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废弃钻井液处理技术

2015-11-26

钻井废液对环境的影响因素分析

钻井废液是复杂的多相稳定胶态悬浮体系,成份极为复杂,主要由粘土、加重材料、各种化学处理剂、水、油及钻屑组成。随着化学工业的进步特别是合成高分子化学的发展,一大批新型合成高聚物出现并用作钻井液处理剂,使得钻井废液的组成变得越来越复杂,这就给钻井废液的处理带来极大困难。钻井废液对环境的影响因素分析对于钻井废液处理技术的提高、开发新型环保钻井液体系以及保护环境具有重要的意义。

钻井液配浆原材料对环境的影响分析

钻井液配浆原材料主要包括粘土、加重材料、水和油,除了水以外,其它三种组分对环境均可能造成破坏或污染。

粘土和加重材料

杂质主要是铅类化合物,在使用过程中容易生成可溶性的Pb2+;加重材料一般采用重晶石,其主要成分为BaSO4,杂质为钡类化合物与锌类化合物,在使用过程中容易生成可溶性的Ba2+Zn2+。这三种离子均属于毒性较大的可溶性重金属离子,能在环境或动植物体内蓄积,对人体健康产生不良的影响。另外钻井废液中的粘土颗粒具有吸附重金属离子的能力,并影响金属的存在状态。

油类物质 

主要影响水体的BOD含量,溶解油对于水体BOD含量的增高程度明显高于分散油。由于油类物质在水体中很难被微生物降解,因此油类对生物体的毒性几乎无处不在,在可能的情况下应尽量降低外排钻井废液的油含量。

钻井过程中产生的钻屑对环境的影响也是不可忽视的。钻屑往往粘付了大量的油类、有机处理剂,如果钻屑不经处理,直接堆放在井场或者排放到海洋中,对环境仍可以造成破坏或污染。 

无机处理剂对环境的影响分析  

钻井液无机处理剂主要包括纯碱、烧碱、氯化钠、氯化钙、氯化钾等无机盐类。这些无机盐的大量使用,会产生大量无机离子浓度很高以及高pH值的钻井废液。

可溶性盐类

高浓度的可溶性盐类与可交换性的钠可以使土壤盐碱化,进而影响植物的生长

盐度含量过高亦可使植物吸水困难,有损于植物生长及土壤的化学性质

即使采用固化技术,钻井废液中的无机离子仍可能渗透到周围的环境中造成污染

钻井废液中无机离子的去除是钻井废液处理技术的一大难题。

然经淡水稀释后,钻井废液中无机离子的浓度以及pH值可以降低到排放标准,然而对于一个具有一定规模、井位比较集中的油田,由于钻井液使用总量巨大,这种影响不可低估。

有机处理剂对环境的影响分析


钻井液中的有机处理剂主要包括以下五种:降粘剂、降滤失剂、页岩抑制剂、增粘剂、堵漏剂。这些有机处理剂有一个共性就是造成钻井废液的COD值严重超标,其中增粘剂与堵漏剂大多由天然生物材料制成,毒性极小,对钻井废液的污染指标影响很小。

 降粘剂类

单宁类:在使用过程中单宁容易降解为五倍子酸――含有苯环、羟基的有机物,比较难以降解,使钻井废液COD值增大。

木质素磺酸盐类:主要是铁铬木质素磺酸盐,含有重金属离子Fe3+Cr3+,使用该处理剂会增加钻井废液中的重金属离子浓度尤其是Cr3+浓度的增加。

聚合物降粘剂:主要成分是聚丙烯酸钠及其衍生物。该处理剂在使用过程中会明显降解,在环境中容易分解生成丙烯酸钠、丙烯酰胺等毒性较大的有机小分子。

 降滤失剂类

纤维素类:该类处理剂属于低毒性聚合物,会增加钻井废液COD值。

腐植酸类:该类处理剂的原材料为褐煤,往往经过改性如磺化满足钻井液的需要。在钻井废液中的硫化物指标一项主要是由该处理剂引起的,另外还会增加钻井废液中的重金属离子浓度。

丙烯酸类聚合物:造成的污染与聚合物类降粘剂类似。

树脂类:该产品以酚醛树脂为主体,经磺化或引入其它官能团制得。该处理剂含有大量磺酸基,一是增加钻井废液中的COD值,二是增加钻井废液的硫化物浓度。

页岩抑制剂类

沥青类:包括天然沥青和磺化沥青等其它改性沥青。沥青的主要成分为胶质和沥青质,含有的有机化合物众多,对钻井废液的污染指标均有影响。

钾盐腐植酸类:造成的污染与腐植酸类似,另外会增加钻井废液中的无机盐离子浓度。

钻井废液的处理方法

固化法

固液分离法

转化水泥浆(MTCMud to Cement)技术

注入安全地层法

生物处理法

循环使用法、回注法、回填法

固化法

向废弃钻井液中加入具有固结性能的固化剂,使其转化成类似混凝土似的固化体,固结其内的有害成分,如重金属离子、有机物、油类等,可显著减小对土壤的渗滤,从而减少对环境的影响和危害。

主要采取水泥作为固化的胶结材料,成本很高,不适合对大量废弃钻井液进行固化。

向废弃钻井液中加入具有固结性能的固化剂,使其转化成类似混凝土似的固化体,固结其内的有害成分,如重金属离子、有机物、油类等,可显著减小对土壤的渗滤,从而减少对环境的影响和危害。

主要采取水泥作为固化的胶结材料,成本很高,不适合对大量废弃钻井液进行固化。

固液分离法 

固液分离原理是在废弃钻井液中加入一定的混凝剂(絮凝剂和凝聚剂)进行絮凝反应,反应物在固液分离设备(如高效离心机)中实现固液分离,分离出的水达标后排放,固相达标可直接填埋处理,满足环保要求。

该方法施工比较简单,所需的设备不多,在钻井施工现场应较广。

其缺点是絮凝剂和凝聚剂用量较大,且絮凝效果有待提高。

处理钻井废液使用较多的化学处理剂有聚合硫酸铁、聚合氯化铁、聚合氯化铝等物质;使用较多的絮凝剂为非离子型、阳离子型或阴离子型的聚丙烯酰胺及其衍生物。国内外的研究表明,将这些凝聚剂和絮凝剂复合使用,并辅以机械脱水,可使钻井废液在化学上达到较好的固液分离效果。

转化水泥浆(MTC)技术

利用钻井废液良好的降失水性和悬浮性,通过加入高炉水淬矿渣和其它外加剂,将钻井液转化为性能和水泥浆性能相似的固井液技术。90年代初,伴随着良好的分散剂和有机促凝剂的开发从而形成了以Wilson为代表的波特兰水泥转化技术和以Cowan为代表的矿渣转化技术,使MTC技术具有工业应用价值。

但其处理的钻井废液量仅限于井筒内,因此处理量是有限的,大量井外钻井废液并没有得到处理和利用。

注入安全地层法

以废弃的油井或专用井作为注入井,选择压裂梯度较低,封闭性较好,不会引起产层或地下水层污染的地层作注入层,利用泵及井口装置将钻井废液注入地层。

这种方法对设备的要求比较高,且受注入地层的限制,不能被普遍采用,在美国和加拿大这种方法已被禁止使用。

生物处理法

微生物降解法是利用微生物将有机长链或有机高分子降解成为环境可接受的低分子或气体。使用该方法的困难是如何选择合适的微生物菌种和载体。

生物絮凝法是在废弃钻井液中加入特殊的微生物,使一些高分子有机物絮凝并且沉积下来,可用于钻井废水的处理。该方法中所用微生物必须是通过自然筛选或诱变培育及基因工程、细胞工程技术获得的特种微生物。这些微生物同时还可以对某些有机物进行降解,如邻、间、对苯酚就可以在这样的微生物作用下,发生生物降解。

循环使用法、回注法、回填法等

由于钻井废液的组成复杂多变,没有一种方法是通用且有效的,往往需要根据具体情况来决定采取一种或几种方法相结合来处理钻井废液。,如海洋钻井液主要采用水基钻井液,一般用海水配制,与陆上钻井液在组成上不同,因此处理方法必然会不相同。专门针对钻井废液技术的研究报道还很少。

井液对环境影响的评价方法

20世纪70年代初国外就研究了钻井废弃物(主要指钻井废液)对土壤、滩涂、沼泽及陆海动植物的影响,就开展了这方面的研究,得出了许多有价值的结论,并颁布了一系列环保条款和法规,对钻井废液的处理作了严格规定,促进了环保型钻井液的发展(如聚合醇钻井液体系等)和钻井废液处理技术的发展,从而有力的保护了环境。

我国在钻井废液对环境的影响这方面的研究起步较晚,进展缓慢,直到90年代才开展了一些初步研究,对钻井液对环境的影响有了一些认识,并且开展了一些对环境无害的处理剂和钻井液体系研究。

一套强有力的评价钻井液影响环境的方法手段,是环保型钻井液体系和环保型处理剂的存在基础,才可以研究钻井废液的无害处理方法。

基本分离提取方法

①总酸分解法,即用酸溶解样品分离分析有害物质的总含量。该方法是确定污染物对环境影响的最普通的方法。该方法可提供废物中每种有害物质的总浓度。根据总浓度确定对环境影响组分,针对性采取方法。

②固体废物评价浸取法,该法是德克萨斯水利资源局建立的方法,该法是模拟雨水通过废弃物的淋洗作用提取有害物,分析有害成分含量。

EP毒性浸取法,该法是美国环保局于1980年颁布实施的一种方法,即用弱酸作提取剂,提取有害物质。

KTPA / TEA法,即利用二乙烯三胺五醋酸螯合剂,提取可被植物吸收的金属离子的方法。

⑤玻璃柱沥滤实验,这种方法模拟泥浆坑中废钻井液成分通过土层渗入地下过程得方法对于评价废泥浆的迁移、泥浆坑的设计、衡量土壤对废泥浆的有害物质阻尼作用等方面,具有重要意义。

金属离子形态连续萃取及滤液分析

    该方法可分析各种金属离子不同环境和不同形态对生态环境的影响。

生物鉴定方法

48h幼体壳异常的有效浓度

48h幼体致死浓度LC50。该方法可以采用许多生物如水蚕、三角褐指藻、糠虾、贻贝等。

20世纪70年代中期美国环保局(EPA)和石油工业协会共同制订了糠虾生物实验,并且被定为API标准,是美国环保局批准的唯一钻井液毒性评价方法。指标是:96h糠虾半致死浓度LC50值。环保局规定钻井液最高毒性排放限度LC50值为30000mg/L

但是糠虾生物实验评价时间长、精度不高、误差大,而且实验样品来源有限,用这种评价钻井液毒性已受到批评。

最近研究出快速生物实验显微毒性实验,其原理是测定和不同类型、不同浓度的泥浆接触后,加在泥浆中的一种发光细菌的生物冷光的光强因细菌健康受损而发生的变化,以光强降低 50%的毒性物有效浓度EC50 表示。这种实验制样仅需1h,实验需5min

新近研究出的另一快速毒性实验方法叫生物冷光积累实验法,其原理与显微毒性实验一样,只不过实验生物是海藻,测量方法也有所不同。

国内外现状

由钻井液对环境的危害评价结果,反过来可以指导新型环保钻井液体系的开发。

国外已开发出一系列有机化合物降解性评价方法及易生物降解的新型钻井液体系。

近几年来,中国科学院、某些高等院校和环保部门,都先后对一些常规有机物生物降解性进行了研究。

但国内专门对钻井液体系中各种有机物与无机物的毒性与生物降解性的研究报道很少,而且既能满足钻井需要,又能符合环保要求的钻井液体系还有待于进一步研究。

国内已经开展了钻井废液对海洋生物的毒性测试,如钻井液对浮游生物扁藻、滤食性生物贻贝、浮游动物无节幼体的生长,以及对甲壳类动物卤虫孵化速度的影响实验,并初步建立了油基钻井液毒性评价的试验程序。但尚未建立统一的评价标准。


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