废弃钻井液分类处理及其效能分析

张淑侠，裴婷，原敏，王丹丹，马天奇，杨云鹏

(1.陕西省陆相页岩气成藏与开发重点实验室，陕西 西安 710065；2.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西 西安 710065；3.中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南 濮阳 457001)

油气田钻井产生大量的废弃污染物，主要包括返排出的钻井液、钻井废水、洗井水、钻屑等，主要污染物为油类、重金属、盐类和有机聚合物等[1]。对此类废物的传统处理方法是修建泥浆池，废物全部排入泥浆池中存放，完钻后集中处理[2-4]。由于不同地质构造、同一口井不同钻井阶段、不同钻井液体系相应产生的废物污染成分差异较大，钻井废弃物集中混合存放，致使污染物相互掺混、渗透，造成最终的废物处理难度加大、成本升高。

空气、雾化钻井液主要含有雾化用表面活性剂、井壁稳定剂等[5-7]。由于三开后使用了聚磺防塌钻井液体系，黏土、无机盐、难降解高分子聚合物、磺化褐煤、磺化树脂等添加剂的种类增多，用量加大，完钻废水污染程度加大[8]。完钻钻屑多被废水泥浆浸泡，呈泥糊状，水化污染情况较为严重；钻井废渣污染最为严重，其浸出液的污染指标与国家标准相比，pH值、色度、COD和石油类含量超标严重，其中COD超标达130倍。

本文针对某气田空气、雾化钻井和聚磺钻井液体系钻井产生废物的污染特点，采用废钻井液分阶段收集和分类处理，研究了废水和废渣的处理工艺，开展两口井的试验，并做了相应的效能分析。为理解方便，本文将空气、雾化钻井阶段产生的钻井废水称为空钻废水，三开直至钻井结束后返排出的混合钻井废水称为完钻废水；将空气、雾化钻井所产生的钻屑简称空钻钻屑。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

硫酸亚铁氨、硫酸汞、盐酸、石油醚、重铬酸钾等均为分析纯；硫酸铝、硫酸亚铁、聚合铝、聚合铁、PAM、PR32.5级水泥、生石灰、碳酸钠、硅酸钠、粉煤灰、石膏、磷石膏、氯化铵、硫酸铁等均为工业品；钻井废水，取自某气田P-3井返排的钻井废水(该井钻井三开前采用了空气、雾化钻井技术，三开后采用聚磺钻井液体系)，污染物分析结果见表1；钻屑及废弃钻井液取自Pg-2井(该井一开、二开井段采用空气钻井技术，三开后使用聚磺钻井液体系)，钻屑以及废钻井液浸出液的污染物成分见表2。

表1 P-3井钻井废水主要污染物分析结果

表2 废弃钻井液的浸出液主要污染物分析结果

BB1186型电子分析天平；pHS-3C型精密酸度计；721型分光光度计；HCH-100型COD快速测定仪；JBY-Ⅱ型絮凝搅拌仪；JG-4型水平振荡器；101-2型电热干燥箱等。

1.2 钻井废水处理

1.2.1 空钻废水处理 取钻井废水1 000 mL，加入适量混凝剂，快速搅拌均匀。调节水质pH=7，加入适量絮凝剂，慢速搅拌均匀，静止0.5 h后取上层清液做水质分析。

1.2.2 完钻废水处理[8-12]

1.2.2.1 破胶处理 取钻井废水1 000 mL，加入破胶剂5～20 g/L，快速搅拌均匀后，加入絮凝剂10～15 mg/L，慢速搅拌，静止0.5 h后过滤。

1.2.2.2 混凝处理 取破胶处理后废水1 000 mL，加入混凝剂1～4 g/L，快速搅拌均匀，加入絮凝剂 5 mg/L，慢速搅拌，静止0.5 h后过滤。

1.2.2.3 氧化降解处理 取破胶-混凝处理后的废水1 000 mL，加入氧化剂1～3 g/L，反应2 h。加入絮凝剂2 mg/L，慢速搅拌，静止0.5 h后过滤。

1.2.2.4 吸附处理 取破胶-混凝-氧化处理后废水 1 000 mL，调节pH=7.0，按照质量固液比10∶1加入吸附剂，搅拌反应2 h。过滤，取上层清液做水质分析。

证法2 (构造等腰三角形法)如图4，延长ED，交OC延长线于点G，作EF⊥OC，垂足为F，则四边形OAEF、CBEF都是矩形．所以FC=EB，OF=AE．由AB∥OC，可得∠G=∠BEG=∠B′EG．进而GB′=EB′．所以FC=GB′．从而FB′=CG．

1.3 钻屑与废弃钻井液处理

1.3.1 空钻钻屑处理 清水钻和水基钻产生的钻屑中重金属含量远远低于标准值[13-14]，能应用在铺路和建筑行业。根据实际钻屑的污染性质，空钻钻屑的污染指标已经符合国家标准，建议把空钻钻屑及时清理出来，直接用于铺设井场道路或填坑等，减少钻井废物的产生量，节约处理和转运费用。空钻钻屑的污染指标未符合国家标准的，按照质量分数加入0.5%～2%的固化剂的方法，使其浸出液达标。

1.3.2 完钻钻屑处理 采用清水或者井场处理后的回用钻井废水，以质量固液比10∶1的水量淋洗钻屑，直至其污染指标达标；也可按质量分数加入2%～4%的固化剂进行处理，使其浸出液污染物达标。

1.3.3 废弃聚磺钻井液处理 采用传统的一步固化法处理废聚磺钻井液，其浸出液的色度和COD往往超标[11]。为此，本研究采用氧化降解、复合固结封闭包裹技术降解有机物，采用调整剂去除其腐蚀性。其方法是：取废弃的聚磺钻井液300 mL，在均匀搅拌下，依次按照质量分数，加入4%的氧化剂，搅拌反应0.5 h。依次加入5%的固化剂A、3%的固化剂B和6%的调整剂，搅拌均匀后，固化调整反应至少3 d。

2 结果与讨论

2.1 钻井废水处理

2.1.1 空钻废水处理 空钻废水水质污染程度较轻，污染物含量少。P-3井空钻废水处理后的水质指标见表3。

表3 P-3井空钻废水处理前后水质分析结果

由表3可知，P-3井的空钻废水经过混凝后，色度由原来的80倍降为10倍，COD由原来的 864.3 mg/L 降为49.3 mg/L，COD去除率达到 94.3%。根据实验结果，空钻废水水体受污染程度低，现场处理工艺流程可设计为：混凝-沉降-过滤。沉降与过滤的泥渣采用压滤机压滤，产生的泥饼可以固化处理。

2.1.2 完钻废水处理 完钻废水处理后的水质分析结果见表4。

表4 P-3井完钻废水处理结果

由表4可知，完钻废水污染严重，这是因为三开后的完钻废水、废钻井液全部排入泥浆池中，互相渗透，水质会更加复杂，处理工艺单元增多，药剂加量也相应增加。完钻废水原水呈黑褐色，色度为1 800倍，COD为19 468 mg/L；破胶/混凝/氧化/吸附处理后水呈无色，COD<100 mg/L，可安全回用于井场。

2.2 废弃聚磺钻井液处理

对于废聚磺钻井液，采用传统的一步固化法处理后，其浸出液的色度和COD往往超标[15]。为此室内研究采用氧化降解、复合固结封闭包裹技术降解有机物，采用调整剂去除其腐蚀性。设计L16(44)的正交实验，分别进行多因素复合处理实验，并以固化物浸出液COD为检测指标，实验结果见表5。

表5 复合固化处理正交实验

由表5可知，各因素对固化物浸出液COD的影响大小顺序为：氧化剂>调整剂>固化剂A>固化剂B；Pg-2井的废弃聚磺钻井液固化最佳配方为A3B1C3D3，即5%A固化剂+3%B固化剂+4%氧化剂+6%调整剂(均为质量分数)。

2.3 现场试验效能分析

在室内实验研究的基础上，项目组迅速在P-3井和Pg-2井两个井区开展钻井废物分类处理现场试验：在P-3井实施钻井废水的分类处理，Pg-2井实施钻井废水和废钻井液的分类处理。空钻废水按照混凝/过滤工艺流程进行，完井后的钻井废水按照破胶/混凝/氧化/吸附工艺流程进行，空钻钻屑经淋洗脱水处理可直接用于铺设井场场地、道路或填坑等，完井后的废钻井液按照复合固化工艺处理。现场污染物处理前后的主要污染物监测结果见表6和表7。

表6 钻井废水处理前后污染物成分分析

表7 钻井废弃物处理成本情况分析

由表6可知，这两口井钻井废水和废钻井液采用不同工艺分类处理后，出水污染指标满足国标要求，可以回用井场；废钻井液固化样的浸出液经监测站取样分析，污染物指标达符合国家GB 18599—2001《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》的Ⅰ、Ⅱ类固废物技术要求，可以安全处置。

根据表7计算，P-3井的钻井废水采取分类收集处理成本为8.22万元；如果不采取分类处理措施，两类水混合后需处理1 100 m3，费用总计 11.55万元，分类处理可节约费用3.33万元，成本降低了28.8%。Pg-2井的钻井废水采用分类处理与传统的处理方式比较，前者废水处理节约成本 4.74万元；井场钻井固废的处理成本主要包括机械费、转运费和排污费；Pg-2井的空钻钻屑780 m3，空钻钻屑经沉降脱水后可就近用于井场铺路，机具费用为 2.5万元左右；如果空钻钻屑和完井泥浆混合后一起固化处理，其处理费用约22.61万元，可见空钻钻屑处理一项不但节约4.91万元、且减少了32%的固体废物的处理量。废水和废固总计节约9.65万元，总成本降低了25.7%。

3 结论

(1)钻井废水主要污染物指标为pH值、色度、COD、悬浮物和含油量；空钻废水与完钻废水差异较大，完钻废水污染更严重，有必要分类收集和处理，空钻废水COD超标8～10倍，COD超标195倍。

(2)空钻废水采用混凝处理后，COD从 864.3 mg/L 降到16.19 mg/L；完钻废水经破胶/混凝/氧化/吸附工艺处理后，COD从19 468 mg/L降到53.14 mg/L。

(3)废弃聚磺钻井液复合固化最佳配方为：5%固化剂A+3%固化剂B+4%氧化剂+6%调整剂，处理后固体符合国家GB 18599—2001《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》的Ⅰ、Ⅱ类固废物技术要求，可以安全处置。

(4)现场试验了两口井废钻井液的分类收集与处理，经济效果明显：P-3井钻井废水处理成本降低了28.8%，Pg-2井钻井废弃物总成本降低了25.7%。钻井过程中产生的钻屑及时清出，达标部分可用于井场铺路等，减少钻井固废处理量，也节省转运费用；空钻废水分类收集处理后回用于井场，更符合绿色环保和清洁生产的理念。