鉆屑隨鉆處理技術(shù)研究

牟順泉，董懷榮，丁希軍，安慶寶

（1.勝利石油管理局黃河鉆井三公司，山東東營257091；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017） ＊

鉆屑隨鉆處理技術(shù)研究

牟順泉1，董懷榮2，丁希軍2，安慶寶2

（1.勝利石油管理局黃河鉆井三公司，山東東營257091；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017）＊

介紹了國內(nèi)外鉆屑處理技術(shù)現(xiàn)狀，提出一種新型鉆屑隨鉆處理實(shí)施方案，研制出了關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：具有鉆屑隨鉆處理功能的新型鉆井液固控系統(tǒng)能夠滿足我國實(shí)際鉆井工況要求，推廣應(yīng)用前景廣闊。

鉆屑隨鉆處理；脫液機(jī)；螺旋輸送機(jī)

目前，我國陸上鉆井工藝是將廢棄鉆井液及鉆屑存儲(chǔ)于沉砂池內(nèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉆探1口井大約產(chǎn)生300～700m3的鉆井廢棄物。鉆井完成后，由于廢棄物無害化處理成本及技術(shù)問題，很多井只進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，導(dǎo)致大量廢棄物露天存放在沉砂池中，造成廢物的滲漏和溢出，引起地表水和地下水的污染，危及周圍農(nóng)田和水生生物的生長(zhǎng)［1－2］。

隨著國家對(duì)環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，廢棄鉆井液和鉆屑造成的環(huán)境污染問題越來越引起各方的關(guān)注。目前，環(huán)境保護(hù)是我國的一項(xiàng)基本國策，改變傳統(tǒng)的廢棄物處理方法，搞清廢棄物無害化處理原理，研究和應(yīng)用廢棄物無害化處理技術(shù)，對(duì)于保護(hù)區(qū)域環(huán)境、保障石油工業(yè)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展及實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 技術(shù)現(xiàn)況

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

在陸上石油勘探開發(fā)生產(chǎn)中，鉆井產(chǎn)生的鉆屑和廢棄鉆井液處理問題普遍受到重視，特別是歐美國家，對(duì)鉆屑和廢棄鉆井液的毒性分析、環(huán)境影響評(píng)價(jià)及處理技術(shù)等方面做了大量工作，工業(yè)生產(chǎn)中主要應(yīng)用的處理方法有就地回填法、注入安全地層法和集中處理法等。

就地回填法是各國在石油勘探開發(fā)生產(chǎn)初期普遍采用的方法，該方法被限制用于淡水基鉆井液產(chǎn)生的鉆屑和廢棄鉆井液的處理。美國就地回填處理鉆屑和廢鉆井液專利技術(shù)（US 448245）對(duì)就地回填法進(jìn)行了改進(jìn)，先用酸中和廢鉆井液和巖屑的pH值，然后加入絮凝劑進(jìn)行固液分離，固相廢物干燥到一定程度后就地填埋，污水處理后達(dá)標(biāo)排放。

為“安全”地處置廢棄鉆井液和鉆屑，美國和加拿大的石油公司研究并實(shí)踐了鉆屑回注技術(shù)：將鉆屑從固控設(shè)備傳輸?shù)教幚碓O(shè)備內(nèi)，通過研磨、剪切和篩選，使鉆屑的粒度滿足回注要求，通過高壓注入泵將鉆屑漿注入到地層內(nèi)。該技術(shù)采用地下灌注與水力壓裂相結(jié)合，又被稱為漿體壓裂灌注，它以廢棄的油井或?qū)Ｓ镁鳛樽⑷刖x擇壓裂梯度較低、封閉性較好、不會(huì)引起產(chǎn)層或地下水層污染的地層作為注入層。該技術(shù)的難度及涉及的相關(guān)地質(zhì)工程問題較多，例如：從經(jīng)濟(jì)方面來考慮，最好鉆1口回注井（至少能夠容納3口油井產(chǎn)生的巖屑），然后將鉆井過程中產(chǎn)生的巖屑通過分級(jí)、粉碎、混合后由回注井注入到地層中；該技術(shù)受地層孔隙度影響較大，不是任意地區(qū)都能采用回注方式，而且含油巖屑注入地層以后，如果油田后期實(shí)施注水開采，地層孔隙度和壓力會(huì)受到破壞，注入地層中的油基鉆井液和含油鉆屑甚至可能會(huì)返回到地面或海面，造成更加嚴(yán)重的污染；該方式對(duì)地面相關(guān)設(shè)備的性能要求更為嚴(yán)格，系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，不僅需要很多的相關(guān)設(shè)備，還需要相關(guān)的井下特殊工具，投資較大，投入人力也很多。

集中處理法是美國等發(fā)達(dá)國家采用的處理方法，是在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆屑進(jìn)行隨鉆脫水和初步的固液分離，然后運(yùn)輸?shù)綄I(yè)化的固體廢物處理公司進(jìn)行集中無害化處理。如美國SWACO公司2001年開發(fā)的CLEANCUT系統(tǒng)可以在鉆井現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆屑進(jìn)行封閉式處理后運(yùn)離井場(chǎng)進(jìn)行集中處理，確保了鉆井現(xiàn)場(chǎng)鉆屑的環(huán)保安全。目前，該系統(tǒng)已在美國、挪威、墨西哥、俄羅斯、德國等多個(gè)國家應(yīng)用，收到良好的效果。

由于各國油田的地質(zhì)情況和鉆井技術(shù)水平不同，使用的鉆井液處理劑差異大，廢棄物含有毒物質(zhì)的組份各不相同。國外的鉆井液材料和處理劑大多選用無毒物質(zhì)，產(chǎn)生的鉆屑和廢棄鉆井液由專業(yè)的廢物處理公司進(jìn)行環(huán)保處理，處理成本高，加之處理技術(shù)保密，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上不適合我國國情，其采用的處理方法很難直接應(yīng)用于國內(nèi)生產(chǎn)中。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在石油開采初期，我國大多是將鉆屑和廢棄鉆井液存放在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的沉砂池中，沒有采取任何防滲漏、防流失的措施，自然干化后就地填埋，造成了一定的環(huán)境污染。隨著我國石油開發(fā)工業(yè)的發(fā)展，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，研發(fā)了一些廢棄鉆井液及鉆屑處理方法［3－6］。

20世紀(jì)80年代末，我國部分油田開始應(yīng)用固化技術(shù)，固化劑基本為水泥，方法是將鉆屑和廢棄鉆井液用水泥等固化材料固化，然后堆放在鉆井現(xiàn)場(chǎng)。該方法處理過程簡(jiǎn)單、材料運(yùn)輸量少、施工速度快、施工成本低，可以較為有效地減輕對(duì)周圍環(huán)境的污染，是當(dāng)前各大油田廢棄物處理采用最多的方法之一。然而，由于現(xiàn)場(chǎng)布置泥漿池需要占用大量的耕地和自然保護(hù)用地，土地浪費(fèi)嚴(yán)重，且處理后的重金屬離子原有毒性沒有改變，在凍融的作用下仍有被降水淋洗出的可能，不能徹底治理廢棄物對(duì)環(huán)境的污染。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，上述方法并不是一種理想的方法。隨著我國對(duì)鉆井過程環(huán)保問題的日益重視和相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，必須尋求更為科學(xué)、高效、環(huán)保的處理技術(shù)與裝備，以滿足不同油區(qū)廢棄物處理的需求。

1.3 發(fā)展趨勢(shì)

目前，國內(nèi)鉆屑和廢棄鉆井液處理還沒有一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的方法，而且由于地區(qū)、鉆井液體系、鉆井液處理劑的不同，其處理方法不可通用。采用廢棄物隨鉆處理，將振動(dòng)篩、離心機(jī)等固控設(shè)備分離的有害固相進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)隨鉆脫液干燥處理，達(dá)到袋裝運(yùn)輸條件后運(yùn)離井場(chǎng)，再集中進(jìn)行無害化處理，實(shí)現(xiàn)鉆井現(xiàn)場(chǎng)鉆屑的零排放，是當(dāng)前國內(nèi)外鉆屑隨鉆處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備

2.1 隨鉆處理工藝

綜合分析國內(nèi)外關(guān)于鉆屑和廢棄鉆井液處理的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合國內(nèi)在用固控系統(tǒng)工藝與設(shè)備，提出了符合我國國情的鉆屑處理工藝，流程如圖1所示。

1） 含鉆屑的鉆井液從井口返出，經(jīng)3～5臺(tái)超細(xì)目數(shù)直線振動(dòng)篩進(jìn)行全流量處理，分離出的濕鉆屑通過螺旋輸送機(jī)進(jìn)入鉆屑脫液裝置。

2） 由中速離心機(jī)處理后分離的濕鉆屑通過螺旋輸送機(jī)進(jìn)入另一臺(tái)鉆屑脫液裝置。

3） 由脫液裝置分離出的鉆井液進(jìn)入集液罐，用泵輸送到鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中，繼續(xù)進(jìn)行鉆井液循環(huán)。

4） 經(jīng)過脫液干燥后分離出的干鉆屑，通過鉆屑輸送系統(tǒng)輸送到巖屑收集罐中，最后運(yùn)移井場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)鉆屑的不落地處理。

圖1 鉆井液固相控制及鉆屑隨鉆處理工藝流程

2.2 關(guān)鍵設(shè)備研制

2.2.1 變頻調(diào)速鉆屑脫液機(jī)及其防爆變頻控制系統(tǒng)

鉆屑脫液設(shè)備是鉆屑隨鉆處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備（如圖2～3），其原理是：利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力實(shí)現(xiàn)固液混合物的分離，鉆屑通過入料口經(jīng)布料錐進(jìn)入篩籃與螺旋卸料轉(zhuǎn)子之間的空間，在離心力的作用下，液體和小顆粒透過物料層并穿過篩網(wǎng)后沿上蓋流入機(jī)座上部的集液槽內(nèi)，之后由設(shè)在機(jī)座兩側(cè)的排液管排出；鉆屑保留在篩籃內(nèi)側(cè)，因螺旋卸料轉(zhuǎn)子與篩籃之間有轉(zhuǎn)速差，螺旋卸料轉(zhuǎn)子將鉆屑從篩網(wǎng)上刮下，并將其推送至篩籃底部，脫液后的鉆屑被排到機(jī)器下方的收料漏斗里。采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和分離力來調(diào)整設(shè)備的處理量及鉆屑干燥度，以獲得較好的脫液效果［7－8］。

鉆屑脫液設(shè)備基本參數(shù)：入料粒度0～13mm；入料水份＜40%；處理能力（按入料計(jì)）50t／h；脫水產(chǎn)品（出料）外在水分5%～15%；篩籃大端直經(jīng)720mm；篩網(wǎng)縫隙0.35～1.00mm；主電動(dòng)機(jī)功率18.5kW，最高轉(zhuǎn)速（變頻）970r／min；潤(rùn)滑電機(jī)功率0.55kW，轉(zhuǎn)速1 390r／min；外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）2 195mm×1 690mm×2 700mm。

2.2.2 密閉式鉆屑螺旋輸送機(jī)及其控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的密閉式鉆屑螺旋輸送機(jī)及其控制系統(tǒng)（如圖4）是專門用來輸送由鉆井液中分離的沉渣，其轉(zhuǎn)速及輸送量可根據(jù)工況變頻調(diào)整，優(yōu)點(diǎn)是輸送量多、輸送角度大、輸送距離遠(yuǎn)，能夠滿足快速鉆進(jìn)時(shí)連續(xù)輸送的要求，并且可以輸送黏度較高的鉆屑及實(shí)現(xiàn)多臺(tái)串聯(lián)輸送。

圖2 變頻調(diào)速鉆屑脫液機(jī)結(jié)構(gòu)

XLS300－6500型鉆屑螺旋輸送機(jī)主要參數(shù)：輸送機(jī)有效長(zhǎng)度6 500mm；輸送介質(zhì)為鉆井振動(dòng)篩排出的沉渣；入料水分＜40%；螺旋直徑300mm；最大輸送量（變頻調(diào)速）6m3／h；輸送機(jī)傾斜角度18°、10°；最大轉(zhuǎn)速（變頻調(diào)速）35r／min。防爆電機(jī)型號(hào)YB－1325－4，功率5.5kW，最大轉(zhuǎn)速（變頻）1 450r／min；外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）7 900mm×323mm× 568mm。

圖3 變頻調(diào)速鉆屑脫液機(jī)及其防爆變頻控制系統(tǒng)

圖4 鉆屑螺旋輸送機(jī)及其防爆控制系統(tǒng)

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2010－07，研制的鉆屑隨鉆處理系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備在勝利油田30861SL井隊(duì)進(jìn)行了3口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。第1口井為辛70－斜34井，完鉆井深2 432.16m；第2口井為河31－斜更13井，是在現(xiàn)河采油廠老區(qū)部署的高難度雙靶點(diǎn)長(zhǎng)裸眼小井眼試驗(yàn)井，完鉆井深2 580m，最大井斜角57.8°，創(chuàng)油田小井眼鉆井新紀(jì)錄；第3口井為3－8－111井，完鉆井深2 440m。試驗(yàn)過程中采集了振動(dòng)篩入口、離心機(jī)入口及出口、輸送機(jī)入口、脫液機(jī)入口及溢流口處物料相關(guān)數(shù)據(jù)（如表1），并對(duì)其進(jìn)行了處理與分析。結(jié)果表明：輸送黏性鉆屑時(shí)，輸送機(jī)輸送平穩(wěn)，排料口不堵塞；由振動(dòng)篩排出的沉渣進(jìn)行脫液干燥處理，鉆屑脫液機(jī)的脫液效果良好，轉(zhuǎn)速可根據(jù)工況變頻調(diào)整；全套控制系統(tǒng)工作可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求；能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄鉆屑的現(xiàn)場(chǎng)不落地隨鉆處理。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1） 以現(xiàn)有鉆井液固控技術(shù)為基礎(chǔ)，通過振動(dòng)篩、離心機(jī)等固控設(shè)備從鉆井液中分離出沉渣，再由密閉式鉆屑輸送系統(tǒng)輸送到鉆屑脫液機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)隨鉆脫液干燥處理，脫液后的沉渣運(yùn)離井場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了鉆井現(xiàn)場(chǎng)鉆屑不落地隨鉆處理。

2） 分離出的鉆井液返回固控系統(tǒng)中再次參與循環(huán)。

3） 研制的具有鉆屑隨鉆處理功能的新型鉆井液固控系統(tǒng)具有良好的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性，基本能夠滿足國內(nèi)實(shí)際鉆井工況要求，為鉆屑及廢棄鉆井液的無害化處理及最終實(shí)現(xiàn)綠色鉆井奠定了基礎(chǔ)。

4） 鉆屑脫液機(jī)的性能還需要進(jìn)一步提高，尤其是脫液效果，分離出的沉渣應(yīng)該更干燥，以最大限度地減少鉆井液污染和后期無害化處理負(fù)擔(dān)。

5） 從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)回來的廢棄鉆屑還需進(jìn)行無害化集中處理，只有建設(shè)鉆井廢棄物無害化集中處理中心才能真正實(shí)現(xiàn)鉆井廢棄物的無害化處理。

6） 現(xiàn)場(chǎng)鉆完井之后的廢棄鉆井液可以重復(fù)回收利用，提取其中有用的化學(xué)成份；也需進(jìn)行深度凈化處理，以保證排放的液體達(dá)到國家環(huán)保部門和相關(guān)法律、法規(guī)規(guī)定的排放要求。

［1］ 高月臣.淺析勝利油田廢棄鉆井液無害化處理技術(shù)［J］.生產(chǎn)與環(huán)境，2008，8（3）：29－30.

［2］ 張玉華，李國華，熊亞萍，等.鉆井液固控系統(tǒng)配套現(xiàn)狀及改進(jìn)措施［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（12）：84－87.

［3］ 王宗明，王瑞和.中淺井鉆機(jī)固控設(shè)備應(yīng)用效果研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（6）：1－3.

［4］ 張春雪，王宗明，鄧 矛，等.油田鉆井鉆屑在線干化技術(shù)淺析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（9）：9－12.

［5］ 張智亮，謝 沖，侯勇俊.新型固控測(cè)試系統(tǒng)及軟件開發(fā)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（11）：27－30.

［6］ 鐘功祥，梁 政.鉆井液循環(huán)系統(tǒng)存在的問題及解決方案［J］.石油機(jī)械，2004，32（8）：66－68.

［7］ 許 光.煤礦用離心脫水機(jī)的選擇［J］.裝配制造技術(shù)，2007（5）：114－115.

［8］ 周應(yīng)懷.LL1000A型立式刮刀卸料離心機(jī)及其應(yīng)用［J］.選煤技術(shù)，2001（4）：36－37.

Study on Treatment Technology of Drill Cuttings While Drilling

MOU Shun－quan1，DONG Huai－rong2，DING Xi－jun2，AN Qing－bao2
（1.Yellow River Drilling Corporation，Shengli Petroleum Administration，Dongying257091，China；2.Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administration，Dongying257017，China）

Based on analyzing the domestic and international situation of treatment technology of drill cuttings，the kind of new technical scheme of treatment technology of drill cuttings while drilling was put forward，that the drilling technology of minor cycle without mud pit can be realized and the drill cuttings according with the conditions of transport through dewatering and drying can be carried away from drilling well site before falling onto ground.The key equipment was developed，which has been tried in lab and on site through 3wells.The results showed that the new mud solid control system with treatment technology of drill cuttings while drilling had a good adaptability to meet the actual drilling condition in China.This technology has broad application prospects.

treatment technology of drill cuttings；dryer；screw conveyor

1001－3482（2012）07－0018－05

TE925

A

2012－01－17

牟順泉（1959－），男，山東沾化人，工程師，主要從事鉆井工程技術(shù)研究及管理工作。