渤海油田鉆井廢棄物源頭減量及資源化利用研究

方健

中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司

渤海油田所產(chǎn)原油主要為重質(zhì)油，在鉆井過程中，會產(chǎn)生大量的鉆井廢棄物，主要包括廢棄鉆井巖屑和廢棄鉆井液。由于渤海海域大部分油田采取“零排放”模式，當(dāng)前都是將鉆井廢棄物通過運輸船運送回到陸地，再經(jīng)由有相關(guān)資質(zhì)的危險廢物處理廠家進(jìn)行最終處置。

海洋油田作業(yè)環(huán)境和條件較為特殊，運輸船不僅要負(fù)責(zé)在港口和油田間負(fù)責(zé)各類物資、工具、設(shè)備和廢棄物的運輸，還擔(dān)負(fù)油田各平臺間的穿梭和值班任務(wù)。不斷增長的鉆井廢棄物嚴(yán)重增加了運輸船的負(fù)擔(dān)，影響鉆井和生產(chǎn)物資、工具、設(shè)備運輸，且會增加成本。因為鉆井廢棄物的倉儲、運輸及處理均會發(fā)生高昂的費用，降低了海上油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性，提高了海上低品質(zhì)油藏經(jīng)濟(jì)開發(fā)的門限。所以，在海洋油田鉆井船或鉆采平臺開展源頭減量和資源化研究工作顯得尤為重要和迫切。

1 渤海油田鉆井流程簡介

渤海油田的作業(yè)區(qū)域主要是淺水區(qū)，水深約為10～30 m。目前,在渤海海域通過鉆井船和鉆采一體化平臺，鉆井和鉆井液固體控制流程基本一致。鉆井作業(yè)主要包括水平井鉆井作業(yè)、定向井鉆井作業(yè)和調(diào)整井鉆井作業(yè)，鉆井液體系主要有PEC、PEM和EZFLOW等。

依據(jù)地層的地質(zhì)情況及井下的溫度和壓力，每個井段設(shè)計選擇的鉆井液體系必須滿足以下要求[1-4]：減少對油層及環(huán)境的污染、抑制泥巖的水化膨脹、防止井壁的坍塌、防止卡鉆、提高鉆速、具有良好的潤滑性以利于減少扭矩和摩阻。在鉆井過程中，鉆井液是通過鉆桿不斷循環(huán)使用的，但是在鉆井液返回地面后需要通過固體控制系統(tǒng)除去攜帶上來的碎巖屑后再返回地層繼續(xù)作業(yè)。渤海油田鉆井流程中固體控制流程基本上都是三級處理系統(tǒng)，即：振動篩、除砂除泥器和離心機(jī)。三級處理系統(tǒng)分離出來的廢棄鉆井巖屑裝入巖屑箱通過工作船運回陸地做最終的資源化處理。而循環(huán)使用的鉆井液在廢棄之后也同樣裝入泥漿罐或船艙運回陸地做最終處置。圖1所示是某鉆井船上的鉆井液固體控制流程圖。

2 廢棄鉆井巖屑源頭減量試驗研究

鉆井過程中的大部分巖屑是從振動篩上分離出來的，由于鉆井液體系中的聚合物成分增大了其黏度，會達(dá)到40～50 mPa·s，這就使得振動篩的篩分效率大為降低，經(jīng)過振動篩的篩上物的含液率在80%以上，有時會糊篩和跑漿，導(dǎo)致廢棄鉆井巖屑的含液率進(jìn)一步上升。這樣會導(dǎo)致廢棄鉆井巖屑的運輸成本和處理成本處于較高的水平，為了進(jìn)一步干化廢棄鉆井巖屑，國內(nèi)普遍采用甩干機(jī)[5]。離心甩干法設(shè)備占地面積大、功耗高、使用過程中篩網(wǎng)易堵死而使得分離效率大大下降，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜，在海洋平臺上的應(yīng)用中存在較多的困難。

2.1 試驗流程

本研究提出了采用負(fù)壓微振過濾分離法對鉆井液廢棄物進(jìn)行減量化處理的思路，開發(fā)出一種使用方便、占地面積小，適合海洋平臺的鉆井廢棄物處理裝置[6-8]。該系統(tǒng)對模擬的海洋油田固控系統(tǒng)中第一級的振動篩篩上物進(jìn)行進(jìn)一步的固液分離，減量后的廢棄鉆井巖屑運回陸地處理，分離出的廢棄鉆井液循環(huán)回用，在隨鉆減少廢棄鉆井巖屑體積的同時減少了循環(huán)泥漿的損失量。設(shè)計了一套“鉆井廢棄物源頭減量化試驗平臺”，試驗處理量為5 m3/h。試驗平臺由4個模塊組成：鉆井液配制模塊、鉆井液和巖屑混合模塊、固液分離模塊和巖屑回收模塊。具體流程見圖2。

2.2 試驗設(shè)備與方法

試驗采用的負(fù)壓微振過濾設(shè)備是一個撬裝集成化設(shè)備，可直接應(yīng)用于海洋油田的鉆井平臺和鉆井船上。負(fù)壓微振過濾設(shè)備是一種完全封閉式系統(tǒng)，采用真空原理和輸送帶，同時具備真空過濾及振動篩的處理功能，使用真空泵在過濾帶下的腔體中產(chǎn)生負(fù)壓狀態(tài)，從而增加過濾效果，微振器使得過濾帶處于微振狀態(tài)，這樣可以防止廢棄鉆井液中的巖屑和黏土被負(fù)壓抽吸而堵塞過濾網(wǎng)孔。過濾帶類似于“坦克履帶”循環(huán)轉(zhuǎn)動，在固相出口的位置有“氣刀”吹掃濾帶上的固體顆粒，達(dá)到清潔濾帶的功能。該設(shè)備可連續(xù)運轉(zhuǎn)，處理量高，提高了過濾效率，有效減少了濾后液體中的小比重固相成分，有助于提升鉆井效率，避免卡鉆、污染地層等意外情況的發(fā)生。

負(fù)壓微振過濾設(shè)備的外形尺寸為2 778 mm×1 930 mm×1 228 mm，質(zhì)量為1 150 kg，設(shè)備采用氣動力，氣源0.6 MPa壓力，耗氣量5 m3/min。真空泵是形成負(fù)壓的關(guān)鍵設(shè)備，壓力為負(fù)0.6 MPa(相對大氣壓)。檢測儀器包括：泥漿密度計、pH計、馬氏漏斗、ZNN-D6型黏度計、泥漿固相測定儀。

廢棄鉆井巖屑的含液率采用固相測定儀測出蒸發(fā)質(zhì)量差后換算成體積比。

2.3 試驗結(jié)果和討論

2.3.1入口含液率對固液分離效果的影響

利用鉆井液和巖屑混合罐進(jìn)行鉆井液和巖屑的比例調(diào)配，本組試驗的入口巖屑含液率范圍為80%～110%(模擬渤海油田振動篩篩上物狀態(tài))，濾布目數(shù)選擇API120，濾布運行速率為35%。圖3顯示，巖屑入口含液率保持在100%以上時，出口含液率變化不大，在21%～22%之間，但是在巖屑入口含液率下降至90%和80%后，出口含液率也隨之升高，最高到33%左右。巖屑的入口含液率低，其流動性差，在濾布上流動性和分布性均不如入口含液率高的巖屑，影響了固液分離的效果。特別是當(dāng)巖屑黏度過高而無法鋪滿整個濾布時，真空系統(tǒng)無法起到作用。

2.3.2不同轉(zhuǎn)速的固液分離效果

濾布在設(shè)備上是依靠轉(zhuǎn)軸循環(huán)作業(yè)，濾布循環(huán)1周最短時間為10 s，轉(zhuǎn)速決定處理量和停留時間。本次試驗采用25%、35%、40%、50%和65%共5種轉(zhuǎn)速(100%轉(zhuǎn)速為60 r/min)，入口含液率為105%，濾布目數(shù)API120條件下開展試驗。

圖4的試驗結(jié)果表明，在40%轉(zhuǎn)速以下時，出口的巖屑含液率基本穩(wěn)定在21%～22%之間，脫水效果較好，當(dāng)增大到50%轉(zhuǎn)速以上時，出口巖屑的含液率增加較快，最高達(dá)到31.09%。轉(zhuǎn)速越快，停留時間越短，脫水效率越差。

2.3.3不同濾布目數(shù)下的固液分離效果

試驗選擇API120、API140、API160、API170、API200 共5種不同目數(shù)的濾布，轉(zhuǎn)速固定在35%，入口的巖屑含液率控制在105%。

圖5的試驗結(jié)果表明，濾布的目數(shù)在API160以下時，出口的巖屑含液率基本穩(wěn)定在21%～23%之間，當(dāng)目數(shù)增加到API160以上時，出口巖屑的含液率增加較快，最高達(dá)到36.17%。越低目數(shù)的濾布過濾后的固相含液率越低。這是由于隨著濾布目數(shù)的增大而濾布粒徑減小，對于聚合體系來講，由于其與部分極小顆粒(泥土和小粒度砂礫)的結(jié)合團(tuán)塊結(jié)合性太強(qiáng)，不容易實現(xiàn)較為理想的固液分離，而這些團(tuán)塊由于流動性較強(qiáng)，在經(jīng)歷較小的篩布目數(shù)時通過了篩布而流到了濾清液當(dāng)中，剩下的較大顆粒的鉆屑則很容易實現(xiàn)固液分離。

2.3.4分離前后廢棄鉆井液性能變化分析

取分離后的廢棄鉆井液，對其各項性能進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1。

表1 分離前后的廢棄鉆井液性能對比性能指標(biāo)分離前1分離后1分離前2分離后2平均變化率/%密度/(g·cm-3)1.301.261.301.224.61塑性黏度/(mPa·s)4337454012.53表觀黏度/(mPa·s)4741494411.49動切力/Pa3.52.83.53.017.15pH值9.909.899.909.891.10

從表1可以看出，鉆井廢棄物在經(jīng)過負(fù)壓微振過濾系統(tǒng)分離后性能有一定的變化，其中密度、塑性黏度、表觀黏度變化率均不超過15%，pH值基本無變化，動切力變化在14%～20%之間。原因可能是在分離過程中,部分膨潤土留在了濾布的巖屑中。在海洋鉆井平臺隨鉆過程中，回用的廢棄鉆井液須重新測定性能,并補(bǔ)充一部分鉆井液添加劑。

3 廢棄鉆井液資源化研究

實現(xiàn)巖屑脫液減量及鉆井液的循環(huán)使用是為了減少海洋運輸成本，另一方面還需要將廢棄鉆井液中的液相進(jìn)行除油脫水處理，處理后的凈化水作為回用配漿的基液，以實現(xiàn)海洋油田鉆完井廢棄物的徹底資源化利用。海洋油田鉆井中產(chǎn)生的廢棄鉆井液是一種復(fù)雜的多項穩(wěn)態(tài)膠體固液混合懸浮體系。廢棄鉆井液中主要有害成分是各類的化學(xué)添加劑、油類、重金屬等[9-17]。一般情況下其成分見表2。

表2 廢棄鉆井液性能項目數(shù)值密度/(g·cm-1)1.2～1.4pH值7.5～8.5COD值/(mg·L-1)10 000BOD值/(mg·L-1)2 000～3 000色度>3 000表觀黏度/(mPa·s)45.5礦化度/(mg·L-1)30 000ρ(Cl-) /(mg·L-1)18 000～20 000w(油)/%1～2w(固體)/%20～30

3.1 實驗流程

該系統(tǒng)首先利用化學(xué)方法使廢棄水基鉆井液中膠體破膠絮凝，實現(xiàn)水與鉆井液中的固相分離。然后進(jìn)入脫水離心機(jī)，強(qiáng)行將破膠后的廢棄水基鉆井液分離為固相和液相。分離的液相經(jīng)過氣浮除去少量油組分，然后通過膜過濾深度處理，處理后直接循環(huán)用于鉆井施工(清洗設(shè)備、配制鉆井液)。實驗流程見圖6。

3.2 實驗設(shè)備與方法

廢棄鉆井液資源化工藝以負(fù)壓微振過濾設(shè)備產(chǎn)生的液相為原材料，進(jìn)行室內(nèi)模擬實驗，采用的離心機(jī)為TG16.5臺式高速離心機(jī)，臭氧氣浮和陶瓷膜均為自制小型實驗設(shè)備。

廢棄鉆井液的含油值采用正己烷萃取后紅外分光光度法測量，COD值采用重鉻酸鉀氧化法測定。

3.3 實驗結(jié)果和討論

3.3.1破膠單元

來自負(fù)壓微振設(shè)備的廢棄鉆井液，其中的固相(細(xì)小的巖屑、膨潤土和各類化學(xué)添加劑)均勻地分散在液相(水)中，形成帶負(fù)電為分散相的穩(wěn)定膠體溶液。對于廢棄鉆井液的凈化，首先要開展破膠脫穩(wěn)。本實驗采用化學(xué)法破膠，針對海洋油田廢棄鉆井液的特點，選擇兩種破膠劑FeCl3和PAC，加入廢棄鉆井液中，分別開展?jié)舛忍荻葘嶒?。攪?2 min，再靜置沉降20 min，將各樣品放入離心機(jī)，在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心處理。分離出的液相除以總體積即為破膠率。實驗結(jié)果表明，破膠劑在1% (體積分?jǐn)?shù))以上，才有較高的破膠率(破膠率高于80%)。PAC的破膠率略高于FeCl3。

3.3.2氣浮分離單元

破膠-離心分離后，固渣的含液率在80%～90%之間，離心后的固渣隨危廢收集箱回到陸地，由有危廢經(jīng)營資質(zhì)的廠區(qū)處理處置。液相的含油率為300～600 mg/L，進(jìn)入氣浮單元做進(jìn)一步的凈化。采用臭氧氣浮工藝，加注浮選劑THY-09，臭氧微氣泡曝氣裝置可以在氣浮除油的同時，降低水中的COD。浮選劑THY-09注入質(zhì)量濃度為100 mg/L，不同臭氧流量下的處理效果見圖8。實驗結(jié)果表明，臭氧流量越大，COD的去除率越高，但是除油率在4 L/min時有一個最高值83%，臭氧流量進(jìn)一步加大后，除油率反而會降低，這是因為氣泡密度太大會影響油滴的上浮和聚結(jié)。

3.3.3陶瓷膜深度分離單元

無機(jī)陶瓷膜具有分離效率高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐酸堿、機(jī)械強(qiáng)度高、使用壽命長等優(yōu)點[18]，非常適用于廢棄鉆井液的深度處理，保證回用配漿凈水的水質(zhì)。為了延長陶瓷膜的使用壽命，將其放在廢棄鉆井液凈化處理的最后一個單元。

臭氧氣浮單元出口的凈水含油值在50 mg/L以下，進(jìn)入陶瓷膜分離單元做終端處理，實驗條件下的水溫為30 ℃、40 ℃和50 ℃，操作壓力為0.2 MPa，陶瓷膜產(chǎn)水率為70%～80%，濃液返回破膠單元重新處理。50 ℃時出口水相含油值最低，為1.8～2.8 mg/L，濁度小于1NTU，均符合配制鉆井液基液的要求，實現(xiàn)了鉆井廢棄泥漿的資源化處理。

4 結(jié)論

針對渤海油田產(chǎn)生的大量鉆完井廢棄物，通過廢棄鉆井巖屑的負(fù)壓微振過濾處理及廢棄鉆井液的凈化回用配漿，實現(xiàn)最終的源頭減量和資源化利用。

(1) 建立鉆井廢棄物試驗平臺，并開展負(fù)壓微振撬裝化集成設(shè)備的源頭減量測試：入口的巖屑含液率在100%以上，在40%轉(zhuǎn)速以內(nèi)，濾布目數(shù)在API160以內(nèi)時有很好的脫水效果，出口的巖屑含液率為21%～22%。廢棄鉆井巖屑大幅減量，回用的廢棄鉆井液性能變化不超過20%，可補(bǔ)充一部分添加劑以維持鉆井液的性能指標(biāo)。

(2) 進(jìn)一步對廢棄鉆井液進(jìn)行資源化實驗，采用破膠-離心分離-臭氧氣浮分離-陶瓷膜分離流程，破膠單元選用1%的PAC作為破膠劑，破膠率可達(dá)到80%以上。在浮選劑質(zhì)量濃度為100 mg/L，臭氧流量為4 L/min時，除油率最高，出口的含油值可控制在50 mg/L以內(nèi)。50 ℃，操作壓力在0.2 MPa下，出水含油值為1.8～2.8 mg/L，濁度小于1NTU，可用于配制新的鉆井液。鉆井廢棄物源頭減量及資源化利用研究實現(xiàn)海上油田鉆井廢棄物的“零排放”和資源化。

(3) 鉆井廢棄物負(fù)壓微振過濾設(shè)備的性能試驗表明，今后可進(jìn)一步用于海洋鉆井平臺固體控制系統(tǒng)的第一級設(shè)備，使得固液分離在固體控制系統(tǒng)中就達(dá)到試驗中的分離效果，從而進(jìn)一步節(jié)省海洋平臺空間和設(shè)備。