?石油天然气开采钻井作业污泥的资源化处置技术

石油天然气开采钻井作业污泥的资源化处置技术

一、概述

钻井作业是勘探采出地下油气资源的必须首要作业，钻井作业的目的是通过强力机械手段，采用钻头将岩层破碎、不断钻进。从钻进的过程中，根据采出的岩芯、矿渣、岩屑以及泵出的水样、油样、气态样来分析、判定地层的地质结构以及油、气的储藏量。

一口井从开始起钻到完井，整个作业过程是连续进行的，除特殊情况外，施工过程不可以中断。在钻进工作中，随着钻头的不断钻进，所产生的破碎物就必须不断的、及时的排出移送地面，同时随着钻进发展，强烈的机械切割、破碎、摩擦产生的高热也必须进行冷却、降温控制，以确保钻头、钻具的安全、可靠运行。为此钻进工作还必须配以钻井工作液作业，其工艺目的是：一方面对钻进作业中产生的机械热进行强制冷却，保护钻头、钻具、井台安全；另一方面要将井下作业产生的钻屑及时不断压出井孔，排往地面上，才能确保钻进工作持续、安全的进行。十分显然，加入的钻井液好比是整个油气开采体系的循环血液，其物化性质、工作时状态，对整个钻采作业至关重要。

与机械钻采配套的钻井液与钻井作业三大关联因素为：钻井液的黏度、密度以及钻井液的固相含量。由于地球各处的地质构造千差万别、地层深度、岩石硬度、地层温度的不同，为此相配套的钻井液也十分复杂，含量也千差万别。

为了满足各种作业环境不同条件下的钻井要求、配套的钻井液必须具备以下几个功能：

eq \o\ac(○,1)1冲刷地层、清洗井壁、井底并连续将钻屑带出地面；

eq \o\ac(○,2)2冷却、润滑钻头、钻杆、钻具；

eq \o\ac(○,3)3稳定井壁、平衡地层压力、防止垮塌；

eq \o\ac(○,4)4传递水力动力有助提高转速；

eq \o\ac(○,5)5对地下水污染危害尽量少，对作业环境污染危害尽量少；

eq \o\ac(○,6)6对作业机械设备、机具的腐蚀尽量少，对井上作业人员的身体健康危害也必须尽量少。为此钻井液的配方中涉及到的有机、无机化学品数百种。同时在钻井过程中，由于在热与压力的双重作用下，钻井液也会发生一系列物理化学变化，因此使产生的钻井污泥的无害化处理带来更大挑战。

四川（含成渝地区）的油气田由于具有高压、高温、和高硫化氢的“三高”特点，而且地址构造也十分复杂，钻井井深也大，因此相配套的钻进液品种繁多，基本上可代表国内陆地与海上钻井作业的工艺状况，相应由此产生的钻井污泥的环保净化处置的可靠技术解决方案，也具有广泛的市场推广前景。

二、钻井固废的产生量、性状、化学成份以及污染物含量

   1、钻井作业中固废的产生量，主要决定与所钻井的地质构造、钻井深度、现场作业管理水平等相关。四川油气田常规钻井一般固废的产生量为：每米进尺0.35～0.40m³，其中纯岩屑与其它固废各占50%。例如一口5000米深井，在其总作业过程中总排出固废量为1750～2000m³，按比重1.8kg/m³折算为3150～3600吨。

表一；钻屑量测算表

2、钻井固废的主要特征

 从上述钻井固废的产生、成份构成（见附表八——附表十一）可以看出，固废的性质除与井下地质构造、岩石性质相关外，主要因素还是以配套的钻井液性质而决定。浅井作业时，对配套的钻井液性能要求不高，加入量也少，相应产生的固废数量、种类也少。但随着井深的增加，地下结构越来越复杂，相应配套的钻井液的性能要求、化学配伍也越来越复杂，因此相应外排的固废所含污染物也越来越大、含量、浓度也越来越高，为此净化处理难度也越来越加大。

   钻井固废具有以下特点：

eq \o\ac(○,1)1固相物含量高——包括钻采产生的岩屑、除砂除泥器产生的渣泥、钻井液罐、压井水泥罐的清掏泥渣，完井后产生的废弃钻井液、钻井废水处理时产生的沉淀污泥、钻井作业过程中因受污染，而不能再投入循环使用的钻井液等，合并后其固含量为40～60%；

eq \o\ac(○,2)2黏附性强——由于钻井液配置时工艺要求必须具有一定黏度，钻井工作中产生的岩屑、泥沙，在钻具强烈搅拌下形成一种粘附性更强的包裹状泥浆，类似一种胶悬体，采用自然沉降分离很难实现，采用机械压力、离心过滤进行固液分离能耗巨大；

eq \o\ac(○,3)3组份复杂、有机物含量高、色度大——由于钻井液由多种有机物、无机物配置而成，具有对环境影响的极高贡献。另外，由于配套的钻井液多为黑色，特别是采用磺化或羟磺化体系后产生的外排固废色度更高；

eq \o\ac(○,4)4PH值高——由于要确保钻井液性能要求，其PH值均在8.5～10.0之间，因而外排固废的PH值也会在7.5～9.0之间；

eq \o\ac(○,5)5组份含量不确定——就一口井而言，由于不同井深、不同地层结构、不同岩石化学成分组成，因此外排固废的化学成分也将发生变化，同时钻井作业时，因不同井深采用的钻井液化学配伍不同，也会带来外排固废的污染物性质、含量的不同变化；

eq \o\ac(○,6)6有害重金属含量低——由于钻井中所涉及到的地层岩石结构已经为稳定的矿化状态，各种复合沉积在岩石中的金属、非金属化合物多为水不溶的稳定状态，因此钻井作业时产生的可溶性重金属含量十分低；

eq \o\ac(○,7)7含油量波动大——采用水基钻井液体系产生的固废一般含油量不高（1～2%），采用油基钻井液体系的作业，其固废、含油量就非常高，可在5～20%之间波动。另外由于钻采机械、井场发电机组、用油设备、储油罐等的跑冒滴漏，再经冲洗水、雨水带入，也造成钻井固废含油量的变化。

 3、钻采作业产生的固废对环境的危害

   由于钻井固废中的化学性质主要由所采用的钻井液体系带入，因此产生的固废对作业环境的影响与危害，也是由钻井液中配伍药剂的COD值来决定。

表二、部分钻井液配方的COD值

四、一步固化法处置钻井污泥工艺技术及固化原理

本项目根据硅酸盐水合理论，对钻井污泥可以不需脱水、脱油、不需外加热能，可将含水量高达98%的生化污泥、工矿污泥、含油污泥、钻采污泥一步固化完成，一次固化时间2～8小时。对于钻井污泥净化工艺要求目标，可分为两种处置方式：

1、工艺流程一

3、上述两种固化工艺方案均为不脱水、不脱油的钻井污泥处置，一则简化处置工艺，大幅减少处置投资，二则大幅降低处置能耗、节能减排，三则可实现全封闭闭路循环，在处置过程中没有二次污染的排放。

4、固化机理（见附件一）

5、根据委托方提供的钻井污泥抽样分析，污泥中主要以含SiO2、Al2O3、CaCO3、MgCO3、Fe2O3等为主要成分的固形物。其含量满足硅酸盐水合反应的要求，固化后的物料也满足制烧结砖的原料要求（见附表七委托方所送钻井污泥的化学成分检测报告单）

6、根据委托方要求，本项目第一步以水基钻井液体系产生的污泥做处置目标，采用不脱水一步固化，制成含水量在10～20%的粉状料，可供页岩烧结制砖厂做制砖原料使用，并提供相应的工艺设计、设备设计，工厂建设的布局设计服务工作。

五、一步固化法制烧结砖原料的项目投资与经济技术指标评估

1、处理规模：日处理50吨水基钻井污泥制烧结砖用粉体原料。

2、污泥形状：含水40-60%，PH8.0-9.0，固含量40-46%，外观红褐色浆体。

3、固化处置后物料：含水10-20%，PH10-11.0，固含量80-85，外观灰白色粉体。

4、处置作业面积：分两种作业方式

 eq \o\ac(○,1)1集中处置方式：利用罐车将各井场（站）钻井污泥运回集中处置，将污泥进行集中处置，固化后粉体送烧结砖厂。占地面积800㎡。

 eq \o\ac(○,2)2就近处置方式：处置装置为可移动的积木组合式撬装结构，在钻井处理现场就近处置，占地面积200㎡。

5、全套设备装机功率：30kw

6、建设投资费用

 eq \o\ac(○,1)1集中处置方式：120万元     （其中设备90万元，厂房30万元）。

 eq \o\ac(○,2)2积木组合式撬装：115万元（其中设备95万元，防雨棚20万元）

7、每生产一吨固化粉料工厂成本：98.35元（其中原材料79元，电费6元；人工与管理费13.33元。

六、钻井含油污泥一步固化资源化处置的工艺技术与建设费用

1、油基污泥的产生与性状

近数十年来，由于钻采作业技术的不断发展，单井钻采深度不断提高。随着井深的增加，地下地质构造就越来越复杂，对于相应配套的钻井液的性能要求也越来越高，加量也越来越多，否则会发生钻具磨损加大，导致发生卡钻事故。钻井液的消耗增大，也使作业时外排的污泥量增大，环境污染加大。

钻井作业中产生的外排污泥其含高COD污染负荷的主要原因，是作业时配套的钻井助剂而产生，油基钻井液主要是以油类（柴油、白油、合成基油）为连续相，加入各种化学助剂、表面活性剂、乳化剂、杀菌剂、增稠剂、加重剂和水组成的分散相，而形成的一种胶悬状混合物，在钻采作业时，由于钻头、钻具在高热环境中，不断的进行强烈钻磨、搅拌，在不断钻进中井深造成的高压条件下，使加入的各种有机助剂发生了极其复杂的分解、裂变、二次交联、缔合、缩聚等化学反应，使形成的含油泥浆的化学构成更加复杂、更为稳定，其胶悬性、油——水——固三项界面乳化结合力增大，此时污泥中的油相组分不是以单相油状存在，而是呈现一种油包水（W/O）、水包油（O/W）的高度乳化的多相状态，为此带来外排污泥自然沉降性能变差，重力泌水、加压脱油十分困难，这也是其与水基钻井污泥、工矿油泥、市政生化污泥的性质、构成完全不同的原因所在，也是采用常规动力脱水、脱油、强制挤压分离不能解决，采用加热蒸馏蒸发、热解干化过程复杂，外加能耗巨大的原因所在。这也是当前尚未能完全、可靠、经济性解决的一个技术难题。

通过对钻井含油污泥的分析，其油相组成为：饱和有机烃类45%、芳香烃类23.4%、胶质类11.5%、沥青质类14.9%。含固比例40～80%、含油比例5～20%、密度1.2～1.6g/cm3、PH值为6～9。其污染负荷COD15000～26000mg/L。

2、含油高聚污泥的净化处置技术现状与比较

（1）新疆塔里木油田研制的高温热解处置技术——一种采用外加热式旋转床滚筒炉，污泥不与火焰直接接触，外加热温度850～1000℃，筒内温度500～600℃，污泥中所含油、水在加热过程中受热的作用而发生破胶、破乳、三相解离而逐渐脱除、蒸发散逸，外排的混合油气经冷凝、油水界面的自然分层而回收油份，实现污泥的脱油、脱水的处理技术目的，其机理与传统的对油母页岩的提油加工相类似。但存在的问题是一次处置时间长、投资高、能耗高、不能连续作业，而且单位时间处置量小，不能实现工业规模化处置，并存在脱油、脱水后的大量干污泥（含水10～20%）的最终无害化处置问题。

（2）热化学清洗——逆流提取脱油处置技术——大港油田海上钻井污泥，外观呈乌黑色，具有很强的黏弹性并呈现微球团状，含油率40～48%、含水率21.5%、固含量29.8%、密度0.98、PH 6.05。

采用热化学洗油工艺，将含油高聚合物污泥加入洗油罐中，再加入一定比例的破胶剂、破乳剂、驱油剂，并加入一定比例的水，为有利于均质搅拌传热，调整固液比至3:1范围条件下，通过加热（直接火加热或蒸汽夹套、盘管加热）温度65～80℃，通过强烈搅拌、加热蒸发，每罐处理25～30分钟即可将混合液中的含油率从48%降至1.2～2.0%。显而易见，本工艺除了能耗高不能连续处置外，还存在脱油后的污泥的二次脱水，干化污泥的无害化最终处置难题。

（3）热解处理（OSTDS）技术——采用间接加热、管道式密闭热解，含油污泥在缺氧状态中，在筒内螺旋推进器的推动下逐渐升温前移，工作温度500～550℃。污泥中所含油、水在受热后以气态方式排出，经冷凝后形成油、水两相，冷凝油作为燃油回用于加热，废水排放进入污水处理池。完成热解析的污泥含水在10～20%、含油0.5～2.0%。长庆油田采油三厂靖安污泥处理厂采用此工艺，处理规模为6000吨/年、设计回收油品380吨、外排渣土2100吨/年。每处理1吨含油污泥，天然气消耗量为60m³，电耗70度，药剂费12～15元/吨污泥，外排废水4000m³/年。

（4）此外含油钻井污泥的实验性处置工艺还有炭化炉热解工艺、高速转子剪切摩擦产生高热的机械发热热解工艺、添加固体燃料（秸秆、煤矸石）压制成燃料块的焚烧方式等。

由上述可知，针对钻井污泥的“三化”处理（无害化、减量化、资源化），国内外不少科研单位，相关石油研究设计院所、环保公司，均进行了长期的不懈努力与工程实践摸索，但由于专业知识的局限性，其解决的思路均限于加热、加水、加破胶剂、破乳剂、加驱油剂，通过加热蒸馏、热解、干馏的传统矿物油热加工工艺模式。但由于被处理的污泥本身含油率不高，回收价值不大、投入的一次性处理装置费用高，运行费用大、废水的产生与排放量大，所排出的干污泥的彻底无害化解决仍是一个未完全解决的难题。

另一方面由于含油污泥不仅处理难度高，而且还存在钻井作业点分散性强，污泥的收运、集中处理也带来附加费用高的问题，由于上述原因国内目前尚未有一个十分可靠、完全、彻底并经济可行的成熟解决技术，致使国内各大油田产生的钻井含油污泥积压量极大，如大庆油田历史积留的待处理钻井污泥50万吨，胜利油田30万吨，新疆油田25万吨，长庆油田20万吨，川渝油气田25万吨。由于长期停放，对大气环境，尤其是对地下水的渗滤污染日渐加重，已经危及到人、畜饮用水的安全。

3、一步固化法含油污泥的处置技术与工艺特点

本项目根据化工硅酸盐水合理论，在不脱水、不加热工艺条件下，利用水合技术、水合自聚自发热特点，可以使含水率高达98%的生化污泥、化工污泥、工矿含油污泥，一步反应固化形成一种含水率为10%有机物矿化分解、重金属固化，具有一定强度的自聚多孔的轻质固形物，进一步加工可制成符合GB11968-2006标准的建筑材料制品，完全实现了低投入、低成本的含油污泥的彻底解决目标要求。

根据对钻井污泥的不同组成，含水量、含油量、含高聚物量的不同配方组合的污泥结构分析、实验，相应水合固化反应物料的配方设计、水合自聚发热量的调节、水合自聚速度与自聚强度的调控等方面，我司已初步完成工业化放大，可以进行工程化实施的阶段。此外，鉴于各钻井作业点具有相互距离远、分布散，具有相对独立污染物排放的特点，在处理装置设计上采取了集中规模化与井场分散化处置二种工艺装置模式。

对于污泥中含油的处置，本工艺既要考虑达到无害化的处理要求，又要考虑处置过程中药剂投加的经济性、运行费用，本工艺对于含油量在1～3%的污泥采取不脱油处置工艺，污泥中的含油、含高聚有机物，通过在自聚发热过程中的强氧化分解而破环断链，结构分解而矿化去除，既满足了环保法律法规要求，又满足了最经济化、低成本的处置目标。对于含油4～20%的含油污泥，采取加入破胶剂、破乳剂、界面分离剂对污泥中的含油进行化学剥离、解聚、上浮、收集、浓缩，然后添加助剂制成工业燃油回用于加热系统，既满足了工艺要求，又解决了回收油料的资源化合理利用。

本工艺可以形成工业化连续处置方式，处置过程中没有二次污染物产生与外排。由于采用不脱水、高含湿量污泥一步固化工艺，不仅实现了流程简短、节省投资，而且确保大幅降低处置的运行费用。在全系统实现闭路循环的基础上，对于脱油污泥的二次资源化利用，如制作初级建材、道路、市政设施建筑垫层料、水泥改性添加料等方面也配套了技术实施方案。更为一步到位制成达到国家建材标准GB11968-2006《蒸压加气混凝土砌块标准》提供了可行的工艺配方设计与成套装备与工厂设计。不仅彻底解决了含油污泥的处置难题，而且实现实施企业可以有巨大经济收益，确保装置可以永续处置运行。

4、项目建设投资与经济效益评估

七、项目环保处置与产品质量达到的相关国家标准与法规要求

1、《陆上石油天然气开采含油污泥处置及污染控制技术规范》国家能源局    SY/T7300-2016

2、《危险废物填埋污染控制标准》          

GB18598-2001

3、《油田含油污泥综合利用污染控制标准》

黑龙江地方标准DB23/T1413-2010

4、《含油污泥处置利用控制限制》

陕西省地方标准DB61/T1024-2016

5、《油气田含油污泥综合利用污染控制要求》

新疆维吾尔自治区地方标准DB65/T3998-2017

6、《石油天然气开采业污染防治技术政策》

国家生态环境部

2012 第 18 号文

7、《蒸气加压混凝土砌块标准》               GB11968-2006

八、与本技术相关的检验、检测报告。（见后附各项报告表）