钻井废弃泥浆无害化处理工艺与技术

2020-01-19邢树伟

中国设备工程 2020年18期

邢树伟

（大庆钻探工程公司运输二公司装备管理科，吉林松原 138000）

有害废气物质的产生几乎是所有工业中都不可避免的问题，在石油产业，钻井废弃泥浆的产生量大、危害高、成分复杂，处理过程中还可能发生复杂的反应，改变物质种类和体系性质，一度成为困扰我国石油企业的重大难题。未处理充分的废弃泥浆若排放到自然水体中，也可能会造成水体富营养化、有毒物质浓度提升，因此，必须采用合适的工艺，对其进行彻底的无害化处理。

1 钻井废弃泥浆的定义与成分分析

1.1 概念

在开采油气田的过程中，钻井井底会涌出大量泥浆，将岩屑送到地面，也因此得名钻井液。在钻井作业中，泥浆不可或缺，投入适量的泥浆能够提高钻井工作效率和质量，但在作业完成后，它就无法发挥相应作用，不再参与钻井工作，并产生大量废弃物质，成为废弃泥浆。随着科技的发展，人类在开采油气田时，逐渐意识到了泥浆的重要作用，并在其中添加不同的化学试剂以增强功效，满足不同条件下钻井作业的要求，提高工作效率，但与此同时，泥浆的成分逐渐复杂化，有害物质含量提升，不再是简单的黏土与水的混合物质，当它失去原有作用成为废弃物质时，危害性也就随之增强，用于提升效果的添加剂就会成为主要污染物。我国出台了相应政策，要求油气田工业采用更加科学的废弃泥浆处理工艺，实现无害化处理。

1.2 成分

废弃钻井泥浆的前身是钻井时所用泥浆，因此，它的成分复杂，包含大量钻井原液、钻屑、其他操作产生的废弃物质等，根据存在形式来分，可将其大致划分为钻井泥浆、废液和钻屑三部分。根据主要成分的差异和组成物质的特性，废弃钻井泥浆还可分为不同种类（水基泥浆和油基泥浆，水基泥浆又分淡水泥浆和盐水泥浆），例如，有以淡水聚合物为主的钻井泥浆和以海水聚合物为主的钻井泥浆等，在我国沿海地区开采油气田时，使用海水代替淡水进行作业，能够降低生产升本，因此，受到了广泛欢迎。但所有废弃泥浆都具有几个共同特征：固相颗粒直径较小，整体黏度高，流动性弱，含水率一般在4%～90%，脱水困难，自然干结需要大量时间。下面这段不用写这么多，标黄的建议都去掉，主要写废弃水基泥浆（淡水和盐水）什么成分，含有那些有害物质污染环境等；最后，建议写针对这些有害有毒成分添加什么药剂，利用物理方法、化学方法等技术和工艺流程对这些有毒有害物质降解或者置换等，使其含量符合国家环保排放要求。

2 常用废弃泥浆处理技术与无害化处理技术

2.1 化学固化

废弃钻井泥浆中绝大多数固体成分都是黏土和钻井过程中产生的钻屑，按照一定配比添加固化剂并合理搅拌，就能够将泥浆转化为固体，容易进行处理。这种方法的操作简单，流程简便，步骤较少，对外加剂的需求量也较小，成本很低，因此，受到了广泛欢迎。但这种方法不能对废弃泥浆中的有害成分进行分类处理，其中的重金属离子和有机废弃物质都会有大量残留，不能除去，它只是让泥浆发生形态的转化，便于进行控制，无法从根本上解决问题。另外，采用化学固化法要求操作人员在野外挖掘深坑，将废弃泥浆诸如后添加固化剂，完成固化过程后直接在表面覆盖土壤，进行填埋，这种方法治标不治本，当发生强降雨时，就容易将上层覆盖的土壤冲走，露出有害泥浆。在地下水的冲刷作用下，泥浆中的有害物质也会逐渐深入土壤和水中，造成二次污染，埋下诸多隐患。

2.2 固液分离

固液分离法指的是向泥浆中加入一定量的外加剂，将其中胶体的稳定体系破坏，使得固体颗粒凝结成更大颗粒的絮状物，再将其与液体进行分离。目前，油气田中常用絮凝剂有氯化铁、硫酸铝等无机物质，它们的造价较低，另外，还有一些高效的有机絮凝剂也被用来处理废弃钻井泥浆，我国油气田开采的大量实际经验表明，单独使用无机或者有机絮凝剂的效果都不够理想，综合使用则能够起到事半功倍的效果。由于黏土本身的吸水性强，且废弃钻井泥浆中有大量的钻屑、原油等成分，其并非单相体系，组成十分复杂，因此，破坏胶体稳定性直接决定着泥浆脱水工作的效率。

2.3 生物无害化处理

生物处理技术就是对废弃钻井泥浆进行静置，除去上清液，也就是将其中的可溶性重金属离子和强碱性无机物质等除去，然后，将剩余物质直接分撒在自然环境中，利用土壤中的分解者将有机物质降解产生无机物，植物能够直接吸收无机养料，在经过长时间的降解和修复后，污染物成分就会全部转化为养料，该区域也会变成土质肥沃的耕地，能够用于种植植物，实现废物利用。但这种处理手段对土壤中微生物种类有较高要求，并且由于废弃泥浆中成分的差异性，不能普遍应用于我国各个区域，且具有一定的危险性，但它成本较低且绿色环保，是钻井泥浆无害化处理的未来必然发展方向，应当在现有基础上进行改良，广泛投入使用。

2.4 淡水泥浆无害化处理

淡水泥浆中的固相颗粒较少，含有大量以单体微粒形式存在的悬浮物质，在其中投入易溶于水的单体物质，溶解后利用水解作用与悬浮颗粒结合，可使其发生凝聚，最终形成乳胶体系，将废弃泥浆转化为胶体，然后，在其中加入高价金属离子，能够使胶体粒子逐渐形成沉淀物质析出，便在析出过程中将其他固体物质吸附，一同聚沉，将有害物质在废弃泥浆中全部除去，实现无害化处理。

使用本方法时，可选取丙烯酰胺作为絮凝剂，提高泥浆胶体化的速度，并通过搅拌来加速胶体化和聚沉过程，其中，搅拌速度、温度都会对处理工艺的效果造成一定影响，通过采用控制变量法进行多次试验，能够得出结论：提高搅拌速率能够使胶体粒子之间的碰撞加剧，从而提高聚沉速率，但当搅拌速率过快时，会使得泥浆乳化，混合体系当中的水分回到泥浆中，降低分离效率，因此，应当控制搅拌速率在合适数值；另外，反应温度与分子热运动的速率有着直接关联，在一定范围内，温度的提升会使分子间碰撞加剧，更容易结合成较大颗粒完成聚沉，但温度不断提高时，除杂效率先增加后减小，也就是超出临界点后温度的提升反而会降低处理效率。

一般来说，当反应温度控制在20 ～30℃，能够获得较好的分离效率。另外，通过大量实践经验，得知季节也会对钻井废弃泥浆无害化处理效率产生影响，夏季时在室外处理泥浆的效果优于其他季节，冬季效果最差。

2.5 聚合物泥浆与硅基防塌泥浆的无害化处理

钻井废弃泥浆都呈现碱性，经过大量实验，发现其中的微粒不会带正电。对于聚合物泥浆和硅基防塌泥浆而言，使用搅拌法会破坏胶态性能，但增加脱水难度，因此，无法直接使用物理搅拌来进行处理，而且其中的高分子有机聚合物本身就具有一定的黏稠性和胶联性，因此，可通过将泥浆转化为弹性冻状凝胶的方法来实现固液分离。通过加入适当凝聚剂，能够使其中的例子周围形成双电层，再根据电荷作用和吸附作用等使液相脱出，实现固液分离，消除液体中的污染，实现无害化处理。

3 钻井废弃泥浆成分分析与处理措施

以水基淡水泥浆为例，其主要成分为配置泥浆时所用的液相物质（主要成分为水）与固相的碱、高分子聚合物的润滑所使用的油类物质，还含有泥屑、各个储层的介质、砂石、矿物质等，组成成分相当复杂，另外，它还包含在压裂作业中回收的废液，如有机硼、氢氧化钠、硫酸铵等，还有一些盐、碱、天然植物淀粉、陶粒。废弃泥浆的多数成分都具有较高危害，若直接排放到自然界，首先，会影响土壤，其中含有的过量盐和钠离子会使土壤板结，影响植物在土壤中吸收水分的过程，严重时，可能造成大面积植物死亡。另外，其中的有机成分，如木质素硫酸盐和石油类物质，也具有很强的危害性，虽然其毒性弱于强碱性物质，但也有潜在威胁。至于其中的杀菌剂，会直接杀死部分昆虫、鸟类、微生物等，若排放到水中，还会杀死水生动物；诸如纤维素、淀粉等容易降解，危害较小；但一些添加剂，如磺化物，则很难降解。还有，重金属离子会随着食物链通过富集作用影响人体，引发汞中毒、贫血等疾病，严重时可致人死亡。在对其进行处理时，应先回收其中含有的污油，再进行脱水反应分离污水。

首先，应当加入絮凝剂和符合脱水剂进行第一次脱水，回收污水后加入脱色剂和净化剂进行二次脱水，并将其全部运送到污水处理站进行处理。剩下的胶体黏合状污泥应当添加固化剂并均匀搅拌，经固化处理后，可以按照相关规定进行掩埋，也可将其用于铺路或者制砖，将其按照一定比例与水泥等混合搅拌后使用模具制作砖坯，再经过一定时间的静置风干后，得到成品砖。