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国外陆上钻井废弃物处理技术

文档作者：苏勤何青水。张辉张华卫。张奎林文档来源： 1．中国石化国际石油勘探开发有限公司 2．中国石化石油工程技术研究院，		点击数：	更新时间： 2022年11月16日
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第38卷第5期
20lO年9月
石 油 钻 探 技 术
PETRO1 EUM DRII I，ING TECHNIQUES
VoI．38 NO．5
Sep．，2010
doi：10．3969／j．issn．1001—0890．2010．05．023
国外陆上钻井废弃物处理技术
苏 勤 何青水。 张 辉 张华卫。 张奎林
(1．中国石化国际石油勘探开发有限公司，北京 100083；2．中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)
摘 要：国外钻井废弃物管理遵循废弃物处理数量最少化、毒性最小化的“4R”原则，并以实现零排放为目标。
目前国外常用的钻井废弃物处理方法包括回填、固化、井下回注、固液分离、生物处理和热处理等，在环境敏感性级
别差异和不同类型钻井废弃物方面，对比了其适用的范围和优缺点，指出任何一种处理方法目前都很难实现零排
放的目标，只有在源头控制毒害物质的使用才能从根本上解决钻井废弃物的环境污染问题。目前国内钻井废弃物
处理方法仍比较单一，有必要制订石油钻井废弃物排放标准，加大钻井废弃物处理技术的研发投入。
关键词：钻井；废物处理；4R原则；零排放；液固分离
中图分类号：TE258 文献标识码：B 文章编号：100卜0890(2O10)05-0106—05
Foreign Onshore Drilling W aste Treatment Technology
Su Qin He Qingshui Zhang Hui Zhang Huawei Zhang Kuilin。
(1．Sinopec International Petroleum Exploration and Production Corporation，Beijing，100083，Chi—
na；2．SinopecResearch Institute of Petroleum Engineering，Beijing，100101，China)
Abstract：Foreign drilling waste treatment follows the principle of“4R”，minim um amount of drilling
waste。minim um toxicity and to achieve zero—discharge goa1．This paper introduced com monly used drilling
waste treatment methods in foreign countries，including backfilling，solidification，underground re—injection，
solid—liquid separation，bio—treatment and thermal treatm ent．The scope of application and advantages and
lim itations were compared for different environm ental sensitivity and different types of drilling waste．No
single treatment can achieve zero—discharge goal at present．Only source control of toxic material use can
fundamentally solve the environmental pollution of drilling waste．At present，domestic drilling waste treat—
m ent methods are still relatively simple，it is necessary to develop the oil drilling waste discharge stand—
ards．and promote R D investment for drilling waste treatm ent technology．
Key words：drilling；waste disposal；4R rules；zero—discharge；liquid—solid separation
近年来，我国石油勘探开发业务不断向海外拓
展，取得了良好的勘探成果，但钻井过程中产生的废
弃物的处理却一直是个难题。随着各国对环境保护
要求的日益严格，废弃物处理费用在钻井成本中的
比重也不断提高，因此选择合适的废弃物处理方法，
对保护环境、规避国外勘探风险有着重要意义。目
前国外对钻井废弃物的处理方法有很多，主要有化
学方法(如中和、氧化还原、固化等)、物理方法(如自
然蒸发、固液分离、吸附、热处理等)、生物方法(如微
生物、生物降解)等。笔者介绍了回填、固化、井下回
注、固液分离、生物处理和热处理等国外常用的处理
方法，分析对比了不同方法的优缺点，指出了国内钻
井废弃物处理技术的发展方向，以期对海外钻井废
弃物处理决策有所帮助。
1 国外钻井废弃物毒害物质及分类
国外石油工业材料中被列为危险化学品的有水
牧稿日期：2O】0—06 O1：改回日期：201O—O8 O9
作者简介：苏勤(1 966 )．男，福建人，1 989年毕业于石油大学
(华东)石油工程专业．工程部经理．高级Z-程师，主要从事钻井工程
管理工作。
联系方式：(010)82332961，qsu@ sipc．cik
茅 长 期
溶性有机卤化物、有机磷化物、有机锡化合物、致癌
物质、汞及其化合物、镉及其化合物、矿物油和石油
烃类、污染水源的合成物质_】]。具体到石油钻井工
程中，潜在的毒性化学品有杀菌剂、缓蚀剂、消泡剂、
乳化剂／破乳剂、发泡剂、润滑油、聚合物稳定剂、页
岩抑制剂及表面活性剂。
对于钻井废弃物的分类，各国不尽相同。欧盟
2OOl／118／EC~废物／危险废物名录》中规定：含油、
含危险成分的钻井液和废弃物属于危险废弃物，而
淡水基、含重晶石、含氯化物的钻井液和废弃物属于
一般废弃物 ]；美国环境保护署EPA在《危险废弃
物鉴别标准》中也明确规定钻井固体废弃物属一般
废弃物范畴[3 。
2 国外钻井废弃物管理原则
国外对于钻井废弃物的管理始终遵循废弃物处
理数量最少化、毒性最小化的管理原则，称为“4R”
原则，即源头减少(reduce)、再利用(reuse)、再循环
(recycle)、再回收(recovery)。近年来，许多国家要
求钻井废弃物实现“零排放”(zero—discharge)，从源
头减少到最终处理都进行严格要求，力争将钻井废
弃物对环境的污染降至最低，进一步推动废弃物系
统化处理进程。
源头减少 一方面随着人们对环境保护的不断
重视，现场钻井废弃物
不断完善；另一方面
随着石油钻探技术的发展，一些新产品和新技术得
到应用，在源头上大大降低了钻井废弃物处理的数
量及毒性。源头减少的方法包括选用新型环保钻井
液完井液体系及添加剂、MTC固井技术、空气钻井
技术、提高固控设备使用效率、加强对井场污染源的
管理、防止跑冒滴漏、优化钻井设计等。
再利用 再利用是指回收能以原始形态再利用
的产品和材料，其中包括回收利用性能良好的水基钻
井液、油基钻井液、完井液、钻杆、套管护丝、钻井液处
理剂或油料包装桶，采用钻井废水冲洗岩屑等。
再循环 再循环是指将废弃物提取能源或转换
成有用的材料，包括对废弃钻井液、完井液处理后循
环再利用，将钻屑用于建筑材料、水泥原材料和改良
土壤。
再回收 再回收是指从废料中提取有用的材
料，包括从废弃加重钻井液中回收重晶石或从废弃
盐水钻井液中回收盐和部分干料来配制新钻井液、
回收油基钻井液中的基础油作为燃料。
零排放 零排放是一个系统的废弃物处理模
式 ，集合了多种钻井废弃物处理方法，包括减少源
头废弃物排放量、钻井施工中的固液分离、钻井废水
分类集中，也包括最终废弃物无害化处理技术，典型
的零排放处理流程如图1所示。
液和岩屑
二]==
有效的固
控设备
钻井J I废弃『『雨I l循环系统／
废水l 井液J J水l f配制液
钻屑
固液分离1
． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．Il：．．．．．．一
固相废弃物
液相废弃物
堕
．
L—]__
固相 l
不含油／盐岩屑 + 用于井场或邻近区域建设
荦美主煮H— 二至至 [卜+固化／填埋／转运
含油岩屑 ， 固化／填埋／热处理／回注／生物降解
图1 钻井废弃物典型的零排放处理流程
Fig．1 Typical zero—discharge treatm ent flow chart
3 国外钻井废弃物处理技术
据资料统计 ]：美国钻井废弃物中的38．0 回
注处理，19．0 回收再利用，15．0 集中处理，
11．0 自然蒸发，5．0 土壤分散处理，2．5 道路分
散处理，0．4 热处理，小于0．4 的随市政或工业
垃圾填埋，9．0 采用其他方式处理，如现场回填。
选用何种处理方式处理废弃物，应根据区域的环境
敏感性级别及钻井废弃物类型来选择[6]。
3．1 回填
简易回填法 主要适用于普通淡水基钻井液。
普通淡水基钻井液的半致死浓度LC50(1ethal con—
centration50)一般为1O ～10 mg／I l7]，属于低毒或
无毒范围，其中的大部分有害指标均低于排放标准，
可直接排放。通常的作法是完井后用原开挖时产生
的土将钻井液坑回填，回填前可根据需要将钻井废
弃物自然晾晒一段时间，但最长不准超过12个
月 。在可耕种场地开挖钻井液坑时，应注意将表
层土隔离堆放，施工最后将其覆盖在最上层，恢复原
始状态。
密封回填法 回填废弃物时的坑需要在底部和
四周铺一层有机土，然后在上面铺一层0．5～O．7 mm
厚的聚乙烯塑料作为垫层，最后再盖一层有机土；也
可以在底部和四周加固化层或具有一定强度的防渗
膜。密封回填法要求在废弃物之上必须保持顶部的
土层有1．O～1．5 m厚 ，该方法适用于盐水钻井
液和油基钻井液废弃物。
3．2 固化
固化是通过向废弃钻井液中加入固化剂，通过
废弃钻井液与固化剂之间发生一系列物理、化学反
应，将有毒有害物质封固在固化物中，降低毒害物质
的转移扩散[1 ]。该方法操作简便，完井后进行，能
有效治理COD、Cr值和总铬污染。施工前通过检
测废弃物中毒害物质类型来选择合适的固化剂，常
用的固化剂有石灰、石膏、硅酸盐、矿渣和水泥等。
该方法适用于膨润土钻井液、聚合物钻井液、磺化钻
井液和油基钻井液等。按照在井深4 500 m左右钻
进时产生的废弃钻井液和钻屑，通常需要30 d来完
成固化施工作业。现场工艺流程为¨】 ：取样化验一
方案设计一配料一固化施工一候凝一现场监测一平
整井场一验收交接。
3．3 井下回注
对毒性较大的钻井废弃物可以通过回注法处
理，根据回注位置的不同分为环空回注和地层回注。
环空回注是将具有可泵性的废弃物注入表层套管或
生产套管环空中，该方法仅能一次性处理废弃物，且
该方法受到机械装备和套管腐蚀的影响，如果管道
长期遭受腐蚀，一旦损坏则注入液就可能污染水层。
地层回注可将废弃的水基或油基钻井液和钻屑，通
过地面处理回注到合适地层；用于回注的地层孔隙
度要大，回注容量大且深度必须大于600 m，以免废
弃物污染地下水源，该方法主要受到地层注入能力
和回注过程中的地层堵塞等不确定因素的影响，还
涉及到回注期间地层压裂增注和酸化解堵作业等。
地层回注的处理流程如图2所示。
图2 钻井废弃物地层回注处理流程
Fig．2 Drilling waste reinjeetion flow chart
3．4 固液分离
固液分离技术在国外的应用已十分广泛，该技
术利用化学絮凝、沉降和机械分离等组合技术，分离
钻井液中的固、液两相，液相可以重复使用。由于废
弃钻井液是一种复杂的悬浮液，主要由膨润土、无机
盐、化学处理剂、加重材料和钻屑等组成，简单自然
沉降和机械分离很难破坏钻井液中的胶体体系，需
要加入絮凝剂提高机械分离效果。絮凝剂的作用机
理是通过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。采用固液分离技术可以
使钻井液维护的稀释倍率从1．6降低至0．3[1 ，大
大节约钻井液成本，特别适合于偏远枯水地区的钻
井作业。最近日本在常规固液分离技术的基础上引
入真空蒸发分离装置、卧式旋流压缩装置等，进一步
提高了随钻处理钻井废弃物的效果n引。但固液分
离属于过程处理，经过固液分离后的钻井废弃物仍
需终端处理。目前国外常用的固液分离设备及流程
如图3所示。
统
图3 钻井废弃物固液分离处理流程
Fig．3 Driling waste solid-liquid separation flow chart
3．5 生物处理
生物处理方法是向钻井废弃物中引入降解菌和
营养物质，通过细菌的生长、繁殖和内呼吸，来分解
钻井废弃物中的油污。该方法中所用微生物需要通
过自然筛选或诱变培育及基因工程、细胞工程技术
获得。生物处理技术主要的影响因素有充足的降解
菌数量、足够的氧气、提供降解菌新陈代谢必要的营
养元素、湿度控制、温度、pH值和盐度[】 。
3．6 热处理
热处理是通过对钻屑进行外界加热，将钻屑中
所含油分、易挥发有机物和水分蒸发并收集后处理，
热处理方法可以处理固相含量为3O ～5O 的废
弃物口 ，处理后的钻屑含油量小于1 。目前国外
常用的热解吸装置m 使用燃料燃烧、电动或电磁能
源热提供的热量加温脱附含油废弃物，热解吸装置
一般有低温系统及高温系统两种类型，低温系统的
温度通常是250～350。C，而高温系统的温度高达
520 C。低温系统足以处理轻油废弃物，高温系统
将能够处理含量较低的重油废弃物[1 。热解吸处
理工艺流程见图4。
图4 钻屑热解吸处理流程
Fig．4 Cuttings thermal desorption flow chart
lf 钻井废弃物不同处理技术对比
尽管钻井废弃物的处理方法很多，但每种方法
都有其自身的适用范围和优缺点：
1)回填法，主要是简单的地面隔绝，未消除钻
井废弃物中的毒害物质，适用于沙漠、戈壁等环境敏
感性低的地区；
2)固化法，采用物理、化学方法降低钻井废弃
物中的毒害物质含量，适用于陆上大多数环境中；
3)井下回注法，通常利用压力衰竭的开发井或
者新钻井进行回注，投资成本高，适用于成规模的油
田整体开发中；
4)固液分离法，不用开挖钻井液池，实时随钻
处理，循环利用液相来降低钻井用水量及钻井液维
护费用，适合于农田、雨林等陆上环境敏感性高的地
区，同时也适用于枯水地区；
5)生物处理及热处理，用来处理经过固液分离
回收基液油之后的含油钻屑、污泥。
表1为钻井废弃物不同处理技术的适用范围和
优缺点对比。从表1可以看出，回填、固化、井下回
注、生物处理以及热处理法属于钻井废弃物终端处
理方式，缺少了过程管理；而固液分离法是对钻井废
弃物的过程管理，但分离出的固相需要进行进一步终
端处理，因此现有单一的处理方式均不能满足零排放
的要求，国外往往采用组合方式如“固液分离+ 回
填”、“固液分离+固化”等方法来处理钻井废弃物。
处理方式
主要适用范围
环境敏感性 钻井液体系
优缺点对比
5 结论及建议
1)从源头上控制毒害物质的使用，减少有毒有
害钻井废弃物的排放，才能从根本上解决钻井废弃
物的环境污染问题。近年来国内已开发出具有无
毒、易生物降解等环保特性的多元醇钻井液、合成基
钻井液、甲酸盐钻井液及甲基葡萄糖苷钻井液，缓解
了复杂地质条件下安全钻井与环境保护之问的
矛盾。
2)缺乏认同的钻井废弃物排放标准制约了国
内钻井废弃物处理技术的发展。由于目前钻井液体
石 油 钻 探 技 术 2O10年9月
系及处理剂种类多，钻井废弃物中成分复杂多样，国
内固化法通常依照国家污水综合排放标准，通过测
定固化物浸出物COD、石油类、六价铬、总铬及pH
值来判断是否达到排放要求，但有限的检测项目尚
不能被人们普遍认同，因此有必要针对不同钻井液
体系的环境污染指标进行评估，制订石油领域的钻
井废弃物排放标准，加大钻井废弃物处理技术的研
发投入。
3)国内钻井废弃物处理方式从早期的简单回
填到现在普遍使用的固化方式，体现了国内对环保
问题的重视和对钻井废弃物的管理日益严格。但与
国外相比，国内的处理方式仍很单一，钻井废弃物配
套处理设备研发力度不够，尤其是国内常用的固液
分离设备性能效果与国外相比尚存在较大差距，自
主研发撬装式、可移动随钻处理设备将是一个发展
趋势。
[1]
[2]
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[4]
E5]
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