作者：舒福昌,朱战兵,李凡修等
出版社：石油工业出版社
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钻井废弃物管理技术手册试读：
前言
科学发展观是我国经济社会发展的重要指导方针，更是环境保护的理论指南。保护环境是关系我国国民经济能否持续发展、人民生活质量能否提高、中华民族子孙后代能否有良好生存条件的大问题。我国政府把环境保护作为基本国策，把可持续发展确定为国家战略，充分体现了搞好环境保护的重要现实意义和深远历史意义。
石油是国民经济发展所必需的重要能源和化工原料，是重要的战略物质。石油的开发生产是整个国民经济的基础产业之一，对实现国民经济长期持续发展起着十分重要的作用。作为资源开发的石油工业，搞好环境保护对其可持续发展意义重大。
随着石油工业的发展，石油企业在为国家作出重大贡献的同时，也带来了一系列环境问题，特别是石油勘探开发过程产生的废弃钻井液，已成为石油工业的主要污染源之一。废弃钻井液是一个复杂的多相体系，除了配制钻井液所加的各种物质外，还包括钻进地层时混入的地下水、钻屑、黏土和原油等。其中的有害物质对井场周围环境造成了极大危害，如果不对这些污染物进行有效的处理，将导致对土壤、地表和地下水的污染，对环境造成严重的影响和破坏，直接或间接对动物、植物及人类健康产生危害。因此，开发废弃钻井液处理技术，对它们进行有效的治理，对于保护生态环境，合理利用资源具有特别重要的现实意义。
本书综合了中国海洋石油总公司技术发展项目“钻井废弃物处理技术及工艺研究”所取得的研究成果。全书共分为11章。第一章综述了钻井废弃物的来源、组成、环境危害、处理方法及发展趋势；第二章介绍了国家有关钻井废弃物环境管理的相关法律及政策、废弃物测算方法、固体废弃物类别鉴别和分类方法、海洋石油HSE管理体系和钻井清洁生产技术；第三章论述了钻井废弃物回收、转运技术，重点介绍了钻屑、重晶石回收技术；第四章综述了国内外钻屑回注技术的发展，介绍了钻屑回注工艺技术，包括研磨和成浆、回注地层设计、压裂施工技术等；第五章讨论了废弃水基钻井液特性，介绍了废弃水基钻井液化学处理技术，主要包括化学强化固液分离技术、钻井废水深度处理技术及相应工艺和装备；第六章介绍了含油钻屑排放要求以2及脱油处理技术，主要包括钻屑脉冲热驱脱油技术、超临界CO萃取技术、加热解析油技术和表面活性剂洗脱法等；第七章论述了生物处理的基本原理及技术、生物降解功能菌群识别与分析方法以及对废水基钻井液生化处理的效果和工艺；第八章论述了钻井废弃物固化处理的基本原理、固化方法、固化工艺及设备；第九章介绍了钻井废弃物填埋处置、焚烧、土地耕作、干化场处理等其他处理技术；第十章论述了钻井废弃物再利用技术，主要有生产建材制品（路基土、制备路面砖）、转化为水泥浆技术以及作为复混肥料添加剂和用于改善湿地等；第十一章介绍了钻井废弃物处理设备，包括固液分离设备、收集输送设备以及回注设备。本书的出版目的是通过对钻井废弃物无害化处理技术原理和应用技术的介绍，使广大石油工作者了解钻井废弃物处理的最新技术进展。
本书由长江大学的舒福昌、李凡修负责撰稿，中海油田服务股份有限公司的陈平、莫成孝、朱战兵、项先忠、刘志东、张秀程，中国石油集团钻井工程技术研究院的孙金声，中国石油大学的赵雄虎，长江大学的刘罡，华东理工大学的鲁军，湖北汉科新技术股份有限公司的向兴金、李蔚萍，成都宇意石油技术发展公司的陈希，兰顿油田服务股份有限公司的张辉等负责提供项目研究、现场试验资料和有关章节编写。最后由舒福昌、朱战兵负责审定，并由中海油田服务股份有限公司油田化学事业部总经理张行云作序。
本书部分内容使用了英制单位，请读者在阅读者时注意。
在本书出版之际，向为本书付出辛勤工作和提供支持的所有人员表示衷心感谢！
由于本书涉及的范围广、内容新、现场实施复杂，加上笔者水平有限，难免存在疏漏、不足之处，望领导、专家、同仁不吝赐教。第一章 绪论
环境不但是人类生存的场所，也是人类发展的资源。环境与发展是当今世界各国普遍关注的重大问题。保护生态环境，实施可持续发展战略，已成为全世界人们所必须面对的紧迫而艰巨的任务。石油天然气工业的开发生产属于资源开发型建设，其生产活动不可避免地会对环境造成一定程度的影响，有些影响甚至反过来制约着石油天然气工业的发展。因此，合理地解决油气田环境污染问题，既可以保护环境，实现可持续发展，同时也可以保护人民生命财产的安全。
在石油勘探和生产过程中，井场上会留下大量的废弃物。这些废弃物存留于井场储存池中，随着储存池的渗漏、溢出、淹没等，可能会对地下水和地表水产生不良影响，危及周围生态环境，甚至可能造成污染事故。钻井废弃物处理已成为长期困扰油气田生产的环保难题。当前，环境保护是我国的一项基本国策，保持社会、经济和环境的可持续协调发展已经成为我国的一项战略性任务和目标。随着整个社会环保意识的增强，我国政府陆续出台了各种环境保护法规，如《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国海洋环境保护法》等，国家环保部门对环境保护的要求也越来越严格，也就是说，将会更加严格地限制钻井废弃物的排放。
海底蕴藏的石油接近世界石油总储量的1/2，综合开发和利用海洋石油资源，已成为人类获取能源的重要手段。我国海洋石油资源的开发起步于20世纪50年代，20世纪70年代开始与国外合作。目前，海上油田与陆上的胜利、大港和辽河三大油田一起构成我国第二大产油区。海洋石油开发工程的物探、钻井、测井、井下作业、采油和集输等环节都会对环境产生不同程度的影响，尤其是在钻井过程中产生的钻井废弃物，数量最多。从保护环境的角度出发，针对海上油田钻井废弃物的污染特征，开展对钻井废弃物无害化处理的技术和设备的研究，既具有迫切性又有着重要的现实和长远意义。1.1 钻井废弃物来源及组成
通常情况下，石油钻井作业过程中会产生大量的钻井废水、废弃钻井液和钻井岩屑等废弃物，遇有特殊作业还可能产生少量的有毒废弃物，如有机烃、酸液、高盐流体等。由于这部分有毒废物在废弃物总量中仅占很少部分，一般小于5%，现场大多将其排往废钻井液储池，部分有特殊环保要求的井场将这类废物运往指定地点进行处理。实践表明，钻井废水、废弃钻井液和钻井岩屑是钻井过程中对环境形成长期影响的主要污染物。
废弃钻井液的主要来源为：①钻井过程中排放的多余的废弃钻井液。②地面循环系统盛放的和为了处理复杂情况储备的钻井液。③固井时水泥浆置换出的钻井液。而废弃钻井液约占总废弃物的70%左右，所含污染物主要是各种有害的钻井液处理剂。
钻井废水是产生于钻井作业过程的一种特殊工业废水，它的主要产生渠道有以下几种：①钻井泥浆散落。②储油罐、机械设备的油料散落。③岩屑冲洗、钻井设备冲洗。④钻井过程中的酸化和固井作业产生的大量废水。⑤钻井事故（特别是井喷）产生的大量废水。⑥天然降雨以及生活废水排入废液池等。钻井废水约占总废弃物的5%～10%。综合分析以上各种钻井废水产生的渠道，可知钻井废水中的主要污染物是钻井液、油类及泥沙，而泥沙一般都能在废液池中很快沉降下来，在废水中较稳定存在的则是钻井液和油类。
在钻井过程中，钻井液的一个基本功能就是把钻头破碎的岩屑从井底带出井眼，保持井眼净化。因此，钻井岩屑主要为固体颗粒状，也有一部分以泥沙的形式混在钻井液中。钻井岩屑约占总废弃物的20%，所含污染物主要是钻井液。
根据钻井液中的流体介质和体系的组成特点，总体上可将油气田钻井过程中使用的钻井液分为水基钻井液、油基钻井液和气基钻井液。水基钻井液在实际应用中一直占据着主导地位，目前所用的钻井液80%以上是聚合物水基钻井液。钻井液是一种极为复杂的分散体系，它以黏土和水为基础，黏土分散在水中，形成的一种较稳定的分散体系，其颗粒一般在2～100µm之间，具有胶体和悬浮体的综合性质；另外，为了确保钻井、测试安全，钻井液中需加入大量的钻井液添加剂，以使黏土颗粒更加分散和稳定，从而使钻井液成为一种更为特殊的胶体稳定体系。因此，废弃钻井液主要是由黏土、钻屑、加重材料、化学添加剂、无机盐、污水、污油组成的多相稳定胶体悬浮液。
根据钻井作业的性质，废水和废弃钻井液的产生形式以间歇式为主。其中钻井废水在产生时往往混有一定量的废弃钻井液，因此，可将钻井废水看做废弃钻井液的高倍稀释物。也就是说，钻井废水中几乎包含所有的钻井液添加剂成分，只是其浓度随着水的稀释降低而已。
钻井岩屑是钻井液的井底携带物，在钻井过程中钻井液与钻屑充分接触，混为一体，那么，钻井岩屑与废弃钻井液组成一致，只是岩屑与钻井液添加剂的配比不同而已。
由此可见，钻井废弃物的主要来源是钻井废水、废弃钻井液和钻井岩屑。而钻井废弃物的组成与废弃钻井液组成一致，是由黏土、钻屑、加重材料、化学添加剂、无机盐、污水、污油（油基钻井废弃物则含有大量的油类，如柴油、原油、植物油、矿物油等）组成的多相稳定胶体体系。1.2 钻井废弃物对环境的危害
钻井液在石油和天然气钻井过程中必不可少。为达到安全、快速钻井的目的，使用了各种类型的钻井液添加剂，而且随着钻井深度增加和难度加大，钻井液中加入的化学添加剂的种类和数量也越来越多，使得其废弃物的成分也变得越来越复杂。钻井废弃物中存在着多种环境污染物，包括钻井液添加剂、油类、盐类（尤其是氯离子）和多种金属离子（如铬、铅、镁、镉、锌等）或化合物，陆上钻井完成后，钻井废弃液往往露天堆放在存储坑中，易造成废弃物的渗漏和溢出，导致地表水和地下水的污染，危及周围农田和水生生物的生长；而海上钻井完成后，钻井废弃液常常被排到海中，可能影响海洋生物和港口资源。下面对以上几类污染物的环境危害性进行简要阐述：（1）钻井液添加剂的环境危害。
现代石油钻井作业所用的钻井液助剂大致可以分为造浆材料、加重材料、降滤失剂、增黏剂、乳化剂、页岩抑制剂、降黏剂、絮凝剂、润滑剂、杀菌剂、消泡剂、解卡剂、缓蚀剂、抗温剂、堵漏剂15大类，加上特种钻井液，如泡沫流体、饱和盐水钻井液等所需的部分体系稳定材料，钻井液添加剂最终可扩展为16大类。这些添加剂中，只有造浆材料、加重材料和堵漏材料较少或基本不构成环境危害，其余各类材料由于不同程度地采用了现代合成工艺技术，或多或少地对环境具有不良影响。即便是通常情况下呈惰性的加重剂类，亦有部分3材料可能造成环境危害，如方铅矿（PbS）、碳酸钡（BaCO）等。3前者由于其密度很高（工业方铅矿密度高达7.4～7.6g/cm），早期常用于高密度（ρ＞2.0kg/L）钻井液，显而易见，这种物质会对环境造成严重的铅（Pb）污染，其粉尘对生物体危害也很大；后者具有很好的酸溶性，因而直至20世纪90年代仍被作为保护储层的加重材料3使用。BaCO本身属于国家二级危险品管理之列，且经酸化后会形成2毒性相当强的可溶性钡盐（如BaCl），具有一定的生物致死毒性。对于其余14类添加剂，近年来，研究人员对于部分使用频率较高的处理剂也进行了毒性评价。吕开河等人对4类（降黏剂类、增黏剂类、抑制剂类、降滤失剂类）添加剂中的21种进行了海水的生物降解性试验，结果表明，常用的处理剂如XY-27，SMC，FA367，FT-1，4KPAM，WFT-666，JT-888，NH-PAN，SLSP，SMP等均属生物难降解物质，这些添加剂对微生物的生长具有抑制作用。另外，各种有机Cr添加剂或人工合成高分子材料的自然降解也会导致水体的COD，BOD以及硫化物、酚等化学物质的含量增高，影响水生物的生长。（2）无机盐类的环境危害。
石油钻井作业中，由于钻进工艺的需要常常要使用盐水基钻井液，这类钻井废弃物如果不进行专门的脱盐处理直接排入环境，则会造成盐污染。同样，以淡水作为基础连续相的钻井液由于各种添加剂的影响，常常会导致体系的总矿化度升高，钻井液在循环使用过程中亦会溶解部分地层中所含有的无机盐类，造成钻井液水相部分的矿化-度升高。根据Cl测定结果，现场通常使用的淡水基钻井液滤液中氯3化物含量一般大于600mg/L，有近半数井的氯化物含量大于10mg/L。而在GB 5084-2005《农田灌溉水质标准》中明确限定了农灌水的-Cl-小于或等于350mg/L（二类），长期采用高含盐（Cl＞500mg/L）水灌溉农田，会导致土壤板结、肥力下降，并使植物难以从土壤中吸收水分，最终加速土壤盐碱化程度。（3）重金属的环境危害。
钻井废弃物的重金属污染是环境影响因素的又一个特征。重金属广泛分布于钻井废水与废弃钻井液中，根据姜子东等人的分析结果，废弃钻井液中的重金属元素通常以6种状态存在，废水中重金属主要以可溶态和离子交换态存在，废弃钻井液中重金属多以吸附态、络合态、碳酸盐态和残渣态存在。（4）有机烃（油类物质）的环境危害。
油类物质是钻井液中不可避免的组分，任何施工现场也看不到含油量为零的钻井液体系。在美国EPA的规定中，排放的废弃钻井液5096hLC值最高限度为30000mg/L，在此标准制定之后，所开发的新505型钻井液助剂要求其96hLC值至少达到10mg/L。利用糠虾的实验结果表明，普通的水基钻井液中若含有2%以上的矿物油时，其毒性会50急剧升高，96hLC值一般＜30000mg/L。当钻井液体系中复配有芳503香类化合物时，96hLC值会降低至10mg/L数量级，属于高毒性物质。50如淡水基Cls钻井液＋2%矿物油（芳香物含量为10%），其96hLC为5022500mg/L，当芳香物含量为15%时，96hLC降至4740mg/L。
漂浮于水体上面的过量的油会影响空气和水体界面间的氧交换，溶解于水体中的油则可被微生物氧化分解，因此，油类物质不仅降低水体的复氧速率，而且消耗水中溶解氧，最终导致水质恶化变臭。
总而言之，钻井废弃物危害环境的主要成分是烃类、盐类、各类Cr聚合物、重晶石中的杂质和沥青等改性物，表现为成分复杂、COD值高、矿化度高、色度深、悬浮物含量高、污染因子多、污染负荷大。其环境危害主要表现在以下几个方面：①污染的面积大、区域广。②大量的有毒、降解能力差的有机高分子聚合物和有毒重金属存在于自然界中，危害人类的身体健康和生命安全。③油类不仅影响空气与水体界面上氧的交换，而且在微生物氧化分解时消耗水中的溶解氧，使水质恶化。④无机盐导致土壤板结、肥力下降，最终会加速土壤盐碱化程度。1.3 钻井废弃物处理技术的发展历程
国外在20世纪50年代就开始加强对钻井液废弃物的处理，开发和采用了一系列无害化处理技术。同时，很早就开始对钻井液处理剂和各种钻井液体系进行生物降解实验和生物毒性评价实验，积极研究钻井液体系可能对环境造成的污染和相应的治理办法。其发展历程大致如下：（1）20世纪70年代初期。
美国、加拿大等国家，对钻井完井废液的处理常采用直接排放法或直接填埋法；坑内密封填埋法；土地耕作法；脱水干化处理法；注入安全地层或井眼环空法；钻井液闭路系统法；固化处理法；焚烧法；溶剂提取法；钻井液转化为固井水泥浆（MTC）技术；化学固液分离法等。这些技术目前在许多国家仍然应用，如在泰国等国家由施工单位对废弃钻井液进行暴晒，蒸发处理后，运往专业公司焚烧或处理后再利用，或直接在现场固化掩埋。
美国石油学会在1974年开始研究废弃钻井液的排放和岩屑对植物、土壤、地下水的环境效应，其研究内容包括：钻井液组分对植物生长率的影响；重金属在植物中积累的程度；钻井液对土壤肥效的影响；地下水被钻井液污染的程度等。在大量研究的基础上，最后推荐三种现场处置废弃水基钻井液的方法。
①就地掩埋。废弃钻井液在污水池内沉降分离，将上部的水澄清（必要时可以加一些絮凝剂），在达到规定的排放要求后，就地排放。剩余的沉淀物待其干燥到一定程度，利用污水池的围堤进行掩埋，顶部要保持1～1.5m的表土层。
②集中处理。在现场进行固液分离，将液相处理到规定的质量标准后，就地排放；固相运送到指定的场所，利用土地耕作法，将固相混合物扩散到耕作田野上翻耕。
③注入深井。将钻井液注入废弃的深井，或注入套管与井壁之间的空隙。（2）20世纪70-80年代。
20世纪70-80年代，加拿大、苏联、美国、中国、德国围绕如何处理钻井废弃物开展了大量的研究工作。20世纪70年代初，美国石油学会就开始进行钻井液对环境影响方面的研究，到20世纪80年代，主要做了四个方面的研究：一是钻井用水基钻井液的组成调查；二是建立钻井用水基钻井液的毒性试验方法（糠虾生物毒性试验）；三是钻井废弃物对环境影响；四是从理论上探讨处置废弃水基钻井液的方法。对水基钻井液的毒性试验，通常采用96h内的糠虾半致死浓度，作为钻井液急性中毒的初步评价。在某些特殊要求下，再进行慢性中毒试验。然而，由于这种试验易受条件（糠虾）限制，重现性和准确性还存在一些问题，不利于推广应用。（3）20世纪80-90年代。
1980年美国环境保护局（EPA）制定海洋钻井液排放标准，同时确定了资源保护与回收法令（RCRA）。美国EPA从环境保护的角度出发，在1982年针对墨西哥湾海上水基钻井液制定了严格的排放标准（NPDE5），为处理和排放钻井废弃物提供了环境法律基础。1988年美国EPA确定油气勘探和开发工作中的废弃物标准，随后还拟定并颁布了许多涉及石油生产的环保法令，如美国州际油气契约委员会（IOGCC）编写出版了《油气生产过程环保指南》。1.4 钻井废弃物的主要处理技术
我国对钻井废弃物的处理比国外研究稍晚一点，但通过引进、消化和自主创新，在许多油田上陆续应用了一系列处理技术，同时积极开展适合我国国情的各类钻井废弃物处理技术的研究。目前，钻井废弃物处理技术主要包括：（1）就地排放法。
主要适用于常规无毒水基钻井液，这是最传统的处理方式。常规钻井液的化学添加剂比较简单，毒性较小，污染程度较低，在环境中易自然净化。通常将钻井废弃物进行自然沉降和适当的化学絮凝处理后，就地直接排放。该方法适用面窄，所有的油基钻井液、盐水钻井液和磺化体系钻井液都不能直接排放或填埋。（2）回注安全地层法。
该方法是将钻井废弃物通过井眼注入地层中或保留在环空中。为了防止地下水和油层被污染，关键是选择合适的安全地层。注入层通常是压裂梯度较低、地层渗透性差、上下盖层致密、强度高的地层。对于毒性较大又难以处理的废弃钻井液，可以通过回注安全地层法处理。该方法对地层有严格的要求，深度必须大于600m。存在的主要3问题是：处理费用约为28～35美元／m，成本较高，且仍有可能污染地下水和油层，在美国和加拿大，其应用受到严格限制。（3）回填处理法。
先将钻井液储池里沉降分离的钻井废弃物上部的水澄清（必要时加入絮凝剂），达到规定标准后，就地排放。剩下的污泥，待其自然干燥到一定程度，在其上面加土填埋。钻井废弃物顶部保持1～1.5m厚的土层，再恢复地貌。该方法处理费用低，对钻井液储池周围的地下水污染的可能性小，适用于含盐量少的水基钻井液处理。（4）坑内密封法。
实质上是一种特殊的回填处理。其做法是，先在储存坑的底部和3四周铺垫一层有机土（通常用量为21～28kg/m），上面铺一层厚度为0.51mm的塑料膜衬层，再盖一层有机土，以防塑料膜破裂。经上述处理后的储存坑，成为钻井废弃物填充池，待钻井废弃物中水分基本蒸发完后，再盖上有机土顶层、回填，恢复地貌。由于钻井废弃物具有很好的胶体稳定性，在储存池自然脱水及蒸发水分需要足够长的时间，一般为2～3年；且干化后在风沙的作用下可能引起污染物的迁移，造成潜在危害，故对稳定性极好的废弃钻井液体系不太适用。另外，大量的钻井废弃物集中储存，施工成本必然上升。（5）填埋冷冻法。
在比较寒冷的地方，废弃钻井液和钻屑可以注入冻土层，将这些废弃物永久地冷冻在冻土层中，这样就不会发生迁移造成环境的污63染。在美国阿拉斯加州的北斜坡地区，已成功地将1.91×10m钻井废弃物注入到609.6m深的地下冷冻层，并跟踪了它的潜在污染状况，实际处理效果非常理想。虽然钻井废弃物具有一定的温度，注入到冷冻层后对内部温度有影响，但是，这个影响很微弱，不会使冷冻层的冷冻物融化，相反可以将废弃物永久冷冻起来而不让其发生迁移。（6）土地耕作法。
其原理是去除上部的水层，将钻井液储池内的废渣（污泥和钻屑）直接喷撒到土壤表面上约10～12.7cm（视其中的有害成分的含量而定），再用土壤耕作机将其与土壤混合。利用土壤吸附、降解和固定废弃钻井液中的有害金属离子、有机和无机处理剂，从而达到无害化处理的目的。该方法较适合相对平坦的开阔地面，以便于机械化耕作。使用该法应控制钻井废弃液残渣中可溶性盐含量不能超过土壤安全负荷，不能在下雨天、地面坡度大于5°及地下水位太浅的地区耕作。该方法主要适用淡水钻井液，对于组成复杂、毒性大的废弃钻井液难以适用。（7）运至指定场地集中处理法。
用抽吸车将废弃钻井液运至指定场地，集中处理，其处理费用约36.3～9.4美元／m，适用于油基及水基钻井废液处理。若属危险性废弃物，应运至安全场地进行处理，其处理费用高达493～629美元／3m。由于该方法处理费用过高，只在特殊情况下才采用。（8）分散处理法。
废弃钻井液部分可以采用分散法处理。废弃钻井液一般呈碱性，集中堆放容易导致该区域土壤碱化，采用分散的方法处理，有利于降低碱度。特别是若分散到酸性土壤中，由于它中和了土壤的酸性，可以起到改良土壤的作用。当然，必须在满足环境保护要求的前提下才能采用该方法。
有些钻井废弃物却含有一些酸性物质，具有较高的酸性，使得废弃物中的铁、镁和钙等元素成为具有活性的离子进入到土壤中，导致一些离子不能被植物吸收，这样的废弃物如果与土壤混合，将使土壤进一步恶化，酸化板结，甚至会造成土壤的贫化，导致土壤的浪费。因此，必须要预先对这样的废弃物进行处理。石灰是最理想的处理物，用石灰对这些废弃物进行处理，可以得到比较满意的效果。（9）循环使用法。
有些废弃钻井液、废水、废材料等可循环使用。水是最有可能被循环使用的，从钻井液中分离出来的废水可用于清洗钻机，清洗钻机后的废水可以收集后再重复使用。井场设备的安装要求能方便地使用可重复利用的废材料，例如闭路循环系统的安装要便于收集溶剂和其他能够收集的材料，并在井场重复使用。有些暂时废弃的钻井液（如改变钻井液的密度、黏度等时处理的一部分钻井液），在适当的时候又可以继续在该井使用，或运到另一口合适的井上再使用。（10）回收再利用法。
回收再利用处理废弃钻井液方法不失为一项既经济又合理的处理方法。油基、酯基还有合成基钻井液使用后，可回收其基液后再用于其他井作为钻井液的基液或作为燃料等其他用途。另外，钻井液中的添加剂也可以采用适当的方法回收再利用，很多废弃材料都是可以回收再利用的。（11）破乳法。
有的钻井液本身是乳状液体系，或在钻井过程中由于水和油的渗入，同时钻井液中含有大量的表面活性剂，也可能形成部分乳状液，这给钻井废弃物的处理带来了困难，严重地污染了环境，所以必须要实施破乳处理。所谓破乳，就是将原来已乳化的液体通过物理或化学的方法转化为两不相溶的液体，从而可以分离。破乳常采用传统的化学破乳方法，或者通过加入化学剂降低钻井液的黏度等。（12）焚烧法。
焚烧是一种非常洁净的处理钻井废弃物的方法。因为在焚烧炉的烟窗内都安置有除尘、回收和气体吸收的装置，回收的油和其他物质可以用于油基钻井液的基液，剩余的灰烬可以综合利用。目前该方法仅适用于油基钻井废弃液处理，由于其处理费用高，且会产生二次污染，因此很少使用。（13）MTC转化技术。
MTC（Mud To Cement）转化技术是利用钻井废弃物较好地降滤失性和悬浮特性，通过加入高炉水淬矿渣和其他外加剂，将废弃钻井液转化为固井液，从而变废为宝，既消除了废弃钻井液外排所造成的污染，又赋予钻井废弃物新的用途。国外20世纪50年代开始研究MTC技术，20世纪90年代初，随着良好的分散剂和有机促凝剂的开发和应用，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技术更具有工业应用价值。中国石油大学和石油天然气勘探开发研究院的MTC技术已在冀东、吉林等油田成功应用。但该法处理的废弃钻井液量少，其处理的钻井废弃物量仅限于井筒内，地面钻井废弃物没有得到处理和利用，不能解决钻井废弃物污染的根本问题，且不同钻井液体系，都要预先筛选配方，操作施工有一定困难。（14）固化处理。
钻井废弃物固化处理技术是近年发展起来的一种钻井液无害化处理技术。其原理是向钻井废弃物中加入具有固结性能的固化剂，使其转化成类似混凝土的固化体，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。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。适用的钻井液体系主要为膨润土型、部分水解聚丙烯酰胺、木质素磺酸铬、油基钻井液等。目前，主要采取水泥作为固化的胶结材料，成本较高。对含水量高的钻井废弃液固化时，由于其处理量太大，与密封填埋、干化场处理法等配合使用效果更好。（15）固液分离法。
固液分离法是利用化学絮凝剂絮凝、沉降和机械分离等强化措施，使废弃钻井液中的固、液两相得以分离。废弃钻井液中含有膨润土，由于膨润土本身具有很强的水化能力，再加上加有大量的添加剂，使得其中的固体颗粒很难分离出来。采用加水稀释法可以使大量的加重剂通过自然沉降法分离出来，但是还是很难破坏水化能力很强的黏土颗粒和多种护胶剂组成的钻井液胶体体系。当加入无机和有机絮凝剂后，可以破坏固体颗粒表面结构，中和表面的电荷，减少颗粒之间的静电斥力，促使固相颗粒聚结变大，从而达到固液分离的目的。由于钻井液的特性不同，对于不同的废弃钻井液应选用不同的絮凝剂。该方法施工比较简单，所需的设备不多，在钻井施工现场应用较多。（16）生物处理法。
生物处理钻井废弃物的方法有许多种。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，如何选择合适的微生物菌种和载体是该处理法的技术难点。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而沉积下来，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。
各种废弃钻井液处理方法适用性比较见表1-1。表1-1 各种废弃钻井液处理方法适用性注：“＋”表示适用“-”，表示不适用。1.5 特殊钻井废弃物的处理
对于特殊井场或特殊性质的钻井废弃物有其专门的处理方法，主要包括：（1）海上废弃钻井液的处理。
海上钻井由于位置特殊，钻井产生的废弃钻井液的处理就有了特别之处。它不能同陆上废弃钻井液那样进行处理，必须考虑海洋环境的特殊性。海上废弃钻井液具体处理情况如下：
①水基钻井液的处理：假若水基钻井液废弃物符合国家和国际环境保护要求，可以直接排放到海里，不会对环境造成影响。有些可以注入海底，主要是对那些离海岸线很远的而又不能直接排放的钻井废弃物，在一定的压裂压力下将废弃钻井液通过井眼注入海底；对那些毒害比较大、离海岸线又比较近、在海上不能处理的废弃钻井液，必须运到陆地上来集中处理。
②油基钻井液的处理：可以运到陆上来集中处理，也可以采用适当的方法回收油（如加热回收法、管柱浮油回收法等），再将其钻屑抛入海中。也可以用溶剂将钻井液中的油和有机物洗涤干净，再排入大海。或是用机械的方法将钻屑中的油和有机物除去，剩余物倒入海中，但这些方法除油都不太彻底。也可将这些钻屑和废液回注到海底地层中。（2）含天然放射物钻井废弃物的处理。
放射物质对人们的影响主要有两个方面：一方面是放射物放出射线，它不会直接与身体接触，只要相隔足够的距离和尽可能减少放射能力，一般不会对身体造成危害；另一方面是放射污染物直接与身体接触，这种危害是很大的，必须要十分小心，应尽可能避免与这些污染物接触，以免造成不必要的伤害，而且也要尽可能避免污染环境，给环境造成伤害。石油作业中导致放射污染的来源主要有两方面：一是使用具有放射性物质的工具，如随钻检测仪、中子检测仪等；二是钻井过程中，产生的钻屑中具有某些放射性物质，导致放射性污染。地层中含有放射物质是很自然的，但一般都在自然允许的范围内。由于某些作业在某些区域可能人为提高了放射物质的浓度，超出了正常值，成为一个潜在的放射源，会对人和环境造成危害，因此必须加以控制。为了确保人员和环境的安全，必须制定一套切实可行的方针、政策和措施，减少、消除放射源，防止人为产生放射源。放射废弃物可以是固体、液体、气体和空气微尘，它们可能放射出一种射线（α，β，γ），也可能放射出多种射线。如果含有天然放射物，这些废弃物可以采用适当的方法来处理，将废弃物注入到废弃的井中，并保证注入位置在地下水位以下，或在满足有关环境保护的法规要求后排放到海洋中；或将它转化到环境可允许的含量内，并储存在一个特别指定的用于存放天然放射废弃物的地方，甚至可以将它排放到一个孤立的和不能蒸发的池中。为了更好地解决放射性废弃物的处理问题，降低处理费用，美国国家能源部研究了一种新的处理方法——盐穴处理技术。在发现有放射源的地方，使用的设备和工具也会被放射废弃物污染，因此，必须妥善处理，防止造成二次污染。
近年来，世界范围内绿色浪潮给石油工业的发展带来了巨大的冲击。为了石油工业的生存和发展，各石油公司均大量增加了环境保护的投入，并采用严格的环境标准，以展示其在开发资源的同时对社会负责的态度。在这种形势下，环保产业得到了迅速的发展，特别是环保装置（大气污染控制装置、污水处理装置和固体废弃物处理装置）产业发展十分迅速，规模也日益扩大。目前，世界环保产业年产值高达6000亿美元左右，被誉为具有巨大发展潜力的“朝阳产业”。表1-2列出了美国石油工业1990-1996年环境总投资和环保科研投资情况。表1-2 1990-1996年美国石油工业环境总投资（单位：百万美元，数据来源API）
未来环境保护工作取决于三个因素：①规章法令的改变。②废弃物处理的成本。③作业者的责任。美国石油公司正在以下几个方面进行努力：一方面从改善钻井液成分入手，如用聚合醇钻井液、合成基钻井液、甲酸盐钻井液等无毒钻井完井液体系，以减少钻井中废弃物中的有害成分；另一方面从废弃物再生和反复利用入手，充分发挥高科技作用，运用最新优化的处理方法，包括用各种计算机模式、废弃物处理装置等，以求达到最低处理废弃物成本。1.6 钻井废弃物处理技术的发展趋势
为了更好地保护环境，废弃钻井液处理的发展趋势如下：（1）开发新的环保型钻井液和钻井液添加剂。
目前，国内外都在开发各种新型环保钻井液和环保型钻井液添加剂以代替毒性较大的钻井液及其添加剂，从根本上解决废弃钻井液对环境的污染问题，确保环境不受伤害。（2）加强固控，减少废弃物的排放。
固控可以改善钻井液的性能，从根本上减少废弃物。固体含量的不同对钻井液性能有很大的影响，如流变性、黏度、动切力、密度等。通过固控，改善钻井液的性能，使得钻井液性能按要求的方向转变，一方面可以加快钻进速度，减少钻井液的用量；另一方面可以减少废弃物的排放量。
中国石油化工集团公司在《油田企业钻井和井下作业环保治理规定》中明确提出：“施工单位应加强钻井过程中的环保管理，积极应用新技术、新工艺，减少有毒有害物料的使用量，提高废水、钻井液循环利用率，严格控制污染物的产生量，钻井污水、废弃钻井液及岩屑的产生量应控制在一定范围内”（见表1-3）。表1-3 钻井污染物产生量（3）控制井眼大小。
通过控制井眼的大小尽量减小钻井液用量及废弃钻井液体积，这是今后钻井技术的一个发展方向。井眼越大，钻井液用量及产生的钻屑量越大，钻井废弃物就越多。目前开发出的小井眼钻井技术，就具有减小钻井液用量及废弃物体积的优点。（4）开发综合利用新技术。
钻井废弃物的综合利用具有一定的潜力，应该充分利用现有的科学技术拓展在这一领域的应用，这样既保护了环境又开发利用了资源。如焚烧钻井废弃物后留下的灰烬，根据其特点经过适当的加工后，可变成再利用的建筑材料，特别适用于钻井废弃物集中处理的场所。对于钻井废弃物比较分散的地方，其处理应尽量向优化改良土壤的方面转化，将钻井废弃物经过一定的技术处理转化成为可供植物利用的肥料等。（5）降低成本，优化环境。
钻井废弃物处理成本高一直是困扰石油工业发展的一个重要因素。如何降低成本，优化工程，提高效益，仍然是一个有待解决的问题。特别值得注意的问题是要综合考虑其成本和效益，不能从单方面去考虑。（6）加强井场废弃物的管理。
国外对井场废弃物的管理要求非常严格，制定了一系列的方针、政策和措施，并且严格按要求执行，同时加强了环境和作业的监控、监督和评估，确保对环境的影响达到最小。中国在这方面做了大量的工作，取得了很好的效果，但国外的许多技术和经验还是值得我们学习和借鉴，同时还要不断地开发适合我国国情的先进管理方法。第二章 钻井废弃物环境管理2.1 概述
随着石油勘探开发的不断深入，为了满足不同条件下的钻井需要，钻井液添加剂的使用种类不断增多，其中不可避免地包含一些有毒物质，给当地的生态环境造成严重隐患，对人们的生活和健康产生许多不良影响。因此，应尽快建立相应的钻井废弃物管理机制，大力推广健康（Health）、安全（Safety）与环境（Environment）管理体系（简称“HSE管理体系”），把环境保护提到更高的要求。因此，在设计钻井液时，不但要注重钻井液的钻探效率，还要充分考虑到所产生的废弃物对环境的影响，确保其不会对环境造成危害。即便暂时对环境有轻微的影响，也要有简便、经济的处理方法，在短期内使其无害化。同时，废弃物的排放数量越少越好，最好能实现“零排放”。更理想的一种结果是所设计的钻井液不但对环境没有破坏作用，而且能够促进周围生态环境的良性循环，只有这样，才能确保石油勘探开发更好地为人类服务。
海洋石油企业在从事海洋石油开发过程中，面对高风险的工作，如何有效规避和消减风险，建立一种长效的安全管理机制，是关系企业可持续健康发展的重要前提。因此，HSE管理体系产生并发展，成为海洋石油企业一种有效的手段和体系。
HSE管理体系是目前国际上石油行业通行的一种管理体系，于20世纪后期在国际石油天然气行业逐步发展和完善起来。它总结同行业管理过程中的经验教训和体系的优缺点，突出预防为主、全员参与、持续改进，它的应用对提高企业管理水平和竞争力有着举足轻重的作用。随着经济全球化进程和中国加入世界贸易组织（WTO），HSE管理体系逐渐成为各类国内企业进入国际市场的通行证，其作用日显重要，特别是在石油、石化行业得到广泛应用。目前，从事海洋石油开发的企业全部实行了HSE管理体系，这对提高安全管理水平，保护员工健康和防止海洋污染，发挥了巨大作用，为可持续发展提供了有力的保障。2.2 油气田开发的安全环保管理及相关法律2.2.1 我国在环境保护方面的国家政策
目前，我国对石油工业领域环境保护立法，采取的是特殊行业特殊规制与一般规制相结合的模式。对于石油工业领域中勘探开发过程中的环境保护问题，采取的是特殊立法规范。1983年国务院针对海洋石油勘探开发制定了行政法规《海洋石油勘探开发环境保护条例》，油气资源丰富的省份（包括自治区）也颁布了陆上石油勘探开发环境保护的地方性法规。而石油工业其他领域的环境保护问题则是适用一般立法来规范。就我国目前的法律体系而言，石油工业企业所涉及环境立法有如下几类：（1）我国的环境保护基本立法《中华人民共和国环境保护法》。该法于1989年12月由七届全国人大常委会第十一次会议通过，这部法律是我国环境保护工作的重要支持和保障工具。（2）污染防治方面的单行法律、法规。主要包括《中华人民共和国大气污染防治法》、《中华人民共和国水污染防治法》及其实施细则、《中华人民共和国海洋环境保护法》、《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》、《中华人民共和国环境噪声污染防治法》、《中华人民共和国放射性污染防治法》、《化学危险物品安全管理条例》、《中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护条例》等。（3）环境保护基本制度的专门法律、法规。这类法律法规有《中华人民共和国环境影响评价法》、《中华人民共和国清洁生产促进法》、《建设项目环境保护管理条例》、《排污费征收使用管理条例》。其中，《中华人民共和国环境影响评价法》规定了环境影响评价制度；《中华人民共和国清洁生产促进法》规定了清洁生产制度；《建设项目环境保护管理条例》确立了“三同时”制度；《排污费征收使用管理条例》规定了排污缴费制度。（4）地方性法规。这类法规较多，例如与石油勘探开发环境保护相关的有《山东省陆上石油勘探开发环境保护条例》、《黑龙江省石油天然气勘探开发环境保护条例》、《河北省陆上石油勘探开发环境保护管理办法》、《辽宁省石油勘探开发环境保护管理条例》、《新疆维吾尔自治区石油勘探开发环境管理办法》等。（5）部门规章。涉及石油工业环境保护的主要有《环境标准管理办法》、《环境保护行政处罚办法》、《海洋行政处罚实施办法》等。
1982年颁布的《中华人民共和国海洋环境保护法》中第三章专门对“防止海洋石油勘探开发对海洋环境的污染损害”做了立法规定，为我国海洋石油勘探开发环境保护管理工作提供了法律依据。为贯彻执行这一法律，国务院颁布了《中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护管理条例》。为了实施这一条例，1990年9月20日国家海洋局又发布了《海洋石油勘探开发环境保护管理条例实施办法》，为了配合《海洋石油勘探开发环境保护管理条例实施办法》的贯彻执行，国家标准化管理委员会与国家质量监督检验检疫总局于2008年联合颁布了新标准GB 4914-2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》，于2009年5月1日实施。
国家海洋局、各海区和有关地方主管部门根据管辖海域的环境状况和特点，也制定了相应的规定，如《海洋石油勘探开发化学消油剂使用管理规定》、《海洋石油勘探开发溢油应急计划编报和审批程序》等。各海洋石油勘探开发的单位也根据自己的实际情况制定了内部规章和制度。为贯彻执行海洋环境保护法规，我国从中央到地方，从政府到企业，从石油开发公司到每个石油平台都建立健全了全套海洋环保系统。同时，国家海洋局还拥有一个中国海监航空大队和三个海监船大队，可以根据需要对海洋石油勘探开发环境情况实施例行监察或应急监察监视。国家海洋局机关管理人员也时常登检石油钻井平台，发现问题及时处理。
各作业主管部门，如中国海洋石油总公司、中国石油天然气集团公司等都成立了环境保护机构，主管海洋石油勘探开发的环保工作；同时各海上石油勘探开发单位都成立了由油田主要领导参加的海洋环保部（处），基层单位也有相应的环保领导小组，全面负责海上环境保护工作。这样，在海洋石油勘探开发领域，基本上形成了较完整的环境保护管理组织机构，为做好海洋石油勘探开发环境保护工作提供了可靠的组织保证。2.2.2 海上油气田开发的相关法律
世界各国十分重视钻井废弃物对环境的影响与危害，纷纷制定有关法律法规，采取法律手段，控制钻井废弃物对环境的影响与危害。1．国外概况1）美国
对于钻井废弃物，美国针对不同地域制定了不同系列的法律法规。自20世纪70年代以来，美国十分重视环境保护和环境立法工作。1972年颁布了《清洁水体条件》（The Clean Water Act），旨在保护包括外大陆架在内的水域免受污染危害。后来，根据水质标准及控制污染技术的发展，结合国家污染排放消除系统（NDDES）又制定了一系列排放法律，这些法律法规规定，禁止油基钻井液、含油钻屑及某些水基钻井液添加剂的排放，对于水基钻井液及其废弃物（主要指钻屑），则需通过生物毒性评价及游离油评价后方可排放。美国环保局还在考虑进一步限制重晶石中重金属（如铬及镉）产品，并考虑禁止在浅海水域排放污染物；同时，美国环保局也正在考虑利用各种清洁技术以减少钻屑中的含油量，从而使之能就地排放。
钻井废弃物对环境的影响以及能否向海洋环境排放，必须通过两项环境试验评价：糠虾生物试验及评价油含量的静态光泽试验。糠虾生物试验法是美国环保局认可的标准方法，1986年7月9日的美国联邦注册（51卷）规定：钻井液的生物毒性测试采用糠虾生物试验法。美国环保局规定：当钻井液悬浮固体相（SPP）的96h的50LC（指使糠虾半数死亡的试验液浓度）值低于30000mg/L时，禁止排放入海，必须运回陆地进行处理，这一法规从1987年1月1日起正式实施。而对于油含量而言，则需通过静态光泽试验，即钻井液及其废弃物排入水体后，不得出现水面光泽现象。
美国不仅立法严格，而且执法也十分严格。有关法律规定，在钻井过程中，必须每月和完钻时提供钻井液生物毒性数据，钻井液及其废弃物达标后方可排放。对于超标排放者，处以1000美元／d的罚款；对于蓄意或无视规定者处以2500～25000美元／d的罚款，甚至处以一年监禁。2）加拿大
加拿大钻井废弃物的环境法规，最为关注的是含油量及生物毒性。加拿大相关法律法规规定，含柴油及高芳香烃原油的钻屑禁止排海；基础油（Base Oil）要通过沉淀油与水混合的水溶液组分进行生物毒性试验；添加剂要提供有关数据（如生物毒性数据）；每100g干钻屑的含油量不得大于30g。
加拿大钻井废弃物的生物毒性采用微毒性法及Trout生物试验法。这两种方法都要求去除固相，利用上层清液进行试验，而当测定含油废弃物时，则应去除漂浮物及固体，利用中间的液相层进行试验。3）英国
英国禁止任何有毒及稳定的（难生物降解的）化学剂排放，禁止含有某些金属（如汞、镉、有机锡）和有机物（如有机卤素和氯酚类）的产品排放。
采用棕虾法（Crangon）进行油类及油基钻井液试验，经96h连50续搅拌试验，其LC值必须大于1000mg/kg，或与参照柴油相比，其50LC值大于柴油的30倍；而油基钻井液必须是10lb/bbl钻井液，其50LC（96h）值应大于1000mg/kg，或比柴油钻井液大30倍。4）挪威
挪威现行法律规定，只要能通过生物毒性试验，所有粘附在钻屑上的化学剂均可排海，但钻屑含油量必须低于10%（干重）。2．我国在安全管理方面的国家法规
为加强海洋石油作业安全的管理，保障海洋石油作业中的人员生命及财产的安全，坚决执行“安全第一，预防为主”的方针。1986年12月24日石油工业部正式颁发了《中华人民共和国石油工业部海洋石油安全管理规定》，于1987年3月1日起生效执行。之后，以此法为基础，又陆续颁发了21项法规，形成了两大系列海洋石油作业的安全法规。（1）以《中华人民共和国石油工业部海洋石油作业安全管理规定》为母法的系列法规有：《海洋石油物探船作业认可办法》、《海洋石油辅管船作业认可办法》、《海上移动式钻井船（平台）作业认可办法》、《海上油气田生产设施作业许可办法》、《海洋石油作业井控要求》、《海洋石油作业硫化氢防护安全要求》、《海上移动式钻井平台和油气生产设施一般安全管理规定》、《海洋石油作业放射性及爆炸性物资安全管理规则》、《海洋石油守护船安全管理规则》、《海上移动式钻井平台和油气生产设施的经理及特种作业人员的资格要求》、《海洋石油作业者安全应急计划编制要求》、《海洋石油作业租用直升机安全管理规则》、《海洋长输油气管线投用许可办法》、《海洋石油作业系物管理规则》、《海上油气井延长测试作业许可办法》、《海上石油作业安全救生培训要求》、《海洋石油作业事故报告和统计要求》。（2）以《海上石油天然气生产设施检验规定》为母法，为加强对海上石油天然气生产设施技术检验的监督管理。1990年10月5日能源部以第4号令形式颁布了《海上石油天然气生产设施检验规定》，明确了海上石油天然气生产设施的检验实行业主负责、第三方把关、政府监督管理的全方位的管理方式。2.3 钻井废弃物的测算和管理2.3.1 钻井废弃物排放量的估算1．钻屑产生量的估算
钻屑的产生量与井眼长度、平均井径及岩性有关，可按下式计算：式中 W——产生的钻屑量，t；D——井眼平均井径，m；h——裸眼长度，m；3d——所钻岩石的密度，g/cm。
浅海钻井，混入钻井液中排入海洋的钻屑量可按下列经验公式计算：
在计算钻屑产生量时，要分别计算出一开、二开、三开以至完钻的累计产生量。岩石密度的取值，以当地所钻地层的平均密度为准。表2-1列出了各种沉积岩密度值。表2-1 各种沉积岩盐密度2．废弃钻井液排放量的估算
在考虑回收率条件下，估算全井段更换或替出排入废弃钻井液池的钻井液，可按下式计算：式中 W——废弃钻井液量，t；D——平均井径（混套管内径），m；h——井孔被替出的钻井液柱长度，m；M3d ——所钻岩石的密度，g/cm；s——钻井液回收率，%。3．加重钻井液所需重晶石排量计算
加重钻井液所需重晶石可按下式计算：式中 G——所需重晶石数量，kg；3V——钻井液原体积，m；03ρ ——原钻井液密度，g/cm；13ρ ——重晶石密度，g/cm；23ρ ——加重后钻井液密度，g/cm。2.3.2 钻井废弃物的管理（1）在钻井作业期间，每个井场都应该有钻井液池或容积合适的容器，以存放作业中产生的废屑和废渣。作业结束时，钻井液池可用土回填压实或覆盖，废物容器必须运走，将占用场地腾空。（2）清洗钻机、工具及设备的废水应储存起来或排放到钻井液池中，然后按照规定的方法进行处理，以达到要求。（3）钻井液池要有足够的容量，以便收集处理事故时溢出的钻井液或被置换的废弃钻井液。在任何情况下，钻井液不得排出井场。（4）应配备封闭式钻井液净化装置，使钻井液在钻进中循环使用，尽量避免用土池做钻井液循环池。钻井液部分回收利用，其余应
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