泥浆精细化处理装置在钻井施工中的应用

赵 岩，高丽华，肖明君，刘现川，张 星

(1.河北省煤田地质局第二地质队，河北 邢台 054001； 2.河北省干热岩研究中心，河北 邢台 054001；3.邢台市康达建筑工程环境检测有限公司，河北 邢台 054001)

废弃泥浆是地质钻探过程中主要含有污染源的之一。废弃泥浆的主要问题来自生活废泥浆。钻井废泥浆是钻井废水的主要污染源[1-3]，其污染点多、面积大、污染物复杂、排放不稳定。钻孔废弃泥浆中含有大量各种环境污染物质成分，主要研究污染物有悬浮物、重金属、油、酚、硫化物等。在钻井废物处理是一个大问题。“废弃钻井液处理污泥”于2008年被列入《国家危险废物名录》。

“钻井废泥浆精细化处理技术”，即钻井时立即对废钻井泥浆进行处理，达到“泥浆不落地”的要求，减少土地利用，减少环境污染[4-6]。技术是“末端处理”和“过程”。与传统方式相比，该技术无需将固废从井场拉走集中处理[7-9]，节约了运输成本和处理场地，使环境管理人员更加到位[10-13]。泥浆精细化处理是开展绿色地质勘探的重要措施之一。

1 概况

1.1 废弃物的产生

泥浆被称为“钻井的血液”，泥浆内掺入油、水、有机黏土和化学药剂，可有效降低摩阻，降低事故率，改善井筒质量，广泛用于水平井和深直井。钻井工程建设公司的传统做法是每钻一口井就挖一个大型的循环泥浆池，通常在2 000 m2左右。施工完成后，难以及时有效地进行固化处理。植被恢复或恢复困难，影响土地使用。近年来，钻井队使用泥浆越来越多，随之而来的成本增加、安全环保等问题日益突出。

废泥浆是钻井行业的主要污染源之一。它是一种稳定的胶体悬浮体系，含有黏土、加重物、各种化学处理剂、污水、废油和钻屑。破坏环境的主要成分是碳氢化合物、盐类、各种聚合物、某些金属离子(汞、铜、砷、铬、锌和铅)和重晶石中的杂质。为防止泥浆污染环境，必须对其进行处理。

1.2 国内排放标准

(1)污水排放标准。废水排放标准为GB 8978—1996 《污水综合排放标准》和GB 3550—83 《石油开发工业水污染物排放标准》。对比这2个标准，GB 3550更严格、更具体，所以选择石油开发GB 3550中的工业水污染物排放标准。第1级是达到标准。钻井产生的废水应进行处理，经过处理的废水回注地层或作为工艺用水，不能回注或回用的废水[14-16]排放应符合表1，有毒有害物质在排放废水中的最大允许溶解度必须符合表2。有害物质在一般废水中的最大允许溶解度必须符合表3。

表1 石油开发工业废水最高容许排放量Tab.1 Maximum allowable discharge of industrial wastewater for petroleum development

表2 开发工业水污染物最高容许排放浓度Tab.2 Maximum allowable discharge concentration of developing industrial water pollutants

表3 开发工业水污染物最高允许排放浓度一般有害物质Tab.3 Maximum allowable discharge concentration of industrial water pollutants is general harmful substances

废水经处理后符合上述标准，符合GB 8978—1996 《污水综合排放标准》级标准，可排入城市排水管网，也可排入GB 3838标准的Ⅳ和Ⅴ类水域。不排入GB 3838 中Ⅲ类水域，更不能进行当地排放。第一类一般工业废物不被视为有毒危险物质，允许运输至一般工业废物填埋场。贮存和处置地点应距居住区500 m。

(2)水基泥浆岩屑。最新版《国家危险废弃物名录》中，水基泥浆本身不属于危险品。泥浆中的有害固相属于危险废物，在《国家危险废弃物名录》中编号为HW08，废物类别为《废矿物油》，废物代码 071-002-08，危险特征为Ⅰ(毒性)。

2 配套选择

2.1 目前国内处理方式

根据不同的处理和排放条件，处理方法有多种，包括固化处理、矿渣MTC技术、机械脱水法、注入安全地层、微生物法等。其中，固化技术处理+分离液处理特别适用于废泥浆处理。

2.2 精细化处理系统处理原理及效果

钻进施工过程中对得到的岩屑、泥饼进行回收利用，作为一种具体实施方式，钻井泥浆精细化处理系统包括用于接收岩屑和泥饼的收集单元以及与收集单元衔接的固化处理单元。收集单元具体是螺旋输送机，从干燥筛的出料口和压滤干燥单元中输送机的出料口收集钻屑和泥饼。固化处理单元具体包括配料箱体、搅拌机构、压制机构等，将岩屑和泥饼按比例加入水泥、固化剂和水等混合搅拌均匀制成混凝土、砖等，实现固体废渣的回收利用[17-18]，提高固体废渣的利用率。此处，所需的水可以从清水罐体中取用，提高净化水在整个工序内的利用率。

为了应对在废泥浆处理过程中发生罐体破损的紧急情况(图1)，作为一种具体实施方式，钻井泥浆精细化处理系统还包括邻近岩屑分离单元和泥砂分离单元设置的备用罐体和储存罐体，备用罐体和储存罐体分别用于替换破损罐体。当二次泥浆产生量较多无法全部用于钻井施工时，将二次泥浆通入储存罐体内，避免二次泥浆的浪费，实现对二次泥浆的收集储存。

具体结构组成所形成的废泥浆处理工序流程如图1所示，实现泥浆精细化处理处理，提高废渣和废水的利用率和处理率。

图1 废弃泥浆及岩屑固化处理工艺流程Fig.1 Process flow of waste mud and cuttings curing treatment

采用加药混合罐体压滤干燥的形式进行一次分离后，对液体再进行絮凝脱色，效果如图2所示。

图2 精细化处理后水样对比Fig.2 Comparison diagram of water samples after refined treatment

图2中，自左向右依次为取样泥浆、一次分离后效果、絮凝脱色效果(最终效果)。处理后水样目测清水，处理后pH值为7～9，满足排放要求。

2.3 精细化处理系统现场布局

泥浆精细化处理系统用于处理钻井作业中产生的废渣、废水，亦可用于完井结束时的废弃泥浆处理。该工艺系统依托钻机配套的固控系统，增配混合罐和清水罐2个罐体，可与原固控系统有效匹配联接。其主要设备由螺旋输送机、干燥筛、PE加药桶、搅拌器、压滤机等组成。2个罐体沿着井队泥浆罐和固控设备可以平行摆放，设备现场布置情况如图3所示。

图3 设备现场布置Fig.3 Site equipment layout

振动筛、除砂器、除砂器、离心机、出砂口均设有接砂通道[19]。接砂槽与螺旋输送机直连，输送机将排放物排入泥浆精细化处理系统对应的干燥筛和混合罐内，进行进一步处理。较粗渣料通过振动筛筛选出来直接进入干燥筛，干燥筛主要处理固控系统振动筛产生的较粗渣料，较细的颗粒进入混合罐进行进一步处理。

2.4 精细化处理工艺的创新点

精细化处理系统可与原固控系统无缝衔接。在原固控处理系统的基础上，增设罐体与原固控处理系统实现无缝衔接[20]。在具体处理过程中，废泥浆可在钻井过程中立即处理，达到“泥浆不落地”的要求，减少土地使用和环境污染，将“末端处理”改为“全过程控制”，并将废泥浆分离成岩屑、泥饼和水，从而达到岩屑分离、泥砂分离和废水处理的效果。该处理工艺各个单元均采用撬装的方式设置在钻井施工区域，不需要在现场进行特殊的基础建设，不仅能够满足整体系统的安装配套使用要求，还能够满足单体配置使用的要求。

3 泥浆精细化处理系统应用

3.1 泥浆收集、切割均料

返出的岩屑、砂泥浆颗粒相差大(8～0.05 mm)，砂屑流动性相对较差，钻井作业过程中产生的泥浆量波动很大，低至0.5 m3/h，峰值达15 m3/h，传统水泵无法收集和泵送。精细化处理系统设计选用螺旋输送机收集抽送废弃泥浆，使原固控设备可以通过螺旋输送机与精细化处理设施建设有效衔接。螺旋输送机采用调速电机调节螺旋速度，解决了泥浆波动性差的问题。

3.2 岩屑液分离

钻进过程中可以随着经济深度及地质环境变化，返出的泥砂浆，用絮凝剂很难使水的岩屑成絮凝块。因此，常规的分离技术和设备难以实现岩屑、砂、钻井液的分离。岩屑液由岩屑均质机处理，岩屑分离装置由自吸砂浆泵组成。该装置集离心分离和过滤于一体，可有效分离≥0.05 mm 的岩屑，分离出的钻井液可满足生产过程的再利用要求。分离出的岩屑含水量低，所以被送到固体废物处理部分，在那里加入固化剂制成砖，无需添加化学品即可实现固液分离。分离出的液体100%回用在生产工艺中，节约了管理成本，同时减少了废水量和运行成本。

3.3 泥水分离

废泥浆通过收集送至收集箱，由泵将其提升至岩屑分离装置，将大颗粒岩屑分离收集。期间用泵提升至破乳混凝罐，用干粉分装机定量添加破乳助凝剂。混凝液自压缩机供液泵流至压滤机结构进行固液分离，分离出来的泥饼，添加固化剂无害处理。滤液进入后续净化处理设备。该压滤机集过滤和甩干于一体，可连续出泥、进料，泥饼含水量低，滤液含固量低，清澈透明。

3.4 废水净化处理

净化处理器为高效一体机、陶瓷膜过滤、吸附净化槽等设备。高效一体机采用高压、小电流脉冲供电方式，可自动切换电极对废水进行氧化、还原、絮凝、浮选，实现分解、络合、吸附、冷凝、浮选、共沉淀和其他影响。陶瓷膜过滤器是一种集沉淀和过滤于一体的抗污染膜，将二者进行组合，针对钻井泥浆的特点，并在前述加药搅拌过程中添加药剂以调节pH值，无需再次调整pH值，它实现了氧化、还原、絮凝和气体净化，节省调节pH值所需的酸、碱、絮凝剂，处理效果稳定，操作简单。得到的净化水储存于清水罐体中，清水罐可以为加药桶体和混合罐体供水，也可以配浆使用，除部分用于路面洒水、抑制扬尘外，全部都循环使用在整个系统中，实现系统内循环，提高污水利用率。

3.5 固废无害化处理

岩屑液、泥浆进行分离培养出来的钻屑、沙、泥饼，收集按比例可以加入水泥、固化剂混合搅匀成混凝土，混凝土经输送系统传运汽车。提高处理技术系统设计中所产生的废渣，实现固化和及时外运的要求，净化后的二次泥浆可以返回钻井系统[20]。不需要集中处理固体废物，节省运输成本和场地回填修复工作(图3)。

图4 处理后的固体废物Fig.4 Treated solid waste

4 经济效益

河北省煤田地质局第二地质队施工的张掖甘浚镇地热井进行泥浆不落地系统在钻井施工中应用的研究，使用该工艺系统对井场废浆液进行净化处理，节约了近31万元的拉运费用和场地恢复费用8万余元。张掖甘浚镇地热井导管段直径600 mm，套管外径426 mm，工作深度57 m，需处理的废浆70 m3，固化量30 m3；一开钻头φ346.1 mm，套管外径273.1 mm，工作深度400 m；需处理的废浆150 m3，固化量40 m3；二开钻头φ241.3 mm，套管外径177.8 mm，工作深度2 053 m；需处理的废浆180 m3，固化量80 m3；完钻洗井需处理的废浆1 000 m3，固化量10 m3；该井总计需处理废泥浆1 400 m3，固化量160 m3。

泥浆固化计算方式：泥浆混合物与除砂器、除泥器、离心机排出的废泥浆混合物与沉砂罐沉淀出来的固液相的和。废液外运处理一车3 000元，每车可装15 m3，折合为200元/m3，工程处理废液需花费28.2万元、固废外运1.6万元；按照车次需调用近110辆架次，人工处理需要3～7 d。外运费用总计需要30.7万元。如施工属地无相关接收、处理能力的污水处理厂，则需外运至临近市辖区处理厂，运输费用难以预计。

5 结论

与传统外运处理方法相比，泥浆精细化处理系统在处理废泥浆方面具有很明显的经济效益。

(1)实现了废弃泥浆和钻屑无害化处理，对于没有回收利用价值的废浆液，进行净化无害化处理，有效增加了净化水的利用率；减少环境污染的来源，废浆基本上都是随钻处理，缩短处理周期和储存时间时间，提高整体处理工序的关联性；该处理系统可与原配套固控系统有效衔接，间接地减少额外的设备及用水，简化了工艺流程，减少了储存占地，避免了过度挖掘存储池和固化填埋池，缩短开钻筹备时间及后期场地修复时间；在生态脆弱地区生产，泥浆精细化处理，有效地提高了泥浆的再利用，避免了废泥浆的渗漏和交叉污染，适应了新时代生态文明建设绿色钻探和节能减排要求。

(2)现阶段，这种技术在国内实际应用，一次性投资高。因此，该技术的应用在很大程度上是受限于勘探企业的财务能力限制，普及化有一定阻力。随着国家经济发展越来越市场化和规范化，各行各业也会发生相应的变化。绿色勘探在中国已经起步，绿色勘探作为一个先进的概念，在中国已经得到了广泛的认可。泥浆精细化处理系统可减少工程对环境的扰动，减少施工过程中“三废”对环境的影响，施工后期的生态恢复治理。因此，泥浆精细化处理系统是钻井行业的发展趋势，相关企业不断改进和创新，形成一套适合自己、有利于国家和行业发展的钻井泥浆处理系统。