水基钻井废弃物“不落地”处理技术发展的分析

刘光全 （中国石油安全环保技术研究院，北京102206）

陈海滨 （中石化华北油气分公司油气生产支持中心，陕西 榆林719000）

胡彬 （中石油西南油气田分公司川中油气矿，四川 遂宁629000）

任雯，张明栋 （中国石油安全环保技术研究院，北京102206）

李青洋 （西南石油大学石油工程学院，四川 成都610500）

水基钻井废弃物主要来源为钻井过程产生的钻屑、废弃泥浆和设施设备清洗废水等。根据来源、组成物性与污染物特征，主要可分为水基钻屑和水基废泥浆，据估算，水基钻屑、水基废泥浆所占比例分别为64．7%和35．0%，二者约占钻井废弃物总量的99．7%。

国外，对于钻井废弃物的管理及处理处置以处理量最少化、毒性最小化为标准，即源头减量化、处理后再利用、处理后再循环、回收再生处理等。近几年，许多国家提出了钻井废弃物 “零排放”的目标，从钻井废弃物源头减量、过程控制到末端处理都分阶段进行了严格要求，以便能将钻井废弃物的环境污染降至最低水平，从而推动钻井废弃物处理的系统化、规范化和标准化。我国20世纪80年代开始对废弃钻井液处理技术进行研究，先后系统地研究了废弃钻井液的毒性分析、对环境影响效应，并基本掌握了相应的固化处理方法［1～5］。

目前，水基钻井废弃物处理技术主要包括回收技术［6］、泥浆池就地固化 （或无害化）［7～11］、钻井废水处理［12～14］、钻井废液废水一体化处理、生物处理技术［15～17］、钻井废弃物 “不落地”无害化处理，技术总体趋于多功能集合［18～20］。随着钻井环保形势发展，特别是2015年1月1日实施的新环保法的新要求，国内外一些特殊地区要求实现钻井废弃物 “不落地”随钻处理，要求处理后的岩屑、废渣等固相可就地达标堆放或填埋，或者用于垫井场，处理后的废水可就地达标排放或拉运到特许排放口排放。

1 国外技术现状

国外，在水基钻井废弃物处理方面，大力发展脱水处理技术 （de－watering）［21～25］，主要服务商有美国M－I SWACO （隶属于斯伦贝谢公司）、美国NVO 公司、马来西亚的KMC Oiltools公司等，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。

从国外处理流程来看，与国内应该是大同小异，但国外的技术集成较国内的领先［26～29］。例如，一种油田污物净化装置，由美国MEW PARK 废弃物处理公司开发，主要由钻井液脱水装置、固体颗粒控制装置和污水处理装置等处理单元组成。污水处理装置处理单元，配备有16～320m3的药剂混合罐、沉淀池和离心机，占地较小且可根据处理量的大小决定使用的设备；YOB 钻井污水处理装置，由乌克兰石油工业联合公司研制，主要采用化学混凝和多级沉淀的工艺来处理钻井污水；橇装闭路式污水处理装置，由法国PAU 国际石油设备公司开发，主要采用中和、混凝和离心分离工艺，设备运行方式灵活，可根据现场需要进行连续或间歇式操作，处理量36m3／h，处理后的出水可再利用。以下列举了几种国外水基钻井废弃物 “不落地”处理设备［30～33］。

1）钻机真空抽吸系统 该系统是钻井液收集和排放系统，是清理废液池、存放钻屑的容器和沟渠。可回收利用从钻台、振动筛以及泥浆池出来的钻井液。

2）海上钻机真空容器抽吸系统 该系统是挪威船级社 （DNV）认证的容器，噪声小，安装简单。可回收利用从振动筛以及泥浆池出来的钻井液，以很高的气流速率 （大约85m／s）传送钻井液材料，主空气泵能提供高达15mmHg的真空压，并且噪声低于85分贝。

3）真空抽吸机 该设备仅由防静电和导电部分组成，紧凑的模块化设计，易安装。仅与空气源，吸入管线和排除管线连接即可工作。

4）岩屑收集站 可选2、3或4个岩屑收集箱，通过控制刀形进料口，把钻屑从螺旋输送器排放到岩屑箱。

5）废弃物收集箱 用于把钻井废弃物运输到处理或者排放地的容器，易叠起堆放。

6）罐清洗装置 可提供38～380L／min的清洗水，清洗头可360°清洗墙体，且清洗水能循环回缓冲罐，减少了废水的排放。

7）便携式罐清洗装置 双撬装泵式组在压力为225psi时提供1520L／min的清洗水，或单撬装泵式组在压力为225psi时提供760L／min的清洗水。可应用便携的或永久的自动控制系统，减少非生产钻井时间。

8）钻屑回注系统 该系统净化钻井废弃物并将其注入合适的地层，磨碎并分散钻屑。注入之前，在流体中加入增黏剂，适用于现场的处理和排放钻井废弃物的设备。

9）岩屑干燥机 适用于所有钻井废弃物，易维护，圆锥漏斗在清洗时不需要拆卸干燥器。

10）化学强化离心系统 通过凝结和絮凝等化学处理以去除钻井液中的细小颗粒，减少了钻井液和水泥浆的用水量。

2 国内水基钻井废弃物“不落地”处理技术现状

水基钻井废弃物随钻 “不落地”处理已成为钻井环保发展的趋势，国内已在塔里木油田、南方勘探公司、冀东油田及鄂尔多斯大牛地气田等敏感地区示范应用多口井。

2．1 钻井废弃物随钻处理综合应用技术

该技术主要包括废弃物收集单元、破胶脱稳单元、固液分离单元等3部分，工艺流程见图1。1）废弃物收集单元 通过螺旋输送机组，随钻收集钻井废弃物，并输送至破胶处理单元。

2）破胶处理单元 破胶罐中的钻井废弃物进行加药、脱稳、破胶、絮凝、沉淀，达到固液分离要求后，泵入固液分离单元。

3）固液分离单元 包括隔膜压滤机、泥饼输送机、滤液收集输送装置。压滤机对废弃泥浆进行固液强化分离，将滤饼含水率控制在20%以内。

截至2014年9月，在南方勘探公司福山油田23口井进行随钻处理，完井18口。现场采用螺旋输送机，对钻井废弃物进行随钻收集，并对破胶罐中的钻井废弃物进行加药、脱稳、破胶、絮凝、沉淀，达到固液分离要求后，泵入隔膜压滤机进行固液强化分离。处理后滤饼含水率≤20%，出水达到GB 8978—1996二级排放标准。共计处理钻井固体废弃物7633m3、钻井废水11772m3。

图1 钻井废弃物随钻处理工艺流程

2．2 废弃钻井泥浆 “不落地”无害化处理技术

该技术主要处理工艺为：收集—→砂石分离—→化学处理—→除油—→泥饼脱水—→水处理。工艺流程见图2。将废弃泥浆经过稀释、絮凝、分离，使之成为固相和水2个部分。其中，固相部分中的岩屑可直接排放，余者则经过水洗、絮凝分离、化学反应处理以及物理脱干后成为无害化泥饼并达到排放标准，其有机类、有害类化学物质成分和氯离子则被析入水中。对无害泥饼进行收集，可直接抛洒，亦可用于井场建设。水进入水处理单元，通过过滤、精密过滤、二段式反渗透相结合的工艺除去其中的盐分和其他化学物质，得到符合国家 《污水综合排放标准》 （GB 8978—1996）一级标准的净水，可供整套装置回用。

图2 废弃钻井泥浆 “不落地”无害化处理工艺流程

2009年8月在塔里木油田英买7－H12井试验开始，依次在哈702井、新垦101井开展现场试验。2011年9月起在哈10－1X 井、轮古15－1井继续现场试验与应用，目前正在克深2－2－9井、克深2－2－5井、迪那2－25井和热普14井准备现场试验。2014年4月9日在西南油气田女深002－11－X1井开始先导性试验，2014年8月20日试验结束，通过随钻收集处理废弃泥浆缩减了井场废弃泥浆池的面积，节省了井前施工费用，同时节省了土地资源。处理后的排出物经过脱干脱水，降低了最终固体废物量。

2．3 废弃钻井液 “不落地”处理循环利用

该技术工艺流程见图3。采用螺旋输送装置及固相输送泵对泥浆固控系统产生的钻屑进行随钻收集。钻井过程中，泥浆体系替换外排浆，采用高频振动筛和离心设备去除废弃钻井液中的大颗粒有害固相，然后采用电化学系统去除细微有害固相，实现重复利用 （其中70%～80%能够及时回用于该井场，其余20%～30%来不及回用于该井场的，需拉运至下一个井场回用或者就地深度处理后外排）。处理过程中分离出来的岩屑及固相物质无害化处理后制备成免烧砖和免烧陶粒等资源化产品，免烧砖达到JC 422—2007 《非烧结普通黏土砖标准》要求，抗压强度≥10MPa （28d）；免烧陶粒 （铺路石）达到GBT 17431．1—2010 《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》要求，筒压强度≥3MPa（28d）。该工艺已在中石化大牛地气田D65－3井、DPH－74井及PG9井等20多口井试用。

图3 废弃钻井液 “不落地”处理工艺流程

3 国内水基钻井废弃物“不落地”处理技术的优点

3．1 避免了挖掘废弃物储存池和固化填埋池

现有钻井废弃物处理工艺需在钻井现场挖掘废弃物 （废弃泥浆、钻井废水）储存池，由于从开钻到完井这段时间较长，废弃泥浆可逐渐渗入到地层，并随着时间推移不断下渗，严重污染着地层。“不落地”处理技术采用可拆卸式软体池或可移动式钻井液储存池，不再开挖废弃钻井液储存池，同时钻屑无害化处理后制备成了铺路基土等资源化产品，也不需要挖掘填埋池 （1500～2000m3／井），减少了占地。

3．2 实现了钻井废弃物 “不落地”收集与分类处理

现有钻井废弃物处理工艺是将钻井废水和固体废弃物共同存放在一个储存池 （泥浆坑）内。钻井废液（废泥浆、钻井废水）和钻屑长时间存放于储存池内，钻屑中的多种污染物通过浸泡进入钻井废液，增加了钻井废液成份的复杂性，也增加了钻屑无害化处理的难度。采用 “不落地”处理工艺，对钻屑和钻井废液进行 “不落地”分类收集 （即钻井废液收集于可拆卸废液储存池中，钻屑则收集于可拆卸岩屑池中），便于后期分类处理。

3．3 实现了废泥浆和钻屑无害化处理及资源化利用

现有钻井废弃物处理工艺将废泥浆、钻屑等废弃物直接在储存池中进行固液分离处理。分离后的固相固化后填埋处理，分离出的废水在井场混凝沉降处理后再拉运至井场临近的污水处理厂。 “不落地”处理技术通过废泥浆再生处理，可将废弃钻井液再生回用井场，钻屑用于制备成铺路基土材料，钻井废水处理后冲洗钻井设备或配制钻井液。

4 国内水基钻井废弃物“不落地”处理技术的不足

钻井废弃物处理方式从早期的简单回填到后来普遍使用的固化方式再到大力推行的 “不落地”处理技术，体现了国家和集团公司对环保问题的重视和对钻井废弃物的管理日益严格。但与国外相比，国内的处理方式仍较单一，钻井废弃物配套处理设备研发力度仍然不够，各油田应用或现场试验的水基钻井废弃物处理设备差异大，技术功能、处理效果和处理成本差别大。如固液分离装置，现场采用的设备陶瓷真空转鼓过滤、板框压滤机、带式压滤机、带式真空脱水机、脱液离心机、甩干机、电化学处理机等。同时，处理装置适用的钻井液体系液和地方环境保护要求也不相同，如针对常规水基钻井废弃物、页岩气开发钻井废弃物及深井复杂井钻井废弃物等，部分处理技术及装置还处在先导试验阶段，未形成技术装置模块化、标准化、撬装化。

5 结语与建议

1）开发低毒或环境友好的钻井液技术 加强钻井液基础研究，为研发新型优质钻井液体系奠定基础；严格控制钻井液处理剂质量，完善和发展现有钻井液体系，形成稳定配方，提高废弃物处理方案的针对性；组织研发新型钻井液处理剂，构建新型优质钻井液 （包括水基、油基和气体钻井流体）；从钻井源头控制钻完井废弃物的环境污染，降低和消除钻井液对环境的影响，降低废弃物后期处理难度和处理成本。

2）强化设备研发，加快装备配套集成步伐 ①针对不同体系、不同市场科学合理配备设备，使钻井液得到得大限度的应用，减少综合治理成本；②借鉴国际先进公司装备配套工艺先进的经验，本着移运性好、自动化程度高、设备运行高效稳定等原则优化装备的集成，优化装备性能和工艺流程；③对现有处理装备优化改善，力争在质量、性能、流程、处理指标、操作方便等方面优化设计。

3）丰富和完善完、钻井废弃物无害化与资源化技术体系 针对不同废弃水基钻井液，不同钻井平台 （陆上和海上）开发特点，研发系列处理剂、处理技术与工艺，如水基钻井液回收、再利用技术；水基钻井液废弃物高效固液分离技术；废水无害化处理再利用技术；稳定化／固化处理、微生物处理等终端处置技术；钻屑资源化利用技术等，并在此基础上完成配套高效处理装备的开发，建立完善的钻完井废弃物无害化处理与资源化利用技术体系与技术数据库。

4）加快海上钻井废弃物处理与资源化利用技术及装备的研发 目前，海上钻井废弃物的处理多采用回注地层、转运到陆地集中处理等模式，处理成本高，同时还存在二次污染的风险。另一方面，海洋石油在世界能源结构中越来越凸显其重要性，但与之配套的钻完井废弃物处理技术与装备处于滞后状态，缺少适用于海上钻井平台的高效废弃物处理剂与处理设备，研发这类处理剂及设备，将是解决海上钻完井废弃物无害化与资源化的有效手段。

5）开发环保达标、低成本水基钻井废弃物无害化处理与资源化技术 新环保法实施后，环境保护要求和钻井废弃物无害化处理标准提高，与现有的钻井废弃物处理技术相比，处理成本也相应增加。满足环境保护标准要求、低成本的钻井废弃物处理与资源化技术也将成为不落地处理技术的发展方向之一。

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