蘇里格氣田鉆井清潔化生產配套技術

段志鋒 吳學升 董宏偉 黎金明 張建卿

1. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室；2. 中國石油長慶油田油氣工藝研究院；3. 川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院；4. 川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司

在環保要求日益嚴格的新形勢下，如何在油氣勘探開發過程中更好地實現清潔化生產［1-3］，是擺在石油行業面前的突出問題。為了解決鉆井液“不落地”后工藝設備不配套、現有鉆井液環保性能不達標、廢棄鉆井液難以凈化處理等技術難題［4-7］，開展了蘇里格氣田鉆井清潔化生產關鍵技術研究及先導性試驗，通過對鉆完井施工鉆井液廢棄物產生過程和環境污染因素分析，結合環境污染源頭控制［8］、過程控制和末端治理，研發出了適合于蘇里格區塊的鉆井清潔化生產配套技術，包括研發出了蘇里格氣田鉆完井“不落地”一體化工藝技術、天然大分子環保鉆井液、廢棄鉆井液固液分離及回用技術［9-15］。該研究不僅可以實現代替傳統的鉆井液大池子循環，有效控制鉆井液污染，而且從源頭禁止使用不易降解的處理劑，鉆井液可重復利用，實現廢棄鉆井液變廢為寶，帶來環保、降耗、節水、增效等方面顯著的綜合效益，推廣應用前景廣闊。

1 鉆完井“不落地”一體化工藝

通過開展蘇里格鉆井清潔化生產流程設計、配套設備、工藝的改進和完善及設備參數優化攻關研究，自主研發了適合鉆井液“不落地”處理工藝的關鍵設備，通過現場配套與優化調整，最終形成了適合蘇里格氣田清潔化生產的鉆完井液“不落地”一體化工藝技術。

1.1 工作原理

鉆井過程中混有鉆屑的鉆井液返出井口后，在CQ-HP高頻防堵振動篩高頻激振力作用下，120目以下的鉆屑與鉆井液分離，達到初步凈化的目的；然后經過CQ-LC大排量一體式離心機高速離心分離后，120～260目的鉆屑顆粒從鉆井液中分離出來；之后再通過CQ-LS長框式振動篩的連續高頻強震動作用，將260～350目鉆屑顆粒同鉆井液分離，分離后的鉆井液加入破膠劑進行破膠后，在CQ-PF壓濾機高壓強擠壓作用下，350目以上的鉆屑顆粒與鉆井液徹底分離，有效清除鉆井液中的鉆屑顆粒。徹底凈化后的鉆井液被回收重復利用，各環節分離出的鉆屑通過螺旋輸送器統一收集到泥漿罐中，再加入固化劑無害化處理后作為資源化利用的原料，實現鉆井液的閉環處理和“不落地”處理，避免了鉆井液泄露到地面對環境的污染。鉆完井“不落地”處理工藝關鍵設備參數對比見表1。

表1 鉆完井“不落地”處理工藝關鍵設備參數對比Table 1 Comparison of key equipment parameters of no landing drilling and completion treatment process

1.2 工藝流程及設備配套

針對表層鉆井液設計了如圖1所示流程，井口返出的鉆井液經過1～4#罐，達到凈化處理效果，成功替代了原來的大池子循環，實現鉆井液“不落地”，有效避免了環境污染；針對二開聚合物鉆井液，考慮鉆進過程中充分發揮固控設備固相清除能力，鉆井液在4個沉砂罐中經“S”形流動后(圖2)，相當于有40 m的沉降距離沉降，達到了凈化鉆井液的目的，二開鉆進過程中，井口返出的鉆井液實現了密閉循環，實現了零排放，環境零污染；針對鉆屑，在原有固控及循環罐基礎上，增加2～4臺地面振動篩，將螺旋輸送器與振動篩、一體機、離心機鉆屑出口銜接，用于鉆屑運送臨時儲存點，實現鉆屑不落地收集、處理，如圖3所示，鉆屑經螺旋輸送機，完整到達鉆屑臨時儲存點，實現鉆屑的零排放。

圖1 表層鉆井液“不落地”處理工藝流程Fig. 1 Flow chart of the no landing treatment process for surface drilling fluid

圖2 二開聚合物鉆井液“不落地”處理工藝流程Fig. 2 Flow chart of the no landing treatment process for second-section polymer drilling fluid

圖3 鉆屑“不落地”處理工藝流程Fig. 3 Flow chart of the no landing treatment process

1.3 現場試驗

實行“不落地”工藝后的廢液處理能力達到10 m3/h，鉆屑處理能力為22 m3/h，累計處理鉆屑25萬m3，處理廢棄鉆井液16萬 m3，固液分離液回用率100%，處理后的鉆屑平均含水18.36%，生物毒性為無毒，滿足蘇里格氣田鉆井液“不落地”生產要求。自2015年以來，對在蘇里格氣田鉆井的51支鉆井隊全部進行了鉆井液“不落地”工藝設計、配套及無害化處理技術現場應用，累計進行900余口井的鉆井液、鉆屑無害化處理。

2 天然大分子環保型鉆井液技術

2.1 鉆井液性能

為滿足蘇里格氣田清潔化生產源頭控制技術要求，研發了以環氧乙烷、環氧丙烷、二甲基二烯丙基氯化銨聚合而成的鉆井液用防塌抑制劑有機胺共聚物 (G319)，以多糖改性物、植物膠為原料，通過化學改性而成的鉆井液用頁巖抑制劑多糖衍生物(G312)，以天然高分子植物油為主料、以磺酸鹽為輔料，接枝改性而成的鉆井液用無熒光潤滑劑生物油(G303)，以改性石蠟為主料、以復合表面活性劑為輔料，經乳化反應而成的鉆井液用屏蔽暫堵劑改性石蠟(G325)，以淀粉為原料，經羥丙基化反應而成的鉆井液用酸溶性降濾失劑羥丙基淀粉(G301)等天然大分子處理劑系列，提高生物降解性，進而研究出天然大分子環保鉆井液配方，主要實驗數據見表2。

表2 環保鉆井液和聚磺鉆井液常規性能Table 2 Conventional property between environmental drilling fluid and sulphonated polymer drilling fluid

從表2可以看出，2種體系流變性能參數、API濾失量、潤滑性都相當，但是天然大分子環保鉆井液的防塌、保護儲層能力明顯優于聚磺鉆井液。由于目前國內陸上尚無統一的鉆井液環保評價標準，本文參照SY/T 6787—2010《水溶性油田化學劑環境保護技術要求》、GB 31571—2015《石油化學工業污染物排放標準》、GB 8978—1996《污水綜合排放標準》、GB 15618—1995《土壤環境質量標準》開展了環保性能評價，結果見表3、表4。

表3 環保鉆井液和聚磺鉆井液重金屬含量 mg/kgTable 3 Comparison of heavy metal content between environmental drilling fluid and sulphonated polymer drilling fluid

表4 環保鉆井液和聚磺鉆井液生物毒性和生物降解性Table 4 Comparison of biotoxicity and biodegradability between environmental drilling fluid and sulphonated polymer drilling fluid

從表3、4可以看出，天然大分子環保鉆井液生物毒性遠低于聚磺鉆井液，且可生物降解，重金屬離子含量更低，更加利于環境保護。

2.2 現場試驗

該天然大分子環保鉆井液分別在SDXX-1、SDXX-2開展了先導性試驗，取得良好效果。試驗過程中，在石千峰與石盒子上部造漿井段，表現出很強的抑制性，地層造漿得到有效控制，鉆井液流變性穩定，完井鉆井液各項環保指標合格。兩口井電測均一次成功，下套管順利無遇阻。

試驗成功后在桃X、蘇X、蘇東X區塊推廣應用26口井，解決普通聚磺材料不易降解等問題，現場取樣檢測EC50達到135×104mg/L，為無毒，BOD5/COD達到0.26，可生物降解，同時井眼凈化良好、井徑規則，鉆進過程中無遇阻遇卡，電測一次性成功，套管、完井管串順利下入。

3 廢棄鉆井液固液分離及回用技術

為滿足清潔化生產需求，自主研發以乙二胺與環氧乙烯、環氧丙烯、丁二酰胺等聚合而成的廢棄鉆井液用固液分離劑丙烯基共聚物(G321)和以無機鋁鹽與丙烯醇、乙烯酰胺等聚合而成的廢棄鉆井液用固液分離劑鋁基共聚物(G323)，形成一種廢棄鉆井液固液分離及回用技術，在井隊現有固控設備條件下達到固液徹底分離，液相部分直接用于配制現場鉆井液，達到重復利用要求，固相經過加入固化劑無害化處理后達到蘇里格鉆井液“不落地”要求，有效降低了廢棄鉆井液的環境風險。

3.1 廢棄鉆井液破膠脫穩機理

通過自主研發的G323，壓縮廢棄鉆井液膠體顆粒表面雙電層，ξ電位降低，廢棄鉆井液膠粒間靜電斥力轉變為靜電引力，膠粒相互靠近，使廢棄鉆井液發生凝聚而失穩，再引入自主研發的G321，通過其分子超大的比表面積，形成比較大的黏附能力，將膠粒同時黏附卷掃在懸浮物中從而被迅速沉降分離。

3.2 室內實驗結果

鉆井液樣品取自蘇X井，經過1.5%G323預處理后，再加入0.25% G321，經破膠后，黏度、流變性、失水幾乎接近于清水，破膠前后性能對比見表5。密度未降低到1.00 g/cm3，主要原因是該聚磺鉆井液體系中加入了鹽類以及可溶解的鉆井液材料不能將其分離出來，維持了液相密度。將分離出的上部清液，全部直接用于配制現場鉆井液，配制的鉆井液各項性能參數與采用清水配制的基本相同。

表5 蘇X井鉆井液破膠前后性能對比Table 5 Property comparison of drilling fluid in Well Su X before and after the gel breaking

3.3 固液分離影響因素及較佳固液分離條件

3.3.1 固液分離影響因素

通過對廢棄鉆井液固液分離影響因素分析，形成對策及改進措施見表6。

3.3.2 較佳固液分離條件

通過實驗得出了具有較佳破膠能力的固液分離條件，即完井鉆井液經過1.5%G323預處理后，再加入0.25%固液分離劑G321。最佳離心機轉速范圍2 200～2 500 r/min。

表6 廢棄鉆井液固液分離影響因素分析及對策Table 6 Influence factors and countermeasures for solid-liquid separation of waste drilling fluid

3.4 現場試驗及效果

3.4.1 完井聚磺鉆井液固液分離及效果

現場完井聚磺鉆井液加入固液分離劑G321和G323，借助離心機或者壓濾機達到固液徹底分離。完井聚磺鉆井液經破膠、固液分離后，黏度、流變性、失水幾乎接近于清水。固液分離后液相BOD5/COD＞0.8，易生物降解，EC50值＞105mg/L，為無毒。該完井聚磺鉆井液固液分離及回用技術在蘇里格氣田推廣應用340口井，各項性能指標達到現場施工要求。

3.4.2 現場飽和復合鹽完井鉆井液固液分離及效果

通過稀釋添加自由水、引入部分土漿，再加入G321和G323，現場完井復合鹽鉆井液破膠、脫穩，自然沉降分層，借助井隊現有離心系統，達到固液徹底分離，分離后液相部分黏度、流變性、失水與清水相近，液相部分密度由1.30～1.55 g/cm3降低到1.05～1.10 g/cm3，主要原因是加入復合鹽達到飽和，不能將其分離出來，維持了比較高的液相密度；分離出的液相部分一是逐步加入到上部井段無固相聚合物鉆井液中，用于提高抑制性，增強防塌能力；二是直接轉運到其他井用于配置復合鹽鉆井液。固液分離后液相BOD5/COD＞0.09，易生物降解，EC50值＞2×104mg/L，為無毒。該飽和復合鹽完井鉆井液固液分離及回用技術推廣應用60口井，各項性能指標達到現場施工要求。

3.4.3 固液分離的固相處理

固液分離出的固相收集到鉆屑處理站，然后和鉆屑一并進行了固化處理，達到目前鉆屑“不落地”的要求。

4 結論

(1)蘇里格氣田鉆井液“不落地”工藝技術的研究，替代了傳統的“大池子”進行循環，既保護環境實現綠色鉆井又能有效保證機械鉆速，初步滿足蘇里格氣田鉆井清潔化生產要求，但工藝的自動化、撬裝化有待優化改進。

(2)形成的天然大分子環保型鉆井液技術，可以從鉆井源頭實現環保，為鉆井廢棄物源頭化控制提供了技術支撐。

(3)形成的鉆井液固液分離及回用技術，有效解決了蘇里格氣田鉆井液“不落地”實施后，廢棄鉆井液難以凈化處理和回收利用難題，實現了廢棄鉆井液變廢為寶。

(4)該系列技術的研究和應用，為蘇里格鉆井清潔化生產進行了有益探索，為下一步的大規模應用奠定了一定的基礎。