1. 研究目的与意义（文献综述）

某钻井废弃物处理工艺可行性研究

1背景及研究意义

1.1选题背景

自我国解放以来，大力发展经济，人民的生活质量日益提升，但伴随的环境问题日趋严重，人们的环保意识不高，一些企业、工厂偷排，漏排，对大气、土壤、水资源造成严重破坏，使得我国的生态系统非常脆弱。随着人们对生活环境要求的提高，环境保护逐渐成为重点。自党的十八大召开之后，我国加速了生态文明建设，生态环境关系着民生，环境遭到破坏，将会产生许多社会问题，2020年全面建成小康社会，环境问题将会是短板，所以改善生态环境质量，保护绿水青山，成为我国发展的重点之一。

石油是我国的重要资源，相关产品有燃料、润滑剂、石蜡、沥青、溶剂和化工原料等，燃料主要包括汽油、柴油、航天油，而润滑剂的种类则达到了上百种，石蜡主要做包装材料、化妆品原料及蜡制品，也可做为肥皂的原料。石油沥青主要用于道路铺设、建筑等。所以石油资源涉及到方方面面的行业，而我国的石油分布于东北的大庆、华北的胜利、新疆的克拉玛依、渤海、东海等地，分布非常的广阔。

钻井工程在石油资源的开发中，有着非常重的的地位，一个油田的建设，需要打几百甚至几千口井，所以钻井工程在总投资上占了一半以上。而钻井过程中则会产生一些液体为主的废弃物，如废弃钻井泥浆、压裂返排液、含油污水以及作业生活区的生活污水，而固体废弃包含有黏土、钻屑、加重剂、化学添加剂、无机盐等。

1.2研究意义

钻井工程在石油资源的开发中，有着非常重的的地位，一个油田的建设，需要打几百甚至几千口井，所以钻井工程在总投资上占了一半以上。而钻井过程中则会产生一些液体为主的废弃物，如废弃钻井泥浆、压裂返排液、含油污水以及作业生活区的生活污水，而固体废弃包含有黏土、钻屑、加重剂、化学添加剂、无机盐等，因此钻井废弃物具有一定的复杂性，这些废弃物对大气、土壤、水资源的破坏性巨大，这些钻井废弃物的处理难度也非常的困难，因此研究如何处理处置这些废弃物，对我国石油业，以及环境保护工作都有非常重要的意义。

2国内外研究现状

2.1国外研究现状

欧美发达国家通过19 世纪末到20 世纪初的第二次工业化革命带来经济飞速发展的同时，也给当地的生存环境带来了巨大的伤害。20 世纪70 年以来欧美国家开始制定并实施环境保护措施，并立法保护环境， 目前已经形成了完备的法律法规来约束环境污染问题。均要求对钻井废弃物实现“零排放”，从源头上减少到最终进行严格处理，环境逐步得到改善。国外对于钻井废弃物的管理始终坚持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：源头减少（Reduce）；再利用（Reuse)；再循环（Recycle）；再回收（Recovery）。

据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%釆用其他方式处理，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。目前国外钻井废弃的处理技术有：

（1）回填

简易回填法主要适用于普通淡水基钻井液。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0.5-0.7mm 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1.0-1.5m厚，该方法适用于盐水钻井液和油基钻井液废弃物。

（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该方法操作简便，完井后进行，能有效治理COD、Cr值和总铭污染。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4500m左右钻进时产生的废弃钻井液和钻屑，通常需要30d来完成固化施工作业。现场工艺流程为：取样化验→方案设计→配料→固化施工→候凝→现场监测→平整井场→验收交接。

（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1所示。

图1钻井废弃物地层回注处理流程

（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，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2所示。

图2钻井废弃物固液分离处理流程

2.2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。

钻井废弃物不同处理技术的适用范围和优缺点对比如表1所示。

表1不同钻井废弃物处理技术对比表

处理方式	环境敏感性	钻井液体系	优缺点对比
简易回填 密封回填	低	普通淡水钻井液及岩屑 油基。盐基钻井液及岩屑	优点：操作简单，成本低廉 缺点：未消除有毒污染物，存在污染隐患
固化	中	淡水基/低挂度/油基钻井液及钻屑	优点：完井后施工，成本较低，处理时间短 缺点：废弃物处理后体积增大
井下回填	高	各类钻井液及钻屑	优点：彻底消除地面污染 缺点：设备复杂，成本高，受限于地层物性
固液分离	高	水基及油基钻井液	优点：随钻处理，无需开挖钻井液坑，回收利用水相 缺点：设备租赁成本较高，需要终端处理

2.2国内研究现状

国内每年开采石油天然气产生的含油废水达到10-12亿立方米，污油泥1000万立方米以上。预计到2020年我国年污油泥总产生量将突破6000万吨。而我国每年钻井产生的废弃物大约有几十万到上百万立方米，这些废弃物的浓度高、pH高、有毒，并且处理起来也非常困难，因此钻井废弃物处理技术显得异常重要。目前我国钻井废弃液处理技术主要有：

1. 固化技术

   固化技术就是向钻井废弃液中加入一定的化学添加剂，使其转化为土壤或胶结强度很大的固体，使得污染物封固在固化物中，防止污染物的进一步扩散，通常以水泥、矿渣、石膏、硅酸盐等物质作为固化剂。

   对于固化技术，其优点有操作简单，能有效治理各种污染物，缺点在于并没有彻底解决污染问题，只是延缓了污染时间，目前学者们大多集中在固化剂选择和其比例配方的研制，但是对于固化剂新材料的研究较少，未来随着人们环保意识的增强，环境友好型的新固化剂的研制将成为新的热点。

2. 超临界流体萃取

   目前超临界流体萃取技术主要是采用CO₂来进行，主要针对的是废弃的油基钻井液，在油基钻井液与超临界流体混合后，利用化学方法将废弃油萃取到CO₂中，再减压析出。

   目前，国内外较为流行使用的萃取溶剂是超临界流体，这些超临界流体既具有液相的溶解能力，又兼有气相易扩散、低粘度的特点，对环境无毒无害，同时超临界流体可以回收再利用，

   存在的问题有：由于超临界流体萃取技术在废弃钻井液应用时间还比较短，特别是由于超临界流体的物性不好控制，油田现在还没有大面积的应用，所以这方面的研究还比较少。

3. 生物处理

   生物处理技术就是在钻井废弃物中加入一定量的细菌和营养物质，之后达到降解的目的，而所需的微生物则是通过基因工程、细胞工程等技术筛选出来。

   对于微生物处理的方法，由于其处理方式高效、处理后的物质对环境友好、无污染广受人们的欢迎，目前是废弃钻井液处理研究的热点问题之一。但同时，营养元素、温度、湿度、酸碱度也是限制因素。

   而钻井岩屑的处理技术有：

1. 岩屑回注

   岩屑回注分为两种，一种是环空回注法，另一种是地层回注法。环空回注法是将钻井废弃物通过注入设备注入到表层套管过生产套管的环空中。注入量和注入能力受设备限制，同时还要考虑套管腐蚀的影响，如果管道长期遭受腐蚀，一旦损坏，注入液就可能污染水层。

   地层回注法是将钻井废弃物通过地面处理后，回注到孔隙度和深度合适的地层。为防止污染地下水，注入的深度必须足够大。

2. 热解析

   热解析就是通过加热钻屑至污染钻屑油蒸馏温度，然后保持这一温度，直至除去所有的油，所有污染物蒸发后，清除蒸汽、凝析物，将液相分离为水和油，并循环利用，无油固体则是通过固化技术进行处理。图3为华北油田采用的热解析工艺流程图。

   图3钻屑热解析工艺流程图（华北油田）

   钻屑的处理和综合应用上，经过大量的研究、实验，已经有了许多成功案例。 但是，目前对于钻屑的处理还是存在处理成本高、处理后的产品品质低等特点，不能高效的利用废弃钻屑。

   （3）石油钻井泥浆无落地技术

   作为目前石油钻井行业比较认可的钻井废弃物无害化处理技术，泥浆无落地技术已在全国钻井行业大面积推广和应用。其主要原理是通过接收罐将钻井废弃泥浆和岩屑收集，通过混凝罐添加絮凝剂、混凝剂、pH 调节剂、氧化剂等药剂去除有害成分；再通过压滤机将固液分离，分离后固体废物经检测无害化后可以通过垫井场、修路等进行资源化利用；分离出的液体可作为压裂和回注水进行利用。

   通过在新疆、内蒙、中原、四川及重庆地区的实际应用来看，该技术的可以减少井场泥浆池的数量，降低钻前施工费用，在实施过程中有效地降低污染物产生量及修建泥浆池的数量，做到了污染物在治理过程中的减量化目标，是目前国内主要推行的钻井泥浆无害化处理方法之一。

   该技术存在的问题：由于钻井泥浆成分复杂，污染物的种类较多，因此在无害化的处理过程中需要不断调整治理药品的种类和用量，由于是在野外作业，在实际工作中很难做到处理后的废弃物完全无害化。并且现场需要一个比较大的场地用来堆放治理后的泥饼，或者一个较大的集中堆放场。这样占地面积大，后续管理难度大。

   （4）钻井随钻处理技术

   该技术是一项比较成熟的技术或方法，其主要原理是在钻井过程中将废液和岩屑直接排到泥浆池中，随着钻井周期的延长泥浆池容量逐渐变小，有可能影响钻井正常施工时对池中的污水进行处理，处理好的污水转运至污水站和注水站。从而增加泥浆池空高，达到泥浆池能够满足钻井正常施工的目的。在条件允许时还可以在污水拉走后将泥浆池内的岩屑进行固化和转运出去，从而更能够增加泥浆池的容积，保证钻井正常施工。

   通过四川省达州市普光气田钻井施工来看，能够满足在井场无法进行泥浆无落地施工时，该方法能够保证钻井正常施工作业，是一个比较传统的处理方法。在处理污水时主要添加絮凝剂、助凝剂、pH 值调节剂、氧化剂。如果污水回注还要通过砂滤、膜滤使水中的悬浮物达标。在岩屑固化时主要添加固化剂、促凝剂、破胶剂、吸附剂和调整剂进行无害化处理，固定和圈闭废泥浆污染物成分，确保达标处理，如图4、图5所示。

   图4钻井废水处理工艺流程图（普光油田）

   图5钻井废弃物处理工艺流程图（普光油田）

   该技术存在的问题：

   (1)该方法需要满足钻井正常施工的泥浆池，泥浆池的修建钻前施工费用较高。

   (2)该方法比较传统，在节能环保方面是增加了污染物的数量，最终处理成本较高，不符合目前政策要求。是在没有其他好的处理办法下的权宜之策。

2. 研究的基本内容与方案

3研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

3.1设计内容

进行某钻井废弃物处理工艺可行性研究，根据钻井的实际情况，对钻井废弃物：钻屑、钻井液及污水的综合处理方法进行较充分地方案比选，有合理地投资估算，用AUTOCAD画出平面布置图、重点工艺设施工艺图等。处理后的水质达到《污水综合排放标准》(GB8978—1996)中可排放岩屑浸出液控制指标和污水综合排放标准（GB8978-1996）标准。其具体指标见表2、表3。

表2可排放岩屑浸出液控制指标

参数	pH值	电导率S/cm	碳氢化合物总量（mg/L）	多环芳香烃含量（mg/L）	镉含量（mg/L）	铬含量（mg/L）	钒含量（mg/L）	钡含量（mg/L）
达标范围	6＜pH＜9	4000	＜1	＜0.003	＜0.05	＜1.0	＜0.2	＜5

表3污水综合排放标准（GB8978-1996）

第一类污染物	允许浓度（mg/L）	第二类污染物	允许浓度（mg/L）
铅	1.0	化学需氧量CODcr	150
镉	0.10	生化需氧量BOD5	30
汞	0.05	悬浮物SS	150
砷	0.05	色度	80
总铬	1.50	pH值	6-9
六价铬	0.50	石油类	10
氟化物	10

3.2方案比选

(1)方案一：钻井废弃物不落地处理工艺。

图5钻井废弃物不落地处理工艺流程图

(2)方案二：钻井废弃物随钻处理工艺。

图6钻井废弃物随钻处理工艺流程图

(3)方案三：钻井固体废弃物绿色处理工艺。

图7钻井固体废弃物绿色处理工艺

将三个方案进行可行性与环境效益比较表见表4和表5。

表4可行性比较表

	方案一	方案二	方案三
优点	占地中等、投资较小， 结构简单、操作灵活方便、占地少、投资省、无害化处理的规范性强、更加便捷，技术易推广和应用。	能够实现废弃钻井液处理后按照标注要求排放。	操作便捷、用人少
缺点	最终泥饼需要专门区域堆放，后续管理难度较大	操作不够便捷，泥浆池的修建钻前施工费用较高，最终处理成本较高。	占地面积大、投资成本高，操作复杂

表5环境绩效比较表

	方案一	方案二	方案三
优点	钻井废弃物减量化、无害化，废水可循环利用，固相物可资源化再利用。	残渣的浸出液污染物浓度能够符合相关排放的标准要求，同时也避免残渣中的污染物向着大面积扩散。	可控制浸出液，可对重金属进行稳定化处理，容易达标，低碳技术
缺点	由于钻井泥浆成分复杂，污染物的种类较多，因此在无害化的处理过程中需要不断调整治理药品的种类和用量。	该方法比较传统，增加了污染物的数量	盐分、碳氢化合物未能驱除

根据表1、表2的比较方案二、方案三占地面积较大，投资成本较高，后续污染物的处理处置复杂，盐类、碳氢化合物为完全去除，操作不够便捷，而方案一岁后后续泥饼需要堆放，但是只要铺设好防渗膜，对堆放区特殊处理，同时加药的过程可改进为自动化处理，与方案二、三相比，更具有优势，最终选定钻井废弃物不落地处理工艺。

3. 研究计划与安排

4进度安排

（1）2020年1月进行项目初步情况分析了解，通过查阅相关文献资料、规范和调研，明确研究内容，完成文献翻译；（2）2020年2-3月针对性搜集数据，进行分析，并进行调查与实践，完成开题报告；（3）2020年4月针对性分析与研究，撰写初步设计说明书初稿，绘制工艺图初步设计图纸；（4）2020年5月分析总结，进一步完善初步设计说明书、设计图纸，准备毕业答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

5参考文献

[1]左新东.国外钻井液废弃物处理技术研究[j].西部探矿工程,2019,31(9):26-27.

[2]郑清华,邢希金,冯桓榰, 等.国内外钻井废弃物处理技术[j].化工管理,2019,(4):48-49.

[3]冯金禹,闫铁,李卓,等.钻井作业废弃物处理技术研究与应用进展[j].应用化工,2019,48(8):1966-1969,1984.

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