基于霍爾三維結(jié)構(gòu)的修井作業(yè)井場(chǎng)環(huán)保技術(shù)

劉 博 章 敬 李慧敏 曹 元 安 靜 賈 悅

(1.中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院；2.中國(guó)石油新疆油田分公司安全監(jiān)督中心；3.中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)公司)

0 引 言

修井作業(yè)已成為油田穩(wěn)產(chǎn)復(fù)產(chǎn)的重要手段之一，但在修井作業(yè)過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生固體和液體廢物，例如：含油污泥、油蠟、地面清洗廢液、洗井廢液、沾油廢物等，對(duì)環(huán)境造成不同程度的污染，且易造成二次環(huán)境污染，處理處置危險(xiǎn)廢物給作業(yè)單位帶來新的問題。

現(xiàn)階段，作業(yè)隊(duì)伍普遍采用“末端治理”方式來防止環(huán)境污染[1]，即現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)防滲布。為進(jìn)一步改善修井作業(yè)面臨的環(huán)?，F(xiàn)狀，選用具有防滲、防水、防油特點(diǎn)的新型防滲布，結(jié)實(shí)耐用，可重復(fù)使用4～12次，同時(shí)改進(jìn)了防滲布的鋪設(shè)方式，如：在準(zhǔn)備作業(yè)中，管橋下部鋪設(shè)防滲布，在其周邊用油管卷起建立圍堰；在地面清洗作業(yè)中，用防滲布搭建清蠟環(huán)保墻等。實(shí)施此項(xiàng)環(huán)保措施降低了二次環(huán)境污染的幾率，減少了部分危險(xiǎn)廢物的產(chǎn)生，但卻增加了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，冬季鋪設(shè)、清理尤為困難，未能實(shí)現(xiàn)污染物的源頭減量化控制，危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生和二次環(huán)境污染的問題仍未解決。

為此，積極探索綠色環(huán)保修井作業(yè)技術(shù)，走產(chǎn)業(yè)升級(jí)和新工業(yè)化之路，對(duì)油田的綠色可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 霍爾三維結(jié)構(gòu)的建立

霍爾三維結(jié)構(gòu)又稱硬系統(tǒng)方法論(Hard System Methodology)，它是將系統(tǒng)工程建立在一個(gè)三維坐標(biāo)系空間結(jié)構(gòu)上[2]，三維結(jié)構(gòu)由時(shí)間維、邏輯維和知識(shí)維組成，運(yùn)用系統(tǒng)工程知識(shí)使空間上各項(xiàng)活動(dòng)相互影響、緊密相關(guān)，組成了一個(gè)有機(jī)的整體[3]。系統(tǒng)工程的每一項(xiàng)具體工作，在這個(gè)三維空間中都對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)域[4]。

在工程領(lǐng)域內(nèi)，石油工程與環(huán)境工程均為大型復(fù)雜的系統(tǒng)工程，兩者存在少部分內(nèi)容交叉，基本屬于相互獨(dú)立的系統(tǒng)工程。為解決修井作業(yè)中存在的環(huán)境污染，采用霍爾三維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)工程方法論，深度融合石油工程中修井工藝與環(huán)境工程中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，將單次修井作業(yè)視為一個(gè)全生命周期，可將其時(shí)間維劃分為12個(gè)工序階段，包括作業(yè)準(zhǔn)備、洗井、提油管、地面清洗、完工收尾等[5]；結(jié)合油田作業(yè)現(xiàn)狀，分類梳理修井技術(shù)措施，其邏輯維可細(xì)分為12項(xiàng)，包括檢泵、補(bǔ)層、復(fù)抽、上返補(bǔ)層、分注、打撈等；在作業(yè)階段，環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)主要受作業(yè)內(nèi)部和外部環(huán)境因素綜合影響，具有區(qū)域局限性，知識(shí)維可分為井口和井場(chǎng)兩個(gè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。經(jīng)演繹轉(zhuǎn)換霍爾三維結(jié)構(gòu)模型，將若干修井工藝和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的單元模塊對(duì)應(yīng)至?xí)r間維、邏輯維和知識(shí)維構(gòu)建的三維空間內(nèi)，建立了188個(gè)模塊的修井工藝與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)模型，見圖1。

圖1 修井工藝與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)模型

2 主要因素分析

通過運(yùn)用系統(tǒng)工程方法，精準(zhǔn)定位修井作業(yè)全過程中的各環(huán)境污染環(huán)節(jié)，確定出井場(chǎng)區(qū)域的兩個(gè)環(huán)境污染環(huán)節(jié)為地面清洗和完工收尾，見圖2；井口區(qū)域的5個(gè)環(huán)境污染環(huán)節(jié)包括拆井口安裝井控裝置、提結(jié)構(gòu)、通井、射孔和下結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖2 井場(chǎng)區(qū)域環(huán)境污染環(huán)節(jié)

圖3 井口區(qū)域環(huán)境污染環(huán)節(jié)

在上述7個(gè)工序環(huán)節(jié)中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)原油、油蠟、油砂等落地的現(xiàn)象，最終形成含油污泥。含油污泥已被列入《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》(2016)，具有毒性和易燃性的特征。

經(jīng)上述各環(huán)節(jié)的分析，發(fā)現(xiàn)模型中地面清洗和完工收尾兩個(gè)工序環(huán)節(jié)在井場(chǎng)環(huán)境污染區(qū)域(除分注措施以外)呈現(xiàn)線性化分布；拆井口安裝井控裝置、提結(jié)構(gòu)和下結(jié)構(gòu)3個(gè)工序在井口環(huán)境污染區(qū)域呈現(xiàn)線性化分布，其余兩個(gè)工序環(huán)節(jié)未發(fā)現(xiàn)有明顯規(guī)律。

由于修井作業(yè)產(chǎn)生的含油污泥在收集、轉(zhuǎn)移、處理等階段需要耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，統(tǒng)計(jì)出各修井工序環(huán)節(jié)產(chǎn)生含油污泥的權(quán)重，見表1。

表1 含油污泥權(quán)重

由表1可知，井場(chǎng)區(qū)域內(nèi)含油污泥產(chǎn)生量的權(quán)重高達(dá)63%，環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)主要是地面清洗和完工收尾所產(chǎn)生，其含油污泥產(chǎn)生量的權(quán)重分別為36%，27%；井口區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生含油污泥的修井工序雖多，但含油污泥產(chǎn)生量的權(quán)重相對(duì)較小，僅為37%。因此，井場(chǎng)環(huán)境的污染防治尤為重要。

3 修井作業(yè)井場(chǎng)環(huán)保技術(shù)的研發(fā)

針對(duì)井場(chǎng)區(qū)域含油污泥產(chǎn)生量大的兩個(gè)作業(yè)工序環(huán)節(jié)，即地面清洗和完工收尾，公司自主研制了井場(chǎng)管桿盒，用于井場(chǎng)環(huán)境保護(hù)及污染防治。

井場(chǎng)管桿盒設(shè)計(jì)了橫擔(dān)、集成積液盒、放油閥、擋板等裝置設(shè)備，主要由油管盒和抽油桿盒兩部分組成，分別擺放油管和抽油桿等井下管柱。該工藝具備3方面特點(diǎn)：①工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，占地面積小，僅為傳統(tǒng)修井作業(yè)管柱擺放面積的40%；②適用范圍比較廣，可滿足井深小于3 000 m生產(chǎn)井的作業(yè)要求，管柱擺放采用逐層累加的方式，井場(chǎng)管桿盒的上部最高可累計(jì)擺放8層管柱；③具有較強(qiáng)的儲(chǔ)液能力，可容納油水混合物近10 m3，并且安裝、拆卸簡(jiǎn)單，易于操作。

該工藝除了具備正常修井作業(yè)管橋的性能外，還擁有收集、回收和防止原油落地等多項(xiàng)環(huán)保功能，主要包括：①集成積液盒主要收集在輸送、擺放時(shí)管桿壁滴落流出的原油；②在地面清洗作業(yè)前豎起折疊式擋板，可有效阻止在地面清洗作業(yè)時(shí)油、水、蠟、砂等油水混合物從油管尾部噴灑至地面，使其全部落入集成積液盒內(nèi)；③放油閥主要應(yīng)用于完工收尾環(huán)節(jié)，結(jié)合污水泵一同作業(yè)，將集成積液盒內(nèi)的油水廢液送至生產(chǎn)系統(tǒng)，減少油水廢液清理、轉(zhuǎn)移造成的二次環(huán)境污染。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

修井作業(yè)井場(chǎng)環(huán)保技術(shù)于2016年、2017年分別在新疆油田6個(gè)采油廠開展試驗(yàn)，共計(jì)應(yīng)用了2 105井次作業(yè)。

4.1 環(huán)保效益

經(jīng)油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，新工藝技術(shù)有3項(xiàng)環(huán)保效果：①修井作業(yè)的井場(chǎng)區(qū)域內(nèi)均未產(chǎn)生含油污泥，實(shí)現(xiàn)了油水不落地，從源頭上消除了含油污泥對(duì)井場(chǎng)的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；②井場(chǎng)區(qū)域內(nèi)無需鋪設(shè)防滲布，作業(yè)后也無需清洗、處置沾油防滲布，大幅降低了沾油廢物的清理、回收、運(yùn)輸?shù)榷苇h(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)；③在完工井收尾階段，油水廢液可集中回收至油氣生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了油水廢液資源化利用。

4.2 作業(yè)效率

在施工準(zhǔn)備、完工收尾工序中，新工藝技術(shù)提升了作業(yè)效率，作業(yè)人員無需鋪設(shè)、回收管橋和防滲布、挖設(shè)排污溝和排污池、回收含油污泥和沾油廢物、恢復(fù)井場(chǎng)地貌等，節(jié)省了人工勞動(dòng)時(shí)間，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，與常規(guī)修井作業(yè)的施工時(shí)間對(duì)比，井場(chǎng)管桿盒可節(jié)約作業(yè)工時(shí)3.6 h/井次。同時(shí)，新工藝技術(shù)改善了員工操作的工作環(huán)境，無需在油污上作業(yè)，并降低了摔倒的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

新工藝技術(shù)與傳統(tǒng)環(huán)保工藝相比，節(jié)約了施工消耗費(fèi)用和危險(xiǎn)廢物處置費(fèi)，包括人工費(fèi)、材料費(fèi)、清洗費(fèi)、拉運(yùn)費(fèi)、含油污泥處置費(fèi)和沾油廢物處置費(fèi)，估算每年可節(jié)約修井作業(yè)環(huán)保費(fèi)用約92.7萬元。若考慮新工藝的固定資產(chǎn)折舊及維護(hù)維修費(fèi)等，采用新工藝與傳統(tǒng)環(huán)保工藝的費(fèi)用支出基本持平[6]。

5 結(jié) 論

1)通過運(yùn)用霍爾三維結(jié)構(gòu)模型，建立了修井工藝與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)模型，分析了各作業(yè)工序中環(huán)境污染要素，精準(zhǔn)定位了地面清洗和完工收尾兩個(gè)主要環(huán)境污染的工序環(huán)節(jié)，明確了井場(chǎng)區(qū)域?yàn)榄h(huán)境污染防治的主方向。

2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，修井作業(yè)井場(chǎng)環(huán)保技術(shù)應(yīng)用效果較好，在環(huán)保上實(shí)現(xiàn)了修井作業(yè)井場(chǎng)區(qū)域的清潔生產(chǎn)，消除了二次環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)；在技術(shù)上先進(jìn)、可靠、適用，提升了作業(yè)效率；在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約了人工費(fèi)、材料費(fèi)、清洗費(fèi)等作業(yè)成本。

3)研發(fā)的修井作業(yè)井場(chǎng)環(huán)保技術(shù)—井場(chǎng)管桿盒，實(shí)現(xiàn)了“末端治理”的修井環(huán)保方式向“源頭控制”的轉(zhuǎn)型升級(jí)，具有進(jìn)一步推廣的潛力和空間。