一種快速鉆井廢棄物全回收技術(shù)探討

方傳峰，張啟龍，岳明，林家昱，劉詢

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

渤海油田近些年勘探開發(fā)向著近海、養(yǎng)殖區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)靠近，為減少鉆完井過程中產(chǎn)生的廢棄鉆屑和泥漿等物質(zhì)對(duì)環(huán)境的影響[1]，在該類區(qū)域鉆完井時(shí)，往往進(jìn)行限制性排放作業(yè)[2]。渤海第一個(gè)全回收開發(fā)項(xiàng)目秦皇島33-1南油田啟動(dòng)開始，渤海圍繞控制產(chǎn)生量、攻關(guān)現(xiàn)場(chǎng)處置工藝，逐步突破了多項(xiàng)技術(shù)瓶頸，建立了開發(fā)大型整裝油田過程中廢棄物全回收的能力，而面對(duì)快速鉆井機(jī)械鉆速大幅提高，作業(yè)工序銜接更加緊密，廢棄物瞬時(shí)產(chǎn)生量較以往常規(guī)開發(fā)項(xiàng)目提高50%以上，對(duì)源頭及過程減量技術(shù)提出了更高的要求，所以從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、泥漿重復(fù)利用、全封閉井口、鉆屑遠(yuǎn)距離密閉傳輸、平臺(tái)處置與移動(dòng)式處置中心結(jié)合等多方面，進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，形成了一套滿足新快速鉆井作業(yè)速率的全封閉零排放鉆完井技術(shù)體系[3]。

1 源頭減量關(guān)鍵技術(shù)

1.1 優(yōu)化“瘦身井”在批鉆中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的廢棄物處置工藝能夠滿足常規(guī)井眼的常規(guī)機(jī)械鉆速，面對(duì)“跑起來”的作業(yè)效率，亟需通過降低廢棄物源頭產(chǎn)生量，根據(jù)渤海油田技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)情況和該油田位于生態(tài)紅區(qū)邊緣全過程零排放的要求，綜合考慮產(chǎn)能、完井及后期增產(chǎn)要求，優(yōu)選推廣12-1/4″-9-1/2″井身結(jié)構(gòu)，井深＜3 200 m且水垂比＜2.5的井采用瘦身井設(shè)計(jì)，16口瘦身井可減排3 858 t巖屑，少配置鉆完井液1 500 m3以上，可節(jié)約成本1 500萬元，因此快速鉆井淺層常規(guī)井通過瘦身井可提速減排，對(duì)水垂比較大的大位移井，考慮作業(yè)難度及鉆速，減少進(jìn)行瘦身井設(shè)計(jì)。

1.2 鉆井液重復(fù)利用工藝與裝備

針對(duì)上部地層軟泥巖水化分散能力極強(qiáng)，需頻繁置換維持鉆井液性能，過篩性差、泥漿體系多等一系列問題，為實(shí)現(xiàn)鉆井液最大限度重復(fù)使用，研究出了無土相鉆井液體系。該體系采用無機(jī)鹽降低鉆井液水活度，選用優(yōu)質(zhì)抑制劑及新型包被劑，抑制泥巖水化分散，鈍化黏土，單平臺(tái)鉆井液全部回收用于下口井。其中聚胺在溶液中逐步解離形成銨離子，由于粘土表面水化呈現(xiàn)負(fù)電性，促進(jìn)銨離子優(yōu)先吸附到粘土層表面，抑制表面水化。可重復(fù)利用鉆井液具有低污染、低固相、長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用等特點(diǎn)[5]。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為維持鉆井液重復(fù)利用率，優(yōu)良的固控系統(tǒng)能夠有效控制有害固相含量，因此渤海通過三年環(huán)保升級(jí)行動(dòng)將老舊振動(dòng)篩替換，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩100%能力輸出，并在采用可重復(fù)利用鉆井液的平臺(tái)新增離心機(jī)，保障離心機(jī)梳理3～4臺(tái)，能夠使鉆井液利用率達(dá)到3～4口井。該體系回用率30%以上，已成功應(yīng)用于新近系地層的不同區(qū)塊、不同井型，可循環(huán)利用率高。

2 過程減量系列化工藝

2.1 表層密閉快裝井口

密閉快裝井口主要特點(diǎn)：

(1)分體式快速安裝；

(2)安裝速度快；

(3)安裝精度高；

(4)可重復(fù)使用，只需更換密封件；

(5)安裝后可快速試壓；

(6)密封效果好，不易發(fā)生泄漏。

2.2 鉆屑遠(yuǎn)距離高效密閉傳輸配套技術(shù)

秦皇島某油田全回收項(xiàng)目作業(yè)過程吊裝頻繁，大大降低了吊機(jī)使用頻率和安全風(fēng)險(xiǎn)，且在作業(yè)高峰需有1臺(tái)吊機(jī)專門吊裝巖屑箱，嚴(yán)重制約作業(yè)效率。而傳統(tǒng)的螺旋輸送形式只能近似平面短距離傳輸，無法將鉆屑由固控系統(tǒng)傳輸至移動(dòng)式處置中心進(jìn)行處置，為解決巖屑傳輸面臨的難題，通過調(diào)研國內(nèi)外巖屑傳輸技術(shù)，水基鉆屑遠(yuǎn)距離密閉傳輸尚無成熟經(jīng)驗(yàn)借鑒。

因此開發(fā)出了以柱塞傳輸為主，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用傳輸管線建模，按照兩相流模擬能耗損失，得出管線走向突變和較大變徑壓耗較高，橡膠管線壓力損失較大的結(jié)論，不考慮固相顆粒和熱傳遞，密度1 600 kg/m3，黏度50 mPa·s，考慮重力影響的情況下，壓力損耗主要在運(yùn)輸管線前部彎曲段，減少管線走向突變可降低此段壓耗；管線縮頸處沒有明顯增加壓耗，在一定泵送壓力下，管線縮頸處存在流速增加的情況；橡膠軟管線相比鋼制管線的壓力損失大，約3～4倍。

經(jīng)在新快速鉆井完全釋放機(jī)械鉆速的情況下，批鉆表層單日最高傳輸鉆屑646 t，可滿足表層16″井眼ROP ≥200 m 及擴(kuò)眼至26″的作業(yè)。

2.3 分選篩與小型化絮凝壓濾一體機(jī)平臺(tái)處置模式

固控系統(tǒng)出來的巖屑根據(jù)成分不同主要呈顆粒狀、糊狀、團(tuán)狀和砂狀，含液率不同，因鉆井作業(yè)為提高攜巖效率，往往采用大排量鉆進(jìn)，部分井段會(huì)出現(xiàn)固控系統(tǒng)處理后含液率極高，這些不穩(wěn)定的高含液巖屑無法直接進(jìn)行絮凝壓濾。針對(duì)鉆屑含液率高的問題，通過對(duì)比壓榨、負(fù)壓振動(dòng)篩等二級(jí)減量工藝，發(fā)現(xiàn)單臺(tái)套壓榨及負(fù)壓振動(dòng)篩的處理速率無法滿足隨鉆高峰20 m3/h的鉆屑量，因此根據(jù)振動(dòng)篩的基本原理，改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式，采用低目數(shù)結(jié)構(gòu)形式，研究出了分選篩工藝[6]。

分選篩主要定位是作為二級(jí)減量中間處理設(shè)備，通過反復(fù)試驗(yàn)，確定了采用20目篩布能夠保證5臺(tái)振動(dòng)篩的巖屑經(jīng)分選后呈團(tuán)狀，含液率較低，能夠?qū)崿F(xiàn)采用噸袋裝運(yùn)。對(duì)較大顆粒的巖屑進(jìn)行初選，分選篩的最大處理能力60 m3/h。

鉆進(jìn)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量廢棄鉆井液，廢棄鉆井液主要來源：

(1)固控系統(tǒng)和巖屑會(huì)攜帶大量鉆井液，通過分選篩將液相分離出后，液相中有害固相含量增加，這部分液相無法用于重復(fù)利用；

(2)受泥漿性能影響，很難大量重復(fù)利用，需要隨時(shí)置換舊海水膨潤土漿，廢棄的海水膨潤土漿總量非常大，單井在200～500 m3；

(3)可重復(fù)利用鉆井液體系能夠使用3～4口井，之后需要置換50%以上；

(4)作業(yè)過程中疏通管線，沖洗設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量廢棄液相。

針對(duì)這些液相，通過研究人員進(jìn)行了大量的分析，最終確立了板框式壓濾機(jī)與絮凝混合罐集成的絮凝壓濾一體化方案。

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(duì)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(shí)現(xiàn)高效的固液分離。聚合物體系，選擇高價(jià)離子的無機(jī)絮凝劑，對(duì)絮凝后參與的離子，采用加入化學(xué)藥劑的化學(xué)方法清除[7]。

板框式壓濾機(jī)原理主要是通過擠壓濾布實(shí)現(xiàn)固液分離，研究人員保留了隔膜板框壓濾機(jī)主體結(jié)構(gòu)，對(duì)進(jìn)料方式、壓榨壓力、濾布型號(hào)、絮凝劑與助濾劑的優(yōu)選方面開展了大量實(shí)驗(yàn)，確定了壓濾機(jī)的主要參數(shù)。通過對(duì)海上常用的海水膨潤土漿、改進(jìn)型PEC、PEM、BIODRILL A、EZ-FLOW等不同泥漿體系進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證過濾速度、濾液澄清度、濾餅成餅性、濾餅含水率等多項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)使用的要求。

該工藝關(guān)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(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)輸送直接進(jìn)巖屑箱，作業(yè)過程中加藥，進(jìn)料及脫板出料操作均實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化，2人即可操作一套小型的一體化化學(xué)脫穩(wěn)壓濾設(shè)備，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。分離后的液相直接轉(zhuǎn)移調(diào)質(zhì)罐進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理即可直接復(fù)配泥漿，固相含液率低于60%，成餅狀。小型化壓濾設(shè)備占地面積22.4 m2，處理量130～150 m3/d。

水基廢漿脫穩(wěn)固液分離工藝在墾利某油田首次應(yīng)用即實(shí)現(xiàn)泥漿減量80%，處理后濾液各項(xiàng)指標(biāo)與海水相似，滿足重復(fù)配漿要求[8]。

2.4 完井液相處置技術(shù)

水平段采用EZFLOW無固相鉆開液、HTAFLOW完井液、返排液等“微固相”的液相，研究人員借鑒化工行業(yè)水處理技術(shù)，優(yōu)選形成了以多級(jí)氣浮膜過濾技術(shù)為核心的水處理集成撬，實(shí)現(xiàn)固液分離，油相和固相回收，處理后的水基廢液用于重復(fù)循環(huán)配制EZFLOW、HTAFLOW基液對(duì)水質(zhì)的要求，并不影響其性能。該技術(shù)能將渾濁的原水通過多級(jí)過濾，達(dá)到重復(fù)使用的指標(biāo)，單撬處理量可達(dá)到25 m3/h，能夠滿足EZFLOW鉆開液，HTAFLOW完井液和反排液的實(shí)時(shí)處理。

2.5 滿足快速鉆井鉆速的移動(dòng)式處置中心

針對(duì)平臺(tái)空間局限和渤海區(qū)域集中開發(fā)產(chǎn)生大量廢棄物的回收處置難題，國際首創(chuàng)海上移動(dòng)一體化廢棄物處理中心，集廢棄物儲(chǔ)存、運(yùn)輸、處理、回用于一體，實(shí)現(xiàn)海上原位批量處置并反輸平臺(tái)循環(huán)利用，鉆井液減量80%、鉆屑減量40%～60%，液體在海上100%循環(huán)利用。

3 一體化處理工藝在快速鉆井項(xiàng)目中的應(yīng)用

快速鉆井項(xiàng)目具有井?dāng)?shù)多、環(huán)保要求嚴(yán)格、作業(yè)節(jié)奏快等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)渤海油田上產(chǎn)4 000萬噸，采用雙鉆井平臺(tái)對(duì)打的模式進(jìn)行作業(yè)，2條鉆井平臺(tái)分別靠平臺(tái)兩側(cè)，船舶資源往往可以實(shí)現(xiàn)雙平臺(tái)共享，這種項(xiàng)目單日產(chǎn)生的廢棄物總量是常規(guī)項(xiàng)目的2倍。本文以新快速鉆井墾利某油田為例，進(jìn)行全回收一體化工藝介紹。

本項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)是有2條鉆井平臺(tái)同時(shí)作業(yè)，因此制定方案充分考慮資源共享，在鉆井平臺(tái)螺旋輸送器末端安裝遠(yuǎn)距離密閉傳輸泵[9]，通過127 mm(5″ )硬管+軟管結(jié)合的方式直接輸送至大型支持平臺(tái)或者EPS工作船，在支持平臺(tái)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(tái)吊機(jī)的情況下完成鉆屑的固液分離[10]。而鉆井平臺(tái)甲板配置一套小型一體化絮凝壓濾設(shè)備和分選篩，能夠保障在極端天氣條件下，拖輪無法靠平臺(tái)的情況下，滿足平臺(tái)不停鉆作業(yè)。

該模式下移動(dòng)式處置中心與小型化絮凝壓力一體機(jī)配合使用，期間遇到三次特殊情況，A6井海水鉆進(jìn)期間，巖屑輸送軟管堵塞；A14井二開鉆進(jìn)期間現(xiàn)場(chǎng)大風(fēng)天氣(陣風(fēng)九級(jí))；A7井二開井段鉆進(jìn)期間巖屑輸送泵液壓缸故障，更換巖屑輸送泵，均采取切換至小型化設(shè)備應(yīng)急預(yù)案，為影響現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)效。處理巖屑減量率50%，液相減量率70%。

4 結(jié)語

(1)小型化絮凝壓濾一體機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井船獨(dú)立作業(yè)，但是作業(yè)高峰僅能堅(jiān)持?jǐn)?shù)小時(shí)，因此可以作為下部井段及應(yīng)急情況下的補(bǔ)充；

(2)全封閉快裝井口能夠解決快速鉆井和全回收2個(gè)難點(diǎn)，確保100%鉆速釋放和“滴水不漏”；

(3)移動(dòng)式EPS工作船機(jī)動(dòng)性好，處理儲(chǔ)存能力強(qiáng)，但易受惡劣天氣影響時(shí)效；

(4)極端天氣影響移動(dòng)式處置中心靠泊，因此固定式處理站是解決鉆井平臺(tái)處理能力不足的有效手段，也是大型開發(fā)項(xiàng)目全回收作業(yè)的另一種有效手段。