四川油气田完井废物固化处理技术研究.docx

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四川油气田完井废物固化处理技术研究

西南交通大学

硕士学位论文四川油气田完井废物固化处理技术研究姓名：

贺吉安

申请学位级别：

硕士专业：

环境工程指导教师：

刘丹;林利

20080901

西南交通大学硕士研究生学位论文第1页

摘要

钻井作业完井后，遗留含有大量有害物质的废弃钻井液、岩屑等固体废物，污染物浓度高、毒性大、成分复杂，若不有效处置，对土壤、地表水和地下水造成严重影响和危害。

固化填埋是近年来石油工业处置完井废物的主要方法，该方法能显著降低完井废物中污染物对土壤的浸蚀，减少对环境的影响和损害。

本课题针对四川油气田完井废物固化处理实施过程中存在的一些问题和不足，讨论分析技术、环境可行的固化处理实施方案，对固化效果的影响因素进行研究，从而优化固化工艺和施工。

通过实验筛选，确定了满足四川油气田完井废物固化处理的处理剂材料，并对处理剂材料的加入量进行了效果对比考察。

通过综合比较，确定以YJ．1高效净水剂作为完井废物固化处理的破胶剂，加入量控制在1．5～2％范围。

以DH处理剂作为完井废物固化处理的固化剂，加入量控制在

20～30％范围，能达到较好的固化效果。

对完并废物固化处理效果的影响因素迸行了探讨和比对分析，完井废

物中固相含量在60～70％处理效果最佳：

在现场处理中固化时间应达到

lO～l5d以上才能有较好的固化强度。

进行了固化处理工艺的分析和优化，设计了完井废物固化工艺路线和

现场处理程序。

并提出了合理组织施工、高固相和低固相完井废物按配比

进行固化施工等措施。

通过对完井废物现场固化处理，对实验研究有关结论进行了验证，通过对固化体的抽样检测，固化体抗压强度和浸出液污染物浓度都达到了相关要求，固化处理完井废物取得了很好的效果。

关键词：

完井废物；固化处理：

影响因素：

工艺

西南交通大学硕士研究生学位论文第1I页

Abstract

Aftercompletionofwelldrilling，alargeamountofhazards—containedsolidwastessuchasdrillingfluids，drillingcuttingswereleft．Thesesolidwastescontainhighpollutant，hightoxicityandcomplexcompoundsandcancausefatalinfluencesanddamagestosoil，surfacewaterandunder—groundwater．Solidifiedburialisthemainprocessadaptedbyoilindustrytotreatwellcompletionwastes．Theprocesscandecreasepollutioninfiltrationlevelfromwastetosoilandminimizetheirimpactanddamagetoenvironment

remarkably．

Thispaperisaboutproblemsandshortcutsofwellcompletionwastestreatmentduringsolidifiedburial．Discussandanalysessomefeasibleprocessesintechnologyandenvironmentaspects，studyinfluencingfactorsandthen，optimizesolidifiedtreatmentprocesses．

Basedonexperiments．materialsfittosolidifiedburialofwellcomplicationwasteswerechosen．Thoughthecomparisonofdifferentadditionamounts，chooseYJ-1highefficiencyclarifierasgelbreakerinsolidifiedprocessofwellcomplicationwastes．ControltheadditionamountofYJ—lin

1．5-2％．ChooseclarifierDHassolidifierinsolidifiedprocessofwellcomplicationwastes．TheadditionamountofDHwascontrolledin1．5-2％．

Throughanalysisandcomparisonsofinfluencingfactors，theeffectsofsolidifyisbetterwhenthesolidcontentofwellcomplicationwasteisbetween

60％and70％．Thesolidifiedprocesstimeshouldlongerthan10-15daysto

reachstrengthsdemand．

Inthispaper，solidifiedtreatmentprocesseswereanglicizedandoptimized，andtheprocessandfieldtreatmentprogramweredesignedandrunningmeasuresweresuggestedsuchasgoodconstructionorganization，mixinghighandlowsolidconcentrMionwastesbysomeratiosandSOon．

Basedonfielddata，theexperimentresultwasapproved．Thecompressivestrengthandpollutantconcentrationofleachingsolutionmeetrelated

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standards．Andtheprocesshasobtainedagoodeffectinsolidifiedtreatmentpracticalapplication．

Keywords：

wellcomplicationwaste，solidifiedtreatment，influencingfactors，

process

西南交通大学

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

1．保密口，在——年解密后适用本授权书：

．2．不保密耐使用本授权书。

指导教师签名：

赢饽汗

日期：

7叫月嗍：

叫钳膨日

|

西南交通大学

学位论文创新性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

醐：

7叫

西南交通大学硕士研究生学位论文第1页

第一章绪论

1．1问题的提出

随着石油工业的迅速发展，特别是新的科学技术、材料应用到钻井作业过程中，钻井工艺对钻井液的要求越来越高，目前石油行业使用的钻井液体系包括水基钻井液、油基钻井液、聚合物钻井液、无固相钻井液等不同体系。

一般钻井作业完成后由于钻井液老化、经济成本等因素，钻井液Iul收利用率较低，多数钻井液被废弃，同时钻井过程中会产生大量的粘带钻井液的钻屑，包括施工过程中产生的其他固体废物，在石油行业中统称为完井废物。

因而完井废物主要包括：

废弃钻井液、钻屑和钻井作业过程中的其他固体废物。

1．1．1完井废物的来源

完井废物的主要来源如下：

①废弃钻井液，包括废弃储备钻井液：

②废弃完井液：

③钻屑；

④其他固体废物。

钻井作业过程中需要使用钻井液，在钻井过程中钻井液是循环使用，

其主要作用是用于稳定井壁、冷却钻头、平衡地层压力、携带岩屑，在石油工业中称其为钻井工程的血液。

钻井液的组成体系很多，按配制钻井液的溶剂类型可分为水基钻井液、油基钻井液和泡沫钻井液，按钻井液固相含量可分为常规钻井液、低固相钻井液和无固相钻井液，按钻井液配制体系可分为磺化褐煤钻井液、聚合物钻井液、三磺钻井液等等。

之所以有众多的钻井液类型是为了满足不同地层和地质结构的钻井作业需要，因为在实际钻井作业中，不同地质结构、不同地层、不同钻井时期、不同钻井工

艺等多种因素都会导致钻井液性能要求的巨大差异，从而导致每一种钻井

液必然是针对特定的地质结构和钻井工艺需要而进行设计并在钻井作业过程中随时进行调整以满足工程需要。

有鉴于此，钻井液重复利用的价值不

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大；另一方面，钻井液还存在老化现象而导致其性能达不到要求必须予以报废的情况。

四川地区地质构造差异较大、运输困难，在有条件的地方也只能是部分储备钻井液能回收利用，其余大部分钻井液在完井时只能报废排入废弃钻井液池。

岩屑（也称钻屑）是钻井过程中钻头破碎岩层的产物，随钻井液的循环流动带到地面，通过机械振动筛分离排入岩屑池储存。

大部分岩屑本身并不构成环境污染，有的地区还将岩屑用于铺路或铺设井场。

然而，通常情况下由于岩屑是随钻井液带出地表，其表面会粘带部分钻井液而不能直接使用。

有的岩屑中含有较多的无机盐类（如盐层、石膏层等产生的岩屑），进入环境则会造成不利影响：

不同井由于井深、井身结构不同其岩屑产生量也有较大的差别。

其他工业固体废物则主要是钻井设备搬安、清洗、维修产生的固体废物、废弃易耗物品、被污染地面的清理废物、以及报废钻井液材料等等，这部分的产生量相对较小。

1．1．2传统的完井废物处理技术

国内外常用的完井废物处理方式，主要有以下几种：

（1）完井废物自然干化处理在钻井作业时，修建一定容积的钻井液、钻屑储存池，将钻井作业过

程中产生的废弃钻井液、钻屑及其他工业固体废物储于池中，完井后利用自然蒸发作用使废物中含有的水份等易挥发性物质蒸发，固体废物逐渐干化使呈一定强度后，可以就地储存或覆土恢复地貌。

这种方式在降雨量较小而蒸发量较大的地区有较多的应用，而在降雨量大的地区则无法实现自然干化。

（2）完井废物就地储存处理

钻井作业前，在井场附近修建足够容积的废水、钻井液池，并做防渗处理。

将钻井作业过程中产生的废水及废弃钻井液等固体废物储于池中，完井后将池中的废水处理达标后排放或进行回用，固体废物则储于池中，

或做简易处理，固体废物永久存放，储存池周围设防护设施。

（3）循环使用处理有些废弃钻井液、废水、废材料等完井废物都可循环使用。

废水经过

处理后再注入井内以平衡井内压力，也可用于重油的处理。

要求安装的设备能便利地使用可重复利用的废材料，例如安装循环系统以便收集废物并在井场重复利用，有些暂时废弃的钻井液（如改变钻井液的密度、粘度等

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时处理的一部分钻井液）在适当的时候又可以在该井使用，或运至另一1：

3

适合的井上再利用13J。

（4）焚烧处理技术焚烧法也是一种非常清净的处理钻井废物的方法，但这要求必须有很

高的温度，焚烧炉需配备除尘、回收和气体吸收等装置，有害气体和油类可以回收，剩余的残渣可以综合利用，对环境不会造成明显的不良影响。

该项技术在国外应用较多，主要用于解决海上使用油基钻井液产生的油基钻井废物处理困难的问题。

（5）集中处理法废弃钻井液及大部分完井废物在井场不能就地处理也不能直接排放，

必须运出井场到某指定地点集中处理。

这种方法主要针对那些毒性比较大、常规处理方法处理会严重污染环境，也没有适合的处理方法的废弃钻井液的处置。

（6）坑内密封处理法它是在坑的底部和四周铺一层有机土，然后在其上铺一层防渗挚层，

再铺一层有机土。

也可以在底部和四周加固化层，以防渗漏。

再将基本干燥的废弃钻井液、钻屑等固体废物运至池内，上表面再覆盖密封，然后恢复地貌。

这主要是对那些毒性较大的完井废物的处置方法，必须要保证密封严实，不能出现渗漏。

（7）固化处理技术

固化处理技术是向完井废物中加入固化剂，使其转化为胶结强度较大的固体，将污染物束缚其中，以达到污染控制的目的。

其固化物可就地填埋或做建筑材料等。

该方法能够较好地控制完井废物中的金属离子和有机物对水体、土壤和生态环境的影响和危害，被认为是一种比较可靠的治理废弃钻井液污染的好方法。

对于治理难度最大的COD、Cr、Pb和总铬等污染最为有效。

现在对废弃钻井液的固化已有许多成熟的技术，可用于不同废弃钻井液的固化。

1．1．3问题的提出

钻井作业完井后，遗留大量的含重金属、油类、碱、高分子有机物和其他化合物的废弃钻井液、岩屑等固体废物，pH值较高，若不予以有效处理处理，长期堆积经雨水沥滤渗入地下，对周边的土壤、植被、地表水和

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地下水造成严重污染，特别是其中的重金属及其化合物长期积累于水环境或生物中，将给人类生存形成巨大的潜在危害Il引。

通过对国内各大油田的部分完井废物的调查分析表明，完井圆废中主要的10项污染指标（总铬、六价铬、总汞、总砷、总镉、总铅、COD、石油类、pH值、氯化物）均

高于国家标准规定的污染物排放限值，钻井液中的铬、铅、砷、镉、苯、

氯化物及其他成分对人类的健康和环境的损害最大，如大量使用的聚合物会使废弃钻井液的化学需氧量增加，重金属铬离子为致癌物质等等。

随着国家对环境保护工作的日益重视和加强，油气田完井废物的处理工作也逐步完善，目前国内钻井现场的完井废物普遍采用固化处理后填埋复耕，固化是近年来石油工业普遍重视和使用较多的一种方法，其机理是向完井废物中加入固化剂，使其转化胶结强度很大的固体，就地填埋或用作建筑材料等，该方法能显著降低完井废物中重金属离子和有机物对土壤的浸蚀和土壤沥滤程度，减少对环境的影响和损害，便于填埋复耕，是一种取代简单填埋法的一种更容易被人们接受的方法【5】。

在国内的钻井作业完井废物处理工作中，中原油田、长庆油气田、新疆油气F只等普遍采用的是干化固化填埋处理；而在胜利油田、江汉油田等地则由于雨水相对较多、完井废物含水率高等因素，普遍采用固液分离固化填埋处理14J。

四川油气田是国内特大型的天然气生产基地，与其他油田相比，钻井施工作业点十分分散，作业点周边环境特殊，大多数为农田、山地或林地，甚至有的施工点处于自然保护区，生态环境保护要求十分高，如何更好地对完井废物进行有效的无害化处理，是四川油气田一直在探索和实践的工作。

在这个过程中，四川油气罔也和美国安然公司、柏灵顿公司、加拿大泛华公司等国外公司进行技术合作，借鉴他们的先进管理经验和技术要求，并取得了较好的处理效果。

同时国内许多环保治理企业、科研院所也在不断努力，进行更科学、完善、可行的技术开发和研究，并进行了大量的现场实施应用。

自20世纪九十年代以来，四川油气田在完井废物固化处理填埋复耕方法的研究方面做了较多工作，该方法在国内外使用得较多，固化处理的方式也较多，固化处理的处理剂类型也较多，由于不同地区对处理的要求也不同，处理效果方面也存在较大的差异，该方法适用范围较广。

但总的来说，完井废物的固化处理技术在四川油气田的实施应用还处

西南交通大学硕士研究生学位论文第5页于起步阶段，多种处理技术都还处于实践探索阶段。

本课题通过对固化材

料的选取及其用量的研究，分析固化效果的影响因素，重点对完井废物的固化处理技术的可行性进行分析讨论，从而为进一步完善和推动完井废物的处理处置研究和应用提供依据和指导。

1．2国内外研究现状

国内外有关废弃钻井液、钻屑固化处理技术已有较多的研究报道。

虽然在我国固化处理填埋技术研究应用是近十年才发展起来的，但对不同钻井液体系完井废物的处理方案、方法及工艺的研究已受到很高的重视，有关的研究报道近几年也同趋增多，并取得了良好的处理处置效果。

国内油气田自上世纪九十年代开始进行完井废物固化处理的技术研究和探索，充分借鉴了国内外的成果和经验，并在完井废物处理工作中得到应用和验证，到目前主要有以下几种处理技术方法。

1．2．1回填复耕处理技术

回填复耕处理技术是20世纪九十年代末采用较多的处理方法，由于当时的完井废物处理工作还处于探索研究的初期，处理效果的评价也没有具体的标准，因而不同处理单位的处理方法也有较大的差异。

原四川石油管理局J|I西南矿区研制了废弃钻井液固化处理的专用固化剂，在使用时加入硫酸盐、硅酸盐等添加剂，对废弃钻井液的固化处理进行了有益的尝试。

与此同时，原川中油气公司、川西北气矿也在与国外石油公司合作的过程中进行完井废物的无害化处理工作，在处理过程中不断地探索和研究，川中油气公司在完井废物无害化处理方面取得了较好的效果11引。

通过对固化体的监测分析，全井固化效果较好，固化物浸出水能满足危险废物鉴别标准（GB5085．3．1996）和污水综合排放标准（GB8978．1996）的要求：

该固化处理方法在技术上、经济上可行。

通过加大添加剂的用量，抗压强度较高，曾尝试将固化体用作建筑材料且有一定效果。

通过对固化填埋现场周围环境进行跟踪调查，对地面水、地下水的监测结果对比分析得知，固化填埋池周围环境与原始调查结果变化不大，说明固化填埋处理钻屑、废弃钻井液未对周围环境造成不良影响。

但该处理方法依然存在较大的潜在环境风险，且对填埋池选址要求较高，必须选在相对平坦且地势较高处，才能有效避免固化物受雨水浸淋，从而使污染物

西南交通大学硕士研究生学位论文第6页浸出对地下水造成不良影响。

1．2-2土地耕作处理技术

土地耕作处理技术处理完井废物在国内外都有部分报道和研究，在四川油气田也有部分应用。

原四川石油管理局川西北矿区一直在研究采用土地耕作法处理完井废物，并专门研制生产了专用处理剂和添加剂，曾采用土地耕作法进行了完井废物的处理工作，为了考查处理效果，处理工作完成后组织进行了现场查勘，并对周边浸出液进行了取样分析。

此时附近居民已对处理完井废物的场地进行了耕作，四周和处理场挖了排水沟，种植了玉米，玉米的长势一般，土壤里能较明显的看到废弃钻井液材料等，说明当时处理混合不够均匀，且勘查时正在下小雨，从处理场四周排水沟流出的水也略带浅褐色。

总的来看，该处理方法费用较高，对农作物的生长存在较为明显的影响，同时该井是油气勘探井，所用钻井液材料较多，成份复杂，采用土壤耕作法处理这种类型完井废物并不合适。

随着国家对固体废物，特别是危险固体废物相关处理要求、标准的进一步明确和提高，目前已不再使用该方法处理完井废物IZ引。

1．2．3表面固化处理技术

完井废物表面固化处理法在国内外的报道和应用几乎未见，但在以前的一段时间里四川油气田使用这种处理方法却很多，其处理原理是对储存在池子内的完井废物的表面进行固化，使其与外界环境隔离，避免雨水等自然水进入而引起污水外溢发生环境污染和影响，减少环境风险和危害。

由于钻井工程费用中对完井废物的无害化处理的成本投入较低，但又希望

最大程度的降低完井废物储存对周边环境存在的环境风险和影响，因而四川油气阳的很多单位都曾采用这种表面固化处理法来处理钻井作业完井废物。

该方法不对完井废物进行整体固化，只是对储存池进行封闭，使储存

的废物与周边环境隔离，完井废物的特性未发生改变，因而未对处理后的废物取样进行监测分析。

通过对采用表面固化处理完井废物的后续调查分析，这种处理方法虽然费用成本较低，但却存在较大的弊端，部分处理后的井存在着较大的安全环保隐患【2¨。

西南交通大学硕士研究生学位论文第7页

1-2．4异地密封复耕处理技术

异地密封复耕法处理完井废物是在回填复耕法基础上发展起来的，主要在与美国柏灵顿公司合作过程中得到应用。

为了减少占用耕地的不良影响，制定了异地密封复耕法处理完井废物，并制定了严格的处理技术方案，以妥善处理钻井过程中产生的废物。

在处理过程中对固化体进行取样做抗压试验，并做了固化体的浸泡试验。

通过监测数据分析，固化体强度试验结果全部达到了设计要求，浸出液监测指标也符合国家污水综合排放标准的要求。

几口井密封储存池附近的地下水水质在固化处理前后没有明显的变化，说明固化体填埋储存未对周边环境造成不良影响，采用水泥砂浆、高密度聚乙烯地质处理膜能对固化体起到很好的封闭作用，固化体中的部分有害物质未进入环境。

虽然该处理方法对固化体进行了密封处理，但密封层破损而对环境造成危害的风险依然存在【2引。

1．2．5钻井液脱稳固化技术

钻井液脱稳固化技术在国内多个油田都有研究和应用，该方法先对钻井液进行破胶脱稳，也称为破乳，吐哈油田通过实验研究，确定了适合于吐哈油田MEG仿油基体系和聚磺体系废钻井液的破胶剂JHG-1和JHG一2，并优选出了破胶剂的最佳加量和固化剂（沙粒、水泥）配方，将废钻井液破胶后再进行固化处理，能使废钻井液固化处理后固化体的浸出液中污染物浓度达到国家污水综合排放标准二级标准要求f15】。

重庆地区以水泥、粉煤灰、石膏为主凝剂，再加入絮凝剂和无机固化剂为添加剂的固化配方，固化坏体稳定性好，有害成份COD、SS、石油类、六价铬等浸出量大幅度降低，能满足无害化要求一J。

胜利油F只针对含水量高的水基钻井液体系，在先期固化处理技术研究

成果的基础上，进行了钻井液固液分离技术研究，研究确定了使用脱稳剂、絮凝剂配方和加量，对废钻井液进行脱稳固液分离，游离水抽出外运处理，沉积物中再加入固化处理材料进行固化处理，监测结果表明，经固液分离、固化处理后固化物浸出液污染物主要指标大大降低，能达到国家污水综合排放标准二级标准要求14J。

西南交通大学硕士研究生学位论文第8页

1．3论文的选题、主要内容及技术路线

1．3．1论文选题

四川油气田是国内特大型的天然气生产基地，与其他油田相比，钻井施工作业点十分分散，作业点周边环境特殊，大多数为农田、山地或林地，甚至有的施工点处于自然保护区，生态环境保护要求十分高，如何更好地对完井废物进行有效的无害化处理，是四川油气田一直在探索和实践的工作。

近几年，国家和四川省就固体废物的无害化处理出台了多项法律法规和相关政策，中国石油天然气集团公司也制定了落实科学发展观加强环境保护的意见和促进清洁生产等制度和措施，四川油气田在完井废弃无害化处理方面得到了显著的加强。