钻井作业废弃物处理技术研究与应用进展

冯金禹,闫铁,李卓,唐海燕,孙士慧,候兆凯

(1.东北石油大学 石油工程学院,黑龙江 大庆 163318；2.大庆油田钻探工程公司钻井三公司,黑龙江 大庆 163413； 3.大庆油田有限责任公司第二采油厂,黑龙江 大庆 163511)

钻井作业是油田勘探和开发重要的工序。特别是近年来,随着常规油气资源的萎缩,致密油和页岩气等非常规油气资源的大量钻探与开发,钻井数量和钻井深度都在不断的增长[1-4]。但是伴随钻井作业会产生许多废弃物,这些废弃物主要包括废弃钻井液、钻井作业从地下带出的岩屑以及钻井作业生活区的污水。这些废弃物含有大量的有毒有害化学物质,对环境有极大的破坏作用,所以如何合理、高效、环保的处理这些钻井废弃物是我们亟待解决的问题。

1 废弃钻井液的处理

钻井液因为工程的需要,需加入多种化学药剂。钻井液含有大量的油类、重金属类(如铜、汞、镉、锌、铅、钡等)等物质[5]。这些物质直接排放,将造成巨大的环境污染。国内外目前现场大多采用回注法和热处理法[6-7],虽取得了良好的经济效益,但是由于这两种方法耗能高、处理不彻底、对环境造成二次污染,所以国内外许多学者对废弃钻井液的处理进行了研究,并提出了多种处理的方法。

1.1 水基钻井液

水基钻井液是一种以水为连续相,以粘土(膨润土)、加重剂及各种化学处理剂为分散相的多相分散体系。含有大量的无机盐、聚合物和重金属,不经处理排放后容易导致土壤渍化,重金属富集,水体污染等情况的发生[8]。目前国内外文献报道的主要方法可分为固化处理法、固液分离处理法以及微生物处理法等。

1.1.1 固化处理法 固化处理法是向废弃钻井液中加入固化剂,使其转化为土壤或胶结强度很大的固体,该方法能够消除废弃钻井液中的金属离子和有机物对水体、土壤和生态环境的影响和危害[9-10]。

李瑞龙等[10]以磷石膏与粉煤灰对采集于四川气田的废弃钻井液进行固化实验,验证了磷石膏可以取代工业石膏用于废弃钻井液处理的可能性,且其固化物具有低污染、抗压强度高的特性。尹亚君等[11]以新疆塔河油田的废弃钻井液为实验材料,以处理后的浸出液CODCr和pH值为主要指标,对不同比例配制的水泥、生石灰、粉煤灰、石膏及氯化钙为原料的固化剂配方进行效果测试,最后得出16%的水泥+2%生石灰+8%粉煤灰+1%氯化钙+5%石膏的最佳配方,并在塔河油田多口井进行试验,均取得了良好的效果。蒋云云等[12]采用水泥和粉煤灰为固化剂,对新疆油田的水机废弃钻井液进行固化处理,针对固化剂的配比、固化时间以及添加剂的种类与抗压强度、浸出液pH和COD的关系进行了研究。得出了当水泥和粉煤灰的质量为5∶4时,各项固化指标均较好的结论。黄鸣宇[13]针对吉林油田的废弃钻井液,优选出了以粉煤灰和水泥为原料固化剂的配方,并对固化后物质的浸出液的有机物和重金属进行检测,各项毒性指标均在国标之内。

对于固化处理法,目前学者们大多集中在固化剂选择和其比例配方的研制,但是对于固化剂新材料的研究较少,未来随着人们环保意识的增强,环境友好型的新固化剂的研制将成为新的热点。

1.1.2 固液分离处理法 固液分离处理法主要针对废弃的磺化钻井液或聚磺钻井液。主要有破胶、絮凝、分离三个步骤。这种工艺简单灵活,对悬浮杂质和胶质脱除率较高。

耿学礼等[14]针对渤海油田渤中地区的PEC钻井液,摒弃传统的氧化破胶剂或酶破胶剂破胶的方法,而采用盐酸调节pH值的方法进行破胶。Zou J等[15]制备了一种原料为玉米淀粉和水玻璃的废钻井液絮凝剂CSSAD,这种絮凝剂具有高絮凝性能的新型絮凝剂。实验表明在室温下相同剂量的CSSAD比其他无机或有机絮凝剂对废钻井液具有更好的絮凝能力,经过该絮凝剂絮凝后,废弃钻井液水分含量可以控制在21.34%。黎金明等[16]研发出了适合于一开低固相钻井液净化处理的固液分离及回用技术,加入自主研制的絮凝剂和破胶剂后在苏里格区块进行试验,取得了良好的效果。董怀荣等[17]对阴离子型和阳离子型聚丙烯酰胺在胜利油田二开清水快速钻进时废弃钻井液的絮凝效果进行实验,实验表明阳离子型的聚丙烯酰胺效果好于阴离子型,并且在相同分子量下,阳离子度高的干粉效果较好。

1.1.3 微生物处理法 微生物处理法,是利用微生物技术对废弃钻井液中的烃类物质进行降解,同时对无机盐进行微生物处理,具有高效且不产生二次污染的特性。目前国内外对微生物处理废弃钻井液多集中在菌种的选择以及效果测试方面的研究。

侯博等[18]对苏里格气田区块废弃钻井液进行微生物-固化处理,以浸出液重金属离子含量、CODCr和无侧限抗压强度为考察指标,对苏里格区块的废弃钻井液微生物-固化复合处理技术进行优选。结果表明,微生物-固化处理后的废弃泥浆钻井液,无侧限抗压强度高达3.41 MPa,含水率为36.9%～40.7%,浸出液的pH为6.9～8.7,重金属离子含量、CODCr、石油类和色度均符合国标污水排放标准,可直接覆土掩埋,达到无害化处理的结果。宋淑芬等[19]为了筛选磺化钻井液高效降解菌株,以新疆某磺化钻井液伤害土壤为菌源,磺化钻井液为唯一碳源,通过富集驯化分离筛选出一株降解磺化钻井液效率较高的菌株Xh8。Yao L等[20]对土壤中微生物对硅酸钾水基钻井液处理的效果进行了测试,实验选择了沙土、壤土、黏土三种质地的土壤进行实验,将土壤和硅酸钾水基钻井液按比例混合后,在室温条件下进行培养2周,实验表明硅酸钾水基钻井液的存在能有效刺激硝化菌在各种土壤中生长,刺激硫酸还原菌在黏土和壤土中生长,并且其他真菌和细菌群落也都不同程度的加速繁殖,并且这些菌落可以将废弃钻井液中的有机物和无机物转化成植物生长所需的无机盐,可以改良土壤。

对于微生物处理的方法,由于其处理方式高效、处理后的物质对环境友好、无污染广受人们的欢迎,目前是废弃钻井液处理研究的热点问题之一。未来,选择优良的菌种仍将是该处理方法研究的重点问题,同时对于微生物处理设备以及处理后的物质的利用,将会越来越受到学者的关注。

1.2 油基钻井液

废弃油基钻井液是一种多相胶体-悬浮体体系,主要由各种化学试剂、柴油、黏土、污水及钻屑组成,具有高pH值(如 NaOH、Na2CO3溶液)、高COD、高含油等特点,相较于水基钻井液油基钻井液的处理也比较困难[21],相适用的处理方法也相较来说比较少。主要有超临界流体萃取法、破乳法以及热蒸馏法等处理方法。

1.2.1 超临界流体萃取法 由于油基钻井液以油为连续相,废弃的钻井液中含有大量的油,采用萃取法,利用溶解性的不同,对废弃的油基钻井液进行处理。传统萃取溶剂主要是乙烷、乙酸或氯代烃等沸点较低的有机化学溶解剂萃取,但是处理过程中有机溶剂的性质不稳定、萃取剂的成本太高,并且最重要的是会对人体健康造成影响。

目前,国内外较为流行使用的萃取溶剂是超临界流体,这些超临界流体既具有液相的溶解能力,又兼有气相易扩散、低粘度的特点,对环境无毒无害,同时超临界流体可以回收再利用[22]。TESCHE C等[23]取少量的废弃钻井液样品,通入超临界状态的二氧化碳对钻井液中的烃类物质进行萃取实验,实验结果表明超临界二氧化碳有很好的萃取效果。

由于超临界流体萃取技术在废弃钻井液应用时间还比较短,特别是由于超临界流体的物性不好控制,油田现在还没有大面积的应用,所以这方面的研究还比较少。未来随着技术的发展和人们环保意识的增强,超临界流体萃取技术将会在处理废弃油基钻井液方面大有发展。

1.2.2 破乳法 破乳法是通过对废弃油基钻井液破乳分离,回收其中的矿物油和各种烃类物质。马雅雅等[24]采用“破乳-絮凝-分离”的处理工艺,研制了一种废弃油基钻井液专用破乳剂ZYFYP,该破乳剂由AE8051、BP-169、AP-05和OP-10组成,经实验验证油回收率可达98.6%。唐晓旭等[25],采用热化学破乳-离心分离的方法处理废弃油基钻井液。实验优化确定了破乳剂SP-7及油清洗剂E,并对处理过程中的影响因素进行了优化实验研究。结果表明：在破乳剂投量1.5%,油清洗剂投量5%,反应温度70 ℃,破乳时间90 min的条件下,脱油率可达76.2%。夏家祥等[26]利用声化破乳-离心分离法处理废弃油基钻井液,实验表明声化破乳-离心分离法处理废弃油基钻井液的脱油率达81.78%。

目前,对于破乳的方法研究的较多,但是破乳剂的投放会导致“二次污染”。未来,相关学者应对微生物破乳、以及机械破乳相关方法进行研究测试,提高破乳的效率,减少了药剂的使用,能降低成本并减少对环境的污染。

1.2.3 热蒸馏法 热蒸馏法是在减压密闭的环境系统内加入废弃油基钻井液,让钻屑和油基钻井液中所含有的烃类成分挥发出来。经热蒸馏回收的油可用于油基泥浆回配或再次用作热蒸馏燃料等其他用途,剩余固体残渣经固化后可重新制作板砖、型煤或用于基础工程建设等。目前该技术比较完备,在国内外被广泛的使用。

2 钻井岩屑的处理和综合利用

钻屑是钻井过程中从地下带出的岩石碎屑,由于钻屑具有疏松多孔的性质,吸附着钻井液中的化学物质,同时钻屑还存在大量的油及各种烃类物质,如果直接排放或者利用,会对环境造成巨大的影响。目前国内外学者对钻屑的处理和利用进行了大量研究。

叶珺[27]利用超临界氧化物对废弃钻屑降解的效果进行研究,研究表明超临界氧化物能降解废弃钻屑中的有机物、稳定重金属和中和碱性盐,对处理废弃钻屑有很好的效果。孙根行等[28]研究了热化学清洗法处理西南某油田油基钻屑,在实验条件下,可将含油率降至1%以下。郑学成等[29]对采于西南某页岩气井场的废弃岩屑对钻屑中的石油烃,利用电场与表面活性剂联合作用的方式,探究其迁移与降解过程,实验表明在20 V电压下作用24 h后,石油烃的降解率最高可达到69.6%。

对于钻屑综合利用方面目前主要用于铺路和作为建筑材料。Dhir R K[30]选取北海地区废弃钻屑,对岩屑中的含油量,含水量和致密程度进行了研究,优选出可以用于铺路的产品。Ayati B等[31]利用在北海地区钻井遗留下来的废弃钻井岩屑,采用浸出法收集其中的残余油,用蒸馏水洗涤去除无机盐,用行星式球磨机将岩屑打磨成小颗粒状后进行煅烧实验。在1 180 ℃煅烧后,这些处理过的废弃的钻屑具有良好的机械性能,钻屑中的无机盐和重金属含量均在达标范围内,可作为一种商业用的轻质建筑材料使用。范思思等[32]以钻屑为原料,经过焙烧制备多孔吸附材料,研究了其最佳制备条件和最佳吸附条件。

钻屑的处理和综合应用上,相关学者已经进行了大量研究,并且对于钻屑的综合利用已经有了许多成功案例。但是,目前对于钻屑的处理还是存在处理成本高、处理后的产品品质低等特点,不能高效的利用废弃钻屑。未来,如何降低处理成本、提高产品的品质、开拓更多的利用途径,将是未来的相关学者的研究重点。

3 生活污水的处理

钻井作业中的生活污水主要包括两类：一类是厨房、洗涤、洗浴等的污水,这类污水中含有大量的氮、磷元素,随意排放会导致水体富营养化；另一类是厕所、医护排水,这类废水含有许多有毒有害物质,对环境影响很大。

国内外比较成熟的污水处理工艺主要有物化法、生化法和电解法等。但是由于钻井作业地点常常位于远郊地区,并且钻井作业的地点经常变换,无法建设固定的污水处理设施,同时在实际作业中,也无法配备专门的人员对污水处理设备进行维护,这些方法无法适应钻井作业的要求。

目前研究较多的和应用比较高效的是膜处理技术。吴百春等[33]应用倒置A2/O悬浮填料生物膜处理工艺,对油田作业区的生活污水处理流程和设备进行了设计,测试了相关参数,并对该技术及优缺点进行了评述。卞超峰[34]对某海上油气田生活污水处理装置在实际运行使用过程中存在的有机物消化分解能力下降研究、污水量产生高峰时段处理能力不足以及船舶摇晃造成的沉淀柜内泥水分离困难等问题进行了分析,针对分析结果,结合膜法膜生物反应器(MBR)生活污水处理装置原理对污水处理流程进行了优化及改造设计,保证了生活污水处理装置长期稳定运行。邵天泽等[35]对经过特殊性设计并具备远郊营地使用的MBR工艺进行调研,对相关污水处理的设备进行了现场应用效果测试,测试结果表明该技术适合钻井作业的处理要求,并满足相关排放标准的要求。

由于钻井作业的特点,钻井作业生活污水的处理上正向着小型化,轻量化,一体化的方向发展,对于处理设备、流程的优化以及处理后水的二次利用将是未来的研究重点。

4 结束语

随着钻井作业量的增大,同时各项环保法律法规的出台,人们环保意识的增强,钻井作业废弃物的处理得到了越来越多的重视和研究,但是目前还有许多不足。一是,水基钻井液相关处理方法较为完备,但是对于油基钻井液的处理方法研究较少；二是,钻屑的处理成本还比较高,产品品质不高,并且大多集中应用在铺路和建筑等“低品位”行业,不能高效合理利用钻屑,无法提高产品的附加值；三是,钻井作业生活污水的处理目前还存在膜处理技术成本高,不能大面积推广,污水产生高峰时处理能力不足、设备维护困难等问题。

未来,对于钻井废弃物处理新技术将会不断涌现,高效的固化、絮凝以及破乳的方法仍将是研究的重点,同时随着微生物处理技术的成熟和大面积推广,将会成为钻井作业中废弃的物处理主要方式,而对于钻井废弃物全面综合利用也会成为未来的研究热点。