中石化胜利石油工程有限公司公司黄河钻井总公司 山东东营 257000
摘要：钻井废弃物主要由钻井泥浆、废液、钻屑等组成。其中，钻井泥浆主要来源于钻井和固井过程中排放的废钻井液；废液主要产生于油田的勘探和开发过程中各作业设备的清洗液、污水等废液；钻屑主要产生于钻井过程中，多为固体颗粒状，少部分以泥砂的形式混在钻井液中，约占总废弃物的20%。因此，钻井废弃物是一种成分复杂、具有较好稳定性的混合物。另外，废弃物中含有大量的化学添加物、油类、金属盐类等污染物，特别是铬和油等浸出毒性大的物质存在，极大的增加了钻井废弃物的处理难度。文章概述了不同钻井废弃物处理技术的流程和原理，总结了不同钻井废弃物处理技术的优势及缺点，为发展绿色、可持续的钻井废弃物处理技术提供新的思路和参考。
关键词：钻井废弃物；废弃物处理技术；回收再利用
1钻井废弃物的简介
目前钻井工程使用钻井液主要分为三类，水基钻井液、油基钻井液以及合成基钻井液。钻井废弃物的成分非常复杂，不同的油田开采工况和工艺条件下产生的钻井废弃物差异较大。油基钻井液会产生大量的含油废弃物；水基钻井液废弃物大多由烧碱、膨润土、重晶石粉等构成。此外，合成基钻井废液含有需要大量使用的合成有机物，一般需要实施钻井液的分离和回收，同时对合成有机物的合理处理也是巨大的挑战。
2钻井废弃物处理技术
2.1固化法
钻井废弃物的固化处理是目前运用最广泛、成熟的方法。固化处理的过程如图1所示，该方法主要是通过添加固化剂，使得钻井液转变成和土壤相同的固体，同时将废弃物中的重金属以及其它污染物固定，减少其流动性，从而避免了在土壤中进行移动，然后将其掩埋，进行植被土壤的修复。可以看出过程中最重要的是固化剂的使用，目前固化剂主要有2大类,如单一的无机固化剂：水泥、聚乙烯醇、甘油、尿醛树脂、沥青等；还有复合的固化剂，如钻井液转化水泥浆用固化剂JGH，由G级油井水泥、石灰、粉煤灰、炉渣和炉矿渣组成的复方无机固化剂。废弃物的固化材料具有很多类型，目前增强固化过程，降低毒性物质的浸出也是废弃物固化最主要的方向。
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图1 钻井废弃物固化处理工艺路线图
固化法的主要优点是钻井废弃物集中处理,方便管理。单井泥浆池所用土地复耕时间短,处理场运行成本较低。但是此方法不能实现固液的分离，同时废弃的原油难以回收，除此之外，固化的废液存在渗滤的风险，如铬和油等危险物质的浸出。
2.2溶剂萃取法
溶剂萃取法即通过相似相容原理，利用溶剂的溶解能力，来实现油类物质的回收。首先利用溶剂充分萃取含油泥浆，沉降分离固体残渣后，油和溶剂的混合体系经过蒸馏分离溶剂，实现油类物质的回收。值得注意的是，该方法虽然可以有效地萃取油类物质，但是溶剂的回收一般需要通过蒸馏，能耗较大，同时有机溶剂的挥发性泄露对人体健康及环境都具有巨大的威胁。近来，Wang等人系统地提出了利用CO2开关亲疏水性溶剂（SHS）萃取油基钻屑的工艺技术路线。如图2所示，回收油后的水溶液在移除CO2后，可以重新得到SHS溶剂，并再次用于钻屑的处理。
2.3乳化和破乳法
乳化法即利用具有表面活性的物质，通过乳化作用实现油的移除，其可以避免溶剂的挥发、毒副性和残留等问题。因此，乳化法也被广泛运用于含油废弃物的处理。普通的表面活性剂能够实现钻屑中油的移出，但是其面临着严重的乳化问题，因此难以实现油的回收。
近来，一类CO2响应开关表面活性剂被运用于含油固废的分离。因为此类表面活性剂具有CO2调控的可逆转变行为，其可以通过乳化和破乳来实现油的移出和回收，同时表面活性剂也可以循环使用。该种方法处理废弃油基钻井液，工艺简单，油回收率较高，成本较低，是目前广泛采用的含油或油基钻井液废弃物处理方法。但是，该种方法的关键处理剂—破乳剂，其低温破乳效率低、普适性差。
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图2 CO2开关溶剂含油钻屑的工艺路线图
2.4微乳液清洗法
随着表面活性剂的深入研究，在高盐度条件下许多表面活性剂难以保持较高的表面活性，基于表面活性剂的微乳液体系也逐渐引起人们关注。微乳液是由油、水、表面活性剂自发形成的各向同性的热力学稳定体系，其能显著降低液固界面的界面张力且增溶能力强。Maserati等采用纳米乳液作为水泥隔层，可改善固井作业时套管孔的清洁，作为水泥间隔配方的水纳米乳液中的溶剂可以在水泥作业期间优化套管的清洗，从而大大提高目前使用的间隔性能[4]。与传统清洗剂相比，微乳液较高的清洗效率，且能有效改变界面的润湿性能，制备简单，因此得到了广泛的运用。值得注意的是，一般的微乳液虽然可以实现油的移除，但是由于微乳液自身具有很好的热稳定性，因此难以实现油的分离和回收。近来，一类CO2开关微乳液被研究并对其在油的移除方面做了初步探索。由于此类微乳液具有很好的CO2响应性能，即可以通过CO2的引入和移出实现乳液的破乳和乳化，这可以简单地实现油类物质的回收。重要的是，微乳液在分离油后可以再次回收，实现循环使用。
2.5微波热解技术
在传统的热处理中，能量通过传导、对流和辐射传递给材料。相反，微波（MV）能量通过与电磁场的分子相互作用直接传递给材料。受常规加热的材料的内部温度分布受其热导率的限制，而微波加热则导致材料的所有个别元素被单独加热。因此，使用微波的加热时间通常可以减少到常规加热方法所需的1%以下。微波加热是一种生态友好的废物解毒技术，因为与焚烧或常规热解等既定技术相比，微波加热作为完整的解毒过程具有更高的可持续性和有效性。微波技术作为一种节能、有效的固废分离技术，目前已经有大量的相关研究。Robinson等人采用配备WR-340波导、可调反射板和存根调谐器的0-1kW单模MW系统，结果表明，在高MW功率下，只用水作MW吸收器来诱导有机组分的热解，在一定条件下可以引起有机物的热解，而在一些条件下可以引起油的热解。另外实验结果也表明较高的MW功率是决定除油机理的主要因素。
2.6超临界流体技术
超临界二氧化碳因其溶解度高、传质能力高、超临界温度压力易达到等优点。因此常常作为一种理想的萃取溶剂。超临界二氧化碳在废弃油基钻井液的处理过程主要是通过与废弃油基钻井液的充分混合，萃取油基钻井液中的油份，经过减压处理，有效分离超流体和油类，回收利用萃取剂和萃取物。超临界流体萃取技术是一种很有前途的技术，在废弃油基钻井液处理中，具有较好的萃取效果，可以达到98%以上的除油率。超临界二氧化碳作为一种有效的萃取溶剂，可以实现油污染物的有效移除。近来，一些新的超临界体系也被研究，并运用于污染物的移除。
2.7微生物处理法
利用微生物来对废弃钻井液进行处理是一种绿色、环保的生物技术方法，具有较高的生态意义。目前主要是采用微生物进行降解法和生物絮凝法，微生物可以把有机物内的长链或者有机高分子逐渐降解为对环境无害的小分子或者气体物质，如水和二氧化碳；生物絮凝法是利用具有絮凝作用的微生物或微生物代谢物使废弃油基钻井液破乳，油类物质絮凝析出[7]。微生物处理方法具有成本低、操作简单等优点，但是对不同钻井液废弃物的处理需要筛选出合适的微生物菌种，这是该种技术的关键。
2.8固液分离法
钻井废弃物的固液分离是废弃物的前处理过程，其过程主要是在废弃钻井液中加入絮凝剂，使得钻井液中的部分添加剂絮凝成块,再通过离心设备进行分离,分离出的水经过油的移除、悬浮物的絮凝、沉降和过滤等多个水处理过程，达到排放标准后排放，分离的固相可以经过固化填埋、萃取技术等进一步无害化处理，如图3所示。
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图3 废弃钻井液固液分离流程图
近年来，海上废弃钻井物回收处理技术不断涌现，从传统岩屑箱及船舶直接回收到压滤设备回收处理再到环保压滤船回收，笔者主要对目前常用的钻井废弃物回收处理技术进行总结研究，对不同作业环境、不同作业模式钻井废弃物回收处理提出合理适用方案，从而降低岩屑回收处理成本。常见的模式如下：
（1）常规传统模式是通过使用绞龙传输装置将振动筛筛出岩屑传输到岩屑箱里回收，再吊装到船舶上；废弃钻井液经泥浆池集中收集后经过专用返输管线，返输到船舶上；最后通过船舶运送到陆地处理终端，对钻井废弃物进行集中处理。(2)平台压滤设备主要包括压滤机、破胶絮凝罐、空压机及减排分选筛等设备组成。岩屑通过管线或者岩屑箱经减排分选筛处理，实现固液分离分成干渣和滤液；废弃钻井液和岩屑分离的滤液经过破胶絮凝罐添加絮凝剂等药剂实现絮凝后，再经过压滤机压滤实现固液分离，滤液返回泥浆池可以配送新钻井液，实现重复使用，干渣经岩屑箱收集返回陆地处理终端集中处理（如图4所示）。
平台压滤处理模式通过絮凝、压滤、压榨和脱板等4项工艺，完成废弃钻井物的固液分离，实现废弃钻井液减量80%，废弃岩屑减量60%，目前该设备处理能力150方/天左右.。（3）环保压滤船是将拖轮与压滤设备相结合，在拖轮上安装压滤机、减排分选筛等整套压滤设备，通过岩屑箱收集岩屑、船舱收集废弃钻井液分别对废弃钻井液和岩屑进行处理，最大处理能力：废弃钻井液400方/天、废弃岩屑200吨/天，最大可满足区域内3-4个钻井点同时时使用。
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图4压滤模式工艺流程
2.9回收再利用法
钻井液的回收利用不仅可以节约油气开采的成本，同时也可以减少污染物的排放。李等人将废弃钻井液压滤液中依次加入2%MV-CMC+1%包被剂（均为质量比），均匀搅拌15-20min后配得胶液，将资源化利用所配得的胶液与标准钻井液按体积比4:1的比例混合，得到新的钻井液，结果测试表明其流变参数与标准钻井液接近[8]。另外，谢等人利用电化学吸附法通过吸附去除水基钻井液中的劣质固相，提高了钻井废弃物的资源化利用率，降低了后期钻井废弃物的处理量及成本。此外，具有油基、酯基以及合成基成分的钻井液在钻井作业过程中使用之后，可以对其进行回收，经过处理后的基液可以再次使用。结语为了国家长远的能源战略目标，实施着越来越严格的资源管理和环境保护法规，因此为进一步加速国家能源开发，减少开采成本，对钻井废弃的有效处理是目前亟待解决的重要问题。研究无毒、可降解的降解材料，优化现有方法的降解过程是钻井废弃物处理的研究趋势，进而在实现钻井废弃物回收利用的同时免对环境产生影响。
3案例分析
以某口钻井为例，根据《第一次全国污染源普查方案》中产污系数计算得出一口井产生的钻井废弃泥浆量，假设井深为5390.09m，计算该井产生的岩屑和泥浆量，见表1和表2。
表1 钻井废弃泥浆情况
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井废弃泥浆量，假设井深为5390.09m，计算该井产生的岩屑和泥浆量，见表1和表2。按下式进行计算：
表2 钻井岩屑情况
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W＝1/4×π×D2×h
式中：W—废弃钻井岩屑排放量，m3；D—井的直径，m；h—井深，m。
通过上述计算可得出一口钻井泥浆量为865.11t，岩屑总产生量为345.68t。2处理方法和再利用一口钻井产生的废弃泥浆和岩屑总量为1210.79t，钻井产生的废弃物目前主要采用随钻废弃泥浆不落地达标处理技术，工艺原理为“脱稳单元+固液分离单元+滤液处理单元”，废弃钻井泥浆首先进行加药脱稳处理，然后进入压滤机实现固液分离，选用卧式离心机，转速0r/min-3500r/min可调。
固液分离选择平衡椭圆形振动筛，可选用美国SWACO公司开发的shakerwithbalancedel-lipticalmotion平衡椭圆形振动筛[1]，进行滤液处理单元采用“SUF超净过滤”工艺，首先利用预处理对滤液中的悬浮物、胶体等物质进行部分去除，然后利用SUF超净过滤装置的优异过滤性能，去除水中的有机物、盐类等各种污染物质。
钻井废弃物经过随钻废弃泥浆不落地达标处理技术后达到《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》（GB8599-200）中第Ⅰ类一般工业固体废物标准，再利用方式主要包括铺路、铺垫井场、用作建筑材料以及填埋等基础建设。
经过一段时间的使用后随钻废弃泥浆不落地达标处理技术从源头上控制污染量，减少废弃物排放，提高废液利用率，有利于单井各开次钻井液回收、分类收集。但随钻废弃泥浆不落地达标处理技术对于分散的油井适用性较好，对于集中的油井应考虑集中场站治理，集中场站包括固化处理单元、固化体临时候凝堆放单元、液相临时储存单元。钻井施工时，通过车辆将废弃泥浆和岩屑运至集中场站，集中场站处理方式可以降低处理成本，是油田钻井废弃物处理发展趋势。
4结语
钻井废弃物是石油勘探开发钻井过程中遗留下来的最大量的废弃物污染物，钻井废弃物的成分极为复杂，不经处理环境危害极大[4]。采用随钻废弃泥浆不落地达标处理技术＋集中处理的模式，能够最大限度的实现废弃物减量化、无害化、安全化，将环保、安全的隐患降低到最低。
参考文献
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[6]李立宸,刘骞,陈媛媛,于劲磊.,页岩气开采废弃钻井液资源化利用方案,石油和化工设备,21(2018,)79-80.
[7]谢水祥,任雯,乔川,仝坤,孙静文,张明栋,刘晓辉,张哲娜,可实现废弃水基钻井液再生利用的电化学吸附法,天然气工业,38(2018)76-80.