象。

表1 某區塊鉆井廢物中污染因子數值

2 處理工藝研究

2.1 工藝選擇

鉆井廢物來源于鉆井過程中的鉆井液及其攜帶到地面的巖屑等，性質較為穩定。目前水基鉆井廢物處理技術主要有回收再利用技術[3]、泥漿池就地固化(或無害化)[4-6]、生物處理技術[7-10]、固液分離法、化學法等，其技術發展總體上趨于將多種單一技術有機協同組合。工藝上考慮首先對其進行破膠脫穩，使大分子污染物斷鍵成為小分子易處理的污染物，同時對懸濁液狀的固廢加水進行均質化，盡量使固體中的污染物溶進液相，針對液相使用成熟的水處理工藝，達到對鉆井固廢多元協同處置的目的，由此設計了“微波輔助破膠+旋流振動+壓制脫水+微生物處置”多模塊組合工藝，以期達到催化斷鍵、高效反應、固廢濃縮和深度降解的效果。

2.2 工藝流程

三開段待處理鉆井廢物從廢物存儲地罐提升到破膠反應單元，加水稀釋到廢物濃度為35%左右后，加入破膠劑聯合微波進行氧化斷鏈反應，去除一部分環狀、長鏈物質。隨后進入旋流振動分離單元，處理后得到大固體顆粒和液相懸浮液。大固體顆粒直接進入集中堆存區，液相懸浮液進入加藥反應單元，依次加入一定配比的絮凝劑、助沉劑及凈化劑，充分攪拌反應。下層沉淀的泥狀固體顆粒進入壓泥機脫水后進入集中堆存區，上層清液進整套設備循環使用。如遇鉆井復雜情況，鉆井廢物成分變化較大，加藥反應單元出泥指標若達不到DB65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》，再采用微生物進行深度降解至所有指標達到該標準要求。

鉆井廢物處理工藝流程見圖1。

圖1 鉆井廢物處理工藝流程

3 現場試驗情況

在新疆油田某區塊選擇了不同區域鉀鈣基聚氨有機鹽鉆井液體系的開發井，針對成分較為復雜的三開段開展了水基鉆井廢物處理試驗，試驗期間設備連續隨鉆運行，共處置鉆井廢物約1 000～1 200 m3，可滿足現場生產要求。主要考察和驗證水基鉆井廢物中含油率、苯并(a)芘以及COD 3個特征污染指標的處理效果，試驗過程中全程動態對處理后的固體廢物連續取樣檢測，證實經多元協同技術處理后的指標滿足DB65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》，部分檢測結果見圖2、圖3、圖4。

3.1 藥劑洗脫處理

在加藥反應單元，按照前期實驗室藥劑正交實驗復配濃度值，分別加入絮凝劑、助沉劑和凈化劑進行藥劑洗脫處理后，絕大部分含油率和COD特征污染物指標可達到DB65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》。

1)含油率指標：采用CJ/T 221—2005《城市污水處理廠污泥檢驗方法》檢測方法，對9個樣品的含油率進行檢測分析，處理前原樣均值約3.5%，處理后指標小于標準值2%，去除效果明顯，最終可達到0.1%左右，優于DB65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》，去除率約97%，證明復配藥劑對鉆井廢物的含油率有較好的去除效果。鉆井廢物處理前后含油率指標數值見圖2。

圖2 鉆井廢物處理前后含油率指標數值

2)COD指標：采用HJ/T 399—2007《水質 化學需氧量的測定 快速消解分光光度法》檢測方法及OIL-460紅外分光光度儀檢測，鉆井廢物處理前后COD指標數值見圖3。由圖3可知，鉆井廢物處理前COD原樣均值約為3 890 mg/L，微生物處理后指標小于標準值150 mg/L，最終可達到120 mg/L左右，滿足DB65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》，去除率約為20%。

圖3 鉆井廢物處理前后COD指標數值

3.2 微生物降解

經藥劑洗脫后，仍有苯并(a)芘及COD指標超標，則采取微生物深度降解處理，實驗發現A菌+工程菌C，并輔以微電解質激活后的復配效果最優，A菌為去除烴類物質以及其他油性物質的生物制劑，C菌為以色列高能土壤修復菌與土著菌馴化的工程菌。經微生物降解后，所有指標達到DB65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》。在原始樣、破膠后、洗脫后及微生物4個節點動態連續取樣檢測，證實各模塊分步降解效果明顯。

1)苯并(a)芘指標：采用GB 5085.6—2007《危險廢物鑒別標準 毒性物質含量鑒別》中苯并(a)芘測定方法及液相色譜儀檢測，微生物處理后苯并(a)芘整體工藝分步處置效果見圖4。由圖4可知，鉆井廢物處理前苯并(a)芘原樣均值約為5.9 mg/kg，微生物處理后指標小于標準值0.7 mg/kg，在原始樣、破膠后、洗脫后及微生物降解4個工藝模塊節點連續取樣檢測，各模塊分步去除效果明顯，最終可達到0.2 mg/kg左右，優于DB65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》，去除率約為71%。

圖4 微生物處理后苯并(a)芘整體工藝分步處置效果

2)COD指標：采用HJ/T 399—2007《水質 化學需氧量的測定 快速消解分光光度法》中檢測方法及OIL-460紅外分光光度儀檢測，微生物處理后COD整體工藝分步處置效果見圖5。由圖5可以看出，鉆井廢物處理前COD原樣均值約為2 470 mg/L，微生物處理后指標小于標準值150 mg/L，在原始樣、破膠后、洗脫后及微生物降解4個工藝模塊節點連續取樣檢測，各模塊分步去除效果明顯，最終可達到78 mg/L左右，優于DB65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》，去除率約為76%。

圖5 微生物處理后COD整體工藝分步處置效果

鉆井廢物無害化撬裝處理裝置設計處理能力為15 m3/h，具有流程短、占地小、效率高、操作靈活等特點。現場試驗裝置見圖6。采用該裝置現場試驗的3口井，通過對現場試驗過程跟蹤監測評價分析，顯示出良好的處理效果，隨鉆處理后的固廢已達到DB65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》。由于破膠工藝單元需加水稀釋，處理過程中的水可供整套裝置自身循環使用。

圖6 現場試驗裝置

通過現場試驗數據分析，固化技術處理后的固體廢物量增加3～4倍，采用該多元協同技術處理后的固廢含水量均值40%左右，鉆井廢物處理前后含水率指標數值見圖7。現場試驗處理固廢對比效果見圖8。與固化處置相比，固廢量可減少85%以上，縮減了固廢占地面積，減小了環境污染風險。

圖7 鉆井廢物處理前后含水率指標數值

圖8 現場試驗處理固廢對比效果

4 結 論

1)經藥劑洗脫工藝后，含油率指標最終可達到0.1%左右，去除率約為97%；COD指標最終可達到120 mg/L左右，去除率約為20%。

2)經微生物降解后，苯并(a)芘指標最終可達到0.2 mg/kg左右，去除率約為71%；COD指標最終可達到78 mg/L左右，去除率約為48%。

3)該工藝能夠實現對鉆井廢物隨鉆、連續處理，鉆井固廢處置后，COD、苯并(a)芘及含油率污染因子滿足DB65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》。

4)對比現有固化技術，經該多元協同技術處理后固廢量大大減少，可減少鉆井現場固廢的堆存量和占地面積，減輕了環境污染風險。