庆阳市化工学会
Chemical Industry and Engineering Society of Qingyang

油田钻井废液的处理技术进展

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在石油与天然气的开采、钻探以及修井过程中,将产生大量
的钻井废液,主要由钻井液、钻屑、以及各种作业产生的废液等
组成。钻井废液组成复杂,一般呈碱性,pH 值在8. 5 ~ 12 之间,
有的可达13 以上; 固相颗粒粒度一般在0. 01 ~ 0. 3 μm 之间( 即
95%以上颗粒通过200 目筛) ,外观一般呈粘稠流体或半流体
状,具有颗粒细小、级配差不大、粘度大、含水率高不易脱水( 含
水率约在30% ~ 90%) 等特性[1]。且其自然干结过程缓慢,干结
物遇水浸湿后易再度形成钻井废液样物,会对排放点及附近地
带的土壤物性产生长期的不良影响; 废泥浆含油量高,部分钻井
废液含油量达10%以上; 钻井废液固含量高,主要为膨润土和有
机高分子处理剂、粘土、加重材料、岩屑以及污水流经地面时携
带的泥砂及表层土等; 此外由于钻井废液中含有各种有机和无
机类化学处理剂,其中的重金属、CODCr
值、Oil 及表面活性剂等
有害物质浓度较高,个别有害物污染指标超出国家允许排放浓
度的数百倍[2]。
1 钻井废液处理技术的研究现状及发展趋势
近年来,国内外主要集中在对废弃泥浆的处理方面,对混合
液处理的研究较少。国外在20 世纪50 年代就开始并加强对废
弃泥浆的处理,开发和采用了一系列无害化处理技术。同时,很
早就开始对泥浆处理剂和各种泥浆体系进行生物降解实验和生
物毒性评价实验,积极研究泥浆体系可能对环境造成的污染和
相应的治理办法。美国环境保护暑( EPA) 从环境保护的角度出
发,在1982 年就针对墨西哥海湾上水基泥浆制定了严格的排放
标准( NPDES) ,为处理和排放废弃泥浆提供了环境法律基础。
我国对废弃泥浆的处理比国外研究稍晚些,但通过引进、消
化和自主创新,在许多油田上陆续应用了一系列处理技术,同时
积极研究具有适合国情的各类废弃泥浆处理技术。目前,国内
外发展应用的处理技术主要包括以下几方面: 就地排放、注入安
全地层、回填处理、MTC 转化技术、固液分离法、土地耕作、化学
固化处理、干燥焚烧、生物降解等处理方法[3 - 6,9
],下面将这些方
法作简要的介绍。
1. 1 回注安全地层
该方法是将废弃泥浆通过井眼注入地层中或保留在井眼环
空中。为了地下水和油层不被污染,关键是选择合适的安全地
层( 注入层通常是压裂梯度较低,地层渗透性差的地层,而上下
盖层必须致密、强度高) 。国外很多钻井公司采用此法来处理钻
井废物,如美国废泥浆回注服务公司提出一种“CUTWIP”回注工
艺[7],此法提供了完善的系统性方案设计、评价,以及机械化现
场施工回注处理的全套服务,再如THUMS 公司每年通过回注法
处理钻井废液近90000 桶[8]。存在的问题是: 这种处理费用约
为28 ~ 35 美元/m3 ,处理成本较高,且仍有可能污染地下水和油
第40 卷第9 期丛晓强等: 油田钻井废液的处理技术进展39
层,在美国和加拿大的应用受到严格限制。另外,这种方法对设
备的要求比较高,且受注入层的限制,不能被普遍采用。
1. 2 填埋处理
1. 2. 1 回填处理
回填处理法[9]是目前各国在石油勘探开发生产初期普遍采
用的方法,先将泥浆在大土池里沉降分离的废弃泥浆上部的水
澄清( 必要时加入絮凝剂) ,达到规定指标后,就地排放。剩下的
污泥,待其自然干燥到一定程度后,在其上面加土填埋。废弃泥
浆顶部保持1. 0 ~ 1. 5 m 厚的土层,再恢复地貌。该方法是一种
花费较少而又普遍采用的方法,处理费用为1. 9 美元/m3 ,适用
于含盐量少的水基泥浆。该处理方法随着人们对环境的关注,
被限制用于淡水基钻井液产生的钻屑和废钻井液的处理,根据
1985 年美国石油组织API 对所填埋的淡水基废钻井液的固体浸
出毒性对环境影响的调查结果表明,淡水钻井泥浆中盐和有机
成分的浓度低,对储存坑周边环境污染的可能性很小,其浓度在
可接受的水平,未超过健康水质标准。其特点是处理费用低,对
泥浆大土池周围的地下水污染的可能性小,其浸出液浓度可以
控制在可接受的限制范围内。
1. 2. 2 坑内密封法
此法实质上是一种特殊的填埋处理法。通常是先在储存坑
的底部和四周铺垫一层有机土,然后在其上面铺一层厚度为
0. 57 mm 的塑料膜衬层,再盖一层有机土( 以防塑料膜破裂) 或
使废钻井液在底部和四周固化形成不渗透性隔层。生产时将废
弃物直接排入坑内,完井后将封层包裹严实,上层用土壤恢复原
状。必要时可对泥浆进行适当的处理,如进行固液分离,固化后
在对其进行填埋。此法常用于处理毒性较大的泥浆( 如盐水基
或油基钻井废液) ,其环保效果较好,但在回填工作完成之后,仍
占用场地不能完全复耕,不能达到永久无害化,而且要在埋填处
留有专门的标志。
1. 3 MTC 转化技术
MTC( Mud To Cement) [10]转化技术是利用废弃泥浆较好的
降滤失性和悬浮性,通过加入廉价的高炉水淬矿渣( BFC) 和其
它外加剂,将钻井液转化为完全可以与油井水泥浆相媲美的固
井液,从而变废为宝,既消除了泥浆外排所造成的污染,又赋予
废弃泥浆新的用途。经过CLB 测试,固井质量、固井成功率、封
固井质量合格率均为100%[11 - 12]。
国外五十年代开始研究MTC 技术,九十年代初随着良好的
分散剂和有机促凝剂的开发和应用,形成了以Wilson 为代表的
波特兰水泥转化技术和以Cowan 为代表的矿渣转化技术,使
MTC 技术具有工业应用价值。
1. 4 固液分离法
固液分离原理是将含水率较高的钻井废液用旋流分离
器[13]分离后,对分离的液体达标排放,固相进行掩埋或固化处
理。它是在化学混凝- 催化氧化法基础上发展起来的,结合机
械方法进行的先进的处理方法[14]。这种方法施工比较简单,所
需的设备不多,在钻井施工现场应用较广。其缺点是絮凝剂和
凝聚剂用量较大,且絮凝效果有待提高; 固液分离装置昂贵,操
作复杂,在山区、丘陵地区搬运不方便。
固液分离过程中分离出的污水一般还不能达到排放标准,
还需要采用污水处理装置或设备进一步处理使其达标,对分离
出的污泥目前也不能进行简单的填埋,也需要进行固化处理后
才能填埋。
1. 5 土地耕作法
土地耕作法是指水基废泥浆去除部分水分后,将泥浆大土
池中的污泥和钻屑直接喷撒到土壤表以下厚度约100 mm( 具体
情况视水基废泥浆的毒性而定) ,再利用土壤耕作机械将其与土
壤混合,利用土壤自身的净化特性如吸附、吸收、生物降解水基
废泥浆中的污染物,从而达到无害化处理废泥浆的目的。
土地耕作法在20 世纪60 年代中期在美国及加拿大进行了
小范围应用。但是由于该方法的局限,没有在世界各国推广开
来。主要原因是水基废泥浆中含有一部分可溶性盐如氯盐。其
氯离子被土壤吸收后,能降低土壤的肥效; 对农作物生长造成一
定的危害从而使土壤失去使用价值。在雨淋的条件下,土壤中
的重金属离子及可溶有机盐和一些有机物发生迁移污染地下水
源,并且其中的重金属离子被植物吸收,造成其向其它生物系统
转移。从而对人类的生活环境造成更严重的危害,因此土地耕
着法没有被大规模的应用。
1. 6 化学固化处理法
化学固化方法[15]是基于水基废泥浆中含有一定数量的固
相,加入一定量数量的固化剂与泥浆发生的一系列复杂的物理、
化学反应生成具有一定强度的稳定的抗水固体。因而将水基废
泥浆中的有害成分如重金属、高聚物和油类等封闭包裹在其中,
从而降低其滤失性,防止重金属、高聚物和油类向环境扩散的一
种对水基废泥浆的处理方法。固化作业的过程是直接将固化剂
加入泥浆池中,搅拌使之充分混合均匀,再放置一定时间让其固
化。废泥浆固化处理是一种比较成熟的方法。但由于泥浆的物
理化学性质的不同,对其进行固化处理时必须根据自身的特点
进行专项研究。钻井废液固化所得固结物主要有以下几种处理
方法: ( 1) 固化后直接填埋覆土耕种; ( 2) 用于井场简易路的铺
建; ( 3) 固化制砖; ( 4) 固化成条石用于建筑材料。
1. 7 干燥焚烧法
该方法是用特制的装置干燥或焚烧废弃的泥浆[31],是一种高
温热处理技术,即以一定的过剩空气量与被处理的有机废物在焚
烧炉内进行氧化燃烧反应,废物中的有害有毒物质在高温下氧化、
热解而被破坏,是一种可同时实现无害化、减量化、资源化的处理
技术。干燥焚烧法对处理水基废泥浆里面的油分及有机物有很
好的效果。但是由于焚烧过程往往需要高温进行,处理成本较高,
处理能力有限,很难实际应用于井场废弃泥浆的处理。
1. 8 生物降解法
借助微生物的作用降解水基废泥浆中的有机物,处理时间
长。一般不能作为一种单独的处理方法,因为不能解决水基废
泥浆中的重金属及油类的污染问题。由于没有专门用于水基废
泥浆微生物处理的微生物菌种,所以,生物降解法技术不成熟。
钻井液( 如盐水基或油基废钻井液等) ,其环保效果仅次于安全
焚烧法。
2 钻井废液处理技术的发展趋势
( 1) 开发新的环保型钻井液和钻井液添加剂
目前,国内外都在开发各种新型环保钻井液和环保型钻井
液添加剂以代替毒性较大的钻井液及其添加剂,从根本上解决
废弃钻井液对环境的污染问题,确保环境不受伤害。
( 2) 加强固控,减少废弃物的排放
固控可以改善钻井液的性能,从根本上减少废弃物。固体
含量的不同对钻井液性能有很大的影响,如流变性、粘度、动切
力、密度等。通过固控,改善钻井液的性能,使得钻井液性能按
要求的方向转变,一方面可以加快钻进速度,减少钻井液的用
量。另一方面可以减少废弃物的排放量。
( 3) 开发综合利用新技术
钻井废弃物的综合利用还具有一定的潜力。应该利用现有
的科学和技术在废弃钻井液处理时向综合利用出发,这样既保
护了环境又开发了资源。如焚烧钻井废弃物后留下的灰烬,根
据其特点经过适当的加工后,变成可利用的建筑材料( 当然,这
只能是适用于钻井废弃物集中处理的场所) 。
( 4) 降低成本,优化环境
废弃钻井液处理成本高一直是困扰石油工业发展的一个重
要因素。如何降低成本,优化环境工程,提高效益,仍然是一个
有待解决的问题。这里值得注意的问题是要综合考虑其成本和
效益,不能从单方面去考虑。
( 5) 加强井场废弃物的管理
国外对井场废弃物的管理要求非常严格,制定了一系列的
方针、政策和措施,并且按要求执行,同时加强了环境和作业的
监控、监督和评估,确保环境稳定。中国在这方面做了大量的工
作,取得了很好的效果,但国外的许多技术和经验还是值得学习
和借鉴的。