地质钻探废浆处理设备及技术研究进展

蒋 炳，张统得，吴金生，罗显梁，黎一禾

（1.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都 611734；2.成都工贸职业技术学院,四川成都 611731）

绿色勘察是以绿色发展为理念，通过运用高效、环保的方法、技术、设备、工艺等，在地质钻探过程中，应尽量避免环境污染，避免施工过程中对生态环境造成影响，实现勘查和保护共存的效果。绿色勘察的重要手段之一是将钻井过程中所产生的废弃钻井液进行无害化处理。废弃钻井液是指一种含钻屑、各种有机、无机添加剂、粘土、污水、加重材料等的成分复杂的多相稳定悬浮胶体。废弃水基钻井液污染物主要分为有机物污染、无机物污染和生物污染等，钻探过程中污染主要来源为钻屑、泥浆添加剂、废水、机油等。据估算，包括岩粉在内的钻屑和废浆约占钻井废弃物总量的99.7%[1]。根据最新实施的环保法的要求，在世界范围内某些特殊地区需实现“泥浆不落地处理技术”，要求处理后的岩粉、岩屑及其他废渣等固相可就地达标堆放或填埋，处理后的废水可就地达标排放或拉运到特许排放口排放。

现目前，水基钻井废弃物处理技术主要包括生物处理技术、钻井液水处理、回收技术、钻井废液废水一体化处理、钻井废弃物“不落地”无害化处理、泥浆池就地固化（或无害化）等，技术总体趋于多功能集合。

1 国外研究现状

1.1 国外处理技术

目前国外处置钻井废弃物的标准一是处理量最少化、二是毒性最小化，即回收再生处理、处理后再利用、处理后再循环、源头减量化等。近些年来，“零排放”成了许多国家处理废弃钻井物的目标，严格要求了钻井废弃物的源头减量、过程控制和末端处理三阶段，以此降低对生态环境的影响，并推动钻井废弃物处理的标准化、规范化和系统化。

目前国外大力发展脱水处理技术（de-watering），包括马来西亚的KMC Oiltools 公司、美国NVO 公司、美国M-I SWACO（隶属于Schlumberger公司）等，国外目前的主要技术为化学强化固液分离技术，分离出水回用或拉运至集中处理站处理，分离出渣拉运处理[4]。加拿大、美国、荷兰等国家处理钻井废弃物的主要方法为高温分解技术，该技术能较大程度回收油类物质，但成本较高。巴西石油公司将固液分离后的钻屑加入到粘土中并进行压实，烧制成砖块用作建筑材料，结果表明其强度满足相关要求。Alimohammadi[2]针对废弃钻井液中的重金属铬离子采用纳米吸附剂来进行处理取得较好的试验效果。Leonard[3]曾对废弃钻井液固化技术进行研究，主要采用水泥和粉煤灰等与废弃钻井液反应，研究其固化产物的滤液组成、渗透性和抗压强度，结果表明，固化产物的无侧限抗压强度随着高碳粉煤灰的增加而降低，同时提高固化产物的渗透性，氢化合物的滤出得到一定程度上的降低。此外，国外一些油田和研究机构也开始采用生物处理技术处理废弃钻井液，主要采用微生物、蚯蚓等辅助对含油钻井液废弃物进行生物无害化处理，该方法的优点主要有处理彻底和无二次污染，但时间成本较高。在滤液的处理方面，臭氧具有极强的氧化能力，随着臭氧发生技术的发展和生产成本的下降，近年来，臭氧氧化方法在废水处理中扮演着愈发重要的角色。B J H wang[4]研究了电化学法处理含氯有机物的有效性，并成功用PbO2/聚吡咯复合电极去除了废水中的氯离子。H S Joglekar[5]认为处理废水时应用湿式空气氧化法时，对比燃烧处理法过稀，对比生物降解处理过浓、而工业废水又存在较大毒性，将湿式空气氧化法应用于处理含酚废水，在氧分压为0.3～1.5MPa，温度为150℃～180℃的条件下，可降低废水超过90%COD，可100%满足对酚类分子的结构破坏。整体来说，国外处理流程与国内差距不大，但技术的集成领先国内。

1.2 国外废浆处理设备

美国NEW PARK公司废弃物处理公司开发了一种油田污物净化装置，其主要由污水处理装置、固体颗粒控制装置和钻井液脱水装置等处理单元组成。其中污水处理装置处理单元配备离心机，沉淀池和16～320m³的药剂混合罐，其优点为占地面积小，且可根据处理量大小决定设备的使用。YOB钻井污水处理装置是乌克兰石油工业联合公司于21世纪研制，主要采用了化学混凝和多级沉淀工艺处理钻井污水。法国PAU国际石油设备公司开发了撬装闭路式污水处理装置，主要采用中和、混凝和离心分离工艺，设备运行方式灵活可靠，可根据现场需要进行间歇或连续操作，其每小时处理量可达36m³，且其中出水可再重复再利用[6]。此外还有钻机真空抽吸系统，海上钻机真空容器抽吸系统、真空抽吸机、岩屑收集站、废弃物收集箱、罐清洗装置、便携式罐清洗装置、钻屑回注系统、岩屑干燥机、化学强离心系统等不落地设备。

2 国内研究现状

从20世纪80年代开始，我国开始逐步研究废弃钻井液处理技术，在数十年中，学者们先后较为系统地研究了废弃钻井液的毒性毒理，对环境产生的影响及影响方式，其中固化方法是目前国内掌握的最有效的废弃钻井液处理方法。

2.1 国内处理技术

现阶段我国废弃钻井液的常规处理方法为添加表面活性剂或热处理法，在此基础上借助固化剂实现钻井液固化，最终以筑路、填埋等方式处理。

2.1.1 焚烧处理

焚烧处理使用500℃～1500℃的高温，将废弃钻井液中的污染源进行氧化分解，从而起到减量废弃物的作用。但产生新的有害物质及成本较大。在焚烧期间受到金属与氧气的作用，部分有机物生成氮氧化物等有毒物质。

2.1.2 热吸解法

需依托于热吸解装置，常用热吸解装置来源于美国和加拿大。以加热方式分为热摩擦钻屑热解吸、化学热解吸、锤磨热解吸。通过温度高低，将处理方式可分为低温和高温两种不同的处理方式，其中低温控制在300℃左右，适用于轻油废弃物处理，高温控制在520℃左右，适用于重油废弃物的处理。将温度控制在400℃左右，可实现油基钻井液的有效处理，可以在保证环保性、高效性的前提下，可控制钻屑含油量在1%以内。

2.1.3 化学强化固液分离法

主要是采用化学脱稳絮凝方法处理废弃钻井液，然后采用机械设备，一般是压滤机或离心机进行固液分离。张统得等[7]对废弃钻井液污染特性进行了研究，又选了破胶剂和絮凝剂，基本实现了无害化处理废弃钻井液技术。赖晓晴等在研究中提出，絮凝过程中存在固相颗粒粒径增大现象，且固液分离效果受到絮凝体积、密度的直接影响。程玉生等对废弃钻井液进行了激光粒度分析，以此为基础，优化对应设备参数，以北部湾地区油井为例制作一套处理方式，其分离效果得到改善。

2.1.4 回注法

地层会受到回注的不利影响，不仅增大其注入压力，亦会增大出现地层损伤、污染问题的概率，容易发生井筒腐蚀的现象。常规处理方法以微粒的形势进行废弃固相制作，然后配置成浆体进行目标地层的注入。以地层类型分类，分为井眼环形空间注入、地层注入或非渗透性注入。阿联酋曾在环形空间地层内成功注入废弃钻井液，注入量多达10000t。国内目前未在回注法研究方面取得突破性进展。目前，国内外将冻土层作为注入目标层，将一定量的废弃钻井液注入其中能做到永久冷冻，避免注入地层后发生污染源迁移而影响到生态环境。其局限性主要在于无法有效消除污染源，成本大。

2.1.5 微生物处理

针对废弃钻井液中的长链烃、有机物利用微生物降解成气体和低分子。核心为微生物菌种的有效培养。主要包括微生物土壤技术、好氧生物技术、分散处理技术、厌氧生物技术、生物絮凝技术、氧化塘技术等。针对液相废弃物，主要采用好氧、厌氧处理技术联用，可提升废弃钻井液处理效果，避免降解期间对环境造成影响。胜利油田在处理采油废水的过程中应用了氧化塘技术，在原处理技术的基础上进一步提升废水处理效果。其局限性在于菌种选择性较强，废弃钻井液成分复杂，难以保持微生物有效作用。普适性有待提高。

2.2 国内处理设备

程玉生等在北部湾地区钻探中应用了一套较为成熟的固相控制技术，通过分析废弃钻井液的粒径分布情况，优化设备搭配和相应的设备参数配置，针对性进行了筛布选择，选择了离心机布局和台数以及分离能力，固相控制效率在钻探中得到了有效提高。鲍泽富等[8]设计了一套钻井液回收净化再利用的系统，其中包括输送系统、净化系统、干燥系统、自动粉碎包装系统。输送系统主要包含了液体输送泵、管道和传送带；净化系统包含了振动筛（大于0.5mm 的颗粒）、水力旋流器（包括水力旋流器和一组水泵）、离心机；微波干燥系统；自动粉碎与包装系统。整台设备处理能力100m³/d。3000m 井可节约钻井液成本约8 万。刘波在大港油田中使用了泥浆不落地设备，需2 组泥浆不落地处理队伍。设备包括废弃物收集、破胶处理和固液分离三个单元。李满江通过对旧式振动筛的改进，提高了振动筛处理效率，满足了现有不落地系统的处理要求。王崇刚[9]提出了取消泥浆池的新技术措施，以此保证钻井液不落地，使钻井液不接触土地，在处理工艺中，首先通过絮凝反应实现固液相分离，分离出水可重新配置钻井液，以达重复循环利用的目的。分离出的固相物质集中堆放后上盖下铺，从而实现对废弃固相的无害化处理。王超[10]在塔里木油田中采取泥浆不落地工艺处理废弃钻井液，处理后液相回用，固相和完井泥浆进行集中处理，使现场工完料净。董怀荣提出了一种钻井液净化和处理一体化系统，既能对钻井过程中进行钻井液高效固液分离和固相控制，也能直接对钻屑浓缩脱液干化、液相回收利用，满足泥浆不落地的随钻处理要求。陈志礼针对塔里木油区钻井工艺和钻井液体系特点，结合当前钻井液固控系统现状，对钻井液不落地处理设备和固相控制系统进行了集成优化，一体化钻井液固相控制与泥浆不落地。沈鎔制造了用于混凝土废浆分离净化处理工艺的设备，介绍了该设备的主要特点、主要技术参数、工作原理和工艺流程、主要结构设计要点，分析了使用效果和缺陷。

3 存在问题

从目前国内外研究形势来看，主要存在以下问题：

（1）忽视地质钻井废弃物的处理，地质钻探孔深小，使用钻井液少，产生的废弃物也较少，针对地质钻探方面的废弃钻井液处理研究大多沿用石油钻井处理废弃钻井液处理方式和处理剂。

（2）石油系统废浆处理设备体积较大，处理方量也较大，地质钻探因场地条件限制，无法学习石油系统提供大空间给废浆处理设备，导致很多地质钻探废弃钻井液处理方式极其简单，大多现场填埋或经简单处理后排放。

（3）废弃钻井液的成分不同，石油钻井存在较大颗粒，而地质钻探因使用钻头不同原因，导致废弃钻井液中存在大量磨细的岩粉，增大了处理难度。

（4）目前很多处理设备成本较大，比如用渗透原理处理、蒸发技术处理，地质钻探难以承受。

（5）所有处理技术目前都是对废浆进行减量化处理，固相和部分液相仍需进一步进行处理才可排放。另部分液相可重复利用。

4 结语

随着绿色勘察逐渐成为勘察行业的基本要求，地质钻探行业钻孔过程中产生的废浆需要进行适当的处理，以保证环境友好性，未来废浆处理技术在解决成本和技术的前提下，极可能朝着反渗透处理方法或者蒸馏处理方法迈进，而废浆处理设备的空白也将被逐步填充，受限于地质钻探场地，未来废浆处理设备将以模块化形式出现，受限于人工，废浆处理设备也必将被智能化，以此取代繁杂的人工操作流程，避免浪费人力物力。