海上钻井废物管理原则及处理技术探讨

张羽臣 林家昱 霍宏博 刘海龙 张 磊

(中海石油(中国)有限公司天津分公司)

0 引 言

在国家环保要求日益严格的形势下，如何在油气勘探开发过程中更好地实现清洁生产，是海上油田面临的突出问题[1-3]。随着海上钻井作业量持续增加，钻井废物产生量也随之增加，部分区块要求钻井废物“零排放”，对环境保护带来巨大挑战，而海上作业特点是平台空间严重受限，运输成本较高，本文介绍了海上钻井废物的处理原则，对适用海上水基钻井废物的循环利用技术和适用油基钻井废物的热处理技术进行了研究。

1 海上钻井废物现行处理方法及存在的问题

海上钻井废物目前的管理原则较为粗犷，没有系统性考虑钻井废物减排问题，海上钻井废物现行处理方法主要分为两种：排海和回收。海上钻井废物排放遵循的标准为GB 4914—2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》[4]。通常未钻入油气层段的水基废钻井液及钻屑在满足以上标准要求，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、钻屑及油基钻井液、钻屑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。随着现场钻井废物产量大量增加，海上现行钻井废物处理暴露出一些问题：①钻井废物回收、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的处理需求。

2 海上钻井废物管理原则

国外对于钻井废物的管理始终遵循钻井废物处理数量最少化、毒性最小化的管理原则，称为“4R”原则，即源头减少(Reduce)、再利用(Reuse)、再循环(Recycle)、再回收(Recovery)[5]。近年来，越来越多的海上区块要求钻井废物“零排放”，因此，有必要建立钻井废物系统化管理体系。“4R”原则同样适用于国内海上钻井废物管理，围绕减量开展，从源头减少、现场过程控制、循环使用到最终回收处理都进行严格控制，在遵守“4R”原则的同时达到“零排放”，将钻井废物对环境的污染降至最低。

3 海上钻井废物处理技术

3.1 源头减量控制技术

钻井废物的控制从最初的设计阶段就应该考虑，在源头上降低钻井废物处理的数量及毒性[6-8]。

1)采用小井眼钻井工艺

井眼尺寸越小，废钻井液和钻屑的产生量越小，井深500 m时不同井眼直径与钻井废物产生量的关系[6]见表1。由此可见，采用小井眼钻井工艺会大幅度降低钻井废物的产出量。

表1 井深500 m时井眼直径与钻井废物产生量的关系

2)选用环境友好型钻完井液体系及添加剂

随着钻井技术的不断进步，钻井液类型越来越多，各种添加剂越来越复杂，甚至同一口井用几种钻井液体系，无形中增加了钻井废物量，给废钻井液的处理带来极大困难。建议研发环境友好和区域通用型钻完井液体系，提高钻井液的重复利用率，将大大降低废钻井液产出量。

3)加强对现场污染源的管理，提高固控效率

淘汰老旧落后固控设备，全面升级四级固控系统，保证固控效果，降低因维护钻井液性能而频繁稀释及反复添加处理剂现象，同时防止“跑、冒、滴、漏”等，从而减低钻井废物产出量。

3.2 钻井废物现场循环减量技术

国内外钻井废物处理技术有很多，如固化法、回填法、焚烧法、生物降解法、回注法、固液分离法、热处理、萃取和化学清洗等[8-10]，康菲石油公司常用回注法处理钻井岩屑，该方法将废钻井液回注地层不仅会造成地层污染，也可能造成回注地层压力过大，导致压漏地层，陆地油田较早时期也曾采用回填法，将废钻井液经絮凝、自然干化后就地加土掩埋，易造成土壤及水源污染。考虑海上运输成本较高及平台的空间限制，其最好的减量手段就是废钻井液的现场循环使用。从各方法所采用的工艺设备、占地面积、适合海上平台现场应用情况来看[11]，化学脱稳固液分离技术适用于处理水基废钻井液，热处理技术适用于处理油基废钻井液。

钻井废物不同处理技术对比见表2。

1)水基废钻井液化学脱稳固液分离技术

化学脱稳固液分离技术在国内外已广泛应用，该技术利用化学药剂破胶、絮凝沉降和机械固液分离等组合技术，分离钻井液中的固、液两相，液相可以重复配浆或达标排放[4，12]。废钻井液是一种复杂的悬浮液，主要包括膨润土、无机盐、化学添加剂、加重材料等，膨润土本身就有很强的水化功能，又加入了大量的护胶剂，致使废钻井液比较稳定，简单自然沉降和固液分离很难破坏钻井液中的胶体体系，通过加入破胶剂改变钻井液的物理、化学性质，破坏其胶体体系，促使悬浮的细小颗粒聚结成较大的絮凝体，再采用压滤、离心等机械手段进行固液分离。该技术在苏里格和长北气田得到广泛应用[13-14]，固液分离后的液体BOD、COD大幅降低，回配新钻井液性能与采用清水配制基本一致。固液分离出的液相体积达到70%以上，分离出的固相含水率低，降低钻井废物产出量70%以上，化学脱稳固液分离主要设备及处理流程见图1。

表2 钻井废物不同处理技术对比

图1 化学脱稳固液分离主要设备及处理流程

该技术在海上蓬莱19-3油田应用，使用滤液配制的钻井液对体系流变性能没有影响，整个钻井液性能可控，切力、3/6转稳定，返砂良好，失水始终控制在4 mL左右，所钻井起下钻效率与海水所配浆应用效果基本一致，尾管顺利到位。海水配制与滤液配制钻井液性能对比见表3。

表3 海水配制与滤液配制钻井液性能对比

2)油基钻屑热处理技术

国内外对于油基钻井废物常用的处理技术是机械分离和热脱附组合技术[15]。利用离心甩干机械外力清除含油钻屑表面的游离态油类物质，实现初步固液分离；含油钻屑中达标部分合规处理或回收，未达标部分经高温热脱附处理，使固相含油率、尾气及污水达到相关国家标准[4，16]。油基废钻井液处理系统主要包含机械除油装置和电磁感应热脱附装置两部分。机械除油装置关键设备是甩干机和高速离心机，甩干机针对大颗粒含油钻屑，处理后固相含油率可低于6%；高速离心机针对粒径2～10 μm的固相物质，处理后固相含油率5%～50%。电磁感应热脱附装置主要设备包括：钻屑输送装置、反应釜、冷却系统、油水回收装置、尾气净化装置，其工作原理是高温负压状态下，含油钻屑在容器内发生热解反应，使基础油和水以气体馏分的形式分离，剩余的固态残渣自动排出，废气中的含硫气体、有机物气体，经过水封罐碱洗、脱硫罐脱硫、有机物气体催化高温燃烧后排放。主要用于处理经机械除油处理后无法达标排放的含油钻屑[4]，含油钻屑经热脱附处理后，钻屑含油量低于1%，油水回收，尾气达标[16]，有助于含油钻屑的无害化处理。该技术在南海东部某油田应用，处理后钻屑含油率小于1%。油基钻井废物处理主要设备及流程见图2。含油钻屑热处理前后组分含量对比见表4。

图2 油基钻井废物处理主要设备及流程

钻屑含水率含油率含固率处理前5～1010～1575～85处理后<5<1>95

4 结论和建议

1)海上钻井废物处理突出问题是其数量巨大，管理原则围绕现场减量开展，从源头减少、现场过程控制、循环使用到最终回收处理都进行严格控制，遵守“4R”原则的同时达到“零排放”，将钻井废物对环境的污染降至最低。

2)采用小井眼工艺和研发环保型钻井液体系，实现体系统一标准化、单井一致性、区域适用性，从源头有效减少钻井废物的产生量。

3)目前来看，国内外油田针对水基和油基钻井废物主流的循环使用技术分别是水基废钻井液化学脱稳固液分离技术和油基钻屑热处理技术，但由于海洋作业的特殊性、平台空间限制等因素，在钻井平台开展随钻压滤作业仍存在较大的困难和局限性，应继续探索小型化、高效减量的现场处理工艺和设备。