水基钻井液废弃物处理及循环利用技术研究进展

水基钻井液废弃物处理及循环利用技术

研究进展

摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工

业企业。石油勘探及生产井场所留下的大量水基钻井液废弃物固化如处理不彻底，一旦遭遇雨季，受到雨水冲蚀后必将溢出、渗漏，对地表水和地下水资源造成严

重污染，甚至危及周围生态环境。此外，水基钻井液废弃物中的处理剂对环境存

在重金属及有机物等多方面污染，通过分析水基钻井液废弃物添加剂的重金属含量、生物毒性及生物降解性等不难发现，其无机盐会导致土壤盐渍化，重金属将

引起土壤重金属富集，石油类物质会严重污染土壤和水体。近年来油气田企业加

大力度进行钻井完井废弃物治理，但方法较为简陋，处理很不彻底。如何采取有

效的水基钻井液废弃物处理技术，减少对环境可能造成的破坏，是当前理论研究

人员及油气田企业必须深入探究的问题。

关键词：废弃水基钻井液；循环利用；环境保护

引言

水基钻井液大多为（盐）水、烧碱、膨润土、处理剂、钻屑等所构成的多相

分散体系，是以水为连续流体介质的钻井液。水基废弃钻井液中的有毒成分主要

包括碳氢化合物、盐类、各类聚合物、重晶石中的杂质、沥青等，其组成复杂，COD值高，矿化度高，悬浮物含量高，污染负荷大。它的环境危害主要体现在四

个方面：一是大范围的污染；二是大量的有毒、难降解的有机高分子聚合物及其

毒性重金属，对人体和生命造成了严重的危害；三是石油污染不仅会影响空气与

水体间的氧交换，也会使水中的氧被分解，使水质变差；四是无机盐会导致土壤

板结、土壤肥力降低，从而加快土壤盐碱化进程。目前油田对废弃钻井液治理研

究主要集中在后期处理方法上，如直接排放法、固化处理法及固液分离法等，这

几种处理方法错过了预防和控制污染的环节，对废弃钻井液中的有价值成分也未

加以利用，难以满足石油钻井清洁生产的要求。因此对废弃钻井液的无害化处理，以回收和循环使用钻井液显得尤为重要。

1水基钻井液废弃物处理的技术难点

水基钻井液废弃物大多由烧碱、膨润土、处理剂、重晶石粉等构成，呈碱性

和黏稠流体态，组成复杂，稳定性高，颗粒细小，高黏度，固液分离及脱水难度大。水基钻井液废弃物中的石油类等化学物质常常以水合离子状态存在，所以通

过水洗、反渗透、离析、蒸发等方式直接将其中的化学物质脱离存在很大难度。

而且水基钻井液废弃物处理通常在野外作业，容易受到自然环境的影响，而考虑

到井场环境制约，要求水基钻井液废弃物处理装置必须体积小、效率高，所添加

的破胶剂、絮凝剂、固化剂量不能过大。

2水基钻井液废弃物处理常用方法

2.1水基钻井液废弃物直接处理及循环利用

直接转运和建站回收处理再利用是钻井液直接回收利用的两种方法。利用废

弃钻井液向水泥转化，既能降低废水的处理难度，也可进行堵漏作业。另一种思

路是将废弃钻井液脱出的水重复配浆后循环利用。就比如某油田通过向废弃钻井

液滤液加入有机阳离子絮凝剂，发现残留的阳离子有防塌作用，抑制性明显提高；废弃钻井液滤液的黏度和切力高于原钻井液。由于无机絮凝剂水解后产生的水合铁、铝离子所致，因此除去滤液中的铁、铝离子后其性能变化可以忽略不计。此外，影响水基钻井液重复利用的因素还有：聚合物胶体部分降解，有效作用效率

大大降低；一些盐离子被吸附在固相上，导致有效离子浓度达到再次利用的条件；絮凝失败导致废钻井液通常比新配制的钻井液具有更高的固体含量。近年来，废

弃钻井液的低温干燥及热处理技术逐渐成熟。采用外部加热固相，对汽化液相进

行收集和处理，该工艺能处理30%~50%固体废物。

2.2固相残留物高效固化处理技术

经过固液破胶分离处理后的含水固相残留物同样仍具有较高的污染性，必须经过进一步的无害化处理后才能达到达标堆放的标准。固化剂可以起到吸附和固定废弃物中污染物的作用，并能有效降低浸出液中污染物的含量。

2.3固-液相分离技术在水基钻井中的应用

固液相分离技术是钻井液循环利用的前提。其理论基础是胶体脱稳理论，溶解的絮凝剂离子扩散到固液界面，快速压缩双电层并吸附结合到固体表面，吸附化合态在胶体表面进行结构和化学重排，因此破坏胶体的稳定是关键。由于分散的絮凝剂在固-液相之间的交界面上扩散，使其快速地被压缩，并与其粘附在一起。铝或铁盐的加入量大于其溶解度乘积时，水解形成表面积大、带正电荷的絮状氢氧化物，胶体颗粒可以在沉淀物中粘附和去除。絮凝剂、助凝剂、废液稀释比、絮凝动力学是影响固液分离效果的重要因素。一般而言，用1~2倍体积的水稀释废弃钻井液即可达到降黏的作用；快速絮凝和慢速絮凝相结合，梯度絮凝和多级串联相结合，有利于同向絮凝和差向絮凝相结合，为固液分离装置设计提供理论依据。固液分离的彻底与否与固控设备密切相关。固液分离后，对于废弃钻井液中固相，应调整化学含氧量和pH值，加入专有固化剂进行固化及无害化处理；对于废弃液相，利用电解和电化学电吸附原理，通过专用电极和脉冲电源，将黏土矿物聚集在电极表面，并用适当处理剂有效维护，形成再生钻井液。

2.4水基钻井液微固相絮凝剂

在钻井过程中，水基钻井液经过多次井底循环后会积累大量的钻屑等无用固相而导致性能变差，无法满足钻井要求。在现场一般通过振动筛、除砂器、离心机等固控设备对这些无用固相进行清除，使钻井液性能得以恢复，重新用于循环钻井。但固控设备只能清除2~10μm以上的固相颗粒，而钻屑中的粘土矿物在井底高温作用下会水化分散至亚微米级，固控设备无法有效清除。而目前对这种情况的解决方法只有稀释或采用额外的设备进行絮凝、沉降、过滤处理。稀释一般用新钻井液，增加钻井液成本和后期废弃钻井液的处理费用；其它方法还需要增加设备，改造钻井液循环管汇，成本昂贵。因此，为了能低成本地清除水基钻井液中的无用固相尤其是亚微米固相使钻井液性能恢复、重新用于钻井，就要对现场水基钻井液体系的性能、组分进行分析，找到水基钻井液性能变差的原因，然