油气开发钻井废弃物的处理及资源化利用研究

杨敏，陈晓岑，赵建夫，李卫超

（1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092）

0 引言

钻井废弃物是在油气勘探开发过程中产生的固液废弃物，主要包括钻井泥浆、废液、钻屑等。钻井泥浆主要来源于钻井和固井过程中排放的废钻井液。废液色度高、pH高、化学需氧量（COD）高，且体系稳定，若不经处理，将严重污染土壤系统[1]。而钻屑多为钻井过程中产生的固体颗粒，少部分以泥砂的形式混在钻井液中，含油钻屑的油含量较高，达到6.5%~23.6%，甚至更高[2-3]。这些废弃物经过填埋、固化等后期处理后，对环境和健康仍有潜在的危害，国家已明确将其列为危险废物，作为严控物品管理[4]。

我国油气田每年开采产生的钻井废弃物约为1000万m3。波兰现在每年产生约8万t钻井废料，这类废物被安置于废物中和厂或堆填区。然而，这一做法不能完全消除其危害性，存在二次污染环境的风险[5]。日本要求海岸边的钻井公司将大部分钻井废弃物运到陆上，由工业废弃物处置公司进行集中填埋处理[6]。英国环境立法规定排入北海的钻屑残余油量必须小于1%[7]。美国大部分州都要对泥浆中的铬、汞、等重金属的毒性进行控制[8]。我国在2015年实施新环保法，对固体危险废物的产生、收集、运输和处理提出更高的标准，要求油基钻屑这类危险废弃物从产生到处理均不落地[9]。

目前，针对钻井废弃物，如何进行高效无害化的处理与资源化的利用，已经成为油气开采行业在环境治理领域的研究热点。本文在总结钻井废弃物无害化处理的基础上，对其资源化利用的前景进行了分析，并结合当前存在的主要问题提出一些建议，为油气开采行业钻井废弃物的处理利用提供参考。

1 钻井废弃物的处理

在废弃物处理工艺中，通常针对液相（废钻井液）和固相（废钻屑）分别处理。钻井废弃物的处理流程可分为废弃物收集模块、固液分离与固化模块以及污水处理模块，如图1所示。钻井过程中产生的废弃物在原位收集之后，先经过固液分离工艺，将固体废弃物（废固）和液体废弃物（废液）分离，然后对废固做固化处理，废液则通过特定的污水处理模块进行回灌和排出。

图1 钻井废弃物处理流程示意

1.1 钻井液废弃物处理

目前油气开发过程中使用的钻井液主要分为3类：水基钻井液、油基钻井液以及合成基钻井液。水基钻井液废弃物大多由（盐）水、烧碱、膨润土、处理剂等构成；油基钻井液在使用后会产生大量的含油废弃物；合成基钻井液废弃物中含有大量的合成有机物，种类繁多，现阶段对于合成基钻井液废弃物的处理还有很大的困难[10]。传统的废钻井液处理方法包括固液分离、固化处理、化学降解、热处理[11]等。

1.1.1 水基钻井液废弃物处理

水基钻井液废弃物无害化处理必须充分考虑环境污染、处理工艺及费用等方面问题，主要通过破胶、絮凝沉降、固化等工艺[12]，将绝大多数污染物混合在固化块中，可以实现有效的处理。选用高效破胶剂中和并吸附水基钻井液废弃物中的带负电微粒，促使负电荷微粒脱稳并絮凝，加速沉降及过滤脱水。再使用高效固化剂，将水基钻井液废弃物硬化凝固，并使废弃物性能指标达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》，这在国内外钻井生产过程中具有广阔的应用价值[1]。

1.1.2 油基钻井液废弃物处理

油基钻井液与水基钻井液相比，具有很强的特殊性和差异性，主要以柴油或白油为主，添加有一定量的润湿剂、乳化剂、凝聚剂等处理剂[13]。具有油基或者合成基成分的钻井液在钻井完成之后，可以对其进行回收，油基钻井液一般循环使用，经过处理后的油基钻井液可以再次应用到其它钻井液中或者作为燃料使用[14]。Zhu等[15]提出了一种利用化学反应强化分离和无害化处理废弃油基钻井液的技术，在废弃油基钻井液中加入清洁剂以回收有用的油，回收率可达85%。现场处理前后情况见图2[15]。浸出液中的油、重金属和其他污染物含量低于GB 8978—1996《污水综合排放标准》的二级标准。此外，化学破乳法也是目前广泛采用的油基钻井液废弃物处理方法，需要加入破乳剂破坏其稳定性。该方法处理工艺简单，成本较低，其油回收率能够达到90%以上[16]。

图2 钻井废弃液的现场处理

1.1.3 废弃钻井液的现场应用

炼钢过程会产生大量的钢铁粉尘，对这些钢尘的处理正成为一个主要的环境问题。Magzoub等[17]将炼钢粉尘作为添加剂加入钻井液配方中生产新的水基钻井液配方，以减少钻井液配方中原使用的膨润土和其他添加剂的量。结果表明，在满足混合物稳定的前提下，使用该钢粉尘可以将膨润土用量减少到80%。因此，钢铁粉尘被认为是一种潜在的低成本钻井液添加剂。此外，为了避免严重的环境污染问题，Chen等[18]将3号井的废弃钻井液用于制备透水砖，制得的透水砖抗压强度为105.8 MPa，渗透系数达到0.0081 cm/s，可重复使用率高达90%，可作为一种新型路面铺装材料。Cheng等[11]利用废弃钻井液、炉渣和赤泥制备了一种新型胶凝材料，其抗压强度可达到16.7 MPa，重金属的毒性浸出浓度均远低于HJ/T 299—2007《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》标准限值，对重金属表现出良好的稳定固化能力。

相比无害化处理，废弃钻井液回收利用是最好的选择。段晓东等[19]首次在中东市场应用废弃物随钻一体化处理技术，用CaCl2完井液替换伊朗南阿油田井筒内所有泥浆，使得伊朗S38井回收泥浆150 m3以及重浆100 m3，大大降低了废弃物的处理成本，同时也节约S37井钻井液施工成本。谢帅等[20]在吉林油田回收再利用钻井液，使现场处理的钻井液性能指标达到新开钻井的技术要求。钻井液现场处理试验实现减少废弃物排放量100 m3以上，节省环保处理费用约3万元，节约钻井液成本约2万元。

此外，Zha等[21]研究了将钻井废弃液转化为环境友好型土壤的配方，提出将天津大港钻井废弃物混合20%煤、10%固体污泥以及5%木屑，处理后的钻井废弃液确实有利于植物生长（土壤有机质大于30 g/kg，孔隙率大于50%），该处理工艺简单易行，成本低（<100元/m3）。且此开发的环保配方已成功应用于天津大港油田。

1.2 油基泥浆钻屑的处理

油气开发产生的油基钻屑是油基流体和岩屑的混合物。与其他流体（水基和合成基）相比，油基流体的钻井性能最好。目前，越来越多的国家颁布了严格的油基钻屑排放标准[22]。在我国，油基钻屑已被列入2021年版《国家危险废物名录》（废物类别：HW08）。

在对油基钻屑处理前，首先要对钻屑进行预处理，所有过程主要通过振动筛系统获得油基钻屑，如图3所示[23]。油气开发产生的钻井废物中具有高浓度的重金属和有机物，产生的钻屑属于四级危险产品，对环境有很强的毒性影响，这将直接影响钻屑的后续处理技术[24]。普通钻屑通常采用固化和不落地处理技术，处置效率高，对环境的污染小。目前国内探索的油基钻屑的处理方法主要有化学清洗法、萃取法、微生物降解法、热处理法[25]等。

图3 油基钻屑的预处理

1.2.1 化学清洗法

化学清洗法是一种常用且廉价的方法，利用破乳剂和活性剂降低油水界面张力，破坏油基钻屑的乳化体系，实现油基钻屑中有机物分离。将化学清洗与超声波技术联合使用可加速含油介质的脱落，从而改善清洗效果[4]。切换式溶剂的出现分步实现了对油基钻屑中有机物的萃取分离和油回收，而溶剂依旧可以循环使用[26]。该方法成本较低，清洗条件温和，缺点是清洗后产生大量的废水，增加了后续处理难度。

1.2.2 萃取法

萃取法实质是基于“相似相溶”原理，用高效的萃取剂将油基钻屑中的有机物萃取分离的方法。萃取剂多种多样，包括有机溶剂萃取、超临界二氧化碳萃取[27]、亚临界水热萃取[28]。刘宇程等[29]选用石油醚为萃取剂，对含油率为41.75%的油基泥浆钻屑进行处理，在液料质量比为3∶2、萃取温度为36.5℃、萃取时间为25 min的条件下，除油率达83.10%，回收率可达90%。该方法的萃取效率高、无污染、成本低，但其缺点是需在18~25 MPa高压下进行，在一定程度上限制了其大规模工程应用。

1.2.3 微生物降解法

该方法一般选育具有高效降解能力的微生物复合菌群，微生物在废弃物中原位生长繁殖，经过复杂的生物和化学过程，对油基钻屑中的有机物进行生物分解，使其脱毒、脱胶、脱盐碱、脱水，从而达到无害化处理。该工艺的优点是不增加其他物质，降解后环保效果好，没有污染，是目前广泛研究和应用的处理技术[30]。缺点是培育复合菌群所需的周期比较长，且菌种不具有广谱性。

1.2.4 热处理法

热处理法主要是通过电磁波或高温等处理技术对油基钻屑中有机质、油等实现热解、分离的技术。其产物需要进一步处理以去除其高盐度，因为高盐度对环境具有严重的危害。油基钻屑中的油可以在250~500℃的相对低温下蒸发，并且可以回收用于钻井或燃料[31]。钱炜等[32]在钻井现场对油基钻屑进行预处理后，加入水泥窑进行煅烧，油基钻屑所含油类物质在水泥窑内燃烧彻底分解后成为熟料，且焚烧过程不产生废渣。油基钻屑所含重金属离子固化在熟料矿物相晶格中，通过控制入窑固体废物中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3含量大于40%，氯元素含量小于0.5%，氟元素含量小于0.04%，使生产的水泥满足GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求。采用热处理法能够回收钻屑中的柴油、白油等油类物质，降低残渣的含油率，但同时也存在一定的劣势，即热处理技术设备投资大，需对脱附油进行除臭处理。

2 钻井废弃物的资源化利用

钻井废弃物由于无害化处理技术的不同，其成分也往往存在较大的差异。因此，根据具体的物理化学特性，钻屑的资源化利用也呈现出多样性。油气行业废弃物的合理回收或利用，以保护生态系统为前提，并将废物转化为有价值的产品。介绍了4种钻井废弃物资源化利用途径在土木、交通、农业领域的应用，以期为该废弃物的资源化利用提供一定参考。

2.1 建筑材料

建筑业需要具有更高耐久性、更低环境影响和更低成本的材料。这就需要利用钻井废弃物作为添加剂对建筑材料进行成分改性，以获得具有所需性能的材料，资源化利用技术主要是用钻屑中的SiO2、BaSO4等无机组分，将钻井废弃物固化成一定的形状制备建筑材料，包括陶瓷片、免烧砖、烧结砖、轻骨料、混凝土砌块、水泥熟料、纳米复合材料等。

Vaqueiro等[33]采用3种不同黏质土壤，分别把钻屑以10%、20%和30%的质量加入到3种黏性土壤中，使钻屑与黏性土壤结合，可得到高质量的陶瓷片。所得陶瓷片经干燥和烧成后体积变化小、孔隙率低、强度高。

除了瓷片等制造，王朝强等[34]自主创新了钻井固体废弃物制免烧砖技术，将0.5 kg水基钻屑与0.2 kg水泥、0.05 kg粉煤灰、0.625 kg机制砂混合，所制的免烧砖体抗压强度约10 MPa。张忠亮等[35]将20%质量的钻屑混合20%的水泥、47.5%的细集料、8%的粗集料、4%的石膏以及0.5%的外加剂，制得性能优良的免烧砖，其抗压强度16 MPa、吸水率10%，强度和浸出液相关性能符合JC/T 422—2007《非烧结垃圾尾矿砖》MU15等级要求以及GB 8978—1996中的一级标准要求。Li等[36]用页岩的钻井废弃物制备了烧结砖，分析了烧结砖的微观结构，研究了温度对砖物理力学特性的影响，且渗滤液中重金属浓度远低于HJ/T 299—2007的规定限值。

Ayati等[37]通过试验把北海油田的钻井废弃物预处理后在1180℃下烧制，得到的轻骨料颗粒密度为1.29 g/cm3，吸水率为3.6%，抗压强度为4.4 MPa。由此可见，轻骨料制造也是一种资源高效的废弃钻屑再利用的方法。

Ehsan等[38]发现，在混凝土中用干钻屑代替20%的水泥，并掺入7.5%的粉煤灰和7.5%的硅灰可使混凝土的抗压强度提高40%。Mohammed等[39]用热处理的废石油钻屑代替50%质量的砂土制备砂混凝土。砂混凝土表现出吸水性降低、吸附性降低、密度增加、导热系数降低的特性，抗压强度可达到16.5 MPa以上。

此外，油气开采过程中产生了大量的油基泥浆钻屑可以作为水泥熟料生产的原料。Lai等[40]采用化学分析、X射线衍射等方法研究了掺量为0、3%、6%和9%的油基泥浆钻屑水泥熟料的抗压强度。结果表明，在较低的煅烧温度下，加入一定量的油基泥浆钻屑可以成功地生产水泥熟料，降低燃料消耗。Abdul-Wahab等[41]研究发现，添加油基泥浆钻屑不仅可以处理钻屑和有机物，而且还可以降低水泥厂的二氧化碳排放量，同时能有效减少有害气体的排放。Guereca等[42]发现，油基泥浆钻屑不仅可以降低水泥生产的能耗，还能减少垃圾焚烧或填埋产生的经济成本和环境污染。总的来说，油基泥浆钻屑制备水泥熟料可以实现废弃物的资源化利用，对环境保护起到积极的作用。

由于油基泥浆废物含有大量的黏土矿物和金属，使得这种废物在工程纳米复合材料应用中具有很大的潜力[43]。Siddique等[44]已经利用油基泥浆废料制造出具有经济价值的工程纳米复合材料。目前正研究该工程纳米复合材料在工程结构材料领域的实际应用。根据分析结果发现，由油基泥浆废物混合7.5%的蒙脱土制成的低密度聚乙烯纳米复合材料具有一定的导热性能，可以使被视为行业环境负担的油基泥浆废物得到可持续利用。

利用钻井废弃物生产建筑材料均应满足建筑产品对土壤和地下水影响的相关环境标准要求。荷兰在1995年颁布的《建筑材料说明》规定，建筑工程设施不能损坏土壤和地表水[45]。日本于2010年颁布的《城市垃圾和污水污泥矿渣等固体垃圾使用标准》规定用于建筑材料的固体垃圾需满足浸出液测试方法和污染物的限值；而我国GB 3838—2002《地表水环境质量标准》要求重金属离子浓度不超过Ⅴ类水质标准[46]。

2.2 复垦土壤和植物养钵

钻井过程会产生污水、泥浆等污染物，而钻井废弃物的矿物组成与土壤相似。重金属对土壤的化学污染是土壤覆盖退化的最危险因素之一，因为土壤对重金属的自清洁能力极低，重金属元素会不断积聚在土壤中[24]。矿物的开采会导致地表的大面积退化，在退化土壤上利用这种废弃物可以改善土壤性质。根据波兰工业区生态研究所的数据，波兰有超过80亿m2的退化土地和395亿m2受到工业退化威胁的地区[47]。按照可持续发展的理念，用废弃物混合物覆盖这些区域，可以生产植被，这是一个可以实现土壤复垦的解决方案。其中最常见的是农业中钻井污泥的使用。向土壤中添加污泥会提高植被恢复和植被生长率，增加土壤矿化和提高农作物的产量。Kujawska等[48]在退化的土壤中加入钻屑、污泥和锯末来生产土壤混合物用于土地利用。结果显示，生物活量随土壤混合物中钻屑含量的增加而降低。钻屑中钙、钾、钠等元素的含量比较高，pH值超过10，这可以用来中和酸性土壤，该土壤混合物适合大多数农业植物的生长。

近年来，众多学者致力于利用钻井废弃物来解决土地退化或者干旱地区的植被绿化问题。Pawul等[49]创造了一种由岩屑、沙子和各种有机废物组成的含有污水污泥的混合物。有机质的种类和数量对植物生长有显著影响，该混合物被证明是植物生长的最佳混合物。Barker等[50]在美国俄克拉荷马州东南部进行了基于耕作法处理油基钻屑的实验研究，在为期209 d的实验观察期内，钻屑的含油量降低了89.5%。Ladousse等[51]在法国也进行了将油基泥浆钻屑用于土地耕作的实验，在为期2年的实验观察期间，油基钻屑碳氢化合物的生物降解率超过了75%，证明油基钻屑被用作植物养钵具有一定的应用潜力。

2.3 路基路面垫层

现阶段油气开采产生的钻井废弃物日益增多，钻井废弃物在道路工程中的应用也越加普遍。徐加放等[52]利用水泥、粉煤灰等对钻井废弃物进行硬化处理，得到抗压强度为3.2 MPa的硬化体用于路基垫层，相关性能符合GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准》和GB 8978—1996的要求。水泥和粉煤灰硬化处理成本分别为132.8元/t和98.8元/t。Li等[53]利用83%水基钻屑混合4%粉煤灰、5%磷石膏和8%水泥制备路基垫层材料。制得的材料压实度达92.5%，无侧限抗压强度达3.1 MPa，符合JTG F80/1—2017《公路工程质量检验评定标准》。Tuncan等[54]利用5%水泥、10%粉煤灰和20%石灰混合稳定的石油钻井废弃物作为道路建设的底基层材料。结果显示，底基层材料的无侧限抗压强度显著提高。此外油基钻屑还可以作为路面混凝土的掺合料[23]和沥青混凝土的矿物添加剂[55]用于道路建设。钻屑废料是一种非常好的施工材料，使用钻屑进行路基施工可降低施工成本。

近年来，由于勘探新的常规和非常规矿藏，波兰的钻井废物数量有所增加，部分采矿废弃物通过水泥或氢氧化钙等手段稳定下来，也在道路建设中得到应用[56]。

2.4 岩土工程中的应用

稳定的钻井废弃物能否应用于岩土工程，如工程填土、回填和基底材料等，一直是近年来的难点和热点。针对这一问题，Piszcz-Karas等[57]将处理后的钻屑生产得到的轻集料用到软土地基上的路堤和挡土结构后面的回填，证实可以在降低结构侧向压力的同时减少地面沉降和提高稳定性。Aboutabikh等[58]提出将一种处理过的油砂钻屑废弃物以30%的体积比例替代部分水泥应用于空心杆微桩施工浆料中，使用灌浆混合物安装的微型桩，灌浆体直径有所增加，且表现出与使用常规灌浆安装的微桩相同的轴向特性。为油砂钻屑废物转化为高价值产品提供了绿色解决方案。

当然，钻井废弃物目前在岩土工程界的应用局限还比较大，对于钻井废弃物是否可以进行一定处理后作为填料应用到地基基础中，还需要进一步的研究。

3 问题与建议

为了消除污染、保护环境，钻井废弃物的管理越来越向无害化和资源化利用的方向发展。决定钻井废弃物利用途径的因素主要包括：放射性物质含量、重金属含量、油类含量等。必须对这些特性进行综合分析后，才能确定其具体的资源化途径。

除了钻井废弃物的特征，运输成本和场地成本也是影响资源化利用的2个决定性因素。人们会优先选择那些能够在井场直接应用的产品。因此，钻井废弃物可以作为建筑材料、井场复垦土壤等利用，这些资源化途径具有更大的发展可能性。在实际应用中由于无害化处理技术的不同，钻井废弃物的资源化途径也呈现出多样性。因此，针对钻井废弃物处理与利用方面的不足，提出如下2点建议：

（1）开发低成本、低能耗的钻井废弃物处理技术，提高产品质量。将重点围绕微生物降解法、热处理法等领域展开深入研究。要加大对钻井废弃物反应机理的研究，实现钻井废弃物的无害化处理和资源化利用。目前，钻井废弃物的处理成本还比较高，但产品质量不高。如何降低处理成本、提高产品的质量以及开拓更多的利用途径，将是未来的研究热点。

（2）加强油气开发源头治理，制定相关法律法规。加强源头治理，使用对生态环境影响小的水基或油基钻井液，对于无危害性的钻井液，应尽量循环使用。同时选用新型且高效的钻井器械，降低钻井废弃物的含油率，从根本上减少钻井废弃物的产生量。对于钻井废弃物的规范化处理，目前还没有针对性强的污染防治措施以及污染物排放标准，相关部门应加快落实。相关企业要做到对钻井废弃物的污染以及治理情况及时向社会公开。

4 结语

油气开发产生的钻井废弃物组分复杂，尤其是含油钻井废弃物，处理难度大，通过国内外学者的研究，基本实现了钻井废弃物的无害化处理和资源化利用。但是，目前还没有研究出新型的油基环保型钻井液，这表明油基钻屑会是油气开采过程中的必然产物。因此，需要进一步研究和探索萃取和热处理等多项处理技术，不断研究出钻井废弃物处理新技术，并因地制宜地选择合适的处理工艺，从而使处理废弃物的成本显著降低。同时还应提升经处理后废弃物的附加价值，根据产品特性扩大其资源化的途径，为钻井废弃物在土木工程领域实现全面综合利用提供参考。