石油鉆井廢棄物無害化處理裝置的研究與應用

       在石油鉆井的生產過程中，會產生大量的廢水、廢棄鉆井液和鉆屑。這些廢棄物存留于井場儲存池，隨著儲存池的滲漏、溢出、淹沒等，可能會對地下水和地表水產生不良影響，并危及周圍生態環境，甚至可能造成污染事故。大多數油田分布范圍廣、鉆井作業分散，很多鉆井井場地處環境敏感、生態脆弱地區，鉆井廢棄物處理是長期困擾油田的環保難題。

　　國內外對鉆井廢棄物的處理，一般采用井下回注、固化深埋、無害化處理等方法。

　　井下回注在整裝油田的開發中比較適用，選好適合回注的地層，施工或選用廢棄的井用著專門的回注井，利用收集、研磨和壓注裝置將鉆井廢棄物回注地層。其優點是在表層基本無危害，但仍存在地下水污染和地層壓破后返回地表的風險。

　　地面固化深埋是將廢棄的泥漿和巖屑在化學處理后，添加固化劑固化，并將固化物深埋后覆土約半米厚，以滿足復墾要求。其優點是經濟，但由于未能開發有效的施工機械，其工程效果并不理想。

　　鉆井廢棄物無害化處理，國內已進行了幾十年的摸索，首先研究無害化泥漿藥劑，大量使用低毒、無毒環保鉆井液，然后對鉆井廢棄物進一步進行無害化處理，廢棄物可以達標排放。

　　1 無害化處理裝置的研究和應用1.1 總體工藝方案振動篩廢棄物直接流入集漿罐，用螺旋輸送裝置將除砂器、除泥器和離心機的廢棄物輸送到集漿罐中，將廢棄物用長桿泵從集漿罐送入攪拌罐進行絮凝，采用化學和物理相結合的方法對廢棄物進行綜合處理。該裝置鉆井廢棄物的處理能力達到5方/小時，污水的處理能力達到2方/小時?？傮w工藝技術方案如圖1所示1.2 工藝說明1.2.1 物料收集和輸送振動篩排出的巖屑直接進入儲漿罐，利用螺旋輸送機將除砂、除泥器和離心機的廢棄物輸送到儲漿罐，再用長桿泵將儲漿罐中的廢棄物輸送到攪拌罐絮凝，固液分離后，用帶式輸送機和裝載機將泥餅集中堆放。

　　1.2.2 絮凝破膠鉆井廢棄物是石油勘探開發過程中產生的一種多相穩定膠態懸浮體系，含粘土、加重材料、各種化學處理劑、污水、污油及鉆屑等。

　　脫穩、絮凝作用是非常復雜的物理化學過程。膠體顆粒的絮凝作用機理有如下四種；（1）沉淀網捕作用；（2）吸附電中和作用；（3）壓縮雙電層作用；（4）吸附架橋作用。

　　采用有機和無機復合高效絮凝劑對鉆井廢棄物進行絮凝，達到破壞其膠體狀態的目的。

　　1.2.3 強氧化分解根據需要采用強氧化劑氧化分解廢棄泥漿中的有機物。

　　1.2.4 脫水在負壓狀態下采用10微米的陶瓷微孔進行過濾脫水。

　　1.2.5 油水分離通過復合過濾器把水和石油類物質相混合的溶液進行過濾除油，使溶液中的石油類物質濃度小于10 mg/l.使處理后水中的石油類物質含量達到國家規定的排放標準。

　　1.2.6 超濾、反滲透石油類物質含量小于10 mg/l的混合液通過超濾、納濾、反滲透處理，除去水中其它有機物和有害物質，使水的排放達到《國家污水綜合排放標準》一級標準。

　　1.3 設備組成全套設備由螺旋輸送機、儲漿罐、長桿泵、攪拌罐、陶瓷過濾機、藥劑罐、水處理裝置、儲水罐、帶式輸送機、裝載機等組成。

　　主要設備采用撬裝式設計，便于快速搬遷和安裝。

　　2 鉆井廢棄物無害化處理方法的研究2.1 鉆井廢棄物危害環境的主要成分鉆井廢棄物雖由廢水、廢棄鉆井液和鉆屑組成，但其對環境的危害主要是廢棄鉆井液和返回地面的地層水造成。石油鉆井作業所用的鉆井液助劑大致可以分為造漿材料、加重材料、降濾失劑、增粘劑、乳化劑、頁巖抑制劑、降粘劑、絮凝劑、潤滑劑、殺菌劑、消泡劑、解卡劑、緩蝕劑、抗溫劑、堵漏劑等15 大類，加上特種鉆井液如泡沫流體、飽和鹽水鉆井液等所需的部分體系穩定材料，鉆井液添加劑最終可擴展為16 大類。這些添加劑中，只有造漿材料、加重材料和堵漏材料較少或基本不構成環境危害，其余各類材料由于不同程度的采用了現代合成工藝技術，或多或少的對環境具有不良影響。即便是通常情況下呈惰性的加重劑類，亦有部分材料可能造成環境危害，如方鉛礦、碳酸鋇等。

　　2.2 化學處理方法的研究在對國內各個油田的廢棄鉆井液情況進行了調查分析，結果表明，十項污染指標（總鉻、六價鉻、總汞、總砷、總鎘、總鉛COD、石油類、PH值）中多數高于我國國家標準規定的污染排放限度要求。

　　目前低毒、無毒環保鉆井液開發研究成為熱點，鉆井液本質環保已成為鉆井液技術發展的新課題。建立鉆井液體系、處理劑、廢棄物環保和處理系統，全過程地關注鉆井液的環保問題已成為油田企業環保工作的重點。

　　鉆井廢棄物中的廢棄鉆井液有高粘度、高穩定、高COD的特征，處理好廢鉆井液是鉆井廢棄物處理的關鍵。

　　江蘇工區主要推廣應用環保型成膜水基鉆井液及兩性離子聚合物水基鉆井液兩種體系。經過近幾年的鉆井實施，兩種鉆井液體系能滿足鉆井工程設計和江蘇工區現場施工要求。其中，環保型成膜水基鉆井液體系主要使用在3200米以深的探井，兩性離子聚合物水基鉆井液體系，主要使用在3200米以淺的開發井、探井。兩種鉆井液體系通過對鉆井液處理劑進行無害化研究，改變了過去鉆井液體系中含有多種鹽、重金屬元素、油類等危害性物質，做到了鉆井液低毒無毒，從而實現鉆井液體系本質無害化。

　　廢棄鉆井液分離方法主要是混凝沉降，該法工藝簡單，處理費用較低，一直為各油田所廣泛應用，在進入深井鉆井階段，廢棄鉆井液成分越來越復雜，采用混凝效果差，分離處理后的固相難以固化，即使形成固化體，其中的污染物也易被水浸泡出來，仍存在污染環境的危險。同時，分離的液相中，有機毒害物、固相微粒和重金屬種類多，含量高，其液相不能達到排放水水質標準。

　　2.2.1 破膠劑的篩選（1）對廢棄鉆井液進行l0倍稀釋，分別加入等量破膠劑進行對比。取被稀釋的鉆井液150mL放入4個燒杯，向其各加入HCl（（0.1g/mL），MgCl2（0.1g/mL），CaCl2（0.lg/mL） AlCl3（0.1g/mlL）觀察他們的現象。上層出液量的結果：HCl> MgCl2> CaCl2> AlCl3，即HCl MgCl2的破膠效過好于其他兩者。

　?。?）研究HCL加量對破膠效果的影響：

　　通過試驗結果得出HCl比MgCl2相同濃度下處理效果好，并且最佳加量是4g/L。

　　2.2.2 混凝劑的篩選為使膠體被壓縮雙電層而脫穩，習慣上把能凝聚與絮凝作用的藥劑統稱為混凝劑，混凝劑應對人體健康無害，價廉易得，使用方便。

　　混凝劑包括無機鹽類混凝劑，有機高分子混凝劑和微生物混凝劑。

　?。?）無機混凝劑的篩選：

　　取稀釋5倍的廢棄鉆井液50mL兩份，向其加入1mL的HCl（0.2g/ml），一份中再加入無機混凝劑聚鋁（0.5%）0.2ml另一份中加入無機混凝劑聚鐵（0.5% ）0.2 mL。

　　實驗結果見表1：

　　從實驗結果得出，聚鋁的效果好于聚鐵。

　?。?）有機混凝劑的篩選各取50mL稀釋5倍的廢棄鉆井液溶于4個量筒，向其分別加入1mL的HCI（0.2g/mL）再向各個具塞量筒中加入CMC， CMS，CPAM，APAM各0.2mL。

　　實驗結果見表2：

　　實驗結果表明CPAM和APAM的效果比較好。

　　2.2.3 最佳用量的研究（1）確定聚鋁的最佳加量取8份稀釋5倍的廢棄鉆井液各300mL，向其中加入不同量的聚合硫酸鋁，然后進行壓濾固液再測其清澈液透光率。結果為聚合硫酸鋁的最佳加量為1.8mL。

　?。?）確定APAM的最佳加量取l0份稀釋5倍的廢棄鉆井液各300mL，向其中加入不同體積的APAM溶液，然后進行壓濾固液分離再測其清澈液透光率。結果為APAM的最佳加量為9.6mL。

　?。?）確定CPAM的最佳加量取8份稀釋5倍的廢棄鉆井液各300mL，再向其中加入不同體積的CPAM溶液（0.5%）然后進行壓濾固液分離再測其清澈液透光率。結果為APAM的最佳加量3.6mL。

　　2.2.4 復配研究（1）聚鋁和 CPAM取10份稀釋5倍的廢棄鉆井液各300mL，每份均其加入6mL的HCl（0.2g/mL），再向其中加入不同體積的聚鋁+CPAM溶液，然后進行壓濾固液分離，再測其清澈液透光率。實驗結果如表3。

　?。?）聚鋁和APAM取10份稀釋5倍的廢棄鉆井液各300mL，每份均加入6mL的HCl（0.2g/mL），再向加入不同體積的聚鋁APAM溶液，然后進行壓濾固液分離，再測其清澈液透光率。實驗結果如下表4。

　　復配研究結果顯示無機和有機絮凝劑的最佳配比為聚合硫酸鋁+APAM（5.6mL+9.6mL）。

　　2.2.5 鉆井液不同稀釋比的實驗研究分別將廢泥漿稀釋2，3，5，8，10，倍研究是研究上述最優配比對他們的作用效果。

　　取不同稀釋倍數的廢棄鉆井液各300mL每份均加入6mL的HCl（0.2g/mL），再向其中分別加入聚鋁（0.5%）+APAM（0.5%）（5.6mL+9.6mL），然后進行壓濾固液分離，測其固相含水率，實驗結果如表5。

　　從表中數據可以看出，稀釋倍數越大，其固相中含水率越低，但是過大的稀釋倍數會增加液相處理量，廢棄鉆井液稀釋5倍后，固相含水率下降呈緩慢趨勢，由此可知，廢棄鉆井液稀釋至3倍后對下一步處理最為有利。根據以上研究可知，固液分離階段，最佳處理條件為：無機和有機絮凝劑的最佳配比為聚合硫酸鋁+APAM（5.6mL+9.6mL），稀釋倍數為3倍3 現場應用及指標檢測3.1 設備現場布置在鉆機泥漿循環系統的外側布置該套裝置，全套設備于09年6月在江蘇東臺草舍用于草南2井的施工，該井是勘探井，完鉆井深3650米，施工57天。該井均采用環保型成膜水基鉆井液。主要添加劑： NaOH、成膜防塌劑DMF-102、成膜封堵劑CMD-201、PMHA、NH4HPAN、成膜潤滑劑CMR301成膜潤滑劑CMR-301、甲基硅油MSO、SMP、無熒光快鉆劑SBKZ-1 。全井井筒容積170方，實際處理鉆井廢棄物1208方。施工期間為雨季，共消耗處理藥劑近16噸，對外排放水120方。泥餅廢棄物約300方。

　　09年9月在江蘇黃橋用于溪1井的施工，該井是風險探井，設計井深2150米，施工55天。該井均采用兩性離子聚合物水基鉆井液體系。主要添加劑：燒堿NaOH、純堿Na2CO3、羧甲基纖維素鈉CMC、水解聚丙烯請晴銨鹽NH4HPAN、金屬兩性離子聚合物PMHA、有機硅腐植酸鉀OSAMK、低熒光防塌瀝青LF-TEX-1、包被劑PAC-141、磺化酚醛樹脂SMP、氯化鉀KCl、等。全井井筒容積173方，實際處理鉆井廢棄物1400方。對外排放水80方。

　　3.2 現場施工鉆井廢棄物經螺旋輸送機和儲漿罐收集后，由長桿泵泵入攪拌罐，先加入聚鋁后加入聚丙烯酰胺攪拌約3分鐘，絮凝后放入陶瓷分離器固液分離，分離后的水部分用于廢泥漿的稀釋，部分進入水處理裝置處理，達標后外排。該裝置鉆井廢棄物的處理能力達到5方/小時，污水的處理能力達到2方/小時。

　　鉆井廢棄物中砂巖較多時陶瓷板過濾后的泥餅含水率在45%，泥巖時含水率為65%。泥餅經一周的晾曬后人可以行走。固體廢棄物可作為井場道路的施工材料。

　　該套裝置改造后于2010年在中石化加蓬工區的施工中得到該國環保局的認可。

　　3.3 各項指標檢測3.3.1水處理前后的化驗數據將鉆井廢棄物進行化學絮凝處理后，利用真空陶瓷過濾得到過濾液（為表中處理前）和泥餅，過濾液再進行石英砂、活性炭、精細過濾和膜過濾，得到的過濾液（為表中處理后）。表中的允許值是國家《污水綜合排放標準》GB8978-96中的一級排放標準。處理后均已達標，氯化物合同要求小于250 mg/L，也已達標。

　　3.3.2 泥餅浸出液的化驗數據廢棄物經復合絮凝、強氧化處理后，通過陶瓷過濾機進行固液分離，得到固體廢棄物泥餅。泥餅的浸出液化驗數據，已達到國家“危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別”指標要求。

　　4 結論研制的鉆井廢棄物處理裝置，采用復合高效絮凝劑對鉆井廢棄物進行絮凝，達到破壞其膠體狀態的目的，根據廢棄物中的有機物總量的變化，可采用強氧化劑氧化分解，然后在負壓狀態下采用10微米的微孔陶瓷板進行固液分離，分離后的水再通過復合過濾器過濾除油，使溶液中石油類物質的濃度小于10mg/l。過濾后液體通過超濾、反滲透處理，除去水中其它有機物和有害物質，使水達到國家《污水綜合排放標準》一級標準，達標排放，泥餅浸出液符合國家《浸出毒性鑒別標準》。固體廢棄物可用于井場的道路建設。該裝置采用撬裝結構，便于搬遷，具有物料自動收集、輸送功能，全套裝置自動化程度較高，可實現隨鉆處理，滿足了大部分生產井的廢棄物處理要求，達到了鉆井清潔生產的目的。