废弃钻井液处理研究进展

废弃钻井液处理研究进展

赵雄虎　王风春(石油大学石油天然气工程学院,北京)

摘要　针对废弃钻井液处理方法在国内外的发展现状,从废弃钻井液的组成和对环境的影响入手,论述了国内外处理废弃钻井液的方法和技术。介绍了13种处理废弃钻井液的方法;并介绍了废弃钻井液的综合利用技术;同时对一些特殊条件下如含高价离子、放射性、油基和海上废弃钻井液的处理也进行了讨论。指出废弃钻井液处理技术的发展趋势为:开发新的环保型钻井液和钻井液添加剂;加强固控,减少废弃物的排放;开发综合利用新技术;降低成本,优化环境;加强井场废弃物的管理。关键词:废弃钻井液　处理方法　环境保护引 言

随着石油工业的发展,

由钻井带来的污染问题也越来越受到人们的重视,世界各国都建立了相应的法律条文以保护生态环境。中国的石油工业勘探开发初期对环境影响不明显,对废弃钻井液进行固化处理是20世纪80年代以后才发展起来的

。四川石油管理局川西南矿区曾提出一种固化废弃钻井液的固化剂配方,采用硅酸盐、硫酸盐、吸附剂和调整剂为原材料,使用时加入35%固化剂。辽河油田和胜利油田也曾开展过废弃钻井液固化处理的研究。石油大学(北京)在20世纪80年代中期开始对废弃钻井液进行研究,先后系统地研究了废弃钻井液的毒性、对环境影响效应、固化处理以及固液分离等内容,全面掌握了废弃钻井液的毒性和处理方法,针对中国现在使用的聚合物钻井液、三磺钻井液、正电胶钻井液、混油钻井液、加重钻井液以及含铁铬盐钻井液等多种体系,研制了一种通用的固化剂配方。上述这些废弃钻井液用该固化剂处理后,经北京市环境保护监测中心和中国石油天然气集团公司环境监测总站检测分析证明,废浆固化物都达到了GB8978—88的指标,并经新疆焉耆塔里木河南勘探公司使用,取得了显著的经济效益。

废弃钻井液的成分及其对环境的影响

钻井液在石油和天然气钻井过程中必不可少。为达到安全、快速钻井的目的,使用了各种类型的钻井液添加剂,而且随着钻井深度增加和难度加大,钻井液中加入的化学添加剂的种类和数量也越来越多,使得其废弃物的成分也变得越来越复杂,危害也越来越大。废弃钻井液主要是由粘土、钻屑、加重材料、化学添加剂、无机盐、油组成的多相稳定悬浮液,pH值较高。导致环境污染的有害成分为油类、盐类、杀菌剂、某些化学添加剂、重金属(如汞、铜、铬、镉、锌及铅等)、高分子有机化合物生物降解产生的低分子有机化合物和碱性物质。对环境造成的影响主要表现在:①对地表水和地下水资源的污染;②导致土壤的板结(主要是盐、碱和岩盐地层的影响),对植物生长不利,甚至无法生长,致使土壤无法返耕,造成土壤的浪费;③各种重金属滞留于土壤,影响植物的生长和微生物的繁殖,同时因植物吸收而富集,危害到人畜的健康;④对水生动物和飞禽的影响(化学添加剂和生物降解后的某些产物)。20世纪70年代以来,美国、前苏联、加拿大、德国和中国的许多研究部门围绕着如何处理钻井废弃物进行了大量的研究工作。证实了钻井液中的铬、铅、砷、镉、苯、氯化物及其它成分对人的健康和环境的损害最大,如聚合物会使废弃钻井液的化学需氧量增加,重金属铬离子为致癌物质等[1]。对江苏油田、大港油田、胜利油田以及新疆宝浪油田等油田的部分废弃钻井液的调查分析表明,10项污染指标(总铬、六价铬、总汞、总砷、总镉、总铅、COD、石油类、pH值)中的多数高于中国国家标准规定的污染物排放限度[2,3]。根据中国国家环保局的规定,废弃钻井液中的铬、汞、砷等重金属为第一类污染物,它们能够对环境、动植物以及人类直接产生不良影响。特别是废弃钻井液中含有大量的铬,其中六价铬比三价铬毒性高100倍,并且易被人体吸附和蓄积。漂浮在水体表面的油直接影响空气与水体界面氧的交换,分散在水中的油被微生物氧化分解消耗水中的氧,致使水质恶化。第21卷第2期 钻　井　液　与　完　井　液 Vol.21,No.22004年3月 DRILLINGFLUID&COMPLETIONFLUID Mar.2004

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11直接排放法废弃钻井液部分可直接排放到环境中。但只限于那些低毒或无毒、易生物降解的钻井废弃物,如水基钻井液,矿物油基钻井液(回收基液后剩余的废弃物)、合成基钻井液和钻屑等。21分散处理法废弃钻井液部分可以采用分散法处理。废弃钻井液一般呈碱性,集中堆放容易导致该区域的土壤碱化,采用分散的方法处理,有利于降低碱度。特别是若分散到酸性土壤中,由于它中和了土壤中的酸性,可以起到改良土壤的作用。当然,必须在满足环境保护要求的前提下才能采用该方法。假如不能符合环保要求就必须改用其它适合的方法。对少量的油基钻井液也可用分散法处理[4]。31循环使用法有些废弃钻井液、废水、废材料等可循环使用。水是最有可能被循环使用的,例如从钻井液中分离出来的废水可用于清洗钻头;清洗钻头后的废水可以收集后再循环使用。生产水经过处理后再注入井内以平衡井内压力,也可用于重油的处理[3]。要求安装的设备能便利地使用可重复利用的废材料,例如安装循环系统以便收集溶剂和其它能够收集的材料并在井场重复使用。有些暂时废弃的钻井液(如改变钻井液的密度、粘度等时处理的一部分钻井液)在适当的时候又可以在该井使用,或运到另一口适合的井上再使用。41回收再利用法回收再利用处理废弃钻井液方法不失为一项既经济又合理的处理方法。油基、酯基还有合成基钻井液使用后,可回收其基液后再用于其它井作为钻井液的基液或作为燃料等其它用途。还有钻井液中的添加剂也可以采用适当的方法回收再利用。很多废弃材料都是可以回收再利用的[5]。51脱水法脱水法是利用化学絮凝剂絮凝、沉降和机械分离等强化措施,使废弃钻井液中的固液两相得以分离。废弃钻井液中含有膨润土,但膨润土本身具有很强的水化能力,再加上加有大量的添加剂,使得其中的固体颗粒很难分离出来。采用加水稀释法可以使大量的加重剂通过自然沉降法分离出来,但是还是很难破坏由水化能力很强的粘土颗粒和多种护胶剂组成的钻井液胶体体系。加入无机和有机絮凝剂后,可以破坏固体颗粒表面结构,中和表面的电荷,减少颗粒之间的静电引力,促使固相颗粒聚结变大,从而达到固液分离的目的。由于钻井液和地层的特性不同,一种絮凝剂是不可能使各种钻井液的固液进行分离的。对于不同的废弃钻井液应使用不同的絮凝剂。现在已经研究出了很多无机和有机絮凝剂,用于不同的废弃物的絮凝处理,得到了较好的效果。使用该方法进行钻井废弃物的脱水处理,效果很好,但必须要了解废弃钻井液的特性,选用不同的絮凝剂。61破乳法有的钻井液本身是乳状液,同时钻井液在钻井过程中由于水和油的渗入可能形成半乳状液。这给钻井废弃物的处理带来了困难,严重地污染了环境。所以必须要实施破乳。破乳可以采用传统的添加化学剂的方法,利用化学剂的特性破乳。如利用电解质所带电荷的性质不同,或者通过加入化学剂降低钻井液的粘度等。但这些方法由于添加了化学剂,一方面提高了成本,另一方面给环境又带来了新的影响。委内瑞拉石油公司实施了一项新技术———微波破乳法[6]。此外,还可以使用剪切破乳[7]、加热浮选破乳等[8]。71回注法有些毒性较大又难以处理的废弃钻井液可以通过回注法处理。回注方法有2种。①注入非渗透性地层。用压裂液在机械作用下加压到足以将地层压裂的压力,将要处理的废弃钻井液注入地层裂缝中,撤消压力时,周围地层中的裂缝自行关闭,从而防止地层中的废弃钻井液发生迁移。现在在海上钻井时,许多情况下的废弃钻井液处理就是用该方法。②注入地层或井眼环形空间[9]。将废弃钻井液通过井眼注入安全地层或井眼的环形空间。但该方法对地层有严格的要求,深度必须大于600m。一般钻井液的处理可以采用该方法。81回填法废弃钻井液在储存坑内通过沉降分离,上部清液达到环保标准后直接排放。剩余部分经干燥后(并不一定要完全干燥,只要到一定程度就行),在储存坑内就地填埋。但必须保持顶部的土层有1.0～1.5m厚

,然后恢复地貌。这种方法不失为一种处理低毒和无毒废弃钻井液的好方法。但不能用于毒性较大的废弃钻井液的处理。石油环境研究委员会44 钻　井　液　与　完　井　液 2004年3月

© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net对填埋在坑内的钻井废弃物通过中子探针通道管、测渗计、真空萃取湿度杯和石膏阻塞剂在坑周围设点,就地表水和受辐射的土壤进行了跟踪研究[10]。结果发现该方法对地表水和其辐射的土壤有很大的影响。所以回填法必须要慎用。91填埋冷冻法在比较寒冷的地方,废弃钻井液和钻屑可以注入冻土层,将这些废弃物永久地冷冻在冻土层中,这样就不会发生迁移造成环境的污染。在美国阿拉斯加州的北斜坡地区使用该方法[11],在该地区通过使用废弃物处理设备已成功地将1908000m3钻井废弃物注入到609.6m深的地下冷冻层。并跟踪了它的潜在污染情况,发现结果非常理想。虽然钻井废弃物具有一定的温度,注入到冷冻层后对里面的温度有影响,但是这个影响很微弱,不会使冷冻层的冷冻物融化,相反可以将废弃物永久冷冻起来而不让其发生迁移。在适宜的区域用该方法处理钻井废弃物是很好的

。101运至指定地点集中处理法废弃钻井液中的部分废弃物在井场不能当场处理也不能直接排放,必须运出井场到某指定地点集中处理。这主要是针对那些毒性比较大、用常规方法处理会严重污染环境,也没有合适的处理方法的废弃钻井液。111生物处理法生物处理钻井废弃物的方法有许多种。微生物降解法是利用微生物将有机长链或有机高分子降解成为环境可接受的低分子或气体[12]。使用该方法的困难是如何选择合适的微生物菌种和载体。生物絮凝法是在废弃钻井液中加入特殊的微生物,使一些高分子有机物絮凝并且沉积下来,可用于钻井废水的处理。该方法中所用微生物必须是通过自然筛选或诱变培育及基因工程、细胞工程技术获得的特种微生物。这些微生物同时还可以对某些有机物进行降解,如邻、间、对苯酚就可以在这样的微生物作用下,发生生物降解。121固化法固化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,就地填埋或作为建筑材料等。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。该方法现在被认为是一种比较可靠的治理废弃钻井液污染的好方法。对于治理难度最大的COD、Cr、pH值和总铬污染最为有效。根据固化液毒性测定,达到国家工业废水排放标准,对于含水量最高的废弃钻井液,可以结合固液分离技术,以取得最佳的处理效果。适用的钻井液体系主要为膨润土型、部分水解聚丙烯酰胺、木质素磺酸铬、油基钻井液等。现在对废弃钻井液的固化已有许多成熟的技术,可用于不同废弃钻井液的固化[13]。中国比较成型的固化剂为XG钻井液固化剂,它可以在24h内使废弃物固化,效果良好[14,15]。另外一种成型固化剂HB21具有更好的固化效果,在2h内就可以将废弃物固化[16]。2002年3月举行的石油工程师学会(SPE)国际会议中就有一篇报告专门就含盐钻屑的固化处理技术作了论述[17]。含盐钻屑对土地环境的影响是很大的,会使土地盐碱化。因没有其它很好的处理方法只能将其固化。一是采用自然固化,二是采用加压固化。实验室内都取得了很好的效果。现在正进行工业化扩大实验。131焚烧焚烧也是一种非常洁净的处理钻井废弃物的方法。因为在焚烧炉的烟窗内都安置有除尘、回收和气体吸收的装置。回收的油和其它物质可以用于油基钻井液的基液或移作他用。剩余的灰烬可以综合利用,对环境没有不良影响。但这要求必须具有很高的温度(大约为1200～1500℃)。现在国外使用一项称作加热解吸的技术,用于加热解吸油基钻井液中钻屑含有的油类物质(温度大约为400℃)。加热解吸油基钻井液钻屑的技术已经成熟,在北海油田用其处理油基钻井液中的钻屑,分离钻屑中的油类物质,钻屑中的剩余含油量小于1%,可以直接排放到海洋中,符合国际和国家的环保要求。解决了海上使用油基钻井液产生的油基钻屑处理困难的问题。目前又发展了一项新技术———低温加热解吸油基钻井液钻屑中含有的油类物质的技术[18]。141坑内密封法处理钻井废弃物的坑内密封法事实上是一种特殊的填埋方法。它是在坑的底部和四周铺一层有机土,然后在其上面铺一层塑料垫层,再盖一层有机土;也可以在底部和四周加固化层,以防渗漏。再将基本干燥的废弃钻井液填充在池内,上表面再按前面的方法将其覆盖密封,然后恢复地貌。这主要是对那些毒性较大的钻井液而言。但必须要保证密封严实,不能漏失。54第21卷第2期 赵雄虎等:废弃钻井液处理研究进展