水基鉆井液鉆屑減量處理技術(shù)探討

岳 明,劉 陽,李治衡,林家昱,劉海龍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300459)

0 引言

近年來,國家陸續(xù)頒布多項(xiàng)環(huán)保相關(guān)法律法規(guī),標(biāo)志著社會對環(huán)境保護(hù)的越趨重視,而海洋環(huán)境保護(hù)更是環(huán)保的重中之重。2019年渤海加大能源開發(fā)力度,全年需回收的鉆完井廢棄物達(dá)10×104t[1]。為更好地保護(hù)渤海環(huán)境[2-4],鉆井廢棄物將由限排、總量控制向回收轉(zhuǎn)變,因受陸地固廢處理廠的接收限制、總量巨大回收困難以及高額廢棄物處理成本等因素影響,油田大規(guī)模的開發(fā)作業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。海上鉆井廢棄物現(xiàn)場減量亟待解決。

海上鉆完井采取鉆井平臺和生產(chǎn)平臺模塊鉆機(jī)作業(yè)。不同于陸地鉆完井作業(yè)井場條件,海上鉆完井甲板的總面積和承載能力有限,無法擺放較大尺寸和重量的設(shè)備,因此在減量處置技術(shù)優(yōu)選上,應(yīng)充分考慮設(shè)備的尺寸和單位面積重量。渤海鉆完井作業(yè)多采用批鉆作業(yè),高效鉆井導(dǎo)致巖屑產(chǎn)生時間集中、總量大。減量處置技術(shù)需滿足隨鉆處理的要求,以保障現(xiàn)場作業(yè)連續(xù)性。

針對鉆完井廢棄物處置難題,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者從提升固控設(shè)備能力和搭配減量處理裝置兩方面開展了大量研究[5]。近年來鉆井液體系不斷完善,固控裝備能力也有顯著提高,涌現(xiàn)出了多種針對油基鉆井液的廢棄物處置技術(shù)[6],但是針對水基鉆井液廢棄物處置技術(shù)研究起步較晚,并且大多數(shù)處置技術(shù)均未在渤海開展過相關(guān)實(shí)踐應(yīng)用。為此,急需結(jié)合渤海油田勘探開發(fā)地層特點(diǎn),提出適用于渤海的鉆完井廢棄物減量處置技術(shù)設(shè)備。

1 水基鉆井液鉆屑減量處置關(guān)鍵技術(shù)

水基泥漿鉆井主要處理流程是井口返出先進(jìn)入負(fù)壓抽吸振動篩,鉆屑經(jīng)一級減量后,進(jìn)入具備水洗功能的螺旋輸送器,降低其黏附力,使其易于過篩。傳輸過程中鉆屑與濾液充分混合最終輸送至分選篩,進(jìn)行固液分離。液相經(jīng)過壓濾設(shè)備處置,固相進(jìn)入到巖屑壓榨分離設(shè)備進(jìn)行壓榨以降低含液率,裝巖屑箱。

1.1 負(fù)壓抽吸振動篩減量技術(shù)

渤海油田常用的鉆井固控系統(tǒng)一般配置4臺振動篩。但由于主要是水基鉆井液,鉆井過程中固控設(shè)備處理效果較差,固相含泥漿率高達(dá)100%～200%,在全回收項(xiàng)目中跑漿嚴(yán)重,造成待回收處理量大幅增加。該文通過篩力學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)振動篩跑漿的原因是泥漿過篩性差(黏度大,非均質(zhì))以及巖屑特性(泥巖易黏滯成團(tuán)狀)[7-8]。振動篩鉆屑受力分析如圖1所示。

圖1 振動篩鉆屑受力分析Fig.1 Force analysis of drilling cuttings of vibrating screen

如圖1所示,通過在垂直于篩面方向的鉆屑受力FN上增加分力的方式,增加固相顆粒垂向受力;通過工藝篩選,確定了負(fù)壓的方式增加垂向分力。固相顆粒在x和y方向上的受力分別為:

式中:G為巖屑重力;α為篩面傾角;FN為篩面所受壓力;R為黏滯力;Px,Py為慣性力。

負(fù)壓抽吸振動篩由高頻振動篩和真空系統(tǒng)組成,其工作原理是在不影響振動篩性能的前提下,在振動篩最后一塊篩布下建立密閉負(fù)壓艙,負(fù)壓艙能夠很好的為鉆屑與泥漿提供分離動力,且不增加占地面積[9-10],如圖2所示。

圖2 負(fù)壓艙Fig.2 Negative pressure chamber

選取埕北油田某調(diào)整井采用負(fù)壓抽吸振動篩進(jìn)行實(shí)驗(yàn),鉆井基本數(shù)據(jù)如表1所示。鉆井設(shè)計(jì)為水平井,在900 m 處開窗側(cè)鉆,設(shè)計(jì)一開為Φ311.15 mm)井眼,二開為Φ215.井眼,三開為Φ152.40 mm(6 in)裸眼段。

表1 鉆井基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of drilling

實(shí)驗(yàn)過程主要選取明化鎮(zhèn)上/下、館陶組和東營組的減量數(shù)據(jù),如表2和圖3所示,總計(jì)回收鉆屑量46 m3,回收泥漿43 m3。通過檢測各層段的平均進(jìn)料和出料含水率,分別計(jì)算出減重百分比。

表2 鉆屑各巖層減量效果Table 2 Reduction effect of drilling cuttings in different strata

圖3 減量數(shù)據(jù)對比圖Fig.3 Comparison chart of reduction data

從地層特征上看,明化鎮(zhèn)組上部為黏性較大的泥巖,且返出鉆屑經(jīng)螺旋輸送器傳輸后水化現(xiàn)象嚴(yán)重,形成大塊泥團(tuán),處理效果受到影響;明化鎮(zhèn)組下部和館陶組為泥砂混合層,減量效果較為明顯,負(fù)壓抽吸振動篩處理后鉆屑含水率約為30%(如圖4a所示);調(diào)整泥漿體系稠漿返砂一級固控跑漿嚴(yán)重,負(fù)壓抽吸振動篩出現(xiàn)嚴(yán)重糊篩布現(xiàn)象(如圖4b所示),控制排量并將所有振動篩全開,改善效果明顯;館陶組下部和東營組以砂巖為主夾雜少量泥巖,負(fù)壓抽吸振動篩處理后鉆屑較干,測量含水率低于20%(如圖4c所示)。

圖4 鉆屑減量效果圖(從左至右)Fig.4 Effect drawing of drilling cuttings reduction(fromleft to right)

根據(jù)井眼尺寸和井深進(jìn)行分析,Φ311.15 mm井段減量約34%,Φ215和Φ152.40 mm(6 in)井段平均減量20%,全井段廢棄物重量減量比30%,如表3 所示。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),上部井段減量效果明顯,減量后含液率高于下部井段,下部井段減量后含液率19%,全井段不同角度都能實(shí)現(xiàn)較大幅度減量。

表3 鉆屑各井段減量效果Table 3 Reduction effect of drilling cuttings in each well section

1.2 鉆屑濾液水洗技術(shù)

因鉆屑在螺旋輸送器傳送過程中黏度較大,造成螺旋輸送器堵塞,嚴(yán)重影響快速鉆井過程中的傳輸效率。針對鉆屑在進(jìn)入分選篩之前黏附泥漿難分離的問題,該文研究了傳輸效率隨鉆屑含液率和加液量的關(guān)系,確定不同鉆屑條件下的液量添加速度。通過改進(jìn)螺旋輸送器,在不同的位置設(shè)置濾液水基口,實(shí)現(xiàn)隨鉆過程鉆屑被稀釋打散的功能。

為了在傳輸過程中對隨鉆進(jìn)行稀釋,開展了傳輸過程中隨鉆降黏的創(chuàng)新研究。通過改進(jìn)螺旋輸送器結(jié)構(gòu)形式,在螺旋輸送器中部增加噴射口,精確設(shè)計(jì)噴口位置及壓力,在水射流的作用下巖屑與泥漿實(shí)現(xiàn)很好的稀釋分離;為降低固液相總體廢棄量,用于稀釋的液相不用水而采用濾液,降低液相侵入量。改進(jìn)后的水洗螺旋輸送器如圖5所示。

圖5 水洗螺旋輸送器Fig.5 Washing screw conveyor

表4所示為采取不同加液量的分離效果數(shù)據(jù)對比。隨著加液量的增加,分選效果逐步提高,因此水洗效果與加液量成正比例關(guān)系。隨著進(jìn)液壓力增加分選減量效果逐漸變好。較大泥塊在水洗作用下逐漸被打散,不易黏著到輸送器葉片而造成堵塞[9]。

表4 進(jìn)出口含液率處理效果對比Table 4 Treat ment effect comparison of liquid content of import and export

該技術(shù)在秦皇島和曹妃甸某油田已成功應(yīng)用17口井,經(jīng)濾液水洗后的鉆屑到達(dá)分選篩后固液分離效果非常顯著。該工藝能夠提高傳輸效率,清潔鉆屑表面泥漿,不額外增加設(shè)備,是水基鉆屑減量工藝傳輸過程的重要部分。

1.3 鉆屑分選篩分離技術(shù)

該文設(shè)計(jì)采用二次固液分離的方法,以解決鉆屑在經(jīng)過傳統(tǒng)振動篩或負(fù)壓振動篩篩選后,部分井段仍存在含液率較高的問題。首先要確定分離工藝能夠解決隨鉆要求,分離效果能夠達(dá)到鉆屑回收轉(zhuǎn)運(yùn)指標(biāo)。設(shè)計(jì)采用20目以上高頻振動篩在回收前進(jìn)行二次分選的方法并進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究,創(chuàng)新形成了一種帶液相遠(yuǎn)距離傳輸功能的分選傳輸一體化工藝。要達(dá)到水洗稀釋后的鉆屑進(jìn)一步分離的目的,輸送至巖屑箱之前,采用分選篩進(jìn)行二次篩分的方法,將泥團(tuán)、大顆粒固相篩分出來,含小顆粒液相進(jìn)入中轉(zhuǎn)罐,顆粒懸浮狀態(tài)時間長,經(jīng)輸送泵傳輸至固液分離單元進(jìn)行固液分離[10-11],如圖6所示。

圖6 分選篩原理圖Fig.6 Separation screen schematic diagram

該技術(shù)在秦皇島、曹妃甸和遼東等油田成功應(yīng)用30余口井。采用蒸餾法對秦皇島水基鉆屑含液量進(jìn)行測量,取水基鉆屑100 g,用高溫(電加熱)將其蒸干,然后進(jìn)行固相稱量,算出固相成分的重量百分含量。進(jìn)出液關(guān)鍵指標(biāo)對比如表5所示,重量總體減量超過30%,體積減量比超過60%[12]。

表5 進(jìn)出口含液率處理效果對比Table 5 Treat ment effect comparison of liquid content of import and export

通過對多種地層及鉆井液體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),目前渤海油田泥漿體系表層為海水膨潤土漿,中部地層采用環(huán)保型可重復(fù)利用鉆井液,最下部井段采用儲層鉆開液,分選篩的分離不受泥漿體系種類的影響,能夠同時滿足多種井段的固液分離[13]。圖7a所示為分選后的巖屑直接裝到噸袋,巖屑形態(tài)如圖7b所示,無流態(tài)水存在。

圖7 分選篩分離效果圖Fig.7 Separation effect of sorting screen

1.4 巖屑壓榨分離技術(shù)

振動篩返出巖屑含液率高達(dá)100%～200%[14],給全回收項(xiàng)目中的收集轉(zhuǎn)運(yùn)帶來極大壓力。通過比選,設(shè)計(jì)采用物理壓榨強(qiáng)制分離的方法。設(shè)計(jì)的巖屑壓榨分離裝置占地面積不超過15 m2,如圖8所示,巖屑中液相在高壓濾布的作用下實(shí)現(xiàn)分離。巖屑壓榨分離裝置是將含液率較高的鉆屑泵送至濾布上,采用快速進(jìn)料方法,并使用500目抗腐蝕篩布,處理量達(dá)到120 t/d,處理后固相含液率不高于25%,處理前后重量減量比超過20%。

圖8 巖屑壓榨分離裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of cuttings pressing and separating device

該工藝壓榨后的泥餅狀態(tài)如圖9所示。壓榨裝置處理能力強(qiáng),單位隨鉆處理量6 t/h,雙套設(shè)備即可滿足調(diào)整井鉆屑產(chǎn)生速率5～8 m3/h的產(chǎn)生量。

圖9 壓榨分離泥餅效果圖Fig.9 Effect picture of pressing and separating mud cake

如表6所示,處置后鉆屑含液率為13%～25%,較處置之前含液率降低20個百分點(diǎn)以上,達(dá)到現(xiàn)場減量的要求,泥餅?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)直接裝噸袋的要求。

表6 進(jìn)出口含液率處理效果對比Table 6 Treat ment effect comparison of liquid content of import and export

壓榨效率較高,單次時間一般控制在7～14 min,配置的旋轉(zhuǎn)濾布能夠在單板壓榨結(jié)束后快速滾動,切換進(jìn)行下一板壓榨作業(yè)。

物理設(shè)備總功率不高于25 kW,與熱分離技術(shù)相比,具有能耗低、污染小的優(yōu)勢。但是該設(shè)備占地面積與處置能力比值偏大,不適合空間狹小的平臺放置;但在大規(guī)模回收作業(yè)中,以支持平臺為載體的處置中心配置該裝置,能夠有效降低鉆屑含液率[15]。

2 結(jié)語

負(fù)壓抽吸振動篩能夠很好地彌補(bǔ)固控系統(tǒng)固液分離不徹底的問題,鉆屑濾液水洗工藝不額外占用空間,能將鉆屑附帶的泥漿清洗干凈;但需額外增加真空泵,額外占用空間。鉆屑濾液水洗裝置占地面積與常規(guī)螺旋輸送器基本相同,但必須連續(xù)消耗濾液,因此需配套使用其他形式固液分離工藝。巖屑分選篩分離技術(shù)能夠很好地降低鉆屑含水率,但是需要在螺旋輸送器末端占用約12 mm 的空間。巖屑壓榨分離技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對巖屑的最后一步固液分離,但是不能連續(xù)處置,且占地面積偏大。負(fù)壓抽吸振動篩、巖屑濾液水洗和分選篩技術(shù)均成功應(yīng)用在海上鉆井平臺,具備很好的推廣價值,壓榨分離技術(shù)更適合海上廢棄物處置中心的作業(yè)情況。