【技术】废弃钻井液深度净化技术探讨
关注我们,收阅更多好文章,请点上方“中外油田化学品”
近年来,随着人们环保意识的加强及环保要求,人们对废弃钻井液污染环境有了深刻的认识。废弃钻井液与污油、污水一样,是油田生产的三大公害之一。主要表现有三:一是废弃钻井液自然状态下难以降解,造成周边地区土壤板结,土地盐碱化,植被大量破坏;二是废弃钻井液长期累积渗透到地表下水层或随雨水外溢流入江河小溪,污染水源,危害人民身体健康;三是废弃钻井液堆积在井场周围,占用大量耕地或草地,使占用的土地失去使用价值,成为新的污染源。对废弃钻井液的综合治理已成为当前急待解决的问题。
油田钻井过程中产生的废弃钻井液是一种含粘土、加重材料、化学添加剂(各种护胶剂、降失水剂、润滑剂等)、污水、污油及钻屑的多相稳定胶状悬浮体。其组分复杂,其中的总铬、六价铬、总汞、总砷、总镉、总铅、CODCr、石油类、pH值等污染指标中多数高于国家污染物综合排放标准(GB8978-1996)。油气田废弃钻井液产生于钻井和完井作业过程,废弃钻井液的组成较为复杂,在环境保护治理中称为“特殊作业废液”,主要来源于以下几个方面:地面设备跑、冒、滴、漏的油污,起下钻作业流失的泥浆,泥浆循环系统漏失的泥浆,随钻井过程涌出的地层水,泥浆罐的掏洗水,地面设备、钻台、钻井工具的冲洗水,放喷过程产生的废液,泥浆替换过程流失的废弃泥浆以及钻完井后遗留的废弃钻井液等,它们被集中存放在废弃钻井液储存池里面。我国每年废弃钻井液排放总量为几十万吨,由于废弃钻井液稳定性好、直接脱水困难而且还含有保水性能极好的特殊性质,在泥浆池中放置几年不干涸,不能覆土还田,因此废弃钻井液基本上未经处理,就地堆放,这样做不仅形成长期占地的局面,且存在非常严重的污染隐患。
1. 国外废弃钻井液处理技术现状
欧美多采用固-液分离技术、干物填埋、液相经处理达标后外排或回用,如美国专利提出了一项连续处理废钻井液的设备和方法,把完井液用泵连续打入缓冲罐,用酸调pH 值,加絮凝剂使其分成水相和含水小于50%的固相,水在去除有机物和盐类后达标排放,固相填理。前苏联多采用固化法,固化处理系向废弃钻井液中加入固化剂,主要有主凝剂、助凝剂、絮凝剂及抗冻剂等组成,经固化处理后使之转化成像土壤一样的固体(假性土壤)填埋在原处或用作建筑材料,这种方法能较大程度地减少废弃钻井液中的金属离子和有机物对土壤的侵蚀和沥滤,从而减少废弃钻井液对环境的影响与危害,同时又保证废弃钻井液的储存坑在钻井过程一结束即能还耕,不必长时间等待废弃钻井液组分凝固。
(1)分散处理法。废弃钻井液部分可以采用分散法处理。废弃钻井液一般呈碱性,集中堆放容易导致该区域的土壤碱化,采用分散的方法处理,有利于降低碱度。特别是若分散到酸性土壤中,由于它中和了土壤中的酸性,可以起到改良土壤的作用。当然,必须在满足环境保护要求的前提下才能采用该方法。假如不能符合环保要求就必须改用其它适合的方法。对少量的油基钻井液也可用分散法处理。
(2)循环使用法。有些废弃钻井液、废水、废材料等可循环使用。水是最有可能被循环使用的,例如从钻井液中分离出来的废水可用于清洗钻头;清洗钻头后的废水可以收集后再循环使用。生产水经过处理后再注入井内以平衡井内压力,也可用于重油的处理。要求安装的设备能便利地使用可重复利用的废材料,例如安装循环系统以便收集溶剂和其它能够收集的材料并在井场重复使用。有些暂时废弃的钻井液(如改变钻井液的密度、粘度等时处理的一部分钻井液)在适当的时候又可以在该井使用,或运到另一口适合的井上再使用。
(3)回收再利用法。回收再利用处理废弃钻井液方法不失为一项既经济又合理的处理方法。油基、酯基还有合成基钻井液使用后,可回收其基液后再用于其它井作为钻井液的基液或作为燃料等其它用途。还有钻井液中的添加剂也可以采用适当的方法回收再利用。很多废弃材料都是可以回收再利用的。
(4)固液分离法。固液分离法是利用化学絮凝剂絮凝、沉降和机械分离等强化措施,使废弃钻井液中的固液两相得以分离。废弃钻井液中含有膨润土,但膨润土本身具有很强的水化能力,再加上加有大量的添加剂,使得其中的固体颗粒很难分离出来。采用加水稀释法可以使大量的加重剂通过自然沉降法分离出来,但是还是很难破坏由水化能力很强的粘土颗粒和多种护胶剂组成的钻井液胶体体系。加入无机和有机絮凝剂后,可以破坏固体颗粒表面结构,中和表面的电荷减少颗粒之间的静电引力,促使固相颗粒聚结变大从而达到固液分离的目的。由于钻井液和地层的特性不同,一种絮凝剂是不可能使各种钻井液的固液进行分离的。对于不同的废弃钻井液应使用不同的絮凝剂。现在已经研究出了很多无机和有机絮凝剂,用于不同的废弃物的絮凝处理,得到了较好的效果。使用该方法进行钻井废弃物的脱水处理,效果很好,但必须要了解废弃钻井液的特性,选用不同的絮凝剂。
(5)破乳法。有的钻井液本身是乳状液,同时钻井液在钻井过程中由于水和油的渗入可能形成半乳状液。这给钻井废弃物的处理带来了困难,严重地污染了环境。所以必须要实施破乳。破乳可以采用传统的添加化学剂的方法,利用化学剂的特性破乳。如利用电解质所带电荷的性质不同,或者通过加入化学剂降低钻井液的粘度等。但这些方法由于添加了化学剂,一方面提高了成本,另一方面给环境又带来了新的影响。委内瑞拉石油公司实施了一项新技术——微波破乳法。此外,还可以使用剪切破乳、加热浮选破乳等。
(6)固化法。固化法是向废弃钻井液中加入固化剂,使其转化为土壤或胶结强度很大的固体,就地填埋或者作为建筑材料等。该方法能够消除废弃钻井液中的金属离子和有机物质对水体、土壤和生态环境的影响和危害。这种方法现在被认为是一种比较可靠的治理废钻井液污染的方法,对于治理难度最大的CODCr、pH值和总铬最为有效,根据固化物浸出液毒性测定,达到工业废水排放标准。对于含水量高的废钻井液,可以结合固液分离技术,以取得最佳的处理效果。适用的钻井液体系主要有膨润土型、部分水解聚丙烯酰胺、木质素磺酸铬、油基钻井液等。根据所用固化剂的不同,分为有机和无机两大类。有机系列包括脲醛树脂、聚脂、环氧乙烷、丙烯酰胺凝胶体、聚丁二烯等;无机系列有普通硅酸盐水泥、波特兰水泥、波特兰水泥混合物、磷石膏等。
(7)坑内密封法。处理钻井废弃物的坑内密封法事实上是一种特殊的填埋方法。它是在坑的底部和四周铺一层有机土,然后在其上面铺一层塑料垫层,再盖一层有机土;也可以在底部和四周加固化层,以防渗漏。再将基本干燥的废弃钻井液填充在池内,上表面再按前面的方法将其覆盖密封,然后恢复地貌。这主要是对那些毒性较大的钻井液而言。但必须要保证密封严实,不能漏失。
(8)生物处理法。生物处理钻井废弃物的方法有许多种。微生物降解法是利用微生物将有机长链或有机高分子降解成为环境可接受的低分子或气体。使用该方法的困难是如何选择合适的微生物菌种和载体。生物絮凝法是在废弃钻井液中加入特殊的微生物,使一些高分子有机物絮凝并且沉积下来,可用于钻井废水的处理。该方法中所用微生物必须是通过自然筛选或诱变培育及基因工程、细胞工程技术获得的特种微生物。这些微生物同时还可以对某些有机物进行降解,如邻、间、对苯酚就可以在这样的微生物作用下,发生生物降解。
(9)MTC 技术。MTC(泥浆转化为水泥浆Mud-To-Cement)固井技术是在钻井液中加入固化添加剂,经过充分混合形成稳定的固化物,完成钻井液转换水泥浆的过程。它利用钻井液的失水性和悬浮性,通过加入廉价的高炉水淬矿渣(BFC)、激活剂(BAS),将钻井液转化为完全可以与油井水泥浆相媲美的固井液。此技术既可节约固井成本,又可部分解决废钻井液污染
环境问题。经过CBL 测试,固井质量、固井成功率、封固井质量合格率均为100%。
(10)回注法。有些毒性较大又难以处理的废弃钻井液可以通过回注法处理。回注方法有2 种。①注入非渗透性地层。用压裂液在机械作用下加压到足以将地层压裂的压力,将要处理的废弃钻井液注入地层裂缝中,撤消压力时,周围地层中的裂缝自行关闭,从而防止地层中的废弃钻井液发生迁移。现在在海上钻井时,许多情况下的废弃钻井液处理就是用该方法。②注入地层或井眼环形空间。将废弃钻井液通过井眼注入安全地层或井眼的环形空间。但该方法对地层有严格的要求,深度必须大于600m。一般钻井液的处理可以采用该方法。
(11)填埋冷冻法。在比较寒冷的地方,废弃钻井液和钻屑可以注入冻土层,将这些废弃物永久地冷冻在冻土层中,这样就不会发生迁移造成环境的污染。在美国阿拉斯加州的北斜坡地区使用该方法,在该地区通过使用废弃物处理设备己成功地将1908000m3钻井废弃物注入到609.6m深的地下冷冻层。并跟踪了它的潜在污染情况,发现结果非常理想。虽然钻井废弃物具有一定的温度,注入到冷冻层后对里面的温度有影响,但是这个影响很微弱,不会使冷冻层的冷冻物融化,相反可以将废弃物永久冷冻起来而不让其发生迁移。在适宜的区域用该方法处理钻井废弃物是很好的。
(12)焚烧处理。焚烧也是一种非常洁净的处理钻井废弃物的方法。因为在焚烧炉的烟窗内都安置有除尘、回收和气体吸收的装置。回收的油和其它物质可以用于油基钻井液的基液或移作他用。剩余的灰烬可以综合利用,对环境没有不良影响。但这要求必须具有很高的温度(大约为1200℃~1500℃)。现在国外使用一项称作加热解吸的技术,用于加热解吸油基钻井液中钻屑含有的油类物质(温度大约为400℃)。加热解吸油基钻井液钻屑的技术己经成熟,在北海油田用其处理油基钻井液中的钻屑,分离钻屑中的油类物质,钻屑中的剩余含油量小于1%,可以直接排放到海洋中,符合国际和国家的环保要求。解决了海上使用油基钻井液产生的油基钻屑处理困难的问题。目前又发展了一项新技术——低温加热解吸油基钻井液钻屑中含有的油类物质的技术。
(13)运到指定地点集中处理法。废弃钻井液中的部分废弃物在井场不能当场处理也不能直接排放,必须运出井场到某指定地点集中处理。这主要是针对那些毒性比较大、用常规方法处理会严重污染环境、也没有合适的处理方法的废弃钻井液。
2. 国内废弃钻井液处理技术现状
国内对废钻井液进行无害化处理研究最早的是四川油田。1988 年9 月四川油田川西北矿区提出了一项关于“钻井完井钻井液回收处理装置”的专利,但未提及热源的解决方法和处理成本。四川油田川西南矿区以水泥等作为固化剂,处理固化后强度可达1.2MPa以上,表面覆土可退耕还田。
自1980 年以来,在钻井队普遍推广化学混凝法处理工艺。在管理方面,逐渐推广了科学化、标准化管理,采取了控制泥浆流失、用水量、清污分流等一系列措施,对于降低污染物浓度和废水量的减少起到了一定作用。在水处理剂方面,从单一的硫酸铝、聚丙烯酸胺发展到聚合氯化铝、PFS、复合絮凝剂、硫酸铝、聚丙烯酞胺等多种絮凝剂的共用;在处理装置方面向连续化、自动化、科学化方向发展。辽河油田在1990 年为处理压力密闭取心带放射性氚的废钻井液时采用了固化处理技术。中国石油大学于1992 年对水基聚丙烯酰胺淡水钻井液的有害组分进行了分析,研究了无害化处理技术,但仅仅在实验室研究,未能适应现场使用要求。1992 年中国石油天然气总公司委托石油大学、江汉石油学院、江苏油田、辽河油田和沈阳市环监中心进行了“废钻井液的处理研究”,是选用硫酸铝为絮凝剂,再添加其它药剂来处理,比较适用于分散型钻井液体系的废弃物。长江大学化学与环境工程学院对江苏油田废弃钻井液进行了化学脱稳及固液分离处理,设计了可移动式处理装置。胜利石油管理局采用化学强化固液分离法处理废弃钻井液,取得了好的效果。虽然我国在油田钻井液污染的控制取得了很大的成绩,但随着国家环境保护法律、法规的日益严格,石油、天然气勘探开发难度的增加,钻井、作业废弃物的处理也越来越困难。废弃物处理中存在的主要问题主要表现在处理后废水的COD值、色度达标率低等问题。因此,在今后的研究工作中,开发新型的处理剂,使之能广泛使用于各种废弃物的处理;研究一套完整的系列处理方法,使它能适用于不同的废弃物处理的要求;研究开发高效固液分离组合装置,逐步加强和完善废弃物的全封闭循环处理工艺;加强深度处理方法的研究,加强对钻井、作业废弃物的综合利用等都是我们研究的方向。
3. 胜利油田废弃钻井液处理技术
由于各国油田的地质情况和钻井技术水平的不同,使用的钻井液处理剂差异大,产生的废弃物含有毒物质的组分也不相同。国外的钻井液材料和处理剂大多选择无毒物质,产生的钻屑和废弃钻井液由专业的废物处理公司进行环保处理,处理成本高,加上处理技术的保密,在经济上和技术上不适合我国的国情,国外的处理方法很难直接应用于国内的生产中。为此本文根据胜利油田的实际情况,提出如下技术方案:
3.1 强化固液分离,回收有用钻井液
由于钻井液相当昂贵,需要多种钻井液原材料添加剂调制而成,因此需要回收再利用,以降低钻井成本。首先对完钻后钻井液再进行化学强化高效固液分离,充分去除钻井液中有害固相,使之达到下口新井循环再利用的性能,同时对分离出来的有害固相再次高速离心脱水机进行干燥,充分降低含湿量和含油量,使之达到国家二级标准或者使得钻屑的干燥程度达到袋装化运输条件。经高速离心脱水机脱出来的液体,也是回收的有用钻井液,再返回钻井液循环罐中,作为下口新井再利用。
3.2 外排的废弃钻井液深度净化和无害化处理
对钻井液中的有害物质,进行絮凝和水化反应,生成多种难以溶于水的水合物晶体,破坏钻井液体系,通过吸附作用形成螯合物,完成对有机物和重金属离子的包被作用,从而达到废弃钻井液的无害化。主要过程是:先用供浆泵将完钻后的钻井液输送到一级絮凝罐中,进行化学脱稳、絮凝处理,从而把钻井废液中的有害成份转化为危害性小或无害的物质或减少其淋滤浸出率,然后将已脱稳、絮凝的废液泵入高速离心机中,实现固液分离,使絮体颗粒间的游离水和部分分子间水离心分离出来,经过高速离心机进行固液分离后分离出来的沉渣其含水量、含油量要达到排放要求或运输条件;经过高速离心机分离出来的液相,如果检测达到排放标准的就排放,如果未能达到排放标准的就进入二级絮凝罐中进行二次絮凝以进一步降低无害化程度,二次絮凝后的液相再用反渗膜的水处理装置进行深度无害化处理,使得排出的水质最终达到排放标准要求。施工过程废弃溶液无害化药剂及加量如表1所示。
4. 现场应用及效果
采用上述技术方案,先后在胜利油田374 排-606井、坨30-平1 井、营11-平1 井及坨143-X34 井等施工4 口井,施工之后主要污染物指标含量如表2 所示。
处理之后的水质和固相达到《GB 8978-1996 污水综合排放标准》《GB 4914-2008 海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》及《QSH 0238-2009 钻井工程污染物防治规范》,完全实现无害化的排放。
5. 结束语
本文对完钻后钻井液再进行化学强化高效固液分离,充分去除钻井液中有害固相,使之达到下口新井循环使用的性能,实现了钻井液有效回收再利用,降低了钻井成本;对外排的废弃钻井液,采用絮凝和水化反应,通过吸附作用形成螯合物,实现从而达到废弃钻井液及废弃固相的无害化。采用该套工艺技术处理之后的各项污染物的含量大大降低,达到相关的排放标准要求,从而实现节约钻井液用量、减少环境污染的目的。随着国家对环保的要求日益严格,对废弃钻井液和钻屑造成的环境污染问题越来越引起各方的关注。当前环境保护是我国的一项基本国策,改变传统的废弃物的处理方法,搞清废弃物无害化处理原理,研究和应用废弃物无害化处理技术,对于保护区域环境,保障石油工业长期稳定发展,实现人类可持续发展具有非常重要的现实意义。
(来源:西部探矿工程)
朋友们有问题请随时留言,多多沟通!
?
下一篇:专家:水质情况系国家机密?水源地或仅50%合格 2014年04月27日11:44来源:21世纪网-《21世纪经济报道》