鉆屑隨鉆處理技術研究

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）＊

介紹了國內外鉆屑處理技術現狀，提出一種新型鉆屑隨鉆處理實施方案，研制出了關鍵技術設備。現場試驗結果表明：具有鉆屑隨鉆處理功能的新型鉆井液固控系統能夠滿足我國實際鉆井工況要求，推廣應用前景廣闊。

鉆屑隨鉆處理；脫液機；螺旋輸送機

目前，我國陸上鉆井工藝是將廢棄鉆井液及鉆屑存儲于沉砂池內。據統計，鉆探1口井大約產生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問題，很多井只進行簡單的處理，導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，危及周圍農田和水生生物的生長［1－2］。

隨著國家對環保要求的日益嚴格，廢棄鉆井液和鉆屑造成的環境污染問題越來越引起各方的關注。目前，環境保護是我國的一項基本國策，改變傳統的廢棄物處理方法，搞清廢棄物無害化處理原理，研究和應用廢棄物無害化處理技術，對于保護區域環境、保障石油工業長期穩定發展及實現人類可持續發展具有非常重要的現實意義。

1 技術現況

1.1 國外發展現狀

在陸上石油勘探開發生產中，鉆井產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，對鉆屑和廢棄鉆井液的毒性分析、環境影響評價及處理技術等方面做了大量工作，工業生產中主要應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生產初期普遍采用的方法，該方法被限制用于淡水基鉆井液產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（US 448245）對就地回填法進行了改進，先用酸中和廢鉆井液和巖屑的pH值，然后加入絮凝劑進行固液分離，固相廢物干燥到一定程度后就地填埋，污水處理后達標排放。

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踐了鉆屑回注技術：將鉆屑從固控設備傳輸到處理設備內，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。該技術采用地下灌注與水力壓裂相結合，又被稱為漿體壓裂灌注，它以廢棄的油井或專用井作為注入井，選擇壓裂梯度較低、封閉性較好、不會引起產層或地下水層污染的地層作為注入層。該技術的難度及涉及的相關地質工程問題較多，例如：從經濟方面來考慮，最好鉆1口回注井（至少能夠容納3口油井產生的巖屑），然后將鉆井過程中產生的巖屑通過分級、粉碎、混合后由回注井注入到地層中；該技術受地層孔隙度影響較大，不是任意地區都能采用回注方式，而且含油巖屑注入地層以后，如果油田后期實施注水開采，地層孔隙度和壓力會受到破壞，注入地層中的油基鉆井液和含油鉆屑甚至可能會返回到地面或海面，造成更加嚴重的污染；該方式對地面相關設備的性能要求更為嚴格，系統復雜，價格昂貴，不僅需要很多的相關設備，還需要相關的井下特殊工具，投資較大，投入人力也很多。

集中處理法是美國等發達國家采用的處理方法，是在現場對鉆屑進行隨鉆脫水和初步的固液分離，然后運輸到專業化的固體廢物處理公司進行集中無害化處理。如美國SWACO公司2001年開發的CLEANCUT系統可以在鉆井現場對鉆屑進行封閉式處理后運離井場進行集中處理，確保了鉆井現場鉆屑的環保安全。目前，該系統已在美國、挪威、墨西哥、俄羅斯、德國等多個國家應用，收到良好的效果。

由于各國油田的地質情況和鉆井技術水平不同，使用的鉆井液處理劑差異大，廢棄物含有毒物質的組份各不相同。國外的鉆井液材料和處理劑大多選用無毒物質，產生的鉆屑和廢棄鉆井液由專業的廢物處理公司進行環保處理，處理成本高，加之處理技術保密，在經濟和技術上不適合我國國情，其采用的處理方法很難直接應用于國內生產中。

1.2 國內發展現狀

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現場的沉砂池中，沒有采取任何防滲漏、防流失的措施，自然干化后就地填埋，造成了一定的環境污染。隨著我國石油開發工業的發展，根據生產實際情況，研發了一些廢棄鉆井液及鉆屑處理方法［3－6］。

20世紀80年代末，我國部分油田開始應用固化技術，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，然后堆放在鉆井現場。該方法處理過程簡單、材料運輸量少、施工速度快、施工成本低，可以較為有效地減輕對周圍環境的污染，是當前各大油田廢棄物處理采用最多的方法之一。然而，由于現場布置泥漿池需要占用大量的耕地和自然保護用地，土地浪費嚴重，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環境的污染。

從長遠來看，上述方法并不是一種理想的方法。隨著我國對鉆井過程環保問題的日益重視和相關領域技術的不斷發展，必須尋求更為科學、高效、環保的處理技術與裝備，以滿足不同油區廢棄物處理的需求。

1.3 發展趨勢

目前，國內鉆屑和廢棄鉆井液處理還沒有一種既環保又經濟的方法，而且由于地區、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，將振動篩、離心機等固控設備分離的有害固相進行現場隨鉆脫液干燥處理，達到袋裝運輸條件后運離井場，再集中進行無害化處理，實現鉆井現場鉆屑的零排放，是當前國內外鉆屑隨鉆處理技術的發展趨勢。

2 關鍵技術及設備

2.1 隨鉆處理工藝

綜合分析國內外關于鉆屑和廢棄鉆井液處理的技術現狀及發展趨勢，結合國內在用固控系統工藝與設備，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3～5臺超細目數直線振動篩進行全流量處理，分離出的濕鉆屑通過螺旋輸送機進入鉆屑脫液裝置。

2） 由中速離心機處理后分離的濕鉆屑通過螺旋輸送機進入另一臺鉆屑脫液裝置。

3） 由脫液裝置分離出的鉆井液進入集液罐，用泵輸送到鉆井液循環系統中，繼續進行鉆井液循環。

4） 經過脫液干燥后分離出的干鉆屑，通過鉆屑輸送系統輸送到巖屑收集罐中，最后運移井場，實現鉆屑的不落地處理。

圖1 鉆井液固相控制及鉆屑隨鉆處理工藝流程

2.2 關鍵設備研制

2.2.1 變頻調速鉆屑脫液機及其防爆變頻控制系統

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

鉆屑脫液設備基本參數：入料粒度0～13mm；入料水份＜40%；處理能力（按入料計）50t／h；脫水產品（出料）外在水分5%～15%；篩籃大端直經720mm；篩網縫隙0.35～1.00mm；主電動機功率18.5kW，最高轉速（變頻）970r／min；潤滑電機功率0.55kW，轉速1 390r／min；外形尺寸（長×寬×高）2 195mm×1 690mm×2 700mm。

2.2.2 密閉式鉆屑螺旋輸送機及其控制系統

設計的密閉式鉆屑螺旋輸送機及其控制系統（如圖4）是專門用來輸送由鉆井液中分離的沉渣，其轉速及輸送量可根據工況變頻調整，優點是輸送量多、輸送角度大、輸送距離遠，能夠滿足快速鉆進時連續輸送的要求，并且可以輸送黏度較高的鉆屑及實現多臺串聯輸送。

圖2 變頻調速鉆屑脫液機結構

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

圖3 變頻調速鉆屑脫液機及其防爆變頻控制系統

圖4 鉆屑螺旋輸送機及其防爆控制系統

3 現場試驗

2010－07，研制的鉆屑隨鉆處理系統及其關鍵設備在勝利油田30861SL井隊進行了3口井的現場試驗。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，是在現河采油廠老區部署的高難度雙靶點長裸眼小井眼試驗井，完鉆井深2 580m，最大井斜角57.8°，創油田小井眼鉆井新紀錄；第3口井為3－8－111井，完鉆井深2 440m。試驗過程中采集了振動篩入口、離心機入口及出口、輸送機入口、脫液機入口及溢流口處物料相關數據（如表1），并對其進行了處理與分析。結果表明：輸送黏性鉆屑時，輸送機輸送平穩，排料口不堵塞；由振動篩排出的沉渣進行脫液干燥處理，鉆屑脫液機的脫液效果良好，轉速可根據工況變頻調整；全套控制系統工作可靠、動態響應快，能夠滿足現場使用要求；能夠實現廢棄鉆屑的現場不落地隨鉆處理。

表1 現場試驗數據

4 結論

1） 以現有鉆井液固控技術為基礎，通過振動篩、離心機等固控設備從鉆井液中分離出沉渣，再由密閉式鉆屑輸送系統輸送到鉆屑脫液機進行現場隨鉆脫液干燥處理，脫液后的沉渣運離井場，實現了鉆井現場鉆屑不落地隨鉆處理。

2） 分離出的鉆井液返回固控系統中再次參與循環。

3） 研制的具有鉆屑隨鉆處理功能的新型鉆井液固控系統具有良好的現場適應性，基本能夠滿足國內實際鉆井工況要求，為鉆屑及廢棄鉆井液的無害化處理及最終實現綠色鉆井奠定了基礎。

4） 鉆屑脫液機的性能還需要進一步提高，尤其是脫液效果，分離出的沉渣應該更干燥，以最大限度地減少鉆井液污染和后期無害化處理負擔。

5） 從現場運回來的廢棄鉆屑還需進行無害化集中處理，只有建設鉆井廢棄物無害化集中處理中心才能真正實現鉆井廢棄物的無害化處理。

6） 現場鉆完井之后的廢棄鉆井液可以重復回收利用，提取其中有用的化學成份；也需進行深度凈化處理，以保證排放的液體達到國家環保部門和相關法律、法規規定的排放要求。

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

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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研究及管理工作。