苏里格气田水基钻屑资源化利用技术研究与应用

陈 磊, 陈在君, 黎金明

1低渗透油气田勘探开发国家工程实验室 2中国石油川庆钻探工程有限公司工程技术研究院

0 引言

苏里格气田是长庆油田的主力气田，每年钻井数量上千口井，产生的大量钻井岩屑，给油区的生态环境造成了潜在环境风险，岩屑的处置成为急需解决的热点和难点问题[1- 6]。随着新环保法的实施和地方各级政府对钻井生产中废弃物的管理要求日益严格[7- 8]，政策鼓励对钻屑进行资源化利用[9]。为解决钻井废弃物终端处理难题，通过“以废治废”的研究思路[10]，在破稳剂G324和G327作为复合高效固化剂的前提下，添加骨料材料，采用混料均匀设计的实验方法，研究G324及G327添加量、骨料加量、岩屑添加量、水添加量等实验因素对固化体强度和浸出毒性的影响。结果表明，通过合适的物料配比，固化体浸出pH、石油类、COD、色度达到GB 8978—96《污水综合排放标准》一级标准，从而实现对钻井岩屑的无害、资源化的利用。

1 现场钻屑环保指标检测及关键处理剂研究

钻井岩屑成分复杂，包括对环境有害的石油类、各类聚合物、合成有机物、重晶石、岩石碎片以及沥青改性等物质[11- 12]。钻井岩屑是石油勘探开发钻井过程中遗留下来的最大量的污染物，主要为由加重材料、黏土、各种化学处理剂、污油、岩屑碎片等组成的多项稳态胶体悬浮体系，危害环境的主要成分是盐类、烃类、磺酸盐、各种聚合物，这些因素使得钻井岩屑的成分极为复杂。COD 值高，矿化物高、色度高，悬浮物高，含有多种毒性污染因子[13- 14]。

在钻井工程上要求钻井液要具有较高的稳定性，从而加入了大量的高分子、有机物及其他化学物质，使钻井液携带出的钻屑呈非分散状态[15]。

通过实验室检测分析几种岩屑及其浸出液的理化性质,对照其性能指标。由表1看出四种岩屑的若干指标值中仅有三个值在标准规范范围之内，90%以上的指标均处于超标状态。

表1 岩屑及其浸出液性质检测结果

目前对其处理主体思路为两种：一种是固液分离治理:另一种是混相固化治理。其中固液分离治理又分为两类：一类采取先固液分离，液相回收利用，固相无害化治理；另外一类是混相破胶后固液分离，分离后固相无害化治理，液相用于冲洗设备等。以上无论哪一类方法，都要面临固相治理达到环保规定的重复利用或排放的要求[8]。

1.1 废弃钻屑破稳剂的研发

针对岩屑分散、含水率高的难题，研发出了破稳剂G324，主要指标见表2，主要是用于含水钻屑的预处理，可以有效实现破胶脱稳、析出液相，并能对色度、COD等的降低率达到95%以上，并在室内初步确定出了破稳剂的加量在1.5%～3.0%时破胶脱稳效果较好。

表2 破稳剂G324主要指标

1.2 复合固化剂的研发

针对苏里格气田钻屑成型难度大的特点，研发出的高效复合固化剂G327，主要指标见表3，具有固化成型效果好、对COD和色度的去除率高的特点，固化物浸出液环保指标见表4，均符合环保标准要求。

表3 固化剂G327主要指标

表4 高效固化剂的环保指标检测

2 钻屑资源化利用技术研究

针对苏里格区域特点和资源化利用成本等综合因素分析，选定钻屑制备免烧砖和铺路基土颗粒两种资源化利用方式，通过室内实验和现场试制试验确定出了钻屑资源化制砖和铺路基土配方及施工工艺。

2.1 钻屑制备免烧砖技术研究

2.1.1 钻屑制备免烧砖配方研究

通过钻屑、固化剂和辅料的配比实验，测试制备出来的免烧砖成型性能，抗压强度等指标，确定出了最优化配方比例，试验结果如表5、图1和图2所示。

表5 免烧砖配方配比实验

图1 钻屑制备免烧砖不成型

图2 钻屑制备的免烧砖成型

钻屑最佳试验比例∶质量比=钻屑∶G327∶G324=100∶18∶3;辅料比例根据现场搅拌的干湿程度和黏性添加FL-1和FL-2，体积比=钻屑∶FL-1∶FL-2 =10∶7∶1。

2.1.2 免烧砖基本性能参数

免烧砖的抗压强度、吸水率、放射性等物性参数综合检测结果见表6和图3，满足JC/T 422—2007《非烧结垃圾尾矿砖》标准要求。另外根据苏里格地区冬季寒冷的特点，测试了免烧砖的抗冻强度，测得免烧砖的抗冻强度损失率及冻坏数量均满足现场使用要求。

图3 免烧砖强度测试

表6 免烧砖检测结果

2.1.3 免烧砖环保指标检测

取现场制备的免烧砖，按照GB 8978—1996《污水综合排放标准》分别跟踪测试0 d、7 d、14 d、21 d和28 d后的浸出液环保性能指标，所得实验结果如表7。跟踪28 d后，检测免烧砖各项环保性能指标均能达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级排放标准。

表7 室内制备的免烧砖环保指标检测

2.2 钻屑制备铺路基土技术研究

2.2.1 钻屑制备铺路基土配方研究

将钻屑、固化剂混合，开展了钻屑造粒(制球)制备铺路基土配方实验，得出以下四种配方可以压制出成型的球体颗粒，实验数据见表8。

表8 制备铺路基土颗粒配方实验

由图4试验结果可以看出，2号配方颗粒完整无破碎，成型效果最佳。

图4 岩屑制备的铺路基土颗粒

2.2.2 铺路基土颗粒基本参数

以现场采集的钻屑样品为处理对象，基土颗粒达到铺路基层材料要求，浸出液环保指标满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级标准要求,测试结果见表9、表10。

表9 铺路基土颗粒强度指标检测

表10 钻屑作为铺路基土颗粒环保指标检测

现场采集的钻屑样品为处理对象，开展了钻屑制备基土颗粒实验，进行了浸出液环保指标检测，满足GB8978—1996一级标准要求。

2.3 钻屑资源化利用工艺

综合室内研究及试验结果，确定出钻屑资源化利用工艺流程(见图5)。

图5 钻屑资源化产品制造流程

将钻屑、水和高效固化剂按试验研究比例送入样机，通过资源化产品流水线机器工作完成资源化产品制备。

3 现场试验及应用

2018年钻屑资源化利用技术现场开展试验，累计完成1 078 m3的钻屑资源化制备免烧砖和铺路基土制备和现场试验，钻屑资源化制备的免烧砖和铺路基土经第三方环保检测机构检测分别达到了JC/T 422—2007《非烧结垃圾尾矿砖》和JTJ057—1994《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》标准要求。

3.1 钻屑制备免烧砖现场试验应用

完成了1口井的钻屑制备免烧砖试验和1口井的钻屑制备铺路基土试验，共制备免烧砖19万块，制备的免烧砖已经用于20多个井队回用于井场修砌方井，生活区场地硬化，铺设营房过道，现场使用情况见图6。

图6 免烧砖用于堆砌方井和铺设道路

3.2 钻屑制备铺路基土试验应用

目前采用铺路基土颗粒代替砂石完成270 m道路铺设现场试验，其中120 m道路是采用基土颗粒代替砂石铺成混凝土水泥路(见图7)，150 m道路是用基土颗粒模拟直接铺设钻前路(见图8)。

图7 基土颗粒直接铺设道路

图8 基土颗粒代替砂石铺设路基

4 结论与认识

(1)研发的破稳剂G324和复合固化剂G327能有效满足钻屑固化后的环保指标和强度要求。

(2)通过室内实验和现场试验研究得出钻屑制备免烧砖的配方和钻屑制备基土配方，各项环保指标均符合要求，为苏里格废弃钻屑的资源化利用和钻屑固废终端处理做出了技术探索和实践，助推了长庆气田钻井作业清洁化生产。

(3)钻屑资源化利用是未来钻井清洁化生产的趋势和发展方向，研究和深化钻屑资源化技术及丰富资源化产品种类，根据不同区域因地制宜开展钻屑资源化利用具有良好的环保效益和社会效益。