渤海水基鉆完井廢棄物處理關鍵技術及工藝

岳明,謝濤,張磊,張羽臣,陳卓

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司（天津 300459）2.海洋石油高效開發國家重點實驗室（天津 300459）

0 引言

渤海油田作業量逐年遞增，2015—2020年作業量以每年10%～30%的速度增加，且“十四五”期間作業量將達到歷史高峰，帶來豐富油氣資源的同時，也產生了大量的鉆完井廢棄物，渤海鉆完井主要以環保水基鉆井液為主，符合渤海一類海域排放標準[1]。但是有一部分鉆完井作業處于農漁業區、生態保護區附近，排放要求極為嚴格，除冷卻水外的其他固液相均不得排放入海，如按照傳統全回收模式，將鉆完井巖屑、泥漿及完井階段液相全部回收，采用巖屑箱、污油罐以及船艙運送回陸地處理廠，需要容器和運輸工具的數量巨大。近年國家環境保護法規修訂，涉及的范圍更廣，執法更嚴格，為更好地保護渤海環境，鉆井廢棄物將由限排、總量控制向回收轉變。

2014年4月24日，十二屆全國人大常委會第八次會議表決通過了《環保法修訂案》，本次修訂重點加強監管力度，建立了公共檢測預警機制，劃定了生態保護紅線。在2016年，中國海油的專家已經就國內法規及技術進行了總結，其中在《新環保法給海上鉆井流體處理帶來的挑戰及對策》中，從我國海洋環境保護法演進歷程出發，針對海洋石油勘探與開發闡述了新環保法修訂新增加強監管力度條例，并對比了國外海洋環保法案，明確了我國環保法已與國際接軌。渤海常規項目主要遵照國家標準GB4914—2008《海洋石油勘探開發污染物排放濃度限值》。海域三級劃分，渤海被劃定為一級海域，一級海域不得排放非水基鉆井液鉆屑和油層段鉆井液及鉆屑。2018年11月頒布的《渤海綜合治理攻堅戰行動計劃》更是強調了渤海的綠色低碳開發，對海上作業提出了極為嚴苛的要求[2]。

針對鉆完井廢棄物處置難題，主要從提升固控設備能力和現場減量處理裝置兩個方面開展研究[3]。渤海廢棄物處置領域自2015年開始啟動海上鉆完井廢棄物處置相關研究工作，經過“十三五”階段的專項攻關，從鉆完井廢棄物源頭減量，過程原位處置，終端回收處置技術及鉆完井工藝優化方面開始廣泛分析，初步實現了海上鉆井平臺生活污水“全回收”試點、負壓振動篩在海上實鉆中作為減量設備實驗，但是針對大規模開發項目，鉆完井全過程回收減量技術還不完善。自2017年渤海開始大規模攻關鉆井階段巖屑、泥漿現場處置技術，并通過專項科研項目，實現了水基泥漿在渤海地區的循環利用技術，通過提升固控系統設備性能，增加高速離心機的方法，將水基泥漿循環使用能力提高到3～5口井以上，大大降低了單井廢棄泥漿量。對于現場減量技術，通過借鑒陸地鉆完井廢棄物處置經驗[4]，并結合海洋鉆井特點，首創出移動式鉆完井廢棄物處置中心和集成絮凝壓濾一體機，并于2019年成功應用。2019年通過梳理前期開發項目中全回收模式存在的問題，圍繞巖屑傳輸效率低的問題，引入并改進先進固相傳輸裝置，創新形成了一種能夠實現遠距離密閉傳輸系統。引入水處理系統，重點攻克完井過程中液相回用問題，通過優化鉆完井工藝，將廢棄物產生的每個環節都針對性地提出了優化措施，最終形成了一套完整的海上原位處置鉆完井工藝和處置體系。

1 海上水基鉆完井廢棄物處置面臨的主要技術難點

1.1 鉆井平臺空間有限

海上鉆完井作業主要是在鉆井平臺或生產平臺模塊鉆機作業，鉆井平臺甲板設計主要分三部分，懸臂梁甲板主要是管子堆場，主要用于存放套管、鉆桿和油管等管柱，為保障鉆井作業的連續性，不允許長期存放其他設施；船主甲板主要存放鉆井物料；飛機甲板僅限于飛機停放，嚴禁長期用于其他用途。常規的鉆井平臺主甲板沒有足夠的空間堆放大量巖屑箱、噸袋和廢棄物處置設施。同時，按照船級社規定，鉆井船上生產設施不允許隨意更換，因此在減量處置技術優選小型高效設備。

1.2 環境污染風險大

海上平臺鉆完井作業屬于高風險作業，尤其在受限排放區域，海水流動性強，一旦發生泄漏事故，擴散速度比陸地快，且事故處理及救援難度較陸地困難數倍。因此，現場對處置設備的可靠性要求高。減量處置設備屬于帶電設備，存在漏電、爆炸、操作人員不熟悉等風險，因此需要嚴格保障篩選設備的安全性能，且改進后的鉆井工藝必須充分考慮防泄漏風險。

1.3 物流及處置成本高

海上鉆完井作業產生的固相主要依靠巖屑箱，如按照傳統粗放式回收模式，按照渤海常用巖屑箱尺寸，單個巖屑箱最多存放3m3巖屑，單口井全井段需要150～250個巖屑箱，這些巖屑箱無法全部放置在鉆井平臺或者值班拖輪上，需要額外配置大量的儲運工具，大幅增加成本，且運送回陸地的廢棄物處置單價高，大幅增加單井開發成本。

1.4 作業效率高，產生量密集

渤海海上鉆井作業為提高鉆井效率，通常采用批鉆方式，經常會出現一個月多口井表層順序鉆進的情況，表層井眼大，廢棄物瞬時產生量及產生總量都極大，最高每小時可產生鉆屑近30m3，單井可產生鉆屑超過500m3、泥漿（含海水）800m3，另洗井和完井階段液相也超過600m3，液相主要成分以海水為主，對海洋環境影響小，但是在環境敏感區域作業仍然要嚴格按照“全回收”標準處置，因此產生總量和速率都需要改進工藝。

1.5 廢棄物種類復雜

海上鉆完井過程中主要廢棄物有生活垃圾、生活污水、雨水、雪水、工業垃圾、污油泥、鉆屑、廢棄鉆井液、廢棄完井液、固井鉆井液混漿、清罐污水、測試返排液、壓裂充填液、洗井液等，種類多且成分復雜，每種廢棄物均需要采取針對性的處理措施，其中鉆屑、泥漿和完井液相占比最大，成分復雜，處置難度高。

2 廢棄物原位處置關鍵工藝及技術

2.1 可循環利用鉆井液及配套固控系統

針對傳統的水基鉆井液體系，上部地層軟泥巖水化分散能力極強，以往只能通過大量置換維持鉆井液性能，PHPA類（PF-PLH/PF-PLUS）包被劑分子鏈大，作業311.15 mm（12?"）井眼最高通過120目，且不同鉆井深度需要頻繁地轉換泥漿體系，造成總量增加。為實現鉆井液多口井重復利用，控制廢棄泥漿產生量，研究出了無土相BIODRILL A鉆井液，該體系采用無機鹽降低鉆井液水活度，選用優質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。可重復利用的鉆井液具有低污染、低固相、長期穩定性，可實現重復利用等特點[5-6]。

據統計，該體系能夠回收使用30%以上，通過菜單式管理（不同地層不同配比）已成功用于新近系地層的不同區塊、不同井型，可循環利用率高。

2.2 井筒“瘦身”技術

針對鉆屑原始體積過大的問題，研究了井筒的“瘦身”技術，井眼由406.4 mm（16″）+311.15 mm（12?"）縮小為311.15 mm（12?"）+241.3 mm（9?″），而套管對應的由339.72 mm（13?″）+244.47 mm（9?″）縮小為266.7 mm（10?″）+193.67 mm（7?″），因井眼尺寸受制于完井工具等影響，并不能無限制地減小，先后研究出了114.3 mm（4?″）篩管進行壓裂作業，分采、分注等也已經達到現行技術的極限，如進一步縮小井眼尺寸，現行技術暫時無法保證工具可靠性，且瘦身后電泵功率和管柱通徑都相應減小，會一定程度上限制產量，因此“瘦身”要恰到好處才能更有利于油田開發。

在全回收項目中，井眼尺寸直接影響廢棄物源頭產生量，以一口3000m井為例：傳統表層406.4 mm（16″）井眼下入339.72 mm（13?″）套管800m、二開311.15 mm（12?"）井眼下入244.47 mm（9?″）套管3000m，得出本口井表層巖屑原始體積為192 m3，堆積體積達307m3。二開鉆屑原始體積為262 m3，堆積體積達491m3。而井筒“瘦身”后，表層鉆屑原始體積僅113m3，減量79m3，降幅達41%，二開鉆屑原始體積161m3，減量101m3，降幅達39%，井筒“瘦身”后鉆屑減量180m3，總體減量達40%，單井巖屑減量可達396t，單井可節約費用80萬元以上[6]。

井筒“瘦身”已成為前期設計中的“常規動作”，已成功應用超過20口井，在重點“全回收”項目的應用井數也逐步增加（圖1）。

圖1 瘦身結構示意圖

2.3 絮凝壓濾一體化工藝

針對廢棄鉆井液運送回陸地處置成本高，總量大運輸困難的問題。研究了可現場處置的絮凝壓濾一體化工藝。鉆井過程中固控系統持續產生部分廢棄液相，表層海水膨潤土漿鉆進1口井后，隨著固相含量增加，泥漿性能很難大量重復利用，因此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，而且對于可重復利用鉆井液體系在經過3～4口井使用后，需要置換50%以上，通過大量的分析，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[7]。

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，對于絮凝后參與的離子，采用加入化學藥劑的化學方法清除。

板框式壓濾機原理是通過擠壓濾布實現固液分離，研究人員保留了隔膜板框壓濾機主體結構，對進料方式、壓榨壓力、濾布型號、絮凝劑與助濾劑的優選方面開展了大量實驗，確定了壓濾機的主要參數。通過對海上常用的海水膨潤土漿、改進型PEC、PEM、BIODRILLA、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場使用要求。

該工藝關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實現自動輸送直接進巖屑箱，作業過程中加藥，進料及脫板出料操作均實現半自動化，2人即可操作一套小型的一體化化學脫穩壓濾設備，降低勞動強度。分離后的液相直接轉移調質罐進行調質處理即可直接復配泥漿，固相含液率低于60%，成餅狀。小型化壓濾設備占地面積22.4 m2，處理量130～150m3/d。

水基廢漿脫穩固液分離工藝在墾利某油田首次應用實現泥漿減量80%，處理后濾液各項指標與海水相似，滿足重復配漿要求。

2.4 負壓抽吸振動篩減量技術

針對渤海部分砂巖段地層，現有傳統固控設備處理效果不理想，振動篩下來的鉆屑經常出現含液量異常大的情況，部分井段經振動篩處理后的固相含泥漿率高達200%，一方面造成泥漿材料流失，另一方面經傳輸系統轉移至封閉式巖屑箱沉淀后，超過2/3深度為液態，這種狀態的巖屑只能用巖屑箱存放，對儲存工具要求較高。為更好實現攜巖后泥漿與巖屑的高效分離，現場通常采用更換較大目數篩布降低泥漿流失，但大目數的篩布會造成過大顆粒進入泥漿沉砂池，大大增加泥漿固相含量，導致泥漿性能不穩定。負壓抽吸振動篩是由高頻振動篩和真空系統組成，高頻振動篩作為提高一級固控振動篩性能被行業廣泛認可，其具有篩網面積大、激蕩力大和處理能力高的優點[8]。負壓抽吸振動篩工作原理是在振動篩最后一塊篩布下，在不影響振動篩性能的前提下建立密閉負壓艙，同時負壓不會影響篩布的使用壽命，利用產生的吸力或真空破壞覆蓋巖屑上鉆井液的表面張力，使鉆井巖屑攜帶的鉆井液在不改變性質的情況下被回收再利用。通過現場部分井段實驗，負壓工藝較傳統振動篩能夠實現大幅減量，效果明顯，但是負壓振動篩附帶附件占地面積大，且針對不同地層及泥漿體系的適用性還需要進一步實驗驗證。

2.5 巖屑分選工藝

針對振動篩出來的鉆屑含液率高的問題，研究了巖屑分選工藝。固控系統出來的巖屑根據成分不同主要呈顆粒狀、糊狀、團狀和砂狀，含液率不同，因鉆井作業為提高攜巖效率，往往采用大排量鉆進，部分井段會出現固控系統處理后含液率極高，這些不穩定的高含液巖屑無法直接進行絮凝壓濾。因此采用在中間加裝分選篩的工藝，通過反復試驗，確定了采用20目篩布能夠保證5臺振動篩的巖屑經分選后呈團狀，含液率較低，能夠實現噸袋裝運。對較大顆粒的巖屑進行初選，減排設備主要依托分選篩和水洗螺旋輸送機完成，一代分選篩的最大處理能力60m3/h（圖2）。

圖2 分選效果圖

2.6 巖屑遠距離密閉傳輸工藝

針對全回收過程中螺旋輸送器只能直線傳輸，且為開口易造成泄漏、傳輸距離短的難題，研究了巖屑遠距離密閉傳輸工藝。對于平臺甲板面積較小的鉆井船進行全回收項目作業時，甲板空間無法存放大量的固相，研究人員針對固相的傳輸難題，進行專項攻關，研發出了一套具有遠距離密閉傳輸功能的遠傳工藝。EPS工作船靠泊時，鉆井廢棄物經螺旋輸送器，通過密閉傳輸泵直接泵送至EPS工作船進行處置；可實現鉆井廢棄物穩定、連續傳輸，大大降低吊車工作頻次；EPS工作船無法靠泊時，鉆井廢棄物經螺旋輸送器，通過密閉傳輸泵直接泵送至海上壓濾機進行處置，滿足現場作業[9]（圖3）。

圖3 遠距離傳輸裝置

遠距離傳輸系統主要由液壓動力源、動力泵、傳輸管線組成。該系統以液壓動力泵為驅動力，由料斗室總成、料缸總成、洗滌室總成、液壓缸總成、潤滑系統、底架組成，最大輸送量30m3/h，傳輸距離硬管可達400m，具有耗能低、穩定性好、傳輸距離遠等優點。

2.7 集成水處理裝置

針對水平段EZFLOW鉆開液、HTAFLOW完井液、返排液等液相，研究人員通過分析水處理技術，確立了多級氣浮膜過濾技術，通過現場處理，實現固液分離，油相和固相回收，處理后的水基廢液用于重復循環配制EZFLOW、HTAFLOW基液對水質的要求，并不影響其性能。該技術能將渾濁的原水通過多級過濾，達到重復使用的指標，單撬處理量可達到25m3/h，能滿足EZFLOW鉆開液，HTAFLOW完井液和反排液的實時處理（圖4）。

圖4 水處理裝置處理效果對比圖

3 回收方案的配置與選擇

截至目前，渤海鉆井通常采用水基鉆井液體系，鉆完井廢棄物全回收作業方案主要受作業規模、泥漿體系、鉆井平臺結構、環境參數、經濟效益多種因素影響，因此針對不同項目，所選取的工藝不同。研究人員通過梳理渤海全回收項目，發現目前渤海全回收項目主要分5種情況，對此進行全回收處置模式方案分析對比。

3.1 大規模全回收開發項目全回收方案

此類項目往往具有井數多、作業周期長、生產平臺規模大等特點。這些項目因井數多，采用單鉆機模式會導致投產時間嚴重滯后，在渤海油田上產4000×104t的背景下，這些項目常采用雙鉆井平臺對打的模式進行作業，2條鉆井平臺分別靠平臺2側，船舶資源往往可以實現雙平臺共享，這種項目單日產生的廢棄物總量是常規項目的2倍。以渤海最大的全回收項目曹妃甸6-4油田為例進行全回收方案分析。

曹妃甸6-4被列為控制性保護利用區，工程施工期，含油和非含油鉆屑、含油和非含油鉆井液、工業垃圾、生活垃圾、機艙含油污水運回陸上處理；施工期間，在施工船舶或平臺上設置污水回收罐，將施工期產生的生活污水全部回收，定期由船舶運回陸上進行處理。因此定義為全時段全部廢棄物回收處置。

本項目的優勢是有2條鉆井平臺同時作業，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，通過127mm（5″）硬管+軟管結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。而鉆井平臺甲板配置一套小型一體化絮凝壓濾設備和分選篩，能夠保障在極端天氣條件，拖輪無法靠平臺的情況下，滿足平臺不停鉆作業（圖5）。

圖5 平臺處置流程圖

3.2 中小型開發項目全回收方案

此類項目一般為20口井以下，井數相對較少，因此采用單鉆機鉆井，采用支持平臺成本高，效益差，因此往往采用中小型EPS工作船進行支持，而中小型EPS工作船上的設備處理量小，艙容小，整體成本低，能夠實現單口井廢棄物來料處置。同時在鉆井平臺安裝分選篩、絮凝壓濾一體機和遠距離傳輸裝置，可實現平臺處置和EPS工作船處置模式切換。

3.3 開發項目季節性回收方案

季節性回收項目，主要是在魚蝦產卵季節進行全回收，因此禁排時間短，可以在非禁排期間將表層作業提前完成，條件具備的情況下可將部分二開井段提前完成，在禁排期間進行三開定向井作業，三開定向井作業期間是廢棄物產生量最小的階段。因此可以依托平臺安裝的小型化絮凝壓濾一體機和分選篩進行處置，即能夠保障在禁排期間對魚蝦產卵的影響，又能夠確保禁排期低成本回收。

3.4 調整井項目全回收方案

調整項目往往井數少，而且只需要回收側鉆點以下部分，一般情況下采用分選篩和小型化壓濾設備即能保障隨鉆處理，在完井階段液相量大時，可通過移動式EPS工作船進行處置，液相部分可使用到其他作業點作為原料重復利用。

3.5 油層段回收方案

油層段鉆屑回收量小，渤海通常采用正壓鉆井，因此含油量相對較少，一般情況下低于3%，廢棄泥漿可通過板框式壓濾進行處置，經試驗，對于含油量較多的情況，板框式壓濾機的濾網極易堵塞，造成分離效果差，且沾滿油的濾網不能重復使用，可采用絮凝離心分離方法進行處置。巖屑部分因總量小，一般情況下不超過20m3，因此可采用巖屑箱直接運送回陸地，在現場不再進行處置。

4 結論與認識

1）鉆完井廢棄物種類多，現行處置技術保障了全回收項目順利啟動與運行，但是對于設備小型化、自動化還需進一步開展攻關。

2）鉆完井廢棄物處置裝置需針對不同廢棄物匹配對應的設備，因此在作業時要針對具體項目選擇合適的處理工藝。

3）鉆井平臺固控系統處置能力和效果對廢棄物產生量影響較大，也是鉆井液重復使用的關鍵，因此提升固控處理效果是關鍵。

4）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。

5）固定式處理站是解決鉆井平臺處理能力不足的有效手段，也是大型開發項目全回收作業的一種有效手段。