地質(zhì)鉆探廢漿處理設(shè)備及技術(shù)研究進展

蔣 炳，張統(tǒng)得，吳金生，羅顯梁，黎一禾

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都 611734；2.成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川成都 611731）

綠色勘察是以綠色發(fā)展為理念，通過運用高效、環(huán)保的方法、技術(shù)、設(shè)備、工藝等，在地質(zhì)鉆探過程中，應(yīng)盡量避免環(huán)境污染，避免施工過程中對生態(tài)環(huán)境造成影響，實現(xiàn)勘查和保護共存的效果。綠色勘察的重要手段之一是將鉆井過程中所產(chǎn)生的廢棄鉆井液進行無害化處理。廢棄鉆井液是指一種含鉆屑、各種有機、無機添加劑、粘土、污水、加重材料等的成分復(fù)雜的多相穩(wěn)定懸浮膠體。廢棄水基鉆井液污染物主要分為有機物污染、無機物污染和生物污染等，鉆探過程中污染主要來源為鉆屑、泥漿添加劑、廢水、機油等。據(jù)估算，包括巖粉在內(nèi)的鉆屑和廢漿約占鉆井廢棄物總量的99.7%[1]。根據(jù)最新實施的環(huán)保法的要求，在世界范圍內(nèi)某些特殊地區(qū)需實現(xiàn)“泥漿不落地處理技術(shù)”，要求處理后的巖粉、巖屑及其他廢渣等固相可就地達標堆放或填埋，處理后的廢水可就地達標排放或拉運到特許排放口排放。

現(xiàn)目前，水基鉆井廢棄物處理技術(shù)主要包括生物處理技術(shù)、鉆井液水處理、回收技術(shù)、鉆井廢液廢水一體化處理、鉆井廢棄物“不落地”無害化處理、泥漿池就地固化（或無害化）等，技術(shù)總體趨于多功能集合。

1 國外研究現(xiàn)狀

1.1 國外處理技術(shù)

目前國外處置鉆井廢棄物的標準一是處理量最少化、二是毒性最小化，即回收再生處理、處理后再利用、處理后再循環(huán)、源頭減量化等。近些年來，“零排放”成了許多國家處理廢棄鉆井物的目標，嚴格要求了鉆井廢棄物的源頭減量、過程控制和末端處理三階段，以此降低對生態(tài)環(huán)境的影響，并推動鉆井廢棄物處理的標準化、規(guī)范化和系統(tǒng)化。

目前國外大力發(fā)展脫水處理技術(shù)（de-watering），包括馬來西亞的KMC Oiltools 公司、美國NVO 公司、美國M-I SWACO（隸屬于Schlumberger公司）等，國外目前的主要技術(shù)為化學(xué)強化固液分離技術(shù)，分離出水回用或拉運至集中處理站處理，分離出渣拉運處理[4]。加拿大、美國、荷蘭等國家處理鉆井廢棄物的主要方法為高溫分解技術(shù)，該技術(shù)能較大程度回收油類物質(zhì)，但成本較高。巴西石油公司將固液分離后的鉆屑加入到粘土中并進行壓實，燒制成磚塊用作建筑材料，結(jié)果表明其強度滿足相關(guān)要求。Alimohammadi[2]針對廢棄鉆井液中的重金屬鉻離子采用納米吸附劑來進行處理取得較好的試驗效果。Leonard[3]曾對廢棄鉆井液固化技術(shù)進行研究，主要采用水泥和粉煤灰等與廢棄鉆井液反應(yīng)，研究其固化產(chǎn)物的濾液組成、滲透性和抗壓強度，結(jié)果表明，固化產(chǎn)物的無側(cè)限抗壓強度隨著高碳粉煤灰的增加而降低，同時提高固化產(chǎn)物的滲透性，氫化合物的濾出得到一定程度上的降低。此外，國外一些油田和研究機構(gòu)也開始采用生物處理技術(shù)處理廢棄鉆井液，主要采用微生物、蚯蚓等輔助對含油鉆井液廢棄物進行生物無害化處理，該方法的優(yōu)點主要有處理徹底和無二次污染，但時間成本較高。在濾液的處理方面，臭氧具有極強的氧化能力，隨著臭氧發(fā)生技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)成本的下降，近年來，臭氧氧化方法在廢水處理中扮演著愈發(fā)重要的角色。B J H wang[4]研究了電化學(xué)法處理含氯有機物的有效性，并成功用PbO2/聚吡咯復(fù)合電極去除了廢水中的氯離子。H S Joglekar[5]認為處理廢水時應(yīng)用濕式空氣氧化法時，對比燃燒處理法過稀，對比生物降解處理過濃、而工業(yè)廢水又存在較大毒性，將濕式空氣氧化法應(yīng)用于處理含酚廢水，在氧分壓為0.3～1.5MPa，溫度為150℃～180℃的條件下，可降低廢水超過90%COD，可100%滿足對酚類分子的結(jié)構(gòu)破壞。整體來說，國外處理流程與國內(nèi)差距不大，但技術(shù)的集成領(lǐng)先國內(nèi)。

1.2 國外廢漿處理設(shè)備

美國NEW PARK公司廢棄物處理公司開發(fā)了一種油田污物凈化裝置，其主要由污水處理裝置、固體顆粒控制裝置和鉆井液脫水裝置等處理單元組成。其中污水處理裝置處理單元配備離心機，沉淀池和16～320m3的藥劑混合罐，其優(yōu)點為占地面積小，且可根據(jù)處理量大小決定設(shè)備的使用。YOB鉆井污水處理裝置是烏克蘭石油工業(yè)聯(lián)合公司于21世紀研制，主要采用了化學(xué)混凝和多級沉淀工藝處理鉆井污水。法國PAU國際石油設(shè)備公司開發(fā)了撬裝閉路式污水處理裝置，主要采用中和、混凝和離心分離工藝，設(shè)備運行方式靈活可靠，可根據(jù)現(xiàn)場需要進行間歇或連續(xù)操作，其每小時處理量可達36m3，且其中出水可再重復(fù)再利用[6]。此外還有鉆機真空抽吸系統(tǒng)，海上鉆機真空容器抽吸系統(tǒng)、真空抽吸機、巖屑收集站、廢棄物收集箱、罐清洗裝置、便攜式罐清洗裝置、鉆屑回注系統(tǒng)、巖屑干燥機、化學(xué)強離心系統(tǒng)等不落地設(shè)備。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

從20世紀80年代開始，我國開始逐步研究廢棄鉆井液處理技術(shù)，在數(shù)十年中，學(xué)者們先后較為系統(tǒng)地研究了廢棄鉆井液的毒性毒理，對環(huán)境產(chǎn)生的影響及影響方式，其中固化方法是目前國內(nèi)掌握的最有效的廢棄鉆井液處理方法。

2.1 國內(nèi)處理技術(shù)

現(xiàn)階段我國廢棄鉆井液的常規(guī)處理方法為添加表面活性劑或熱處理法，在此基礎(chǔ)上借助固化劑實現(xiàn)鉆井液固化，最終以筑路、填埋等方式處理。

2.1.1 焚燒處理

焚燒處理使用500℃～1500℃的高溫，將廢棄鉆井液中的污染源進行氧化分解，從而起到減量廢棄物的作用。但產(chǎn)生新的有害物質(zhì)及成本較大。在焚燒期間受到金屬與氧氣的作用，部分有機物生成氮氧化物等有毒物質(zhì)。

2.1.2 熱吸解法

需依托于熱吸解裝置，常用熱吸解裝置來源于美國和加拿大。以加熱方式分為熱摩擦鉆屑熱解吸、化學(xué)熱解吸、錘磨熱解吸。通過溫度高低，將處理方式可分為低溫和高溫兩種不同的處理方式，其中低溫控制在300℃左右，適用于輕油廢棄物處理，高溫控制在520℃左右，適用于重油廢棄物的處理。將溫度控制在400℃左右，可實現(xiàn)油基鉆井液的有效處理，可以在保證環(huán)保性、高效性的前提下，可控制鉆屑含油量在1%以內(nèi)。

2.1.3 化學(xué)強化固液分離法

主要是采用化學(xué)脫穩(wěn)絮凝方法處理廢棄鉆井液，然后采用機械設(shè)備，一般是壓濾機或離心機進行固液分離。張統(tǒng)得等[7]對廢棄鉆井液污染特性進行了研究，又選了破膠劑和絮凝劑，基本實現(xiàn)了無害化處理廢棄鉆井液技術(shù)。賴曉晴等在研究中提出，絮凝過程中存在固相顆粒粒徑增大現(xiàn)象，且固液分離效果受到絮凝體積、密度的直接影響。程玉生等對廢棄鉆井液進行了激光粒度分析，以此為基礎(chǔ)，優(yōu)化對應(yīng)設(shè)備參數(shù)，以北部灣地區(qū)油井為例制作一套處理方式，其分離效果得到改善。

2.1.4 回注法

地層會受到回注的不利影響，不僅增大其注入壓力，亦會增大出現(xiàn)地層損傷、污染問題的概率，容易發(fā)生井筒腐蝕的現(xiàn)象。常規(guī)處理方法以微粒的形勢進行廢棄固相制作，然后配置成漿體進行目標地層的注入。以地層類型分類，分為井眼環(huán)形空間注入、地層注入或非滲透性注入。阿聯(lián)酋曾在環(huán)形空間地層內(nèi)成功注入廢棄鉆井液，注入量多達10000t。國內(nèi)目前未在回注法研究方面取得突破性進展。目前，國內(nèi)外將凍土層作為注入目標層，將一定量的廢棄鉆井液注入其中能做到永久冷凍，避免注入地層后發(fā)生污染源遷移而影響到生態(tài)環(huán)境。其局限性主要在于無法有效消除污染源，成本大。

2.1.5 微生物處理

針對廢棄鉆井液中的長鏈烴、有機物利用微生物降解成氣體和低分子。核心為微生物菌種的有效培養(yǎng)。主要包括微生物土壤技術(shù)、好氧生物技術(shù)、分散處理技術(shù)、厭氧生物技術(shù)、生物絮凝技術(shù)、氧化塘技術(shù)等。針對液相廢棄物，主要采用好氧、厭氧處理技術(shù)聯(lián)用，可提升廢棄鉆井液處理效果，避免降解期間對環(huán)境造成影響。勝利油田在處理采油廢水的過程中應(yīng)用了氧化塘技術(shù)，在原處理技術(shù)的基礎(chǔ)上進一步提升廢水處理效果。其局限性在于菌種選擇性較強，廢棄鉆井液成分復(fù)雜，難以保持微生物有效作用。普適性有待提高。

2.2 國內(nèi)處理設(shè)備

程玉生等在北部灣地區(qū)鉆探中應(yīng)用了一套較為成熟的固相控制技術(shù)，通過分析廢棄鉆井液的粒徑分布情況，優(yōu)化設(shè)備搭配和相應(yīng)的設(shè)備參數(shù)配置，針對性進行了篩布選擇，選擇了離心機布局和臺數(shù)以及分離能力，固相控制效率在鉆探中得到了有效提高。鮑澤富等[8]設(shè)計了一套鉆井液回收凈化再利用的系統(tǒng)，其中包括輸送系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、自動粉碎包裝系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)主要包含了液體輸送泵、管道和傳送帶；凈化系統(tǒng)包含了振動篩（大于0.5mm 的顆粒）、水力旋流器（包括水力旋流器和一組水泵）、離心機；微波干燥系統(tǒng)；自動粉碎與包裝系統(tǒng)。整臺設(shè)備處理能力100m3/d。3000m 井可節(jié)約鉆井液成本約8 萬。劉波在大港油田中使用了泥漿不落地設(shè)備，需2 組泥漿不落地處理隊伍。設(shè)備包括廢棄物收集、破膠處理和固液分離三個單元。李滿江通過對舊式振動篩的改進，提高了振動篩處理效率，滿足了現(xiàn)有不落地系統(tǒng)的處理要求。王崇剛[9]提出了取消泥漿池的新技術(shù)措施，以此保證鉆井液不落地，使鉆井液不接觸土地，在處理工藝中，首先通過絮凝反應(yīng)實現(xiàn)固液相分離，分離出水可重新配置鉆井液，以達重復(fù)循環(huán)利用的目的。分離出的固相物質(zhì)集中堆放后上蓋下鋪，從而實現(xiàn)對廢棄固相的無害化處理。王超[10]在塔里木油田中采取泥漿不落地工藝處理廢棄鉆井液，處理后液相回用，固相和完井泥漿進行集中處理，使現(xiàn)場工完料凈。董懷榮提出了一種鉆井液凈化和處理一體化系統(tǒng)，既能對鉆井過程中進行鉆井液高效固液分離和固相控制，也能直接對鉆屑濃縮脫液干化、液相回收利用，滿足泥漿不落地的隨鉆處理要求。陳志禮針對塔里木油區(qū)鉆井工藝和鉆井液體系特點，結(jié)合當前鉆井液固控系統(tǒng)現(xiàn)狀，對鉆井液不落地處理設(shè)備和固相控制系統(tǒng)進行了集成優(yōu)化，一體化鉆井液固相控制與泥漿不落地。沈鎔制造了用于混凝土廢漿分離凈化處理工藝的設(shè)備，介紹了該設(shè)備的主要特點、主要技術(shù)參數(shù)、工作原理和工藝流程、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，分析了使用效果和缺陷。

3 存在問題

從目前國內(nèi)外研究形勢來看，主要存在以下問題：

（1）忽視地質(zhì)鉆井廢棄物的處理，地質(zhì)鉆探孔深小，使用鉆井液少，產(chǎn)生的廢棄物也較少，針對地質(zhì)鉆探方面的廢棄鉆井液處理研究大多沿用石油鉆井處理廢棄鉆井液處理方式和處理劑。

（2）石油系統(tǒng)廢漿處理設(shè)備體積較大，處理方量也較大，地質(zhì)鉆探因場地條件限制，無法學(xué)習(xí)石油系統(tǒng)提供大空間給廢漿處理設(shè)備，導(dǎo)致很多地質(zhì)鉆探廢棄鉆井液處理方式極其簡單，大多現(xiàn)場填埋或經(jīng)簡單處理后排放。

（3）廢棄鉆井液的成分不同，石油鉆井存在較大顆粒，而地質(zhì)鉆探因使用鉆頭不同原因，導(dǎo)致廢棄鉆井液中存在大量磨細的巖粉，增大了處理難度。

（4）目前很多處理設(shè)備成本較大，比如用滲透原理處理、蒸發(fā)技術(shù)處理，地質(zhì)鉆探難以承受。

（5）所有處理技術(shù)目前都是對廢漿進行減量化處理，固相和部分液相仍需進一步進行處理才可排放。另部分液相可重復(fù)利用。

4 結(jié)語

隨著綠色勘察逐漸成為勘察行業(yè)的基本要求，地質(zhì)鉆探行業(yè)鉆孔過程中產(chǎn)生的廢漿需要進行適當?shù)奶幚恚员ＷC環(huán)境友好性，未來廢漿處理技術(shù)在解決成本和技術(shù)的前提下，極可能朝著反滲透處理方法或者蒸餾處理方法邁進，而廢漿處理設(shè)備的空白也將被逐步填充，受限于地質(zhì)鉆探場地，未來廢漿處理設(shè)備將以模塊化形式出現(xiàn)，受限于人工，廢漿處理設(shè)備也必將被智能化，以此取代繁雜的人工操作流程，避免浪費人力物力。