渤海水基鉆井液減量化技術可行性研究

許 杰，張忠亮，李 斌，張貴磊，耿 鐵

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油服油田化學事業部油化研究院，河北燕郊 065201）

由于國家對海洋環保政策的收緊，渤海零排放已是必然[1]，渤海灣一年平均要作業300 口井左右，單井產生廢棄鉆井液200 m3～300 m3，另外渤海當前的固控工藝，短期內無法進行深度提升，將使廢棄物的總體量增加，平臺的載荷、空間、廢棄物的運輸、廢棄物的處理將會直接影響鉆井作業的實效、成本。

由于鉆井液成分組成復雜，且核心材料化學組分保密，由其衍生出來的鉆井廢棄物的成分和處理工藝只有鉆井液服務商最為了解。國內外的統一認識是鉆井液+廢棄物處理一體化思路，才能達到資源重復使用及成本控制的目的。

鉆井現場通過前端減量及重復使用，從源頭上減少了廢棄物的產生，通過工藝的組合及現場的調配，使之形成一套適合海洋的廢棄物處理工藝，最終實現鉆完井液服務和鉆井廢棄物服務的無縫對接和構建完整的一體化服務鏈[2-4]。

1 工藝搭建及室內評價

1.1 絮凝劑的優選

以濾液能夠實現鉆井現場回用為目的，盡量避免外來離子對濾液的污染[5，6]。目前行業內使用的絮凝劑都是接觸型絮凝劑，所以絮凝速率不在考慮范圍之內，絮凝劑的選擇需要具有以下幾個特點：易于配制、分離效果明顯易于觀察、絮凝劑本身易于清除、不破壞濾液原本性能。根據海洋作業的特點：上部海水膨潤土漿、下部聚合物體系，針對性的選擇絮凝劑。行業內幾種常見用于處理廢棄鉆井液的絮凝劑使用濃度及使用范圍（見表1）。

針對上部海水膨潤土漿體系：加入高分子電解質時，黏土對高分子的強烈吸附作用使膠粒之間形成鏈橋，形成高分子鏈狀物絮凝體，最終沉降。

表1 絮凝劑種類及配制濃度Tab.1 Types and concentration of flocculants

（1）采取現場取回的海水膨潤土漿（1.09 g/cm3），按照GB/T 16881-2008 《水的混凝、沉淀試杯試驗方法》，上部地層使用海水膨潤土漿鉆進，成分相對簡單，根據此特點選擇合適的絮凝劑，需要保證單位時間內的處理量，即廢棄物產出量與處理量的對比，選擇絮凝劑的加量，保證效果的同時實現壓濾液回用（見表2、圖1）。

根據上述實驗，基本驗證了在海水膨潤土漿體系，使用絮凝劑C 即可實現高效的固液分離，且濾液可以實現全部的重復使用。

（2）現場使用聚合物鉆井液成分相對復雜，本身為較為穩定的膠體體系，體系中膠體顆粒被聚合物材料包裹，膠體周圍雙電層更不容易被破壞，膠體之間穩定性更強，所以固液分離前需要破壞鉆井液的穩定，盡量破壞掉膠體周圍包裹的聚合物及雙電層，使膠體顆粒直接接觸絮凝劑[7，8]。同時考慮絮凝劑離子對后續濾液回用的效果，根據對前邊絮凝劑離子清除情況的分析，在絮凝效果相同的情況下，優先選擇離子易于清除絮凝劑。

下部聚合物體系：高價離子的無機絮凝劑，其離子對膠粒雙電層直接壓縮，高價離子的離子交換和吸附作用，使膠體變為中性，降低溶液穩定性，膠粒之間發生絮凝沉淀（見表3）。

表2 絮凝效果及絮凝劑加量實驗Tab.2 Experiments of flocculation effect and flocculant dosage

圖1 不同絮凝劑對鉆井液固液分離效果Fig.1 Solid-liquid separation effect of different flocculants on drilling fluid

表3 現場鉆井液絮凝實驗Tab.3 Field flocculation test of drilling fluid

根據前邊的評價實驗，本著離子便于清除的原則，針對體系選定了可以滿足固液分離的絮凝劑。

1.2 固液分離設備選擇

前邊在室內進行了鉆井液固液分離的模擬實驗，確定了絮凝劑的使用方法及原則，根據現階段國際通用的處理工藝，化學處理法與物理處理法相結合的廢棄物固液分離方法[9-11]。其中化學固液分離法是向鉆井液廢棄物中加入一定量的破膠劑對體系進行破膠、絮凝，再使用物理處理法利用固控設備使體系經化學脫穩后的自由水與固相顆粒分離。

化學脫穩破膠后，體系的輔助脫水方法按脫水原理通常可分為自然沉降脫水法、離心分離脫水法、壓濾脫水法等幾大類，自然沉降法適合一般的工地水處理、水廠污水處理，國內陸地油田基本都使用離心分離法、壓濾法。根據陸地長期的應用經驗及需要在現場實現鉆井液重復利用的要求方面考慮，對幾種固液分離法的分析，確定現場使用隔膜板框式壓濾機進行作業。幾種分離方法的特點（見表4）。

1.3 濾液回用評價

表4 不同機械脫水方式設備的特點Tab.4 Characteristics of equipments with different mechanical dewatering methods

表5 濾液離子分析Tab.5 Analysis of filtrate ions

固液分離后的濾液需要重新回到鉆井液中實現循環使用，濾液能否實現回用是檢驗工藝搭建合理與否的唯一標準，回用前對濾液進行離子測定及處理，可以將絮凝劑帶來的離子全部清除（見表5）。

按照鉆井液的室內評價方法，通過對比實驗分析回收的濾液對體系的影響，按配方對比測量老化前流變性、老化后流變性、API 失水、pH 值、懸浮性、水分析（見表6、表7）。

表6 濾液回用配方Table 6 Formulas for filtrate reuse

表7 濾液回用性能對比Tab.7 Comparison of filtrate reuse performance

通過常規配制和濾液配制鉆井液（有土相、無土相）的性能對比評價及分析，確定濾液配制鉆井液性能達到要求（見圖2）。

圖2 濾液離子分析Fig.2 Analysis of filtrate ions

濾液水分析結果證明，固液分離后的濾液中鹽基本都留在濾液中，使廢棄鉆井液中的有用部分實現了循環利用。

2 現場應用

依據室內鉆井液固液分離工藝的整體評價效果，在渤海的現場現已針對兩個區塊的鉆井液體系進行了現場減量處理及濾液的重復使用。

2.1 現場作業及效果

現場使用絮凝罐回收待處理鉆井液，配藥罐配制絮凝劑A/絮凝劑C，根據室內搭建的工藝進行現場作業，使用隔膜板框壓濾機進行現場廢棄鉆井液的固液分離及重復使用。

壓濾過程中，壓濾機進液口維持在壓力0.7 MPa左右。濾液顏色較API 失水顏色淡，濾液輸出澄清，完成進料后，啟動壓榨系統進一步降低濾餅含水率，壓榨完成正常脫板，完成整個工藝。

采用壓濾技術在海上實現了固液分離后，濾液在PL、QHD 區塊作業期間采用配漿和配制成膠液的方式進行回用，在現場對濾液配漿及補充濾液配制的膠液井筒循環的鉆井液進行性能監控，性能指標與海水配漿性能相當，全部實現重復利用（見表8～表10）。

3 結論

（1）利用行業內的水基鉆井液處理技術，針對海洋作業特點，對現階段使用的鉆井液固液分離工藝進行了探索，形成了一套能夠滿足現場作業的絮凝壓濾調質法工藝。

（2）對渤海鉆井工藝，進行固液分離效果的評價研究，以濾液回用為原則，不同井段鉆井液針對性的使用破膠絮凝劑，確保濾液中殘余的離子便于清除，在濾液的重復利用過程中，對鉆井液性能不產生不利影響。

表8 濾液配漿性能對比（PL 區塊）Tab.8 Comparison of filtrate mixing performance（PL block）

圖3 現場應用情況對比Fig.3 Field application comparison

表9 濾液配漿性能對比（QHD 區塊）Tab.9 Comparison of filtrate mixing performance（QHD block）

表10 現場處理鉆井液統計Tab.10 Field treatment of drilling fluid statistics

（3）利用此套工藝處理后的鉆井液，將廢棄鉆井液體積減少80 %，分離后的液相（含有可溶性鹽）全部實現回用，低含水量的固相也便于裝箱運回陸地。