國內外海上油氣田開發廢棄物處理技術與裝備

單軍鋒 任憲剛 姚競爭 閆學濤

（1.中海油能源發展有限公司工程技術分公司；2.哈爾濱工程大學煙臺研究院）

隨著海上油氣田開發的速度逐漸加快，對海洋環境的保護也變得尤為重要。 在海上鉆井平臺上，平均每一口井就要產生100～500 m3的廢棄鉆井液［1］，其中包含水、油、鉆屑、粘土、加重物料及各種化學處理劑等，直接排放會對海洋生物和水域造成極大的危害。 為研發海上油氣田開發中鉆井/完井“零排放”水基鉆屑的高效處理/輸運技術，需要了解海洋環境存在的問題，制定和執行相應的海洋環境保護法規，改進之前的有關大量水基鉆屑的處理方法，形成更為完備的廢棄物處理體系，減少鉆井液處理盲區，力爭在近年大幅減少渤海海域海洋廢棄物的排放［2］。

隨著海洋油氣的增儲上產需求和海洋環保的生態紅線限制力度加大，海上油氣田環保處理技術和裝備升級面臨巨大挑戰。 為保證生產效率， 需建立油氣平臺→環保處理船→穿梭運輸船→陸地接收端的新型廢棄物處理模式，其中亟待解決的問題為：在原有平臺限制空間內提高裝備的處理能力； 增強廢棄物遠距高效的傳輸能力；大容量廢棄物存儲處理船型的開發；陸地接收、處理與再利用技術。 從而實現油氣田開發過程中真正意義上的海上零排放、陸地資源化等技術的突破，降低油氣田開發成本，實現油氣田廢棄物處理技術的新舊動能轉化。 為此，筆者就國內外海上油氣田開發的法律法規、廢棄物處理技術和裝備體系做一綜述和展望，為海上油氣田開發零排放的實現提供基礎性參考。

1 國內外環保技術規范與排放標準

1.1 國外規范與標準

2000 年歐盟頒布的鉆井/完井廢棄物排放標準主要遵循的是北大西洋和東大西洋環境保護委員會的標準——OSPAR 公約。該標準禁止向海水中排放油基鉆屑，其他排放液中鉆屑殘留礦物油含量要低于1%；要求污水中年均值生物需氧量不得高于25 mg/L、 固體懸浮物不得高于35 mg/L、化學需氧量不得高于125 mg/L［3］。

加拿大關于鉆井/完井廢棄物的處置方法主要根據 《近海廢物處理指南》（Offshore Waste Treatment Guidelines）來制定［4］。 該處理指南規定了廢棄材料、大氣污染物、鉆井泥漿、排放物中的鉆屑、井下作業液的排放和處理標準，要求鉆井泥漿中的總多環芳烴濃度低于10 mg/kg，且在海洋環境中相對無毒和好氧條件下可生物降解；水基鉆井液泥漿攜帶的鉆屑允許排放到海中，油基鉆井液泥漿攜帶的鉆屑不許排放，合成基鉆井液泥漿攜帶的鉆屑須使油在濕固體中的濃度達到每百克6.9 g 或更低后方可排放；采出水中30 日體積加權平均含油濃度不應超過30 mg/L、 排出水中24 h 平均含油濃度（每天至少測算兩次）不應超過44 mg/L。

美國聯邦法律中，與海洋油氣開發廢物處理相關的法律包括聯邦環境政策法（National Enviromental Policy Act of 1969）、 資源保護與補償法（Resource Conservation and Recovery Act）、 石油污染法（The Oil Pollution Act of 1990）、污染預防法 （The Pollution Prevention Act） 及清潔水法（Clean Water Act）等［5］。 資源保護與補償法授權美國環保署（EPA）全方位控制有害廢物， EPA 自1988 年就將油氣開采鉆井/完井廢棄物排除在資源保護與補償法規定的有害廢棄物范圍內（即豁免權），對于混合物的排放，主要取決于混合之前的性質并進行化學分析。 《清潔水法》40 卷的第435 部分對近岸鉆井平臺鉆井廢物的規定有：非水基鉆井泥漿不準直接排放；非水基鉆井巖屑的排放物經處理不含油后才能排放；生產廢水含油濃度單日最大排放限值為72 mg/L、30 日平均值限制為48 mg/L；對于鉆屑的排放，要求排海鉆屑的含油量必須低于1%， 而且排放物中的重金屬含量也有所限制，如墨西哥灣排放鉆屑中要求鉻含量低于3.0 mg/kg、汞含量低于1.0 mg/kg。 需要說明的是，美國各州法案中多數禁止鉆屑排海。

其他擁有海上鉆井的國家也依據各國國情推出了一些標準。 其中，挪威、英國北海及澳大利亞等地推行的標準與歐盟的相似，排放鉆屑的含油量要求低于1%。 巴西在加拿大排放標準的基礎上做了改進，根據水深的不同，規定：不超過60 m 的海域實行零排放政策，60～1 000 m 的海域排放鉆屑含油量不超過6.9%，大于1 000 m 海域排放物不需要檢測。

1.2 國內規范及標準

國內最早針對海洋石油勘探開發的法律法規是1982 年8 月23 日頒布的《中華人民共和國海洋環境保護法》，現行的所有標準規范，都以此法為依據［6］。 1983 年12 月29 日，國務院公布了《海洋石油勘探開發環境保護管理條例》， 并于1990 年9 月20 日發布實施，第15 條量化規定含油鉆井/完井廢棄物的排放標準：禁止水基泥漿含油質量分數超過10%和油基鉆屑含油量超過15%排放入海。2000 年4 月1 日修訂正式施行的《海洋石油勘探開發污染物的排放濃度限值》對海洋石油鉆井和開采提出明確要求。

2001 年，國家頒布了GB 18420.1—2001《海洋石油勘探開發污染物生物毒性分級》將海域進行三級劃分，規定：鉆屑排放一級海域含油量不超過1%，二級海域不超過3%，三級海域不超過8%，重金屬Hg含量不超過1 mg/kg，Cd 含量不超過3 mg/kg。

2008 年修訂頒布的海洋石油開發工業含油污水排放標準——GB 4914—2008 《海洋石油勘探開發污染物排放濃度限值》規定渤海地區實行零排放政策，鉆屑不得排放［7］。

2012 年，針對當時石油開發廢棄物多數為回注處理的情況，中國石油天然氣總公司推出SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》，該行業標準對回注水中懸浮物含量、懸浮物粒徑、含油量、平均腐蝕率、SRB、IB 及TGB等做出具體要求［8］。

2019 年12 月13 日國家生態環境部辦公廳發文《關于進一步加強石油天然氣行業環境影響評價管理的通知》強調：生產水的排放濃度應符合GB 18420.1—2001 規定的生產水生物毒性容許值，非水基鉆井液（即油基鉆井液和合成基鉆井液）不得排放入海，在渤海海域不得排放非水基鉆井液鉆屑，也不得排放鉆井油層的水基鉆井液及其水基鉆井液鉆屑。

由上述標準對排放鉆屑含油量和重金屬含量的規定要求可以看出，國內排放標準已與歐美國家看齊。 尤其是渤海地區的排放要求，足以彰顯國家對于海洋環保整治的決心。 因此，保障海上鉆屑零排放裝備的研發勢在必行。

2 油氣田廢棄物處理技術

2.1 通用技術

隨著石油開采業的發展，廢棄物處理技術也趨于成熟。 目前，廢棄物處理技術主要采用固液分離、生物處理、回注、焚燒處理、坑內密封、分散處理、回收再利用、固化及破乳等方法［1］。

固液分離法是利用化學絮凝劑絮凝、沉降及機械分離等工藝， 將廢棄鉆井液固液兩相分離，現已研發出多種有機/無機絮凝劑；生物處理法是利用微生物將有機長鏈或有機高分子降解，或使一些高分子有機物絮凝并沉積，其中必須采用自然篩選（誘變培育）、基因工程和細胞工程技術獲得的特種微生物；回注法是將鉆井液注入深度大于600 m 的非滲透性地層中，但此法可能對地質狀況產生破壞； 焚燒處理是在1 200～1 500 ℃高溫下對廢棄鉆井液進行焚燒，并在焚燒爐的煙囪內安置有除塵、回收和吸收設備；坑內密封法主要針對毒性較大或難以處理的鉆井液，在坑內放置多層有機土和塑料墊層并加固化層后，在坑內存放廢棄鉆井液，此法對封閉性要求較高。 另外，該類鉆井液因其毒性較大，不能采用常規方法處理，可運至指定地點集中處理。

2.2 國外技術

為應對國外日益嚴格的環保要求，國外石油公司在廢棄物處理技術和裝備方面開展了一系列的研發。

SWACO 公司研發了一套完整的廢棄物密閉處理系統，包括頁巖振動篩、大容量泥漿清理系統、大容量高頻離心機、脫水、運輸、收集及密閉等系統。 SWACO 公司主要服務于美洲和歐洲，基本滿足了當地對排放鉆屑含油量不超過1%的要求［9］。 值得一提的是，SWACO 公司為了應對不同情況下的離心需求， 設計了各種型號的離心機，包括CD-500、CD-518、CD-250， 處理能力為83 ～248 gal/min（1 gal=3.785 L）。 CD-518 離心機用于Llanos Orientales 盆地的鉆探作業中，發揮了它的強大功能（高轉速），使含有大量低比重固體的泥漿得以順利分離。此外，在處理污水方面，SWACO公司設計了一種新型的渦軸分離設備，能夠從各類混合液中分離油、氣、水和密度不同的固體，該設備最大處理量為18.9 m3/min，性能明顯優于傳統的離心機或水力旋流器［10］。

在污水處理破乳劑和絮凝劑的研制方面，Baker Hughes 公司形成了一套完整的試劑研發技術，其中Tretolite Clear 試劑用于解決含油量較高的污水處理問題。 加拿大常規油田的生產水和污水一直含油量較高， 不僅無法滿足排放標準，還常發生油污阻礙機器運轉的情況，Baker Hughes公司首先對現場環境進行全方位檢測，之后根據水中含油組分對Tretolite Clear 試劑做了改進，配合現場的離心設備將油污分離率提高至98%，達到排放標準［11］。

微生物處理技術作為一種環保有效的石油廢棄物處理技術近年來備受關注。 目前，國外微生物處理技術最先進的國家是美國， 早在1989年3 月的Exxon Valdez 漏油事故中，美國就率先應用了微生物處理技術。 該技術的基本原理是海洋中存在可分解石油的微生物，經篩選土著微生物，根據微生物生長條件投入大量N、P 等營養元素促進微生物富集，從而分解油類物質。 2010 年4 月， 美國墨西哥灣漏油事件部分油污也采用了該技術。 因微生物處理技術的處理周期較長，一般用于海上溢油和漏油事件，有時也用于處理陸地石油開采污染的土壤。

2.3 國內技術

國內的油氣田廢棄物處理技術主要用于陸地石油的開采。

中國石油南方石油勘探開發有限責任公司下屬的海南福山油田成功研發出 “泥漿不落地”技術［12］，該技術包含3 個工藝單元：廢棄物收集單元、破膠脫穩單元和固液分離單元（圖1）。整套裝備總占地面積約250 m2，在廢棄物實際處理過程中效果良好。

圖1 海南福山油田泥漿不落地處理工藝流程示意圖

中石化華北分公司在國內油氣田率先使用鉆井液不落地技術（圖2），已在大牛地氣田和東勝氣田全面推廣應用，該技術通過在固控系統下設置固液收集初分裝備，經初步分離后固相進入巖屑收集罐待后續處理［13］。 整套裝備總占地面積約300 m2。

圖2 大牛地氣田鉆進液不落地處理工藝流程示意圖

大港油田、塔里木油田等油田的鉆屑隨鉆處理技術相對成熟［14］，針對本區塊鉆井液體系適用性較強。 鉆屑隨鉆處理工藝流程示意圖如圖3 所示。 由于陸地鉆井空間大，處理設備占地面積也大，因此大多數油井對分離出的液相未做現場回注處理。

圖3 鉆屑隨鉆處理工藝流程示意圖

國內絮凝劑的生產研究已有了比較完備的體系。 如成都科龍化工生產的聚合氯化物（PAC）和聚合硫酸鐵（PFS）、上海麥克林生化科技有限公司生產的聚乙烯亞胺（PEI）及云海凈水生產的陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）等均可凈化鉆井/完井污水的絮凝劑。 但是，鉆井/完井廢棄物的處理手段還需因地制宜，不同地區的廢棄物有機物和無機鹽的含量不盡相同，需要形成一套全方位檢測技術，讓絮凝劑的使用更高效。

國內的生物處理技術起步較早，現也處于國際領先水平。 早在1983 年，國家海洋局第三研究所就開始了海洋油污染生物降解技術的研究。 該項目根據廈門港的石油污染物進行研究，調查培養廈門港區內的烴降解菌群，最終培養出一批適合廈門港的油污處理菌群［15］。 目前，比較成熟的海上鉆井/完井廢棄物生物處理技術是由海軍醫學研究所和復旦大學合作培養出的石油降解菌，在含柴油200 mL/m3，原油比95∶5 的污水中，15 h油污降解率達到93%以上。 生物處理技術在國內陸地油田上使用較多，如新疆、甘肅等地，海上生物處理法還有待繼續開發。

3 總結與展望

國內的鉆井/完井廢棄物處理技術雖然已經有了突破性進展，但是隨著海上石油開采技術的急速發展和對海洋環境保護愈加重視，制定了更加嚴格的廢棄物排放標準，這就需要進一步優化廢棄物的處理辦法。

從標準制定的情況來看，國內海洋環境保護規范在經過近40 年的發展歷程后， 已達到國際水平。 特別是2008 年后修訂的國標，據渤海海域情況提出零排放要求，說明國家已把環保問題放在工作的重中之重，對今后海洋生態保護、海上產業綠色發展等起到了一定的保護作用。

目前，國內行業技術裝備發展領域、機械制造、化工生產和生物技術方面，已達到國際水平，尤其是生物處理石油技術已達國際領先水平。 但是，相對于成熟的國際油服公司，國內并沒有一套成熟的海上廢棄物處理體系， 既無法像SWACO 一樣， 利用一套海上廢棄物處理體系及其每個處理階段不同型號的設備來應對各種海上生產條件，也無法像Baker Hughes 一樣，因地制宜地改進絮凝劑的配方，適宜處理各種廢棄物。 因此，需要石油公司根據我國國情和生產環境在零排放的工作中不斷積累經驗，促進這些技術體系的形成。

國內海上油氣田開發已將零排放作為發展方向，需要找到海上鉆井/完井情況的一套完善的技術路線，研發出適于海上不同區域各種泥漿性質的廢棄物處理裝備，結合作業面積有限、安裝成本高等特點，參考國內外的處理方法尋找到適用于國內海上的廢棄物處理體系，最終達到海上鉆井/完井開發的零排放這一目標。