固体钻井废弃物资源化利用技术现状

郭海霞 陈文烯

成都师范学院

固体钻井废弃物资源化利用技术现状

郭海霞 陈文烯

成都师范学院

随着环保意识的增强，对石油天然气勘探开发产生的废弃物，人们不仅要求无害化处理，还要求尽量进行资源化利用。本文针对钻井废弃物中的固体成分，梳理了其资源化途径和技术现状，总结了以下7种资源化方式：作为建筑材料，用作耕作土，生产水泥和燃料，制备调剖剂、吸附剂、再生橡胶。考虑运输成本和场地成本对资源化的影响，建筑材料、耕作土、调剖剂、井场应急吸附剂，这些资源化途径具有更大的发展可能性。

建筑材料；耕作土；水泥；燃料；调剖剂；吸附剂；再生橡胶

1 引言

废弃钻井液和岩屑是石油天然气勘探开发过程中的主要污染物，两者常堆积在一起，统称为钻井废弃物。钻井过程中产生的钻井废弃物体积较大，我国油田每年仅钻井(不含天然气、煤层气)产生的钻井废弃物就九十多万立方米。不同来源的钻井废弃物的理化特性差异较大，其最终特征由所在地层、钻井液类型以及钻井过程中的污染处理技术共同决定。总体而言，具有高COD、高含盐量的特点，并且可能含有过量的重金属和放射性物质[1]。由于钻井废弃物的这些特征，如何最大限度的减少污染物便成为人们关注的焦点。为了解决这一问题，人们通过钻进技术改进、钻井液改良、钻井液循环利用等减量化技术，从源头上减少污染物的产生，同时通过热解、化学萃取等技术对污染物进行无害化处理[2]。这些技术虽然大大减少了环境污染物，但仍会残留许多固体废弃物。如何恰当的处理这些固体废弃物呢？对此，研究者提出了对其进行资源化利用的思路。早在2002年，岳云龙等就提出了利用钻井固体废弃物制作生态建材[3]。事实上，由于钻井废弃物的差异大，加之无害化处理技术的不同，最终残留的固体废弃物，其成分也往往存在较大。因此，根据具体的物理化学特性，钻井固体废弃物的资源化途径也呈现出多样性。本文梳理了钻井固体废弃物的资源化途径和技术现状，希望为这一固体废弃物的资源化利用提供一定参考。

总的来看，到目前为止，钻井固体废弃物资源化利用的途径主要有：作为建筑材料、耕作土，生产水泥、燃料，制备调剖剂、吸附剂、再生橡胶等。

2 建筑材料

钻井废弃物中的固体成分可作为骨料，加料固化，直接用于井场围堰、铺路。邓皓等[4]将破胶剂A、吸附剂B、凝结剂C和促凝剂D按10、8、200及15kg/t的量添加到废钻井废弃物中进行处理，使之固化。获得的固结物环保达标，可用做井场围堰和平整地面的材料。丛培超等[5]研究也发现，将含油废弃物热解吸处理后的固体粉末与固化剂复配，固化后的固化强度和环保均达标，可就地资源化利用。

此外，还可将钻井废弃物固化成一定的形状，制造其他建筑材料。胜利乐安油田位于山东省东营市广饶县北草桥一带，污泥日产量为20-30t，年污泥运输、存放等费用达56万元，给油田生产及当地环境带来了较严重的危害。为解决这一问题，岳云龙等[3]研究出了利用油田污泥生产生态建材——地面花砖和免烧砖。他们将油田污泥、河沙、水泥和固化剂按40%wt、36%wt、20%wt和4%wt的配方制造花砖基体。最后制成的地面花砖抗压强度达30.07MPa，浸出液毒性和辐射检测均达标。与制造地面花砖相似，岳云龙[6]等按照油田污泥30-60%wt、河沙15-40%wt、水泥15-30%wt、粉煤灰0-35%wt、固化剂1-8%wt的配方，配制泥浆料，然后将泥浆料装入模具，施以500-700KN的压力压制成型。制造的免烧砖既可直接用于井场基础设施的建设，也可运往他处使用。但是，由于传统的免烧砖装置体积大，不便于运输，而且制造成本高，免烧砖技术的推广受到阻碍。为此，陆林峰等[7]发明了适合井场使用的免烧砖制备装置。该装置将液压系统、搅拌系统和液压压制系统固定在同一框架内，减少了设备体积，搬运方便，适合井场作业，使免烧砖制得以推广。

3 耕作土

邸鲲等[8]以“钻井废弃物不落地达标技术处理”处理后的泥饼作为土壤，进行土壤种植试验，发现泥饼添加的比例（0、30%、50%和100%）对试验中的五种植物（沙打旺Astragalusadsur⁃gensPal1.、香叶蒿 Artemisiarutifolia Steph.exSpre-ng.、沙拐枣 Cal⁃ligonumspp.、小叶锦鸡儿Caraganamicrophyllaa.和黄花补血草Li⁃moniumaureum(L.)Hil1)的成活率、株高和冠幅都没有明显影响。王晓东等[9]的研究也指出，使用高温热解吸技术处理的含油污泥，可以用作植物种植。这些研究结果说明，钻井固体废弃物可以作为土壤资源使用。事实上，早在2002年黄大军就提出，将脱盐后的泥浆和泥屑进行酸碱综合、添加有机质、腐殖质、有机养分等，进行改良后，可以直接复耕作为土壤使用[10]。与之相似，丛培超等[5]对热解后的固体粉末的矿物成分进行分析后，提出了将含油钻屑热解处理后的固体粉末用来生产矿物肥料的设想。

将处理后的钻井固废用作土壤的做法，与国外的土壤耕作法有相似之处。土壤耕作法是将污染物播撒在土壤表层，利用土壤微生物使污染物分解。由于钻井废弃物的含油量、含盐量、重金属含量等都有较大的差异。因此，无论是将钻井固体废弃物直接用作土壤还是播撒到土壤表层，都需要先明确其具体的化学成分含量。已有的经验认为，作为土壤使用的钻井固废，含油量不能超过5000ppm，重金属含量不能超过2500ppm。并且，当钻井固体废弃物中含油量超过1000ppm时，需要将固体废弃物与土壤混合，其中的油类才能顺利被土壤微生物分解。[11]

此外，钻井固废还可以作为沙质土壤的改良剂。钻井固体废弃物中的膨润土、烃类等有机物，在一定情况下都能起到改善土壤环境的作用。膨润土能锁住大量水分，增加土壤的含水量，能改善砂质土壤。烃类等有机物，可作为土壤微生物的有机物来源，而分解后的难粉浆有机物，能够和土壤颗粒共同形成土壤团粒，改善土壤的物理结构。基于此，新西兰BTW公司使用钻井固废弃物对新普利茅斯机场附近等地的沿海沙地进行了改良。他们在春季对沙地进行平整处理，将表土翻到一边，然后将钻井废弃物播撒在上面，接着将表土覆盖在钻井固体废弃物上，并进行翻耕。这样处理后，能使这些沙地变成优良的牧场。

4 水泥

硅酸盐水泥熟料的主要化学成分包括：62-67%CaO，20-24%SiO2，4-7%Al2O3，5-6%Fe2O3。这四种成分在钻井固体废弃物中有相似的含量。以北海油田的四个不同钻井平台的钻井固体废弃物为例，其四种化合物的含量分别为CaO5-14%，SiO227-56%,，Al2O36.1-14.8%，Fe2O32.9-5.0%[12]，除了 CaO 偏少，其他成分的含量都很接近。而CaO的含量可以通过添加钙化合物或直接利用含钙较高的钙质污泥解决。

钙质污泥主要是由于开采过程中石灰水的添加造成的。在一些油田的开采中，为了减少二氧化碳对钻探管的腐蚀，便在开采的过程中加入石灰水。这样产生的钻井废弃物，其碳酸钙含量较高。何涌[13]便利用钙质含油污泥实现了水泥熟料的制作。他首先将油田含油-钙质污泥用水洗去钠，然后在900℃下焙烧含油污泥。再将焙烧后的污泥、生石灰、石英砂、Fe2O3按35.48-47.39%wt、33.74-43.64%wt、13.50-16.40%wt、2.2-5.32%wt，进行混合，混合物料再进行烧结。最后将烧结后的熟料块粉磨，过0.08mm的筛，即得产品。

5 燃料

当采用油基泥浆进行钻井时，产生的钻井废弃物，其含油量会较高。对这类钻井废弃物，如果回收，技术要求较高，如果处置掉，又浪费资源。若能直接作为燃料，则可一举两得。目前已有利用含油废弃物制煤和油煤浆的技术。

对含油钻井废弃物进行适当的前处理后，将钻屑与煤、助燃剂等按一定的比例混合，可制出成型良好，热值达标的燃料。例如，将含油钻井废弃物进行除油、脱水处理后，将滤饼与煤、阻燃剂按23.5%、75%、1.5%的质量比进行混合，制得的新煤，成型率约88%、热值能达到23283kJ/kg[14]。此外，利用热裂解处理后的含油钻井废弃物，其残渣也可用于制煤[15]。

油煤水浆是由一种油、煤、水三元混合的流体燃料。它像油一样易于装卸、储存，可使用管道输送，可直接雾化燃烧，具有低污染、节能和环保等特点。将含油钻井废弃物进行降粘处理后，再加入到水煤浆中，搅拌便可制得油煤水浆。高虎虎[16]提出，可以直接在水煤浆制备工艺中的气化炉前安装一个静态混合器，将含油钻井废弃物与水煤浆按照一定比例同时通入到静态混合器中，充分混合后，再将其通入气化炉中。这样制备油煤水浆，既简单易于操作，又节省了其设备投资费用。

6 调剖剂

砂岩油藏在长期注水冲刷后，会产生一些水流通道，使油田产水量增加。含油钻井废弃物与地层之间的配伍性好，其中的黏土颗粒具有良好的封堵性能。因此，可用含油钻井废弃物制作注水井调剖剂。将含油污泥、悬浮剂、分散剂和增黏剂按照一定比例添加，制成均一、稳定的悬浮液，然后将其泵人地下封堵层位。悬浮液到达一定地层深度后，受地层水冲释及地层岩石的吸附，体系发生分解，其中的泥质吸附胶沥质和蜡质，并粘连聚集形成较大粒径的团粒结构，沉降在大孔道中，使大孔道通径变小，封堵高渗透层带。这一技术已在国内很多井场进行了现场应用，其增油降水的效果明显[17]。孙学军等[18]按含油污泥固体含量7～14%，分散剂的浓度0.1～0.5%，悬浮剂的浓度为2～5%的配方调制调剖剂，并应用于华北油田的27口油井，其中15口取得了明显的增油降水的效果，阶段累积增油3035t，降水2590.3m3。沈光伟[19]以含油污泥为基本材料，添加0.20%～0.30%的悬浮剂，0.30%～0.40%是杀菌剂，2.0%～3.0%的增强剂，配制成调剖剂，对辽宁油田兴212断块的4口注水井进行调剖，实现油气增产3500t，降水20000m3，投入产出比达到1：2.3。此外，还可将利用含油污泥制成颗粒调剖剂。赵振兴等[20]在丙烯酸、丙烯酰胺和交联剂三元共聚体系中加入采油污泥、氧化剂和还原剂，然后进行绝热，使自由基聚合生成胶块，最后烘干并粉碎成所需的粒度。这样的颗粒调剖剂易于运输，方便异地使用。

7 吸附剂

热解是处理含油钻井废弃物时常采用的方法。这一技术是通过热解使含油废弃物中的重质组分转化为轻质组分、挥发性组分和半挥发性组分，进行回收。热解处理后的残渣具有一定的吸附性，通过后续处理可作为吸附剂使用。研究认为，热解过程中，影响吸附剂性能的主要因素是热解温度，其次是热解时间，再者是升温速率。正交时间得出，制作吸附剂的最佳热解条件是：在N2保护下，热解温度550℃，热解时间4h，升温速率10℃/min。热解后的残渣通过高压水热活化、硝酸钾活化、氢氧化钾活化、氢氧化钠活化等处理方式，得到比表面积大、微孔适合的吸附材料。制备的吸附剂可以用于脱硫和除油[21]。并且，由于这种吸附剂的表面比普通活性炭更粗糙，亲油性更好，其对油的吸附性能可能比普通活性炭更好，可作为井场的应急吸附剂，处理漏油[22]。此外，在热解析的过程中，还可以通过碳化处理等技术，制备吸附性能更强的超级活性炭。邓皓等[23]通过调质、炭化、氧化、活化、洗涤、干燥等步骤，制得超级活性炭，其比表面积、碘吸附值均高于普通活性炭。

8 再生橡胶

废橡胶利用产业是关系到橡胶加工产业继续发展的产业。建国以来,我国废橡胶利用产业不断发展,已经成为世界废旧橡胶利用大国。废橡胶再生是利用废胶粉、软化油和活化剂等生产再生橡胶的过程。这一过程中可使用的软化油种类繁多，含油钻井废弃物中的沥青质就是废橡胶再生过程中是一种很好的软化剂。同时，由于含油钻井废弃物中还含有一些聚丙烯酞胺等高分子聚合物和硫醇类化合物，它们可作为废旧橡胶再生过程中不可缺少的活化剂。而废弃泥浆中的镁、钡、钙、锌，不论其存在形式是碳酸盐、硫酸盐还是氧化物，都属于橡胶配合剂(特别是填料剂)的主要来源。废弃泥浆中的硅、铝均则可作为良好的填料剂[24]。基于这些理论认识，匡少平和杨振轩[25]发明了利用含油污泥制造再生橡胶粉的技术。他们将含油污泥按照以下步骤加工：初步预处理，去除污泥中的砂等杂质——在反应釜中预热升温——将废胶粉(10%-40%)、含油污泥(60%-90%)、松香(0.1%-0.2%)投入反应釜中进行混合——闭合反应釜,在20MPa，220℃下，反应60分钟——反应结束，排出反应釜中的气体减压——降温，出料，即得到脱硫后的再生胶粉。此外，由于碳酸钙具有增加产品体积和稳定性的功效，高钙废泥浆可作为制造再生橡胶的好材料[26]。

9 总结

钻井固体废弃物的成分较复杂，没有一种方法适用于所有钻井固体废弃物。决定钻井固体废弃物的利用途径的因素主要包括：放射性物质的含量、重金属含量、其他有毒的有机物、油类含量、盐含量、颗粒组成、化合物组成。必须对这些特性进行综合分析后，才能才能确定其具体的资源化途径。

除了钻井废弃物的特征，运输成本和场地成本是影响资源化的另外两个决定性因素。那些不需要运往他处，能够在井场常直接应用，并能最小的占用场地的产品，会在井场被优先选择。因此，作为建筑材料、井场复耕土壤、调剖剂、井场应急吸附剂，这些资源化途径具有更大的发展可能性。

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