国内外废弃钻井液处理技术研究现状

王学川, 胡艳鑫, 郑书杰, 强涛涛

(1.教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室， 陕西科技大学， 陕西 西安 710021; 2.中国石油长庆油田分公司第四采气厂， 陕西 西安 710021)

0 前 言

随着石油工业的快速发展，由废弃钻井液带来的污染问题越来越受到世界各国的重视.石油工业的全部过程(勘探、钻井、开发、储运和加工)在相应的条件下都会产生各种污染物(原油、油田污水、废弃钻井液和钻屑)，如不加以处理就直接排放，必然会对自然生态环境造成一定的破坏.

废弃钻井液是石油工业的主要污染物之一.据统计，钻一口3 000～4 000 m的普通油气井，完井后废弃的钻井液接近300 m3[1].根据中国石油天然气集团公司2008年对石油污染源的调查结果，我国油田每年钻井产生的废弃钻井液约1 200多万吨，其中1/2直接排放到周围环境中.近几年来世界各国迫于对能源的需求，导致钻井液的种类不断增加，添加剂及有毒有害成分也日益增多，使其组成极为复杂.然而随着世界各国对环保要求的提高，对废弃钻井液的无害化治理已经成为当前亟待解决的问题.本文从废弃钻井液的组成及对环境的危害分析出发，对近年来国内外各油田处理废弃钻井液的技术方法进行了综述.

1 废弃钻井液的组成及危害

在钻井作业中，钻井液是钻井的血液，是保证钻井正常运行不可缺少的物质，它能起到平衡地层压力、携带悬浮钻屑、清洗井底、保护井壁、录井、冷却、润滑钻具及传递动力等作用[2].由于野外作业的特征，完井后施工现场存留的大量的废弃钻井液及废弃物几乎全部堆积于井场周围的废弃钻井泥浆储存坑内，这就使本来成分复杂的废弃钻井液更加复杂，最终形成一种由粘土、加重材料、各种化学处理剂、污水、污油及钻屑等组成的多相悬浮性的体系.

据统计，中国目前每个钻井队每天排放废水约30 m3，每口压裂井产生废水100～200 m3,每口酸化井排放废水100～200 m3[3]，这些都将排入废弃钻井泥浆储存坑中.废弃钻井液产生的主要来源有以下几种[4，5]：(1)钻井液污水.包括废弃的钻井液以及散落的钻井液；(2)机械污水.包括柴油机冷却水、钻井泵拉杆冲洗水、水刹车排出水等；(3)冲洗污水.包括冲洗振动筛用水、冲洗钻台和钻具用水、清洗设备用水；(4)岩屑.钻井过程中产生大量的岩屑，岩屑吸附了大量的泥浆，由于对岩屑样的冲洗及雨水对岩屑的冲刷，便会使岩屑吸附的泥浆进入钻井废水系统；(5)钻井过程的酸化和固井作业产生大量的废水；(6)钻井事故，特别是井喷也会产生大量的废水；(7)储油罐、机械设备的油料散落；(8)天然降雨侵入增加的废水量.

由于废弃钻井液成份比较复杂，所以对环境的影响也是多方面的，主要表现在以下方面：(1)污染地表水和地下水资源，而且由于钻井生产的流动性造成污染面积大、区域广；(2)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人畜的健康[6]；(3)过高的pH、高浓度的可溶性盐及石油类造成土壤板结，危害动植物的生长；(4)废物中的有机处理剂使水体的COD、BOD增高，影响水生生物的正常生长[7].

2 废弃钻井液的处理方法与应用现状

(1)直接排放法.此方法只限于那些低毒或无毒、易生物降解的钻井废弃液.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.

(2)循环使用法.有些废弃钻井液、废水等可直接或经简单的设备处理后循环使用.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[6].

大港油田将废弃钻井液与井下作业废液处理后产生的高盐浓水定期拉运至泥浆公司用于重新配置泥浆，产生的清水直接外输或回注，收集的原油可卸放至附近联合大站进行回收.这不仅对油田加强环境保护、实现清洁生产具有重要意义，而且能够变废为宝，成为油田打造循环经济的又一范本[8].

(3)分散处理法.由于绝大多数钻井液pH均在7以上，一般情况下多在7.5～10之间，钙处理钻井液甚至达到11以上.如此高pH的废弃钻井液集中堆放，必然导致该地区的土壤盐碱化.若在满足环境保护要求的条件下将其分散到酸性土壤中，既能中和土壤中的酸性使土壤得到改良，又能节省一定的处理费用.另外对少量的油基钻井液也可用分散法进行处理[9].

(4)回收再利用法.将废弃钻井液回收再利用是一项既经济又符合现代发展趋势的处理方法.塔河油田采用建立钻井液储存、中转站等实现钻井液的回收利用，不仅可以降低环境污染治理工作量，还降低了钻井液的使用成本.其技术经济评价结果表明：一口普通油气井可节约钻井液费用15万元，而且还会因有利于保护环境而产生巨大的社会效益[10].另外有些油田还将废弃钻井泥浆回收形成泥饼作为渣土铺垫井场使用，收集的原油卸放至附近回收站进行回收，以及将钻井液中的添加剂采用适当方法回收再利用.

(5)破乳法.破乳方法主要有化学破乳、膜破乳、电场破乳、剪切破乳[11]、加热破乳[12]、离心破乳等.现在应用较多的是化学法破乳，即向乳化含油钻井废水中投加破乳剂，通过化学作用，辅以其他分离方式，达到乳化液脱稳、破乳，实现油水分离的目的.而国内外采取的化学破乳方法主要有盐析法、酸碱法、凝聚法和混合法.但这些方法虽然使处理效果显著，但由于加入了化学添加剂，提高了成本，而且对环境也带来了新的影响.

辽河油田针对废弃钻井液为水基、油基混合液的特点，根据破乳和絮凝机理采取了一套既有效又经济的处理工艺流程.研究结果表明：该处理技术能使废弃钻井液中的油、泥、水三相得到有效分离，使污泥量减少，出液污染物含量有很大改善，处理后的固相基本符合国家固体废弃物排放标准，基本上解决了辽河油田废弃钻井液的处理排放问题[13].另外委内瑞拉石油公司也实施了一项新技术——微波破乳法[14].

(6)机械脱水法.该方法是利用化学絮凝剂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.但由于各油田产生的钻井液特性不同，单一的絮凝剂无法使各种性质的钻井液进行有效的固液分离，对于不同的废弃钻井液应使用不同的絮凝剂.

河南油田分公司第二采油厂针对其稠油污水粘度大、油水密度差小、乳化严重、水质水量变化大的特点，研制开发了一种由两剂复配的絮凝剂，结果表明该产品具有絮凝速度较快、污泥生成量较小、杂质去除率较高的优点[15].

(7)微生物处理法.微生物处理技术具有投资少，运行费用及能耗低，二次污染小，操作简单，除油率高等优点[16].其处理废弃钻井液的方法有很多，如微生物降解法、生物絮凝法等，使用该方法的困难是如何选择合适的微生物菌种和载体.

长庆油田采用此法从2008年4月到9月底进行了56口气井、18个油井场、110口油井的微生物无害化处理工作，为油田节约处理费用100多万元[17].

(8)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.回注方法主要有注入非渗透地层和注入地层或井眼环形空间两种.第一种方法注入非渗透性地层是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，当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.现在海上钻井在多数多情况下的废弃钻井液处理就是用该方法[6].第二种注入地层或井眼环形空间的方法[18]，如张店油田因其油藏属于复杂断块，储层结构复杂，断块多，有效孔隙度低，水敏性强等，针对这些问题优选出回注地层水配置无渗透压屏蔽钻井液配方，该配方既降低了大量污水排放，又利用了钻井液滤饼的高屏蔽及滤液与地层水活度的配伍性，降低了储层水敏性污染，提高了钻井液抑制防塌能力，满足了地质和工程施工需要[19].

另外有报道，国外有专门的注入处理井来处理废弃钻井液[20].2003年上半年，ADCO公司钻成两口深1 500 m的专门注入处理井，并装备了储罐和注入泵.我国新星石油公司华东局六普钻井公司也曾试用该法处理废弃钻井液[21].

(9)回填法.回填法是一种花费较少而又普遍采用的方法.在回填开始之前，首先将储存坑内的废物进行沉降分离，将上面的水澄清(必要时可加入一些混凝剂)达到规定要求后就地排放.剩下的污泥干燥一定程度后即可在储存坑内就地填埋，一般顶部要保持较厚的表土层，并使储存坑的周围恢复到原来的地貌.本法主要用于淡水基钻井泥浆产生的废渣的处理.

石油环境研究委员会对某些填埋在坑内的钻井废弃物通过中子探针通道管、测渗计、真空萃取湿度计和石膏阻塞剂在坑的周围设点，就地表水和受辐射的土壤进行了跟踪研究[22]，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.

(10)坑内密封法.坑内密封法实质上是一种特殊的回填处理法，其做法是先在储存坑的底部和四周铺垫一层有机土(通常用量为21～28 kg/m2)，上面铺一层厚度为0.51毫米的塑料垫层，再盖一层有机土，以防塑料膜破裂.经上述处理后的储存坑成为废弃钻井泥浆充填池，待废泥浆中水分基本蒸发完后，再盖上有机土顶层回填恢复地貌.但此方法要保证密封严实，不能漏失.目前国内中原油田广泛采用此法进行废弃物的处理[23].

(11)焚烧回收法.此方法要求具有很高的温度(1 200～1 500 ℃)和密闭的回收装置，燃烧的气体经过烟尘回收和气体吸收装置，剩余的灰烬可综合利用，油和其它物质也可以回收用于油基钻井液的基液或移作他用，因此它是一种非常洁净的处理方法.

现在国外正广泛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 ℃).北海油田用其处理油基钻井液中的钻屑，分离后使钻屑中的剩余含油量小于1%，符合国际和国家的环保要求，可直接排放到海洋中，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.目前国外又研发了一项新技术——低温加热解吸油基钻井液钻屑中含有的油类物质的处理技术[24].

(12)运至指定地点集中处理法[25].该方法处理费用较高，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，由抽吸车把废钻井泥浆运到指定处理场集中处理，该方法用于油、水基两种废钻井泥浆，一般只在特殊情况下采用.

(13)固化法.固化法是向废水基钻井泥浆或钻井泥浆沉积物中加入固化剂，使之转化成像土壤一样的固体(假性土壤)填埋在原处或用作建筑材料等，这种方法能较大程度地减少废弃钻井泥浆中的金属离子和有机物对土壤的侵蚀，从而减少废弃钻井泥浆对环境的影响与危害，同时又可保证废弃钻井泥浆池在钻井过程一结束即能还耕.该方法目前被认为是一种比较可靠的治理废弃钻井液方法.

新疆石油学院崔之健等研制开发了废弃钻井液XG-固化剂，它可以在24 h内使废弃物固化，效果良好[26，27].

中石化勘探开发研究院石油钻井研究所宋明全等人研制的另外一种固化剂HB-1具有更好的固化效果，废弃钻井液在固化处理48 h后完全可以满足人员及小型车辆行走需要[28].

长庆苏里格中部气田开发项目部根据毛乌素沙漠环境生态特点及井场废液成分基础上，将废弃钻井液经固化处理后回填并恢复地貌，经回填改良后的土壤达到GB15618-96土壤环境质量标准和GB5085.3-2007危险废弃物浸出毒性标准，土壤保水增肥能力增强.

(14)填埋冷冻法.在比较寒冷的地方，可以把废弃钻井液和钻屑注入冻土层，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污染.该方法在适宜的区域处理钻井废弃物是很理想的.

美国阿拉斯加州的北斜坡地区使用填满冷冻法，已经成功地将1 908 000 m3钻井废弃物注入到609.6 m 深的地下冷冻层，并跟踪了它的潜在污染情况，结果发现非常理想[29].

(15)盐穴法[30-32].利用地下盐穴将废弃钻井液进行埋藏处理，目前在国外已得到很好的应用.它具有安全性高、费用较低、占地面积小、容量大等优点.将废物埋藏在地面1 000 m以下的盐层中，由于盐层本身具有封闭性和抗泄露的特点，因此可以长时间安全地埋在地下，而且超过5 000 m3的废钻井液采用盐穴埋藏其费用低于地表埋藏，同时还可以节省很大的地表面积.

该法在欧美国家已经有近20年的历史.盐穴最初的用途主要是进行石油和天然气的储存，作为储备库来使用.到目前为止，世界上有1 000多个用于除采盐以外的各类型的盐穴，美国、德国已经将它作为进行核废料填埋的主要方法之一.利用盐穴进行储存和废物的处理已经广泛应用于石油天然气工业、化学工业、核工业、农业等各个领域，但建设盐穴所需的地质条件要求较高，掩埋的废物需要通过一系列的特定工艺才能完成.

(16)MTC(Mud To Cement)技术.废弃钻井液转化为水泥浆技术，简称MTC技术[33]，它是将废弃钻井液和矿渣混合，利用激活剂激活矿渣中的固化成分，再辅以其它添加剂得到各种用途的固井液.该技术在国内外都进行了大量的研究，并且取得了广泛的应用，用其固井还有很多优点：紊流排量低、与泥浆的相容性好、稠化过渡时间和静胶凝强度过渡时间短等特性，在防窜固井和提高顶替效率等方面较水泥浆都具有较大的优势.

中国石化勘探开发研究院德州石油钻井研究所应用不同的泥浆体系研究出了能明显提高调整井固井质量的MTC配方，在大港油田多个区块调整井固井中进行了10多井次的现场应用，封固段固井合格率100% ，优质率73%以上，取得了良好的固井效果[33].

3 发展趋势与展望

无论以上哪种处理技术都有一定的应用范围，因此在方法选择上要根据各油田产生的废弃钻井液的性质及各油田所在的地理、气候、环境等特点进行最合理的优化选择，同时为了更有效的治理废弃钻井液的污染问题，作者认为今后的研究工作既要强化源头与过程控制，又要开发综合利用新技术.具体有以下几个方面：

(1)推行清洁生产，治标先治本.目前急需对废弃钻井液产生的源头进行治理，推行清洁生产，加强固控，减少排放.通过固控改善钻井液的性能，并重视重复利用技术，以降低综合处理成本.钻井时采用环保型化学处理剂及添加剂代替毒性较大的化学处理剂及添加剂，做到源头控制清洁生产.

(2)开发研制低成本高性能的环保型钻井液.目前国外开发的合成基、甲基葡萄糖苷等环保钻井液，虽然有无毒、可生物降解的性能，但成本高无法广泛推广使用.而近年发展起来的低毒性油基钻井液和新型合成基钻井液在使用过程中也对环境造成种种影响，所以在今后的研究中应该重视对价格低廉的天然高分子材料和各种环保处理剂的改性和完善以及对无毒无污染的有机盐和无机盐使用技术的研究.

(3)新型废弃钻井液处理剂及通用技术的研发.由于国内各油田产生的废弃钻井液性质不同，就需要加入专门的化学处理剂进行治理，同时由于添加了不同的化学处理剂，就使废弃物的成分变得越来越复杂，对环境的危害也就越来越大.如果研制出新型环保处理剂就能减少后期对环境的危害，如天然有机高分子絮凝剂的优良絮凝性、不致病性及安全性、可生物降解性，越来越受到人们的重视，如果将天然高分子絮凝剂进行改性，制备环保型处理剂一定能得到广泛的应用.另外还可以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，研制了一种通用的处理技术及固化配方.

(4)开发无害化综合利用新技术.开发废弃钻井液无害化综合利用新技术也是未来的趋势之一，做到随钻处理，固液分离，分类综合治理，最大限度地综合利用和实现节能减排.如将废弃钻井液实现液屑清洗分离后净化岩屑，其中一部分泥水回用配浆；剩余泥水固液分离脱水污泥成饼回收利用；将分离的污水处理主要污染物指标达标用于场地回用；液屑分离后回收的清洗用水随钻治理.

(5)强化管理控制，加强过程监管.先进的管理方法、严格的政策措施以及施工过程的监督检查(如：施工队伍的选择、施工地点的选址、防渗与封固处理、安全环保管理规章制度与量化考核机制的建立健全等)都是有效处理废弃钻井液无害化治理的前提和保证.中国近几年在这方面已经做了很多努力，取得了显著的效果，但是还需要进一步学习与借鉴国外的先进管理方法与成功经验.

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