水基钻井固废分类资源化处置利用浅论*

陈立荣 冯永东 张志东 沈弼龙 唐 攀 曾升泰 蒋学彬 刘汉军 何天鹏

(1.中国石油川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院；2.中国石油西南油气田公司勘探事业部；3.四川长宁天然气开发有限责任公司；4.中国石油川庆钻探工程有限公司川东钻探公司)

0 引 言

水基钻井固废是油气勘探水基钻井的必然产物，近年来，随着钻井井深的增加，单井固废产生量也随之增大[1]。为了实现安全快速高效钻井，非页岩气的常规油气井一般采用不同水基钻井液体系钻完全井，由于所采用的水基钻井液体系不同，相应产生的固废组分性质存在很大差异。目前，西南油气田对常规油气钻井全井所产生的有水基固废均要求送当地制砖厂资源化制砖利用，存在如下问题：①处置费用高。一是转运前需在井场内预脱水，处理药剂及脱水设备需投资费用；二是多数井离砖厂均较远，运输费用高；三是需支付处置费。②投资浪费大。投资费用多数用于运输费而没有用在处置利用上。③为确保砖的质量和制砖过程排放烟气达标，固废只能作为制砖附料，其添加量一般控制在5%～20%，砖厂接收利用有限；且单一处理方式，受限较大。④转运中存在发生交通事故或污染物泄漏抛撒的可能，潜在安全环保风险高。因此，对不同水基钻井液体系固废分类资源化处置利用具有必要性和重要意义。

1 水基钻井固废的来源、产生量及特点

1.1 水基钻井固废的来源

水基钻井固废是使用水基钻井液体系钻井时所产生的固废，其主要来源：①钻屑。钻井中钻头破碎地下岩石经振动筛除下的岩屑。②渣泥。一是钻井过程中清掏钻井液罐和方井产生的渣泥；二是完井后清掏钻井液循环罐及储备罐的渣泥；三是钻井废水处理时产生的渣泥；四是除砂除泥器除下的渣泥。③废钻井液。一是钻井时受地下水质和堵漏材料等污染及钻井液处理剂添加不当而又无法再利用的废钻井液；二是完井后没有转移至其他井再利用的剩余钻井液。

1.2 水基钻井固废的产生量

水基钻井固废产生量主要决定于所钻井的井眼大小和井的深浅，井眼越大，井越深，产生量就越多。其他影响其产生量的因素，一是钻井液技术及管理水平，若钻井液管理不好，配制的钻井液性能无法满足钻井要求或受地层水污染而又无法采用有效的技术调配利用，其将转化成为固废，增加了固废处理量；二是钻井固控设备管理利用不好，造成钻井液含砂量过多，掏罐次数频繁，将增加固废量；三是井漏频繁，采用水泥或其他堵漏剂堵漏，会有多余的水泥浆和堵漏剂返出井口成为固废，增加固废量；四是对钻井废水管理控制不好，废水产生量多，导致处置时产生的渣泥量多。

1.3 水基钻井固废的通用特点

钻井作业通常连续24 h作业，加之需使用具有剪切黏附力等特性的钻井液，致使油气勘探钻井作业产生的水基钻井固废与其他作业固废相比具有较大的特殊性，其主要体现为：①pH值较高。一般在7.5～9.0。②固相含量高，不同来源固废差异很大。如硬软类固废间差异很大，硬质类钻屑及除砂除泥器脱除的固废固相含量高，含水率低，而掏罐渣泥等软质类固废固相含量相对低，含水率高。③黏附性强。④不同钻井液体系固废色度差异很大。如聚合物钻井液体系固废基本为无色或浅黄色，而磺化钻井液体系固废通常为褐黑色。⑤有害重金属含量低。⑥含油量不是很高，但存在一定差异。⑦组分性质不固定，差异大。聚合物钻井液体系固废所含污染物种类较单一，主要为有机聚合物，而磺化钻井液体系固废污染物种类多，有机物含量通常很高；不同井间存在差异；同一口井不同钻井液体系固废组分性质也不同。⑧排放具有连续性。⑨产生量总体具规律性。钻井前期一二开多，后期三四开少[1]。

2 水基钻井固废的组分性质及分类

2.1 水基钻井固废的组分性质

从水基钻井固废来源组成可以看出，水基钻井固废性质除与井下地质岩石性质相关外，主要决定因素为钻井液性质，因此，水基钻井固废的组分性质主要由钻井液组分性质决定。调研分析了西南油气田7井次完井水基钻井混合固废(各种固废的混合物)中的主要污染物COD和含油量等指标，其有机污染物COD含量高，差异大；含油量不是很高，并存在差异；S2-含量都很低。同时，调查了两口井的固废中挥发性有机污染物含量情况，所分析的29种挥发性有机污染物质含量都很低，两口井固废中挥发性有机污染物检测结果见表1。

表1 两口井固废中挥发性有机污染物检测结果[1]

2.2 水基钻井固废的分类

西南油气田在川渝地区的常规钻井从开钻到完钻，依次采用以下钻井液体系：清水(表层)——聚合物钻井液体系(聚合物无固相、聚合物低固相、钾聚合物、有机盐聚合物等)——气体(空气、氮气等)钻井(多数井)——磺化钻井液体系(钾聚磺和聚磺等)。由于水基钻井固废的组分性质主要来源于钻井液的组分性质，而不同钻井液体系处理剂存在差异，造成不同水基钻井固废的组分性质存在很大差异，特别是有机污染物指标COD和色度差异显著。聚合物钻井液体系主要采用KPAM，PAC-LV，CMC-LV，NaOH等无色或浅黄色钻井液处理剂配制而成，所使用的处理剂种类相对较少，因此，所产生的固废为无色、浅灰或浅黄色。3种不同聚合物钻井液体系固废表观见图1。

图1 3种不同聚合物钻井液体系固废表观颜色

主要污染物种类较单一，产生的固废主要为含易生物降解的非苯环有机物[2]，主要污染物指标COD、有害重金属也低。西南油气田部分区域不同类型聚合物钻井液体系固废主要污染物检测结果见表2。

表2 西南油气田部分区域不同类型聚合物钻井液体系固废主要污染物检测结果

调查的西南油气田8种不同类型聚合物钻井液体系固废中COD值均小于400 mg/L，大多数均小于200 mg/L，有害重金属含量基本都小于GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(试行)(pH值>7.5，其他，风险筛选值)。磺化钻井液体系主要采用SMP-1，RSTF，FRH，FK-10，PPL，SP-80，SMT(或TX)和抗高温稳定剂等钻井液处理剂配制而成，处理剂种类达10～20种，这些钻井液处理剂多为褐色或黑色，因此，其产生的固废均为褐黑色，主要污染物指标COD大多很高，但有害重金属含量低。气体钻井固废主要污染物性质由所钻地层岩石和淋洗降尘水质性质决定。

据上所述，不同钻井液体系固废中污染物含量存在很大差异，因此，西南油气田常规水基钻井固废可分为聚合物钻井液体系固废、气体钻井固废和磺化钻井液体系固废3大类。通过对不同类别水基钻井固废的分类资源化处置利用，可达到既节约资源，又能经济安全、有效处置利用。

3 水基钻井固废分类资源化处置利用方法

3.1 资源化处置利用方法

1)气体钻井固废

气体钻井产生的固废主要为气体所携带出的地下岩屑，为防止气体钻井粉尘污染大气，常采用水淋洗降尘，如采用清洁水淋洗降尘，所产生的固废应完全不含污染物。两口气体钻井固废表观见图2。

图2 两口气体钻井固废表观

气体钻井固废可以单独收集堆放，一是可用作平整井场或井场公路；二是可作为井场低洼填料；三是完井后可作为井场复耕用土。如采用钻井废水进行淋洗降尘，其将含钻井废水中的污染物成分，但其含量相对较低，不易造成污染。此类固废一是可采用生物技术处理后[1，3-4]作为完井井场复耕用土；二是可加入固结材料后作为井场或井场公路的路基填料；三是可制作水泥块或免烧砖作为钻前建设护坡堡坎沟渠材料[5-7]；四是可制烧结砖利用[1，7-8]。

2)聚合物钻井液体系固废

为了提高钻井速度，降低钻井成本，西南油气田一般在常规钻井的二三开井深段多采用各种聚合物钻井液体系钻井，由于二三开井段井眼大，不仅固废产生量多，占总量的近2/3，同时，此类固废主要含少许易生物降解的非苯环类有机物类，因此，对于此类固废，特别是软质类固废较适宜就地生物降解处理，作为完井井场复耕用土[1，3-4](中石油川庆钻探公司安全环保质量监督检测研究院等单位已利用此技术在西南油气田资源化利用了10多口井的水基钻井固废)，不仅可降低复耕费用，而且可大大减少固废转运处置量和投资费用。此外，一是可以加入固结材料后作为井场或井场公路的路基填料；二是可制作水泥块或免烧砖，作为钻前建设护坡堡坎沟渠材料[3-4](中石油川庆钻探公司蜀渝公司开展了利用水基固废作为井场路基填料试验应用，初步效果证明是可行的，同时也开展了制成水泥块作为新井场护坡堡坎沟渠建材利用，效果良好)；三是可制烧结砖利用[1，3-4]。

3)磺化钻井液体系固废

由于西南油气田所在的油气勘探区域川渝地区地质构造复杂，所钻井多数较深，为确保四五开的深部井段的安全快速钻井，几乎都采用各种磺化钻井液体系钻井，产生的固废约占总量的1/3，但这类固废中污染物种类多，固废组分复杂，环境污染危害性较大。但由于磺化钻井液配制成本高，若其液体部分再回收用于调配钻井液，既节约钻井液调配用处理剂，又可实现减排。为此，对这类固废应先分类脱液回收减量后再分别实施资源化处置利用。

(1)硬质类钻屑等固废。由于钻屑密度大且颗粒粒径较大，可采用离心分离方式或多级振动筛脱液减量(中石油川庆钻探公司长庆钻井公司在长庆油田的钻井作业中多数均采用了多级振动筛对钻屑进行脱液减量)，脱液后的钻屑污染物含量大幅减少。由于此类固废中固相颗粒粒径较大，强度较高，因此，一是可制成烧结砖利用；二是可作路基材料、制水泥块或免烧砖利用；三是可采用生物处理资源化土壤利用。

(2)软质类掏罐渣泥等固废。掏罐渣泥等其他软质固废多数密度小，颗粒粒径小，不易采用离心分离方式或多级振动脱液减量，但其含钻井液处理剂较多，可作为钻井液再利用。一是可采用板框等压滤方式脱液减量[5，9]，但这种方式因需加入较多破胶脱稳混凝剂，不适用于调配钻井液，需送污水处理厂处置，增大了处理成本和运输的环保风险。二是可用清洁水或废水直接稀释降黏脱稳或加钻井液降黏稀释剂脱稳，脱除的液体可再利用于调配钻井液，既节能又减排。通对这两种方式脱液减量后的固体废物，由于其含较多有机质和腐殖质，采用生物处理方式土壤化利用可以增加土壤肥力；其次可送当地制砖厂制成烧结砖利用。由于此类固废中固相颗粒小，强度低，污染物含量高，环境危害大[10]，不易制成水泥块或免烧砖利用，也不易作为井场或井场公路的路基填料利用。

3.2 分类资源化处置利用方法的适用性

不同钻井液体系水基固废资源化处置利用方法的适用性及优选顺序见表3。

表3 不同钻井液体系水基固废资源化处置利用方法优选

4 结论与建议

1)西南油气田水基钻井固废因所用钻井液体系不同，固废组分性质存在很大差异，分类资源化处置利用很有必要性，且可以拓展资源化处置利用途径，避免和减少目前水基钻井固废送当地制砖厂制砖处置利用存在的潜在安全环保风险和受限性较大等问题。

2)气体钻井清洁水淋洗降尘钻屑(含表层清水钻井钻屑)可直接收集堆放，可直接作为完井井场复耕用土；废水淋洗降尘钻屑，应优先采用就地生物处理资源化土壤利用，其次可作路基材料、制成水泥块或免烧砖利用。因此，建议西南油气田现行污水应急池设计构建成两格池，以便其中一格池用来临时收集处置气体钻井水淋洗钻屑(利用后可腾空该池)。

3)聚合物钻井液体系固废应优先选择就地生物处理资源化土壤利用，其次可作路基材料、制成水泥块或免烧砖利用。因此，建议每口井在钻前建设时同时租地构建一个容积为800 m3左右的降解池(完井后可还租)。

4)磺化钻井液体系固废应先脱液减量再分类处置利用。硬质类钻屑等固废，应优先选择制成烧结砖，其次作路基填料、制水泥块或免烧砖；软质类掏罐渣泥等固废，应优先选择就地生物处理利用，其次可制成烧结砖，不宜作路基填料、制水泥块或免烧砖利用。

5)为确保每种处置利用方法均合规合法，建议西南油气田在钻井工程环评报告编制中应细化明确各类固废的资源化处置利用方法，建议对每类固废列出多种处置利用方式和要求，以便实际处置利用选择时更具灵活性。