一種快速鉆井廢棄物全回收技術(shù)探討

方傳峰，張啟龍，岳明，林家昱，劉詢

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

渤海油田近些年勘探開發(fā)向著近海、養(yǎng)殖區(qū)、生態(tài)保護區(qū)靠近，為減少鉆完井過程中產(chǎn)生的廢棄鉆屑和泥漿等物質(zhì)對環(huán)境的影響[1]，在該類區(qū)域鉆完井時，往往進行限制性排放作業(yè)[2]。渤海第一個全回收開發(fā)項目秦皇島33-1南油田啟動開始，渤海圍繞控制產(chǎn)生量、攻關(guān)現(xiàn)場處置工藝，逐步突破了多項技術(shù)瓶頸，建立了開發(fā)大型整裝油田過程中廢棄物全回收的能力，而面對快速鉆井機械鉆速大幅提高，作業(yè)工序銜接更加緊密，廢棄物瞬時產(chǎn)生量較以往常規(guī)開發(fā)項目提高50%以上，對源頭及過程減量技術(shù)提出了更高的要求，所以從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、泥漿重復(fù)利用、全封閉井口、鉆屑遠距離密閉傳輸、平臺處置與移動式處置中心結(jié)合等多方面，進行了系統(tǒng)的設(shè)計，形成了一套滿足新快速鉆井作業(yè)速率的全封閉零排放鉆完井技術(shù)體系[3]。

1 源頭減量關(guān)鍵技術(shù)

1.1 優(yōu)化“瘦身井”在批鉆中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的廢棄物處置工藝能夠滿足常規(guī)井眼的常規(guī)機械鉆速，面對“跑起來”的作業(yè)效率，亟需通過降低廢棄物源頭產(chǎn)生量，根據(jù)渤海油田技術(shù)現(xiàn)場情況和該油田位于生態(tài)紅區(qū)邊緣全過程零排放的要求，綜合考慮產(chǎn)能、完井及后期增產(chǎn)要求，優(yōu)選推廣12-1/4″-9-1/2″井身結(jié)構(gòu)，井深＜3 200 m且水垂比＜2.5的井采用瘦身井設(shè)計，16口瘦身井可減排3 858 t巖屑，少配置鉆完井液1 500 m3以上，可節(jié)約成本1 500萬元，因此快速鉆井淺層常規(guī)井通過瘦身井可提速減排，對水垂比較大的大位移井，考慮作業(yè)難度及鉆速，減少進行瘦身井設(shè)計。

1.2 鉆井液重復(fù)利用工藝與裝備

針對上部地層軟泥巖水化分散能力極強，需頻繁置換維持鉆井液性能，過篩性差、泥漿體系多等一系列問題，為實現(xiàn)鉆井液最大限度重復(fù)使用，研究出了無土相鉆井液體系。該體系采用無機鹽降低鉆井液水活度，選用優(yōu)質(zhì)抑制劑及新型包被劑，抑制泥巖水化分散，鈍化黏土，單平臺鉆井液全部回收用于下口井。其中聚胺在溶液中逐步解離形成銨離子，由于粘土表面水化呈現(xiàn)負電性，促進銨離子優(yōu)先吸附到粘土層表面，抑制表面水化?？芍貜?fù)利用鉆井液具有低污染、低固相、長期穩(wěn)定性，可實現(xiàn)重復(fù)利用等特點[5]。

經(jīng)現(xiàn)場試驗，為維持鉆井液重復(fù)利用率，優(yōu)良的固控系統(tǒng)能夠有效控制有害固相含量，因此渤海通過三年環(huán)保升級行動將老舊振動篩替換，以實現(xiàn)振動篩100%能力輸出，并在采用可重復(fù)利用鉆井液的平臺新增離心機，保障離心機梳理3～4臺，能夠使鉆井液利用率達到3～4口井。該體系回用率30%以上，已成功應(yīng)用于新近系地層的不同區(qū)塊、不同井型，可循環(huán)利用率高。

2 過程減量系列化工藝

2.1 表層密閉快裝井口

密閉快裝井口主要特點：

(1)分體式快速安裝；

(2)安裝速度快；

(3)安裝精度高；

(4)可重復(fù)使用，只需更換密封件；

(5)安裝后可快速試壓；

(6)密封效果好，不易發(fā)生泄漏。

2.2 鉆屑遠距離高效密閉傳輸配套技術(shù)

秦皇島某油田全回收項目作業(yè)過程吊裝頻繁，大大降低了吊機使用頻率和安全風險，且在作業(yè)高峰需有1臺吊機專門吊裝巖屑箱，嚴重制約作業(yè)效率。而傳統(tǒng)的螺旋輸送形式只能近似平面短距離傳輸，無法將鉆屑由固控系統(tǒng)傳輸至移動式處置中心進行處置，為解決巖屑傳輸面臨的難題，通過調(diào)研國內(nèi)外巖屑傳輸技術(shù)，水基鉆屑遠距離密閉傳輸尚無成熟經(jīng)驗借鑒。

因此開發(fā)出了以柱塞傳輸為主，通過現(xiàn)場應(yīng)用傳輸管線建模，按照兩相流模擬能耗損失，得出管線走向突變和較大變徑壓耗較高，橡膠管線壓力損失較大的結(jié)論，不考慮固相顆粒和熱傳遞，密度1 600 kg/m3，黏度50 mPa·s，考慮重力影響的情況下，壓力損耗主要在運輸管線前部彎曲段，減少管線走向突變可降低此段壓耗；管線縮頸處沒有明顯增加壓耗，在一定泵送壓力下，管線縮頸處存在流速增加的情況；橡膠軟管線相比鋼制管線的壓力損失大，約3～4倍。

經(jīng)在新快速鉆井完全釋放機械鉆速的情況下，批鉆表層單日最高傳輸鉆屑646 t，可滿足表層16″井眼ROP ≥200 m 及擴眼至26″的作業(yè)。

2.3 分選篩與小型化絮凝壓濾一體機平臺處置模式

固控系統(tǒng)出來的巖屑根據(jù)成分不同主要呈顆粒狀、糊狀、團狀和砂狀，含液率不同，因鉆井作業(yè)為提高攜巖效率，往往采用大排量鉆進，部分井段會出現(xiàn)固控系統(tǒng)處理后含液率極高，這些不穩(wěn)定的高含液巖屑無法直接進行絮凝壓濾。針對鉆屑含液率高的問題，通過對比壓榨、負壓振動篩等二級減量工藝，發(fā)現(xiàn)單臺套壓榨及負壓振動篩的處理速率無法滿足隨鉆高峰20 m3/h的鉆屑量，因此根據(jù)振動篩的基本原理，改進結(jié)構(gòu)形式，采用低目數(shù)結(jié)構(gòu)形式，研究出了分選篩工藝[6]。

分選篩主要定位是作為二級減量中間處理設(shè)備，通過反復(fù)試驗，確定了采用20目篩布能夠保證5臺振動篩的巖屑經(jīng)分選后呈團狀，含液率較低，能夠?qū)崿F(xiàn)采用噸袋裝運。對較大顆粒的巖屑進行初選，分選篩的最大處理能力60 m3/h。

鉆進過程中，會產(chǎn)生大量廢棄鉆井液，廢棄鉆井液主要來源：

(1)固控系統(tǒng)和巖屑會攜帶大量鉆井液，通過分選篩將液相分離出后，液相中有害固相含量增加，這部分液相無法用于重復(fù)利用；

(2)受泥漿性能影響，很難大量重復(fù)利用，需要隨時置換舊海水膨潤土漿，廢棄的海水膨潤土漿總量非常大，單井在200～500 m3；

(3)可重復(fù)利用鉆井液體系能夠使用3～4口井，之后需要置換50%以上；

(4)作業(yè)過程中疏通管線，沖洗設(shè)備會產(chǎn)生大量廢棄液相。

針對這些液相，通過研究人員進行了大量的分析，最終確立了板框式壓濾機與絮凝混合罐集成的絮凝壓濾一體化方案。

絮凝劑選取以配制方便、分離效果易于觀察、絮凝劑本身易于清除、不破壞濾液原本性能為原則，針對不同地層所使用泥漿體系選擇不同的絮凝劑。海水膨潤土漿體系，使用PAM即可實現(xiàn)高效的固液分離。聚合物體系，選擇高價離子的無機絮凝劑，對絮凝后參與的離子，采用加入化學藥劑的化學方法清除[7]。

板框式壓濾機原理主要是通過擠壓濾布實現(xiàn)固液分離，研究人員保留了隔膜板框壓濾機主體結(jié)構(gòu)，對進料方式、壓榨壓力、濾布型號、絮凝劑與助濾劑的優(yōu)選方面開展了大量實驗，確定了壓濾機的主要參數(shù)。通過對海上常用的海水膨潤土漿、改進型PEC、PEM、BIODRILL A、EZ-FLOW等不同泥漿體系進行試驗，驗證過濾速度、濾液澄清度、濾餅成餅性、濾餅含水率等多項指標均達到了現(xiàn)場使用的要求。

該工藝關(guān)鍵是把板框式壓濾與絮凝單元集成化，升高后的板框式壓濾機能夠?qū)崿F(xiàn)自動輸送直接進巖屑箱，作業(yè)過程中加藥，進料及脫板出料操作均實現(xiàn)半自動化，2人即可操作一套小型的一體化化學脫穩(wěn)壓濾設(shè)備，降低勞動強度。分離后的液相直接轉(zhuǎn)移調(diào)質(zhì)罐進行調(diào)質(zhì)處理即可直接復(fù)配泥漿，固相含液率低于60%，成餅狀。小型化壓濾設(shè)備占地面積22.4 m2，處理量130～150 m3/d。

水基廢漿脫穩(wěn)固液分離工藝在墾利某油田首次應(yīng)用即實現(xiàn)泥漿減量80%，處理后濾液各項指標與海水相似，滿足重復(fù)配漿要求[8]。

2.4 完井液相處置技術(shù)

水平段采用EZFLOW無固相鉆開液、HTAFLOW完井液、返排液等“微固相”的液相，研究人員借鑒化工行業(yè)水處理技術(shù)，優(yōu)選形成了以多級氣浮膜過濾技術(shù)為核心的水處理集成撬，實現(xiàn)固液分離，油相和固相回收，處理后的水基廢液用于重復(fù)循環(huán)配制EZFLOW、HTAFLOW基液對水質(zhì)的要求，并不影響其性能。該技術(shù)能將渾濁的原水通過多級過濾，達到重復(fù)使用的指標，單撬處理量可達到25 m3/h，能夠滿足EZFLOW鉆開液，HTAFLOW完井液和反排液的實時處理。

2.5 滿足快速鉆井鉆速的移動式處置中心

針對平臺空間局限和渤海區(qū)域集中開發(fā)產(chǎn)生大量廢棄物的回收處置難題，國際首創(chuàng)海上移動一體化廢棄物處理中心，集廢棄物儲存、運輸、處理、回用于一體，實現(xiàn)海上原位批量處置并反輸平臺循環(huán)利用，鉆井液減量80%、鉆屑減量40%～60%，液體在海上100%循環(huán)利用。

3 一體化處理工藝在快速鉆井項目中的應(yīng)用

快速鉆井項目具有井數(shù)多、環(huán)保要求嚴格、作業(yè)節(jié)奏快等特點。為實現(xiàn)渤海油田上產(chǎn)4 000萬噸，采用雙鉆井平臺對打的模式進行作業(yè)，2條鉆井平臺分別靠平臺兩側(cè)，船舶資源往往可以實現(xiàn)雙平臺共享，這種項目單日產(chǎn)生的廢棄物總量是常規(guī)項目的2倍。本文以新快速鉆井墾利某油田為例，進行全回收一體化工藝介紹。

本項目的優(yōu)勢是有2條鉆井平臺同時作業(yè)，因此制定方案充分考慮資源共享，在鉆井平臺螺旋輸送器末端安裝遠距離密閉傳輸泵[9]，通過127 mm(5″ )硬管+軟管結(jié)合的方式直接輸送至大型支持平臺或者EPS工作船，在支持平臺或EPS工作船上配置分選篩、大型絮凝壓濾單元、水處理裝置及航吊，能夠不依托平臺吊機的情況下完成鉆屑的固液分離[10]。而鉆井平臺甲板配置一套小型一體化絮凝壓濾設(shè)備和分選篩，能夠保障在極端天氣條件下，拖輪無法靠平臺的情況下，滿足平臺不停鉆作業(yè)。

該模式下移動式處置中心與小型化絮凝壓力一體機配合使用，期間遇到三次特殊情況，A6井海水鉆進期間，巖屑輸送軟管堵塞；A14井二開鉆進期間現(xiàn)場大風天氣(陣風九級)；A7井二開井段鉆進期間巖屑輸送泵液壓缸故障，更換巖屑輸送泵，均采取切換至小型化設(shè)備應(yīng)急預(yù)案，為影響現(xiàn)場作業(yè)時效。處理巖屑減量率50%，液相減量率70%。

4 結(jié)語

(1)小型化絮凝壓濾一體機能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井船獨立作業(yè)，但是作業(yè)高峰僅能堅持數(shù)小時，因此可以作為下部井段及應(yīng)急情況下的補充；

(2)全封閉快裝井口能夠解決快速鉆井和全回收2個難點，確保100%鉆速釋放和“滴水不漏”；

(3)移動式EPS工作船機動性好，處理儲存能力強，但易受惡劣天氣影響時效；

(4)極端天氣影響移動式處置中心靠泊，因此固定式處理站是解決鉆井平臺處理能力不足的有效手段，也是大型開發(fā)項目全回收作業(yè)的另一種有效手段。