海上钻井废物环境效应与治理技术探析

徐锐

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300459

引言

国内石油资源总量越来越低，同时人均资源占有量相对较低。在大量开采石油资源的过程中，油气资源被快速开发，现阶段，已知油气量已无法满足人口数量增长所带来的能源需求。换言之，油气资源供应问题和人口经济快速增长之间的矛盾日益尖锐，必须引起足够重视，降低这一矛盾对社会经济发展的不利影响，确保国家经济安全效果。因此，加强新型油气渠道的开发已经成为当下首要任务。海洋内部包含了大量的油气资源，同时海上钻井是开拓油气的主要方法，其中伴随着产生了大量的废气废物，如泥浆、岩屑等，均会污染海洋环境，为此，加强各类先进技术的落实，合理整治海洋环境具有重大价值和意义。

1 海上钻井废物的种类

海上钻井作业期间，极易产生各类污染物，危害巨大，包括污水、泥浆等。此外，钻井工作中机器的运行、海上钻进操作和冲洗等作业均会产生污水危害，有时还会生成普通废水，都会对当地的海洋环境产生危害。其中包括油类物质、硫化物、COD等，严重破坏了海洋生态系统，一定程度上阻碍了海洋资源的开发。海上钻井作业中，部分井眼存在不稳定的情况，钻穿地层环节中会产生大量的泥浆。此外，由于地层压力和外界压力柱之间的平衡效果差，泥岩吸收膨胀、井眼缩小，也会产生各种问题。外界砾岩遇水垮塌，形成的泥浆有多重形式，都会污染当地海域环境。海上钻井期间，钻头施工时，底部岩层会产生钻屑，然后顺着泥浆运动，可能会到达地表，也是一种污染形式。最后，海洋钻井作业期间，由于钻具的撞击、底座震动作用等、气控钻机形成的快速气流等，都会形成噪声污染。

2 海上钻井废物的环境效应分析

根据上文分析可发现，海上钻井作业中，极易生成泥浆、污水、钻屑等杂质，此外，还会包括污水、污油、黏土等，这些物质的成分以盐类物质、重金属离子等为主，极易危害海洋环境。上述钻井废物中，包含大量的悬浮物、石油类物质等，是海上钻井常见污染物。海上钻井作业工程中，一口井钻完之后，必然会形成一个废弃泥浆池[1]。因此，随着海上钻井施工的进行，必然会遗留诸多废弃钻井池，对应钻井废物也会越来越多。这一大环境下，钻井废物可能会发生化学反应。在海水流动作用下，极易对农田、土壤、空气等产生污染作用。不但会威胁当地大众的身体健康，还会影响海洋环境。如海上钻井作业中产生的钻屑废物，其中可能会含有油类物质，大量油类物质连接形成油膜，会将海水和空气隔断，影响了海洋内部环境，水中氧气溶解量下降，极易对其中的生物产生危害，严重时海洋生物甚至会出现死亡。此外，海上钻井作业中新生成的油类物质、分解物等可能会具有一定毒性。当海洋生物体内流入上述毒性物质后，经过生物链传播，这一类毒性会逐步进入人体，威胁人类健康。最后，海洋钻井废物的油类物质漂浮于海面上，海水质量会下降，对当地经济的发展会产生恶劣影响。

3 海上钻井废物处理方法的现状

当下，海上钻井废物处理中，其管理原则相对粗犷，并未充分考虑钻井废物的减排、处理。大部分海上钻井废物都是排海、回收两种形式。国家相关机构出台了钻井废物的排放标准，如GB4914-2008《海洋石油勘探开发污染物排放物浓度限值》。一般情况下，如果钻井液、钻屑未进入油气层中，同时满足上述标准的情况下，经相关海域的主要机构批准后，可直接排放进海水中；如果钻井液、钻屑等进入了油气层中，可采用专用的回收箱对其进行处理。经过专业船舶送到陆地区域进行处理，一般是需要相应资质的处理厂方可进行无害化处理。海上钻井工作的发展中，随着钻井废物的增加，业内人士发现存在诸多隐患问题：第一、对钻井废物的回收、运输以及陆地区域的无公害化处理等工作，都会存在运行成本高的特点。第二、现行处置方法中，回收效率相对较小，严重影响了现场作业效果。第三、处理厂接收能力、处理负荷等相对有限，导致废物堆积量明显增加，为后续HSE管控工作埋下隐患。综上，现行处理方法已经无法满足新时期钻井废物的处理要求。

4 海上钻井废物的处理原则

国外同行在进行废物管理工作中，一般遵循的管理原则分析如下：处理数量最小化、毒性最低化，也称为“4R”原则[2]。即源头降低（reduce）、再利用（reuse）、再循环（recycle）、再回收（recovery）。近年来，诸多海上区域在钻井处理中，都会要求废物零排放，为此，必须建立系统化的废物管理体系。此时“4R”原则便十分适用，围绕这一原则作业，可达到从源头出发降低过程控制、过程循环的目标，最终回收处理都可得到严格把控。

5 海上钻井废物治理技术分析

5.1 源头减量法

钻井废物控制过程中，需要从初期便进行考虑，从源头出发降低钻井废物的毒性。具体分析如下。

第一，小井眼钻井工艺分析。井眼尺寸足够小，废钻井液、钻屑的生成量便会相对较低。井深500m的区域内，井眼直径和钻井废物之间的关系如表1所示。从中可看出，小井眼施工条件下，钻井废物的产出率明显下降。

表1 井深500m 时井眼直径与钻井废物产生量的关系分析

第二，合理适用添加剂、选择环境友好型钻完井液。钻井技术的发展，使得钻井液的种类逐渐增多，同时各类添加剂也日渐丰富，在一口井中可能会包含多种钻井液体系，一定程度上增加了钻井废物的复杂程度，导致后续处理难度明显增加。为此，专家建议采用环境友好型、通用型钻井液，力求提高钻井液的重复利用率，合理降低废液产出比例。

第三，合理进行现场污染源的管控，从提高固控效率的目标出发，需要逐步淘汰老旧设备，为此，需及时进行固控系统的升级，从而确保固控效果，有效避免钻井液性能下降导致的稀释问题，也可避免反复添加处理剂的问题，降低了“跑冒滴漏”的发生概率，最终目标是降低废物产出量。

5.2 钻井废物现场循环减量技术

当下，国内外有诸多钻井废物处理技术，包括焚烧法、回注法、固化法等，康菲公司一般采用回注法进行钻井岩屑的处理，这一方法在进行钻井液回注处理中，一方面可能会造成地层污染问题，另一方面还会导致地层压力明显增大，对地层而言极易压漏。对陆地油田而言，其早期曾出现过回填法。一般是借助废钻井液絮凝后进行处理，当他们自然干化后，需要加土掩埋，此时容易导致水源污染、土壤污染等问题。考虑到海上运输成本偏高、钻井平台作业空间有限等方面的限制，一般都会建议循环使用废钻井液。结合各种方法的工艺操作条件、设备规模、占地面积出发，水基废钻井液中一般建议采用脱稳固液分离技术，而在油基废钻井液中，一般可采用热处理技术。

水基脱稳固液分离技术在国内外已经得到了广泛应用，这一方法在使用期间，可采用化学制剂进行破胶、絮凝、固液分离等方面的组合处理，达到分离钻井液固液两项的目标。其中的液相可进行重复配浆处理[3]。一般情况下，废钻井液中包含了大量的添加剂、无机盐，同时还会在其中增加护胶剂，提高钻井液的稳定效果。简单的沉降作用、固液分离等不会破坏钻井液的胶体结构。可添加破胶剂达到处理效果。当胶体体系破坏后，其中悬浮的小颗粒便会发生絮凝作用，此时便可借助离心设备进行固液分离。该方法在苏格里油田中得到了广泛应用，固液分离后液体内部的COD便会明显下降。这一状况下，采用清水配置或者回配钻井液，得到的效果大体一致。固液分离后，液相体积可达到70%，分离出的固相具有含水率低的特点，具体操作流程如图1所示。

图1 化学脱稳固液分离处理流程图

其次，油基钻屑热处理技术，该技术在国外较为常见，是机械分离与热脱附相组合后的技术。在离心力作用下，可将含油钻屑的外部油类物质去除，达到固液分离的目的。对于含油钻屑满足规范标准的，可进行回收处理，未达标部分需要经过高温脱附处理，保证固相含油率、尾气等满足国家允许的排放标准。对于油基废钻井液而言，其处理体系中一般包括机械固液分离装置、电磁感应热脱附装置。前者多为高速离心机、甩干机，针对大颗粒含油钻屑进行处理，处理后物质的含油比例一般可达到6%以下；高速离心设备中，则主要是针对2-10μm固体进行脱除处理[4]。后者包括钻屑输送设备、冷却设备、油水回收设备等。其工作原理为：高温高压条件下，含油钻屑会在设备内发生热解反应，带动了油、水分离，剩余残渣可自动排出。废气中的有机物、含硫物质等一般需要进入碱罐处理、脱硫装置除硫，最后经过催化高温后方可排放。上述方法主要处理对象是机械油处理后不达标的含油钻屑类物质。含油钻屑经过热脱附处理后，其内部含有比例会降低至1%。工程表明油水回收后，尾气逐步达标，可保证满足无害化处理含油钻屑的要求。

6 结束语

海上钻井废物处理过程中，存在数量庞大的问题，现场作业人员在开展相关工作时，一般需要从源头出发，加强现场控制管理，保证从循环到最终回收都满足控制要求，遵守“4R”原则，满足“零排放”目标，确保废物对环境的影响达到最低化[5]。其次，积极落实环保型钻井液的使用，加强小井眼工艺的处理，保证逐步达到系统标准化、单井一致性、区域适应性的要求，从源头出发降低钻井废物的比例。最后，新时期，国内外的油田在处理中，水基、油基钻井废物处理中，主流循环是采用水基钻井液化学脱稳固液分离技术、油基钻屑热处理技术。但是考虑到海洋作业的特殊效果，平台空间极为有限等方面的影响，钻井平台作业中存在难度高、局限性强的特点，后续研发期间，必须加强小型化、高效化工艺设备的推广。