大慶油田油基鉆井液回收再利用技術(shù)研究與應(yīng)用

趙陽（大慶鉆探工程公司鉆井三公司）

油基鉆井液配方簡單，性能穩(wěn)定易維護(hù)，特別是在泥頁巖地層井壁穩(wěn)定能力、抗高溫穩(wěn)定性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他鉆井液體系。大慶油田在上世紀(jì)八十年代開始研究和應(yīng)用油基鉆井液，進(jìn)入二十世紀(jì)后進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用。但其高成本問題一直沒有得到很好解決，在應(yīng)用過程中產(chǎn)生的大量含油鉆屑和廢棄鉆井液給油田帶來巨大壓力，如處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，特別是2015 年新《環(huán)保法》的嚴(yán)格要求更是限制了油基鉆井液的大規(guī)模應(yīng)用[1-3]。為解決這一難題，開展油基鉆井液廢棄物處理系統(tǒng)和老漿性能優(yōu)化技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)油基鉆井液完全不落地和回收使用。該技術(shù)的研究與應(yīng)用既提高了油基鉆井液回收利用率，降低了鉆井液總成本，還達(dá)到了環(huán)境保護(hù)的目的，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 油基鉆井液廢棄物的特點(diǎn)與危害

大慶油田油基鉆井液屬于油包水型鉆井液體系，油水比在80：20 和90：10 之間，除含有大量柴油外，還含有有機(jī)土、鉆屑、加重材料、無機(jī)鹽和乳化劑等化學(xué)添加劑，這種由油、水、固相顆粒、化學(xué)劑構(gòu)成的乳化體系性能非常復(fù)雜和穩(wěn)定，處理難度極大。

油基鉆井液中含有的礦物油、化合物、重金屬以及瀝青、膠質(zhì)等有毒物質(zhì)屬于國家明確規(guī)定的危險(xiǎn)廢棄物，在自然界中很難被降解，直接排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染和破壞：油基鉆井液中的大量油相會(huì)在水體表面漂浮而阻絕氧氣交換，影響水體生物生長。油相含有的大量芳烴和重金屬離子具有致癌、導(dǎo)致基因突變等作用，在土壤中富集會(huì)被農(nóng)作物等植被吸收而進(jìn)入食物鏈，最終影響人類健康。油基鉆井液中含有的各種無機(jī)鹽和堿類物質(zhì)會(huì)引起土壤板結(jié)，嚴(yán)重降低土壤質(zhì)量而影響農(nóng)作物和植被生長[4-5]。

2 油基鉆井液處理技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外廢棄油基鉆井液處理技術(shù)較多，主要有化學(xué)破乳法、溶劑萃取法、熱蒸餾法、超臨界液體抽提法、汽提法、生物修復(fù)法、坑內(nèi)密封掩埋法、地層安全注入法等，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。由于油基鉆井液技術(shù)研究起步較晚，針對(duì)油基鉆井液的回收再利用技術(shù)也進(jìn)展緩慢，大慶油田對(duì)油基鉆井液廢棄物的處理最先采用固化掩埋法：向廢棄油基鉆井液中加入固化劑，將其轉(zhuǎn)化成類似于混凝土的固結(jié)體，再將其就地掩埋或者送到指定地點(diǎn)進(jìn)行集中掩埋。這種處理方法雖然能暫時(shí)緩解油基鉆井液對(duì)環(huán)境的污染，但在經(jīng)過一定時(shí)間后，在雨水和地下水沖刷和浸泡作用下，固結(jié)體中的重金屬離子、油相和有機(jī)物等仍然會(huì)緩慢滲透到附近的土壤中，甚至?xí)B透到地層深部或地下水層位，造成無法估量的損失。認(rèn)識(shí)到固化掩埋法的缺點(diǎn)后，大慶油田將廢棄油基鉆井液進(jìn)行統(tǒng)一收集和存放，至今仍有上萬方廢棄油基鉆井液等待處理[6]。

3 回收再利用技術(shù)研究

2014 年，大慶油田在充分結(jié)合地層巖性、井場地形特點(diǎn)和鉆井隊(duì)設(shè)備情況等實(shí)際情況，成功研發(fā)出一套油基鉆井液回收再利用處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括傳輸、甩干、離心和回收等工藝流程，實(shí)現(xiàn)了油基鉆井液不落地循環(huán)，處理后的油基鉆井液能夠直接循環(huán)使用或應(yīng)用到下一口井，減少了新配漿用量，節(jié)約了大量成本。油基鉆井液廢棄物處理系統(tǒng)主要由傳輸設(shè)備、甩干設(shè)備、離心設(shè)備和回收設(shè)備四部分組成[7]。

3.1 傳輸設(shè)備

傳輸系統(tǒng)由三級(jí)螺旋輸送器組成。在現(xiàn)場安裝過程中，要按照實(shí)際情況進(jìn)行合理布局，可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)節(jié)輸送器的長度和高度，達(dá)到靈活安裝和拆卸的目的。一級(jí)和二級(jí)輸送器是進(jìn)料螺旋輸送器，安裝在振動(dòng)篩和離心機(jī)的出口下方，能將產(chǎn)生的廢棄鉆屑接住，由安裝在螺旋輸送器末端的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)螺旋葉輪旋轉(zhuǎn)，將鉆屑輸送到處理設(shè)備內(nèi)；三級(jí)輸送器為出料螺旋輸送器，安裝在甩干處理設(shè)備出口下方，將處理之后的鉆屑輸送到收集點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一存放[8]。

3.2 甩干設(shè)備

甩干系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心組成部分，直接決定著油相與固相的分離甩干程度。甩干系統(tǒng)由殼體、主電機(jī)、泵機(jī)、差速器、篩網(wǎng)、儲(chǔ)液罐、刮刀片、控制箱等組成。其工作原理如下：當(dāng)含油鉆屑通過進(jìn)料口進(jìn)入甩干機(jī)內(nèi)部后落在篩網(wǎng)的加速盤上，加速盤和復(fù)合刮刀片在主電機(jī)帶動(dòng)下進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)；在高速離心作用下，從鉆屑中分離出來的液相和比篩網(wǎng)孔徑尺寸小的固體會(huì)透過篩網(wǎng)被上蓋收集，最終從排液口流入到儲(chǔ)液罐進(jìn)行回收；而尺寸比篩網(wǎng)孔徑大的固相會(huì)在差速器帶動(dòng)下被復(fù)合刮刀片從篩網(wǎng)內(nèi)壁上刮下來，通過出料口的三級(jí)螺旋輸送器直接排出，統(tǒng)一收集裝置中。經(jīng)過甩干設(shè)備的處理，實(shí)現(xiàn)了含油鉆屑的第一步固液分離和預(yù)處理[9]。

為了達(dá)到更好的固液分離效果，篩網(wǎng)材質(zhì)、孔隙尺寸等設(shè)計(jì)上要滿足以下要求：為了滿足防腐要求，篩網(wǎng)材質(zhì)要選用特殊合金材質(zhì)或者陶瓷制作，以延長使用壽命，降低更換成本。設(shè)計(jì)篩網(wǎng)尺寸時(shí)，要根據(jù)該區(qū)塊地層巖性特點(diǎn)和已鉆井鉆屑返出情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以使分離出鉆屑含油率最低，同時(shí)液相儲(chǔ)集罐中的小尺寸鉆屑量最少。復(fù)合刮刀片的設(shè)計(jì)要與篩網(wǎng)配套，并提高耐磨性，降低更換和維修成本。

3.3 離心設(shè)備

離心系統(tǒng)是由高速變頻自動(dòng)離心機(jī)搭配PRC 控制箱組成，主要是對(duì)甩干機(jī)中分離出的油相和較小固相顆粒組成的油泥進(jìn)行第二次深度凈化分離。在離心過程中，離心機(jī)和螺桿泵會(huì)通過PRC 控制箱電腦控制程序?qū)λΩ蓹C(jī)儲(chǔ)液罐內(nèi)的油泥進(jìn)行處理，在更高離心速度作用下，固相顆粒與油相會(huì)進(jìn)一步分離，將油相性能與油基鉆井液性能差距進(jìn)一步縮小[10]。

為提高離心系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和可操作性，降低現(xiàn)場技術(shù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，將PRC 控制面板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將離心機(jī)與甩干機(jī)結(jié)合，并將離心機(jī)內(nèi)外筒間隙和形狀進(jìn)行優(yōu)化，以最大限度提高固液分離效果。

3.4 回收設(shè)備

回收系統(tǒng)由螺桿泵、真空泵、儲(chǔ)液罐和空壓機(jī)四部分組成。經(jīng)過離心機(jī)處理之后的油基鉆井液全部存儲(chǔ)到儲(chǔ)液罐中，當(dāng)存儲(chǔ)量達(dá)到儲(chǔ)液罐中的液位計(jì)時(shí)，螺桿泵會(huì)自動(dòng)開啟，將處理后性能合格的油基鉆井液泵入循環(huán)罐重復(fù)利用。當(dāng)一口井完井以后，鉆井液循環(huán)罐底部的剩余鉆井液和油泥，會(huì)在空壓機(jī)和真空泵帶動(dòng)下再次進(jìn)入到傳輸系統(tǒng)，再經(jīng)過甩干系統(tǒng)、離心系統(tǒng)的處理，達(dá)到能夠繼續(xù)使用的指標(biāo)后進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)，運(yùn)輸?shù)较乱豢诰^續(xù)使用；脫油后的鉆屑集中收集，經(jīng)過燒制后可制成鋪路磚和建筑用磚等。

為盡可能多的回收油基鉆井液，選用與系統(tǒng)配套的空壓機(jī)和真空泵替代螺桿泵；對(duì)空壓機(jī)和真空泵的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，要滿足現(xiàn)場鉆井施工井場條件。通過以上措施，油基鉆井液回收量整體提高50%以上。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

油基鉆井液回收處理系統(tǒng)在QP2-P10 井進(jìn)行了先導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用。該井在二開使用油基鉆井液，在一開結(jié)束之前已經(jīng)將回收處理系統(tǒng)安裝完畢，整個(gè)二開過程中一邊鉆進(jìn)一邊對(duì)含油鉆屑進(jìn)行甩干、離心、回收處理和重復(fù)利用。系統(tǒng)總計(jì)運(yùn)行28 天，全井共計(jì)產(chǎn)生84 m3含油鉆屑，全部經(jīng)過系統(tǒng)處理，累計(jì)回收和重復(fù)利用油基鉆井液20 m3；完井后將循環(huán)罐底部的油泥進(jìn)行處理后回收性能達(dá)標(biāo)的油基鉆井液15 m3，總體回收率超過41%。系統(tǒng)處理前后鉆屑對(duì)比見圖1。含油鉆屑經(jīng)過處理后表面非常干燥，便于收集和運(yùn)輸，經(jīng)過檢測含油率從21%降低至3%以下，含油率大幅度下降。

圖1 系統(tǒng)處理前后鉆屑對(duì)比

對(duì)處理回收后的油基鉆井液進(jìn)行性能檢測，處理后油基鉆進(jìn)液性能見表1。經(jīng)系統(tǒng)處理后回收的油基鉆井液性能與開鉆前配制的油基鉆井液性能相近，流變性、攜巖能力和破乳電壓都能夠滿足施工需求，不用添加處理劑進(jìn)行性能調(diào)整可直接參與鉆井液循環(huán)。

表1 處理后油基鉆井液性能

大慶油田油基鉆井液回收處理系統(tǒng)自投入生產(chǎn)應(yīng)用以來，累計(jì)處理油基鉆井液1.5×104m3以上，按照40%回收利用率計(jì)算，回收和再利用的油基鉆井液共計(jì)6 000 m3，按照油基鉆井液成本9 500 元/m3計(jì)算，共計(jì)節(jié)約油基鉆井液成本5 700 萬元。同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)周圍環(huán)境降低了污染，具有良好的社會(huì)效益。

5 結(jié)論

1） 油基鉆井液廢棄物油相含量高、成分復(fù)雜，具有環(huán)境污染嚴(yán)重、難處理等特點(diǎn)，為提高油基鉆井液環(huán)境兼容性和回收再利用率，大慶油田結(jié)合地層巖性和井場地貌等特點(diǎn)，形成一套油基鉆井液處理系統(tǒng)和回收再利用技術(shù)。

2）現(xiàn)場成功應(yīng)用表明，該項(xiàng)技術(shù)具有持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長、故障率低等特點(diǎn)，經(jīng)處理后的鉆屑含油率小于3%，能夠達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，油基鉆井液回收再利用率高于40%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。