钻井废弃物无害化处理技术研究与应用

2016-12-09段晓东吕晓平

西部探矿工程 2016年11期

关键词：破胶钻屑固化剂

段晓东，吕晓平，王　涛，杨　宽

（西部钻探工程有限公司国际钻井公司，新疆乌鲁木齐830026）

钻井废弃物无害化处理技术研究与应用

段晓东*，吕晓平，王涛，杨宽

（西部钻探工程有限公司国际钻井公司，新疆乌鲁木齐830026）

钻井废弃物含有为满足钻井液性能而添加的各种有机和无机化学药剂，对环境会造成一定的污染。在研究分析国内外钻井废弃物无害化处理技术基础上，针对性开展了伊朗南阿油田废弃钻井液无害化处理研究，优选出处理剂和优化处理工艺。在2口井上应用，实现了钻井液重复利用和无害化处理。值得下一步深入研究推广应用。

钻井液污染；无害化处理；推广应用

处理钻井废弃物的目的是为了实现钻井液的重复利用及减轻环境污染。对于钻井废弃物的处理，国内外同行进行了多年的探索，积累了丰富的经验，但还存在着许多不完善的地方，需要开展进一步的研究。国内外处理方法主要有以下几种：回填法、垦植法、挤压法、固液分离法、固化法、焚烧法、回收利用法、生物降解法等[1]。

1　钻井废弃物成分及其对环境的影响

钻井废弃物主要是有粘土、钻屑、加重材料、化学添加剂、无机盐、油组成的多相稳定悬浮液，pH值较高[2]。导致环境污染的有害成份主要为石油类、盐类、某些化学添加剂、重金属、高分子有机物生物降解产生的低分子有机化合物和碱性物质等。其对环境造成的影响主要表现在：①对地表水和地下水资源的污染；②导致土壤的坂结，对植物生长不利，甚至无法生长，致使土壤无法返耕；③各种重金属滞留于土壤，影响植物的生长和微生物的繁殖，同时因植物吸收而富集，危害人兽的健康；④对水生动物和飞禽也会产生不良影响[3]。

2　钻井废弃物无害化处理技术思路

（1）废弃水基钻井液破胶技术：由于废弃钻井液中的有机类和其它化学物质以分子和离子状态存在，并且吸附在固相、胶体粒子上，也存在于液相中，固相和胶粒上的有机类和其它化学物质用常规方法很难脱去，因此，需要一种废弃钻井液的破胶技术。

（2）破胶后的钻井液脱液相技术：在负压状态下，对破胶后的废弃钻井液脱液相、过滤，把钻井液中对环境有污染的化学物质从钻井液中脱离出来的技术。

（3）钻井液脱出水中的化学物质与水的分离工艺技术：采用复合过滤、精密过滤等工艺技术除去水中的化学物质。

（4）废弃水基钻井液岩屑无害化处理配套工艺技术。

3　废弃水基钻井液常用处理方法[4]

3.1破乳法

钻井液本身就是复杂的胶体稳定体系，根据形成机理，破胶剂的选择一般是阳离子型强电解质，阳离子型电解质加入钻井废液后，一是其电离出阳离子对颗粒表面的负电荷有中和作用，可降低粘土颗粒表面的负电荷，降低Zeta电位，减少颗粒间的斥力，使其稳定性减弱或失去稳定性；二是阳离子可被高分子材料的阴离子基团吸附，降低高分子链内的斥力，使高分子链发生卷曲，将失稳的粘土颗粒包裹起来并从钻井液中分离出来；三是通过加入化学药剂降低钻井液的粘度等。这样相当大部分的高分子及几乎所有的粘土成分即从钻井液废弃液中被除去。

3.2絮凝沉降法

絮凝沉降法是在对钻井废液经过破胶后，利用化学助凝剂絮凝、沉降和机械分离等强化措施，使废弃钻井液中的固液两相得以分离。由于钻井液体系的不同，一种助凝剂是不可能使各种钻井液的固液分离的，对不同的废弃钻井液应使用不同的助凝剂。使用该方法进行钻井液废液的脱水处理，效果很好，但必须了解钻井液的特性，选择合适的助凝剂。

3.3固化法

废弃钻井液无害化处理时基于废弃钻井液中含有一定数量的固体颗粒，当向废弃钻井液中加入相应的固化剂、破乳剂、吸附剂时，使其与废弃钻井液发生一系列的化学反应和物理反应，将有害物质封固起来，使其转化为胶结很大的固体，就地填埋，使得不再扩散到环境中。当加入磷酸盐时，与废弃钻井液中的钙离子形成磷酸钙，改变土壤肥力；粉煤灰是很强的吸附剂，吸附废弃钻井液中大量的有机物及金属离子；用硫酸盐、硅酸盐将废弃钻井液中的水分离出来，使废弃钻井液很快形成相似土壤的具有一定强度的网状结构物质并封固起来，使有害物质不能溶解，防止对环境的二次污染，达到使废弃钻井液中的有害成分无害化处理的目的。

3.4氧化处理法

对污水进行氧化处理降低COD值，使其达到外排要求。

（1）臭氧氧化法：臭氧氧化性很强，能氧化或分解一些有害的物质，且不会产生二次污染，但成本较高。

（2）光催化法：一种典型的高级氧化技术，近年来在难降解污染物的处理方面得到了广泛的研究与应用。它不仅可以在常温常压下进行，而且反应速度快，有机污染物可能在很短时间内被分解成二氧化碳和水，并且不会产生二次污染。

（3）双氧水氧化法：加入氧化剂的同时，再升高反应温度，使氧化剂快速释放活性氧原子，利用其氧化性迫使钻井废液中的有机物、生物聚合物等还原性物质与其反应，反应生成物还能将钻井液中的悬浮物沉降，这种方法见效快、效率高、操作简单，但氧化剂的反应效率较低。

4　伊朗南阿油田钻井废弃物无害化处理

借鉴国内外好的处理方法，对伊朗南阿油田盐水钻井液体系针对性开展废弃物处理研究与应用。

4.1室内研究

伊朗南阿油田钻井污水排放标准依据《污水综合排放标准》GB8978-2002，钻井废弃物主要污染指标范围见表1。

表1　伊朗南阿油田钻井废弃物主要指标

4.1.1破胶剂优选

（1）高效破胶剂引入及机理分析。高效破胶剂SLA-1是一种含有阳离子的高分子聚合物，主要作用机理为:①吸附作用：高分子聚合物通过氢键，静电引力及嵌入3种相互作用方式参与吸附；②架桥作用：高分子聚合物与许多粘土微粒连接一起架桥形成絮团；③电中和作用：阳离子型高分子聚合物与带负电的粘土离子因电中和作用而产生絮凝；④沉淀物网捕机理：钻井废弃物中的胶体粒子被沉降成絮体沉降物[5]。

（2）高效破胶剂性能对比。用高效破胶剂SLA-1与AlCl3、Fe2SO4、MgCl2等常用絮凝剂进行破胶实验，SLA-1破胶效果好，形成的絮体大而致密,分散出的水色度较低，出水率较高,是一种很好的破胶剂，试验数据见表2。

表2　破胶剂絮凝效果数据表

4.1.2高效固化剂性能研究

SLG-1是由多种有机物和无机物合成的高效固化剂，通过絮凝、架桥、水化等反应，快速与钻井废弃物形成固体物质，锁住钻井废弃物的粒子空间，有效防止各种有害物质浸出。SLG-1根据不同的钻井液体系，其加量范围为5%～8%。将SLG-1加入在不一定比例固化添加剂于直径8cm，高4cm自制模具中成型，实验3h后通过观察和按压，未成型和较软的直接终止实验，24h后测成型的固化浸出液的各项指标和固化体抗压强度，数据见表3。

4.1.3固化剂优选对比实验

用高效固化体SLG-1与水泥、CaO等国内常用固化剂进行性能对比实验。实验表明,SLG-1加量适中，浸出液COD含量低，固化时间短，固化效果好，实验数据见表4。

表3　8%SLG-1固化剂处理效果数据表

表4　不同固化剂处理效果数据表

通过室内实验优选出破胶剂、固化剂满足处理需要，但受盐水钻井液体系的影响，钻井废水处理后无法除去水中溶解的高浓度NaCl，故处理后的废水无法直接外排，只能进行回收，再次用于钻井液施工。

4.2钻井废弃物处理工艺研究

4.2.1岩屑收集—固化处理系统

在振动筛和除砂器下方各安装一个螺旋输送机，并根据钻屑的多少和湿度及振动筛跑浆情况，通过加料漏斗均匀加入固化剂，达到直接固化的目的，然后使用铲车将固化后的钻屑运至晾晒场，放置几天后，钻屑及其携带的少量泥浆会彻底固化，最终拉运至甲方指定的岩屑坑堆放。

4.2.2钻井污水—调质—离心分离系统

利用高效的复合型调节剂对污水进行破胶，固相沉淀至罐底，上层清水经脱色等处理后进入精密过滤系统；沉淀物通过高速离心机再次进行二次分离，分离后的沉淀物直接进行固化处理，最终实现钻井污水固液快速高效分离。

4.2.3钻井污水气浮氧化—精密过滤系统

离心分离出的污水通过一级高效浅层气浮设备，进行气浮絮凝、氧化脱色及破乳分离处理，实现了钻井污水中中小有机物的絮凝分离、氧化脱色和石油类降解去除，随后采用高效纤维球过滤器成套设备进行精密过滤，从而实现污水回用或外排达标处理。

4.3现场应用

4.3.1污水和钻屑的处理

（1）地层钻屑的处理，主要是通过螺旋输送机上方的加药装置实现的。根据钻屑的湿度和振动筛跑浆情况，合理配比脱水剂和固化剂比例，将固化后的钻屑转运至晾晒场。

（2）螺旋输送机内固化剂加量不易过多，防止输送机负荷增大，推动困难。

（3）固化剂加量不足时，可在晾晒场再次对钻屑进行二次固化，直至其符合要求后方可拉运。

（4）冲洗设备的污水和雨水则采用直接加入破胶剂的方法，进行二次固液分离、脱色、过滤等处理后直接排放或多次回用。

（5）清理泥浆罐产生的污泥采用先脱水后固化的方式处理。

4.3.2废弃钻井液及高密度压井液的处理

（1）振动筛跑浆及完井后的钻井液，根据其固相含量的多少，确定处理方式，若固相含量低于30%则采用先将废弃钻井液收集至泥浆罐，提取少量钻井液进行胶体破胶絮凝试验，根据试验结果，确定破胶剂的类型和加量，将沉淀絮凝后的絮凝物再次用离心机进行二次固液分离，上层清水经脱色、气浮除油后，进入过滤装置过滤后直接排放或重复使用。

（2）若固相含量超过30%以上的高密度钻井液（压井液），均采用先脱水后添加固化剂的方式进行固化处理，待固化强度达到要求后拉运至专用钻屑坑排放。

4.3.3废弃钻井液的重复利用

伊朗南阿项目在完井作业时会将井筒内所有泥浆都替换成CaCl2完井液，导致地面循环池泥浆量增加100m3以上，所以完井后循环池内一般会有300m3左右泥浆（包括重浆）。相比无害化处理，钻井液回收利用是最好的选择。普通完井泥浆，通过稀释处理可作为下口井钻进泥浆继续使用，而重泥浆则直接回收至重浆罐。伊朗S38井回收泥浆150m3，回收重浆100m3，大大降低了废物处理成本，同时也节约了S37井钻井液施工成本。

4.4效益评价

（1）直接经济效益为：第一口井甲方提供无害化处理费用—设备费用—处理剂消耗—运输和人工成本费用，第一口井经济效益达到23万美元。后期除去设备投入费用，经济效益会更高。

（2）公司首次在中东市场成功应用废弃物随钻一体化处理技术，既增加了新的经济增长点，同时也为技术人员搭建了学习新技术、新工艺的平台。该项技术的应用，杜绝了钻井液及其工业污水乱排、外溢的事件发生,并多次在南阿油田HSE评比中荣获第一名，树立了公司良好的品牌形象。