油基鉆井液回收再利用技術(shù)研究進(jìn)展

殷柏濤

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江 大慶 163413）

油基鉆井液配方簡單，性能穩(wěn)定易維護(hù)，特別是在泥頁巖地層井壁穩(wěn)定能力、抗高溫穩(wěn)定性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他鉆井液體系，在國內(nèi)外各大油田得到大范圍推廣應(yīng)用。大慶油田在20世紀(jì)80年代開始研究和應(yīng)用油基鉆井液，在進(jìn)入21世紀(jì)后大力開發(fā)致密油資源時才進(jìn)行規(guī)模化應(yīng)用。但油基鉆井液的高成本問題一直沒有得到很好解決，在應(yīng)用過程中產(chǎn)生的大量含油鉆屑和廢棄鉆井液給油田帶來巨大壓力，如處理不當(dāng)會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，特別是2015年新《環(huán)保法》的嚴(yán)格要求更是限制了油基鉆井液的大規(guī)模應(yīng)用。為解決這一難題，必須對現(xiàn)有的油基鉆井液回收再利用技術(shù)進(jìn)行充分調(diào)研，再結(jié)合大慶油田實際情況，形成適應(yīng)性較強(qiáng)的回收再利用技術(shù)，實現(xiàn)油基鉆井液完全不落地和回收使用，達(dá)到降低鉆井液總成本，保護(hù)環(huán)境的目的，以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 油基鉆井液廢棄物的特點與危害

油基鉆井液屬于油包水型鉆井液體系，油水比一般在（80∶20）～（90∶10）之間，除含有大量柴油外，還含有有機(jī)土、鉆屑、加重材料、無機(jī)鹽和乳化劑等化學(xué)添加劑，這種由油、水、固相顆粒、化學(xué)劑構(gòu)成的乳化體系性能非常復(fù)雜和穩(wěn)定，處理難度極大[1]。

油基鉆井液中含有的礦物油、化合物、重金屬以及瀝青、膠質(zhì)等有毒物質(zhì)屬于國家明確規(guī)定的危險廢棄物，在自然界中很難被降解，直接排放會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染和破壞：①油基鉆井液中的大量油相會在水體表面漂浮而阻絕氧氣交換，影響水體生物生長；②油相含有的大量芳烴和重金屬離子具有致癌、導(dǎo)致基因突變等作業(yè)，在土壤中富集會被農(nóng)作物等植被吸收而進(jìn)入食物鏈，最終影響人類健康；③油基鉆井液中含有的各種無機(jī)鹽和堿類物質(zhì)會引起土壤板結(jié)，嚴(yán)重降低土壤質(zhì)量而影響農(nóng)作物和植被生長。

2 油基鉆井液廢棄物管理要求

20世紀(jì)70年代以來歐美國家開始制定并實施環(huán)境保護(hù)措施，目前已經(jīng)形成了完備的法律法規(guī)來約束環(huán)境污染問題，均要求對鉆井廢棄物實現(xiàn)“零排放”從源頭上減少到最終處理進(jìn)行嚴(yán)格處理，始終堅持源頭減少、再利用、再循環(huán)、再回收的“4R”原則。在眾多國家的立法中以美國最嚴(yán)格，在1972年頒布《清潔水體條件》基礎(chǔ)上，根據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及控制污染技術(shù)的發(fā)展，相繼制定了一系列排放法律，明令禁止油基鉆井液、含油鉆屑直接排放，必須通過糠蝦生物實驗和靜態(tài)發(fā)光試驗才能向外排放。在執(zhí)法方面也十分嚴(yán)格，在鉆井過程中，必須每月和完鉆時提供鉆井液生物毒性數(shù)據(jù)。鉆井液及其廢物必須達(dá)標(biāo)后才能排放，對于招標(biāo)排放者，處以100美元/d的罰款，對于蓄意或無視規(guī)定者處以2500～25000美元/d的罰款，甚至處以一年監(jiān)禁[2]。

我國于2015年施行的新《環(huán)境保護(hù)法》明確將含油鉆屑列入國家危險廢物名錄，對鉆井產(chǎn)生的廢棄物管控愈來愈嚴(yán)格。因此，研究出一種更加經(jīng)濟(jì)高效的油基鉆井液處理和回收再利用技術(shù)，已經(jīng)成為石油石化行業(yè)的迫切需求，這對整個石油行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3 油基鉆井液處理技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外廢棄油基鉆井液處理技術(shù)較多，主要有化學(xué)破乳法、溶劑萃取法、熱蒸餾法、超臨界液體抽提法、汽提法、生物修復(fù)法、坑內(nèi)密封掩埋法、地層安全注入法等，這些方法各有優(yōu)缺點。

3.1 坑內(nèi)密封掩埋法

由于國內(nèi)油基鉆井液技術(shù)研究起步較晚，針對油基鉆井液的回收再利用技術(shù)也進(jìn)展緩慢，各大油田最初對油基鉆井液廢棄物的處理大都采用固化掩埋法：向廢棄油基鉆井液中加入固化劑，將其轉(zhuǎn)化成類似于混凝土的固結(jié)體，再將其就地掩埋或者送到指定地點進(jìn)行集中掩埋。這種處理方法雖然能暫時緩解油基鉆井液對環(huán)境的污染，但在經(jīng)過一定時間后，在雨水和地下水沖刷和浸泡作用下，固結(jié)體重的重金屬離子、油相和有機(jī)物等仍然會緩慢滲透到附近的土壤中，甚至?xí)B透到地層深部或地下水層位，造成無法估量的損失。在認(rèn)識到固化掩埋法的缺點后，各油田又開始研究新的油基鉆井液處理設(shè)備和方法[3]。

3.2 熱蒸餾法

熱蒸餾法是采用加熱的方式，將廢棄鉆井液和鉆屑中的烴類物質(zhì)揮發(fā)，經(jīng)冷凝后進(jìn)行回收的一種工藝方法。經(jīng)分離后回收的油可以用于繼續(xù)配制油基鉆井液，或者用作燃料等，剩下的固相殘渣則可以壓制成型后，高溫?zé)瞥纱u，用于鋪路等。這種處理方法率先在英國和澳大利亞等油田進(jìn)行應(yīng)用。其中英國北海油田采用這種方法處理后的鉆屑含油率小于1%，完全符合國際環(huán)保指標(biāo)，可直接排放到海洋中；澳大利亞科研人員采用該方法處理廢棄油基鉆井液，油的回收率超過92%，但處理過程中的高能耗帶來的高成本問題也一直沒有得到很好解決。

熱蒸餾法處理含油鉆屑的主要優(yōu)點就是油的回收率高，但高能耗、設(shè)備要求高也是需要亟待解決的難題，限制了該方法的大規(guī)模應(yīng)用。

3.3 溶劑萃取法

溶劑萃取法是采用有機(jī)溶劑將廢棄油基鉆井液的油相進(jìn)行溶解，然后將有機(jī)溶劑和油相形成的萃取液經(jīng)閃蒸蒸出溶劑后得到純度較高的油，回收油可用于配制油基鉆井液或用作燃料，萃取劑可以繼續(xù)循環(huán)使用。常用的萃取有機(jī)溶劑油己烷、氯代烴、乙酸乙酯等[4]。

該方法在挪威一處鉆井廢棄物處理廠應(yīng)用過，油的回收率一度高達(dá)94%。這種方法適用于少量廢棄油基鉆井液的處理，并且操作易于實現(xiàn)，油的回收率比熱蒸餾法還要高。但是該方法使用的有機(jī)溶劑易于揮發(fā)，對技術(shù)人員人身安全和井場周邊環(huán)境影響較大。

3.4 超臨界流體抽提法

超臨界流體抽提法是在有機(jī)溶劑萃取法的基礎(chǔ)上形成的一種新方法，將廢棄油基鉆井液與二氧化碳、丙烷等超臨界流體混合，鉆井液中的油相就會被萃取到超臨界流體中，經(jīng)過減壓后油就會被回收加以利用。這種方法處理效果好，油相的萃取率高達(dá)98%，高于有機(jī)溶劑萃取法，但是處理工藝流程長，且處理費用昂貴，只有在特殊需要時才能采用，比如難于降解的劇毒有機(jī)污染土壤。

3.5 汽提法

汽提法是一種物理處理方法，將高溫高壓蒸氣充入到廢棄油基鉆井液中，將油基鉆井液中的油相變成油蒸氣隨著水蒸氣一起帶出，然后對油水蒸氣的混合物進(jìn)行冷凝而將油相回收。這種處理方法的最大優(yōu)點就是廢棄油基鉆井液中的油相清除徹底，不會二次污染環(huán)境，但該方法對處理設(shè)備要求較高，且成本也一直居高不下，所以應(yīng)用較少。國內(nèi)冀東油田設(shè)計了一套裝置，應(yīng)用該方法處理后的鉆屑呈細(xì)粉末狀，含油率小于0.3%，運輸裝卸都非常方便，達(dá)到直接排放標(biāo)準(zhǔn)[5]。

3.6 化學(xué)破乳法

油基鉆井液在配制過程中，會加入一種或兩種乳化劑，以提高乳狀液的穩(wěn)定性和抗高溫性能，這種乳狀液在完井后很長時間都難以自動破乳降解。化學(xué)破乳法就是通過在廢棄油基鉆井液中加入化學(xué)藥劑達(dá)到破乳的目的，這種化學(xué)破乳劑一般采用油溶性破乳劑或者酸、高價金屬鹽等。對廢棄油基鉆井液破乳以后，對其進(jìn)行高速離心，頂層的油相可直接回收。

這種方法工藝簡單、設(shè)備要求不高、油相回收率高，已經(jīng)成為目前處理廢棄油基鉆井液的主要手段，國內(nèi)許多學(xué)者都早已著手進(jìn)行研究。在化學(xué)破乳的基礎(chǔ)上，通過加入清油劑、絮凝劑或凝聚劑等，可用于成分更加復(fù)雜的廢棄油基鉆井液的處理；或者將化學(xué)破乳法與超聲波法相結(jié)合，油相回收率可高達(dá)96%以上。但所有處理方法和工藝都是建立在化學(xué)破乳基礎(chǔ)上，因此，研究一種高效能的破乳劑已經(jīng)成為該方法的重點和難點。

3.7 生物修復(fù)法

微生物降解法和生物絮凝法都屬于生物修復(fù)法處理廢棄油基鉆井液。兩種方法的共同之處是都需要培養(yǎng)微生物，可以在自然環(huán)境優(yōu)選出合適的菌種進(jìn)行培養(yǎng)，也可以通過基因工程人工培養(yǎng)出需要的特殊菌種；不同之處在于微生物降解法是利用微生物將長鏈烴類物質(zhì)降解成低分子量的物質(zhì)，生物絮凝法是通過特殊微生物在代謝過程中產(chǎn)生的高分子化合物來對油基鉆井液進(jìn)行破乳，達(dá)到分解油相的目的。

微生物修復(fù)法的最大優(yōu)點就是不需要添加化學(xué)處理劑，避免對環(huán)境造成二次傷害，同時，不需要配套專業(yè)設(shè)備而增加成本投入。缺點就是微生物菌種優(yōu)選和培養(yǎng)周期長，廢棄油基鉆井液處理時間也較長，不適合較大量的油基鉆井液處理。

4 發(fā)展趨勢

（1）油基鉆井液廢棄物油相含量高、成分復(fù)雜，具有環(huán)境污染嚴(yán)重、難處理等特點，為提高油基鉆井液環(huán)境兼容性和回收再利用率，相繼形成了一系列處理工藝和技術(shù)，為緩解油基鉆井液的環(huán)保壓力提供了技術(shù)支持。

（2）油基鉆井液處理方法較多，各有優(yōu)點和缺點，單獨一種方法處理效果通常都不太理想，要達(dá)到最好的處理效果，應(yīng)該從以下幾點加強(qiáng)研究和攻關(guān)：①在油基鉆井液處理劑研究與合成的過程中，應(yīng)充分考慮環(huán)保因素，在保證性能指標(biāo)的同時，盡可能多選用能夠自然降解的原材料，比如選用生物柴油替代柴油就能大大減少后期處理難度；②油基鉆井液使用單位因地制宜，根據(jù)各油田實際情況考慮將兩種或多種處理方法結(jié)合、配套使用，比如將化學(xué)破乳法配合使用離心、甩干等設(shè)備，能將鉆屑含油率降到最低，油相回收率能夠進(jìn)一步提高；③各油田應(yīng)該從可持續(xù)發(fā)展角度考慮，適當(dāng)加大油基鉆井液回收再利用技術(shù)研究和設(shè)備改造升級，進(jìn)一步提高處理能力。