渤海油田钻井废物处置技术适用性分析

张羽臣 岳 明 陈 毅 刘海龙 杨旭才

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司)

0 引 言

随着渤海油田的多年开发，部分油田产量递减严重，给渤海油田的持续稳产带来压力，向环境限制区迈进，环境限制区要求必须零排放，同时国家环保要求也日趋严格。渤海油田零排放井越来越多，钻井废物产生量的增加，回收和陆地处置成本也随之增加，一口井的钻井废物回收处置费用为几百万元左右，占整口井钻井成本的25%左右，现行处置方式难以满足要求。渤海油田钻井废物处置技术起步较晚，而目前国内外对钻井废物处理方式很多，必须结合海上作业特点和自身需求，寻求适合渤海油田的钻井废物处置技术。

1 钻井废物成分及处置要求

1.1 钻井废物成分来源及危害

钻井废物主要是由黏土、加重材料、油、无机盐、有机处理剂和钻屑组成的多相稳定悬浮液，pH值较高[1]。主要来源[2]：①被更换的不适用于钻井工程和地质要求的钻井液；②钻井过程中部分性能不合格而被排放的钻井液；③固井时井筒内被海水替代出的钻井液；④钻井液循环系统“跑、冒、滴、漏”的钻井液；⑤钻井施工过程中产生的废水；⑥钻屑，如盐岩、石膏、芒硝、硫化物等。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、有机化合物和碱性物质等。随着钻井技术的发展，钻井液添加剂的种类和数量越来越多，其环境危害性也随之增加。如任意排海，钻井废物中的有机物等会造成水体富营养化，消耗水体中的氧，进而形成赤潮或绿潮，严重影响水生物的生存。此外，钻井废物内的烃类、化学合成物质及重金属类物质也会在海藻、贝类动物和鱼类体内富集，影响生物繁殖或致突变，影响海洋捕捞和养殖业，间接地对人类海洋食品安全造成威胁[3-4]。

1.2 海上钻井废物处置相关法规

针对海洋石油勘探开发，我国已颁布多项法律法规。《中华人民共和国海洋环境保护法》(2013年修正本)第五十一条规定，钻井所使用的油基钻井液和其他有毒复合钻井液不得排放入海，水基钻井液和无毒复合钻井液及钻屑的排放，必须符合国家有关规定。《中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护管理条例》第十二条规定，残油、废油、油基钻井液、含油垃圾和其他有毒残液残渣，必须回收，不得排放或弃置入海。海上钻井废物排放在遵守以上法律法规的同时，主要参照GB 4914—2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》[5]，其中钻井液和钻屑排放浓度限值如表1所示。

海域等级划分如下：一级：适用于渤海、北部湾，国家划定的其他海洋保护区和其他距离最近陆地4海里(7.4 km)以内的海域；二级：除渤海、北部湾，国家划定的其他海洋保护区域外，其他距离最近陆地大于4海里(7.4 km)且小于12海里(22.2 km)的海域；三级：适用于一级和二级海区以外的其他海域。渤海禁止排放含油废物，对于非含油废物的排放需要得到当地海域主管部门的允许，才能排放。

表1 钻井液和钻屑排放浓度限值

备注：最新休渔法延长了渤海的休渔期。根据海洋环保法要求，休渔期要执行零排放政策。

2 渤海油田现行钻井废物处置方式及存在问题

渤海油田钻井废物现行处置方法主要分为两种：排海和回收。未钻入油气层段的水基废钻井液及钻屑满足GB 4914—2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》相关要求，并经所在海域主管部门批准后排海处理；钻入油气层的水基废钻井液、钻屑及非水基钻井液利用专用的回收箱回收，通过船舶运至陆地交于有资质的处理厂进行集中无害化处理。现行废物处置方式现场未做任何减量化、无害化处理，随着现场废物量大量增加，出现下述问题：①废物回收、运输及陆地终端处置成本显著提高；②现行处置方法回收效率较低，影响现场作业效率；③陆地处理厂接受能力受限致使钻井废物大量堆积，给HSE管控带来风险。因此现行处理方法已无法满足新形势下钻井废物处置需求。

3 渤海油田钻井废物处置技术

3.1 国内外钻井废物处置技术

3.1.1 水基钻井废物处置技术

国内外水基钻井废物处置方法有很多，常用的方法有回填、固化、回注、钻井液转化固井液技术(MTC)、循环使用、生物降解等，选用何种方式处理，应根据区域的环境敏感性级别及钻井废物类型来选择[6]。

1)回填法

回填法分为简易回填和密封回填[7]，简易回填通过简单挖坑填埋后覆盖表层土的方法。密封回填废物需要在坑底部和四周铺一层有机土，然后在上面铺一层塑料隔离层作为垫层，最后再盖一层有机土，或在底部和四周加固化层或具有一定强度的防渗膜。本法主要用于淡水基钻井液产生的废渣的处理。

2)固化法

固化是通过向废钻井液中投入适量配比的破胶剂和固化剂，按照技术要求进行均匀搅拌，通过一段时间的物理和化学变化，使其中的有害成分发生转化、封闭、固定作用，降低有毒物质转移扩散。该方法能有效治理难度最大的COD、Cr值和总铬污染[8]。根据废物中毒害物质类型选择合适的固化剂，常用的固化剂有石灰、石膏、硅酸盐、矿渣和水泥等。该方法适用于膨润土钻井液、聚合物钻井液、磺化钻井液和油基钻井液等。现场工艺流程为：取样化验→方案设计→配料→固化施工→候凝→现场监测→平整井场→验收交接[9]。

3)井下回注法

钻屑回注技术是将钻屑从固控设备传输到处理设备内，通过研磨、剪切和筛选，使钻屑的粒度满足回注要求，通过高压注入泵将钻屑浆注入到地层内的一种工艺。根据回注位置的不同分为环空回注和地层回注。环空回注是将废物注入表层套管或生产套管环空中，该方法仅能一次性处理废物，且该方法受到机械装备和套管腐蚀的影响，如果管道长期遭受腐蚀，一旦损坏则注入液就可能污染水层。地层回注可将废水基或油基钻井液和钻屑，通过地面处理回注到合适地层[10-11]。

4)钻井液转化固井液技术(MTC)

MTC技术是将废钻井液和矿渣混合，利用激活剂激活矿渣中的固化成分。再辅以其他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，用其固井有很多优点：紊流排量低、与钻井液的相容性好、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[12]。

5)循环使用技术

循环使用技术在国外的应用已十分广泛，该技术利用化学絮凝、沉降和固液分离等组合技术，分离钻井液中的固、液两相，液相可以重复使用[8]。由于废钻井液是一种复杂的悬浮液，主要由膨润土、无机盐、化学处理剂、加重材料和钻屑等组成，简单自然沉降和固液分离很难破坏钻井液中的胶体体系,需要加入破胶絮凝剂提高固液分离效果。采用固液分离技术可以使钻井液维护的稀释倍率从1.6降至0.3，大大节约钻井液和终端废物处置成本[13]。但循环使用属于过程处理，经过固液分离后的钻井废物仍需终端处理。流程如图1所示。

图1 循环使用技术处理流程

6)生物降解技术

生物降解技术是向钻井废物中引入降解菌，通过细菌的生长、繁殖和内呼吸，来分解钻井废物中的油污。该方法中所用微生物需要通过自然筛选或诱变培育及基因工程、细胞工程技术获得。生物处理技术主要的影响因素有充足的降解菌数量、足够的氧气、提供降解菌新陈代谢必要的营养元素、湿度控制、温度、pH值和盐度[14]。

3.1.2 油基钻井废物处置技术

国内外对于油基钻井废物处置技术有焚烧法、钻屑清洗技术、溶剂萃取法等[15]，常用的处置技术是甩干分离和热解析组合技术。利用甩干机机械外力清除含油钻屑表面的游离态油类物质，将油基钻井液钻屑含油率减少到5%以下，再通过热处理技术对钻屑进行外界加热，将钻屑中所含油分、易挥发有机物和水分蒸发并收集后处理，处理后的钻屑含油量小于1%。热解吸装置一般有低温系统及高温系统两种类型，低温系统的温度通常是250～350℃，而高温系统的温度高达520℃。低温系统足以处理轻油废物，高温系统能够处理含量较低的重油废物[12]。

3.2 不同钻井废物处置技术分析

钻井废物的处置方法有很多，每种方法都有自身的适用范围和优缺点，不同钻井废物处理技术对比见表2。

表2 不同钻井废物处理技术对比

目前国内外钻井废物的处理方式主要是现场减量和无害化集中处理相结合，现场减量主要采用循环利用技术，也称随钻处理技术，最终废物的集中处理方式国内外有所区别；国内处理厂采用的技术基本是文中所述方法，而国外应用最广泛的废物集中处理方式为岩屑回注，占据主导地位。渤海特点是平台空间受限，总体需求是废物现场减量，降低废物回收处理成本。渤海属于内海，排放要求非常严格，减量的唯一手段是废液循环利用，而固化、回填、生物降解等场地需求大且处理后废物无利用价值的技术不适合海上现场使用，井下回注技术是海上最经济可行的钻井废物处置方法，但受某油田溢油事故影响，井下回注技术被暂停使用，MTC和循环使用技术都是通过废物的重复利用实现现场减量的目的，能很好地解决渤海油田钻井废物处置问题，应做深入研究。

4 结论与认识

①面对国家环保要求的日益严格，渤海油田作业量增大和零排放井增多，现行渤海油田钻井废物处置技术已不能满足要求，有必要建立渤海油田钻井废物处置技术体系。

②渤海油田钻井废物处置的突出问题是钻井废物总量大，造成成本提高、环境风险增大等一系列问题。因此，研究重点应围绕现场减量开展，应从源头控制废物产生量，如采用小井眼和环保型钻井液体系等工艺，通过国内外钻井废物处置技术对比，结合渤海油田作业特点，认为MTC和循环使用技术能有效解决渤海油田钻井废物处置存在的问题，有必要进行针对性地深入研究。