摘要：新研制的钻井废弃物处理装置，组合了国内成熟的工艺和技术，采用物理、化学的方法，对废弃物进行处理，使水达到国家《污水综合排放标准》一级标准达标排放。固体废弃物的浸出液符合国家《浸出毒性鉴别标准》。该装置采用撬装结构，便于搬迁，具有物料自动收集、输送功能，全套装置自动化程度较高，可实现随钻处理，满足了大部分石油钻井的处理要求，固体废弃物可用于井场道路施工，达到了钻井清洁生产的目的。
关键词：钻井废弃物 环保 固液分离
在石油钻井的生产过程中，会产生大量的废水、废弃钻井液和钻屑。这些废弃物存留于井场储存池，随着储存池的渗漏、溢出、淹没等，可能会对地下水和地表水产生不良影响，并危及周围生态环境，甚至可能造成污染事故。大多数油田分布范围广、钻井作业分散，很多钻井井场地处环境敏感、生态脆弱地区，钻井废弃物处理是长期困扰油田的环保难题。
国内外对钻井废弃物的处理，一般采用井下回注、固化深埋、无害化处理等方法。
井下回注在整装油田的开发中比较适用，选好适合回注的地层，施工或选用废弃的井用着专门的回注井，利用收集、研磨和压注装置将钻井废弃物回注地层。其优点是在表层基本无危害，但仍存在地下水污染和地层压破后返回地表的风险。
地面固化深埋是将废弃的泥浆和岩屑在化学处理后，添加固化剂固化，并将固化物深埋后覆土约半米厚，以满足复垦要求。其优点是经济，但由于未能开发有效的施工机械，其工程效果并不理想。
钻井废弃物无害化处理，国内已进行了几十年的摸索，首先研究无害化泥浆药剂，大量使用低毒、无毒环保钻井液，然后对钻井废弃物进一步进行无害化处理，废弃物可以达标排放。
1 无害化处理装置的研究和应用
1.1 总体工艺方案
振动筛废弃物直接流入集浆罐，用螺旋输送装置将除砂器、除泥器和离心机的废弃物输送到集浆罐中，将废弃物用长杆泵从集浆罐送入搅拌罐进行絮凝，采用化学和物理相结合的方法对废弃物进行综合处理。该装置钻井废弃物的处理能力达到5方/小时，污水的处理能力达到2方/小时。总体工艺技术方案如图1所示
1.2 工艺说明
1.2.1 物料收集和输送
振动筛排出的岩屑直接进入储浆罐，利用螺旋输送机将除砂、除泥器和离心机的废弃物输送到储浆罐，再用长杆泵将储浆罐中的废弃物输送到搅拌罐絮凝，固液分离后，用带式输送机和装载机将泥饼集中堆放。
1.2.2 絮凝破胶
钻井废弃物是石油勘探开发过程中产生的一种多相稳定胶态悬浮体系，含粘土、加重材料、各种化学处理剂、污水、污油及钻屑等。
脱稳、絮凝作用是非常复杂的物理化学过程。胶体颗粒的絮凝作用机理有如下四种；（1）沉淀网捕作用；（2）吸附电中和作用；（3）压缩双电层作用；（4）吸附架桥作用。
采用有机和无机复合高效絮凝剂对钻井废弃物进行絮凝，达到破坏其胶体状态的目的。
1.2.3 强氧化分解
根据需要采用强氧化剂氧化分解废弃泥浆中的有机物。
1.2.4 脱水
在负压状态下采用10微米的陶瓷微孔进行过滤脱水。
1.2.5 油水分离
通过复合过滤器把水和石油类物质相混合的溶液进行过滤除油，使溶液中的石油类物质浓度小于10 mg/l.使处理后水中的石油类物质含量达到国家规定的排放标准。
1.2.6 超滤、反渗透
石油类物质含量小于10 mg/l的混合液通过超滤、纳滤、反渗透处理，除去水中其它有机物和有害物质，使水的排放达到《国家污水综合排放标准》一级标准。
1.3 设备组成
全套设备由螺旋输送机、储浆罐、长杆泵、搅拌罐、陶瓷过滤机、药剂罐、水处理装置、储水罐、带式输送机、装载机等组成。
主要设备采用撬装式设计，便于快速搬迁和安装。
2 钻井废弃物无害化处理方法的研究
2.1 钻井废弃物危害环境的主要成分
钻井废弃物虽由废水、废弃钻井液和钻屑组成，但其对环境的危害主要是废弃钻井液和返回地面的地层水造成。石油钻井作业所用的钻井液助剂大致可以分为造浆材料、加重材料、降滤失剂、增粘剂、乳化剂、页岩抑制剂、降粘剂、絮凝剂、润滑剂、杀菌剂、消泡剂、解卡剂、缓蚀剂、抗温剂、堵漏剂等15 大类，加上特种钻井液如泡沫流体、饱和盐水钻井液等所需的部分体系稳定材料，钻井液添加剂最终可扩展为16 大类。这些添加剂中，只有造浆材料、加重材料和堵漏材料较少或基本不构成环境危害，其余各类材料由于不同程度的采用了现代合成工艺技术，或多或少的对环境具有不良影响。即便是通常情况下呈惰性的加重剂类，亦有部分材料可能造成环境危害，如方铅矿、碳酸钡等。
2.2 化学处理方法的研究
在对国内各个油田的废弃钻井液情况进行了调查分析，结果表明，十项污染指标（总铬、六价铬、总汞、总砷、总镉、总铅COD、石油类、PH值）中多数高于我国国家标准规定的污染排放限度要求。
目前低毒、无毒环保钻井液开发研究成为热点，钻井液本质环保已成为钻井液技术发展的新课题。建立钻井液体系、处理剂、废弃物环保和处理系统，全过程地关注钻井液的环保问题已成为油田企业环保工作的重点。
钻井废弃物中的废弃钻井液有高粘度、高稳定、高COD的特征，处理好废钻井液是钻井废弃物处理的关键。
江苏工区主要推广应用环保型成膜水基钻井液及两性离子聚合物水基钻井液两种体系。经过近几年的钻井实施，两种钻井液体系能满足钻井工程设计和江苏工区现场施工要求。其中，环保型成膜水基钻井液体系主要使用在3200米以深的探井，两性离子聚合物水基钻井液体系，主要使用在3200米以浅的开发井、探井。两种钻井液体系通过对钻井液处理剂进行无害化研究，改变了过去钻井液体系中含有多种盐、重金属元素、油类等危害性物质，做到了钻井液低毒无毒，从而实现钻井液体系本质无害化。
废弃钻井液分离方法主要是混凝沉降，该法工艺简单，处理费用较低，一直为各油田所广泛应用，在进入深井钻井阶段，废弃钻井液成分越来越复杂，采用混凝效果差，分离处理后的固相难以固化，即使形成固化体，其中的污染物也易被水浸泡出来，仍存在污染环境的危险。同时，分离的液相中，有机毒害物、固相微粒和重金属种类多，含量高，其液相不能达到排放水水质标准。
2.2.1 破胶剂的筛选
（1）对废弃钻井液进行l0倍稀释，分别加入等量破胶剂进行对比。取被稀释的钻井液150mL放入4个烧杯，向其各加入HCl（（0.1g/mL），MgCl2（0.1g/mL），CaCl2（0.lg/mL） AlCl3（0.1g/mlL）观察他们的现象。上层出液量的结果：HCl> MgCl2> CaCl2> AlCl3，即HCl MgCl2的破胶效过好于其他两者。
（2）研究HCL加量对破胶效果的影响：
通过试验结果得出HCl比MgCl2相同浓度下处理效果好，并且最佳加量是4g/L。
2.2.2 混凝剂的筛选
为使胶体被压缩双电层而脱稳，习惯上把能凝聚与絮凝作用的药剂统称为混凝剂，混凝剂应对人体健康无害，价廉易得，使用方便。
混凝剂包括无机盐类混凝剂，有机高分子混凝剂和微生物混凝剂。
（1）无机混凝剂的筛选：
取稀释5倍的废弃钻井液50mL两份，向其加入1mL的HCl（0.2g/ml），一份中再加入无机混凝剂聚铝（0.5%）0.2ml另一份中加入无机混凝剂聚铁（0.5% ）0.2 mL。
实验结果见表1：
从实验结果得出，聚铝的效果好于聚铁。
（2）有机混凝剂的筛选
各取50mL稀释5倍的废弃钻井液溶于4个量筒，向其分别加入1mL的HCI（0.2g/mL）再向各个具塞量筒中加入CMC， CMS，CPAM，APAM各0.2mL。
实验结果见表2：
实验结果表明CPAM和APAM的效果比较好。
2.2.3 最佳用量的研究
（1）确定聚铝的最佳加量
取8份稀释5倍的废弃钻井液各300mL，向其中加入不同量的聚合硫酸铝，然后进行压滤固液再测其清澈液透光率。结果为聚合硫酸铝的最佳加量为1.8mL。
（2）确定APAM的最佳加量
取l0份稀释5倍的废弃钻井液各300mL，向其中加入不同体积的APAM溶液，然后进行压滤固液分离再测其清澈液透光率。结果为APAM的最佳加量为9.6mL。
（3）确定CPAM的最佳加量
取8份稀释5倍的废弃钻井液各300mL，再向其中加入不同体积的CPAM溶液（0.5%）然后进行压滤固液分离再测其清澈液透光率。结果为APAM的最佳加量3.6mL。
2.2.4 复配研究
（1）聚铝和 CPAM
取10份稀释5倍的废弃钻井液各300mL，每份均其加入6mL的HCl（0.2g/mL），再向其中加入不同体积的聚铝+CPAM溶液，然后进行压滤固液分离，再测其清澈液透光率。实验结果如表3。
（2）聚铝和APAM
取10份稀释5倍的废弃钻井液各300mL，每份均加入6mL的HCl（0.2g/mL），再向加入不同体积的聚铝APAM溶液，然后进行压滤固液分离，再测其清澈液透光率。实验结果如下表4。
复配研究结果显示无机和有机絮凝剂的最佳配比为聚合硫酸铝+APAM（5.6mL+9.6mL）。
2.2.5 钻井液不同稀释比的实验研究
分别将废泥浆稀释2，3，5，8，10，倍研究是研究上述最优配比对他们的作用效果。
取不同稀释倍数的废弃钻井液各300mL每份均加入6mL的HCl（0.2g/mL），再向其中分别加入聚铝（0.5%）+APAM（0.5%）（5.6mL+9.6mL），然后进行压滤固液分离，测其固相含水率，实验结果如表5。
从表中数据可以看出，稀释倍数越大，其固相中含水率越低，但是过大的稀释倍数会增加液相处理量，废弃钻井液稀释5倍后，固相含水率下降呈缓慢趋势，由此可知，废弃钻井液稀释至3倍后对下一步处理最为有利。根据以上研究可知，固液分离阶段，最佳处理条件为：无机和有机絮凝剂的最佳配比为聚合硫酸铝+APAM（5.6mL+9.6mL），稀释倍数为3倍
3 现场应用及指标检测
3.1 设备现场布置
在钻机泥浆循环系统的外侧布置该套装置，全套设备于09年6月在江苏东台草舍用于草南2井的施工，该井是勘探井，完钻井深3650米，施工57天。该井均采用环保型成膜水基钻井液。主要添加剂： NaOH、成膜防塌剂DMF-102、成膜封堵剂CMD-201、PMHA、NH4HPAN、成膜润滑剂CMR301成膜润滑剂CMR-301、甲基硅油MSO、SMP、无荧光快钻剂SBKZ-1 。全井井筒容积170方，实际处理钻井废弃物1208方。施工期间为雨季，共消耗处理药剂近16吨，对外排放水120方。泥饼废弃物约300方。
09年9月在江苏黄桥用于溪1井的施工，该井是风险探井，设计井深2150米，施工55天。该井均采用两性离子聚合物水基钻井液体系。主要添加剂：烧碱NaOH、纯碱Na2CO3、羧甲基纤维素钠CMC、水解聚丙烯请晴铵盐NH4HPAN、金属两性离子聚合物PMHA、有机硅腐植酸钾OSAMK、低荧光防塌沥青LF-TEX-1、包被剂PAC-141、磺化酚醛树脂SMP、氯化钾KCl、等。全井井筒容积173方，实际处理钻井废弃物1400方。对外排放水80方。
3.2 现场施工
钻井废弃物经螺旋输送机和储浆罐收集后，由长杆泵泵入搅拌罐，先加入聚铝后加入聚丙烯酰胺搅拌约3分钟，絮凝后放入陶瓷分离器固液分离，分离后的水部分用于废泥浆的稀释，部分进入水处理装置处理，达标后外排。该装置钻井废弃物的处理能力达到5方/小时，污水的处理能力达到2方/小时。
钻井废弃物中砂岩较多时陶瓷板过滤后的泥饼含水率在45%，泥岩时含水率为65%。泥饼经一周的晾晒后人可以行走。固体废弃物可作为井场道路的施工材料。
该套装置改造后于2010年在中石化加蓬工区的施工中得到该国环保局的认可。
3.3 各项指标检测
3.3.1水处理前后的化验数据
将钻井废弃物进行化学絮凝处理后，利用真空陶瓷过滤得到过滤液（为表中处理前）和泥饼，过滤液再进行石英砂、活性炭、精细过滤和膜过滤，得到的过滤液（为表中处理后）。表中的允许值是国家《污水综合排放标准》GB8978-96中的一级排放标准。处理后均已达标，氯化物合同要求小于250 mg/L，也已达标（见表6）。
3.3.2 泥饼浸出液的化验数据
废弃物经复合絮凝、强氧化处理后，通过陶瓷过滤机进行固液分离，得到固体废弃物泥饼。泥饼的浸出液化验数据（见表7），已达到国家“危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别”指标要求。
4 结论
研制的钻井废弃物处理装置，采用复合高效絮凝剂对钻井废弃物进行絮凝，达到破坏其胶体状态的目的，根据废弃物中的有机物总量的变化，可采用强氧化剂氧化分解，然后在负压状态下采用10微米的微孔陶瓷板进行固液分离，分离后的水再通过复合过滤器过滤除油，使溶液中石油类物质的浓度小于10mg/l。过滤后液体通过超滤、反渗透处理，除去水中其它有机物和有害物质，使水达到国家《污水综合排放标准》一级标准，达标排放，泥饼浸出液符合国家《浸出毒性鉴别标准》。固体废弃物可用于井场的道路建设。该装置采用撬装结构，便于搬迁，具有物料自动收集、输送功能，全套装置自动化程度较高，可实现随钻处理，满足了大部分生产井的废弃物处理要求，达到了钻井清洁生产的目的。
参考文献
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