泥浆不落地技术在DY-4井中的应用

陈根龙， 秦如雷， 陈晓君， 于彦江， 朱芝同

(1.中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000； 2.广州海洋地质调查局，广东 广州 510760)

0 引言

钻井施工中，泥浆起到稳定井壁、携屑排渣、润滑降温和平衡地层压力等作用。

近年来，随着钻井难度不断增加，钻井的工艺和技术也在不断进步，泥浆的成分也在变得越来越复杂，使得泥浆固液分离难度也在不断的增加。传统的固控系统能起到剥离有害固相的固液分离作用，这些固体废渣和钻井施工中产生的废泥浆要排放到地上开挖的废渣池中，稍有不慎(若遇强降雨)则可能对周围农田、环境造成严重污染。针对此种情况，2015年1月1日实施的《中华人民共和国环境保护法》对石油工程的施工环境治理提出了新要求：一些特殊地区，钻井过程中不可挖循环池，全井实现废弃泥浆及钻屑现场不落地，并要求处理后的固相可以就地堆放、填埋、或就地铺垫井场等，处理后的废水可达标排放标准。为响应环保要求，泥浆不落地系统必不可少，可保证去除泥浆有害固相、固相废弃物随钻治理及泥浆的回收。

DY-4井为中国地质科学院勘探技术研究所在黄河三角洲地区施工的一口试验井。试验初期，现场按照以往经验建好了一套开式循环系统，包括泥浆循环池与废渣池。试验一段时间后，为使泥浆循环流程达到环保要求，拟定了一套适合DY-4井的技术方案。改造后，DY-4井的泥浆不落地系统为一套闭式循环系统，满足环保要求。其改造思路与改造方案对其他泥浆不落地系统有一定的借鉴作用。

1 DY-4井基本情况

1.1 场地简介

DY-4井施工井场位于山东省东营市刁口乡附近。该地区属黄河三角洲冲积海积平原区滩涂，工勘报告显示，表层为第四系全新世松散沉积物，厚度300～500 m，地层岩性主要为粉土、粘土、粉砂等。设计水平井钻遇地层均为第四系覆盖层。

1.2 试验设备简介

钻机采用中国地质科学院勘探技术研究所研制的SDC-2500型水井钻机，名义钻井深度为2500 m。QF-1300型泥浆泵，额定功率956 kW。发电机组：玉柴300 kW、潍柴200 kW。Z25-160型固控设备1套，部分参数如表1所示。

表1 固控系统参数Table 1 Parameters of the solid control system

2 DY-4井初期采用的泥浆循环方案及特点

2.1 泥浆循环方案

由于地矿钻探领域设备较落后，单井施工预算较低，导致成本控制严格，加之行业规范对于钻井环保要求不多，较少涉及泥浆不落地的概念。本井施工时，采用了中国地质科学院勘探技术研究所自主研发的SDC2500型全液压车载钻机，该钻机井口下端面距离地面高度1.1 m，井口较低，专为水井等无需安装井控设备的工程设计。

该钻机井口返出泥浆通常走地面明挖的导流槽，流入地面开挖的11 m×3 m×1.5 m的沉淀池进行初级净化，之后通过举升泵泵入固控系统，固控系统分离出的固相排放至泥浆池，洁净的泥浆进入泥浆罐，之后通过泥浆泵泵入井内。该流程示意图见图1，沉淀池与泥浆池如图2所示。

图1初始泥浆循环方案
Fig.1Initial mud circulation scheme

图2 沉淀池与泥浆池Fig.2 Mud pit and settlement tank

2.2 方案特点

该方案特征主要为：(1)泥浆流动的导流槽和沉淀池均为在地上开挖；(2)明挖导流槽和沉淀池使用防渗布做环保隔离；(3)固控设备分离的固相直接排至地面；(4)在沉渣池内和地面产生的废液废渣清理困难。

该方案大大节约了泥浆循环流程的成本，应用效果也满足试验。但是该方案的弊端也很明显，由于导流槽和沉淀池均为地面开挖，泥浆排量突变时很容易溢出导致地面污染；防渗布使用寿命有限，随着时间的延长其隔离效果会变差，导致泥浆渗入土层。泥浆固控设备所分离出的固相物质的含水量约为50%，内部含有一定的化学制剂，还不足以达到直接排放的标准。由于泥浆及废渣集中在地上开挖的废渣池中，运输至处理厂的过程十分复杂。废液可使用商砼车外运，废渣土需使用挖掘机装进槽车外运。由于废渣有很强的流塑性，需要拌和20%干土才能胶结不外溢，造成废弃物处理方量较实际产生的废渣方量大幅增加，成本剧增。而且废渣装卸车时间长，处理效率低。

为了调整本泥浆循环方案使其符合环保要求和成本控制，对目前主流的泥浆不落地系统进行了深入调研。

3 主流泥浆不落地系统方案

泥浆不落地系统基本原理是：通过稀释-絮凝-分离3个步骤，将废弃泥浆变成岩屑、泥饼和水3部分，岩屑通过水洗、絮凝分离和化学反应处理，可作为铺路材料回收利用；泥浆中的有害物质成分和氯离子被析入水中后，再用真空吸附或压滤方式脱水制成泥饼[16]；将水中含有的大量有机无机杂质，通过预处理-反渗透膜处理达到排放标准。

泥浆不落地系统一般采用橇装可拆式泥浆罐替代废液、废渣池，按照钻井过程中液相及固相的落地点，采取相应的技术手段，做到点对点式的收集、储存，实现液相和固相的不落地，譬如离心机、振动筛配有专用的废渣罐来收集。对收集的废弃泥浆，依据其水基泥浆或油基泥浆的性质，分别以不同的办法来处理，或压滤或破胶甩干。实现泥浆、岩屑等的不落地处理，实现随钻收集、外运废弃泥浆的目的。

3.1 泥浆不落地系统一般处理流程

整套处理流程由3个单元组成，即泥浆净化单元、泥浆破胶单元与泥浆压滤单元。

3.1.1 泥浆净化单元

(1)泥浆净化单元是由泥浆罐、高压冲洗振动筛、高速离心机、搅拌器、螺旋输送器与输送泵组成。

(2)泥浆罐比现场使用的固控设备低，在原泥浆固控设备(振动筛、除砂器、离心机)排砂处下面安装2台螺旋输送器，即一台接振动筛的岩屑，另一台接除砂器、离心机的岩屑。

(3)高压冲洗振动筛筛框上带高压冲洗装置，利用多级泵把清水供给高压冲洗振动筛，振动筛工作中使岩屑中的液相与固相分离，排除无污染固相颗粒。接振动筛的螺旋输送器将分离出的固相输送至废渣罐。

(4)振动筛处理完的泥浆进入到泥浆罐，离心机供液泵把泥浆输送至高速离心机，高速离心机分离后的液相回注井口，固相送至造砖厂加固化剂制砖。

3.1.2 泥浆破胶单元

在泥浆中加入一定量的絮凝剂和破胶剂，利用搅拌器搅拌，达到破胶絮凝沉淀。

3.1.3 泥浆压滤单元

破胶后的泥浆进入泥浆压滤单元，经隔膜式压滤机处理后，得到含水量很低的泥饼和较为清澈的滤液。滤液经深层处理后，可达到环保排放标准。泥浆不落地系统一般处理流程见图3。

图3 泥浆不落地系统一般处理流程Fig.3 General treatment process chart of the mud non-landing system

3.2 泥浆不落地系统处理流程总结

其主要流程是先进行废弃物的收集，其次进行破胶或破乳处理，再次进行固液分离(压滤或甩干)，最后外运含水率很低的干燥固相。保证整个处理过程中，泥浆都在可控的储液罐、储渣罐中，不会泄露到地表或地下，避免污染环境。

4 DY-4井泥浆不落地改造方案

根据泥浆不落地系统的组成，分析现有设备改造的可行性。现有设备基本满足不落地系统需要的三级固控需求，但孔口返浆至固控区目前采用的导流槽和沉淀池不能满足不落地需求。

经初步分析，在现有钻机和预算条件下，要想实现泥浆不落地，增加压滤机、破胶单元等设备可能性较低。为最低成本的实现泥浆不落地，满足环保要求，需增加硬管、泥浆罐、螺旋输送器等低价值设备，增加设备清单见表2。新增的泥浆罐中，一个用作中继罐，一个用作沉渣搅拌罐。

表2 增加设备清单Table 2 List of additional equipment

改造方案如下：

(1)舍去废渣池，改用沉渣搅拌罐，产生的废渣随钻清理，不再大量存储。

(2)由于井位的变动，泥浆靠自流无法顺利进入泥浆池中，这样就舍去沉淀池的中转沉淀功能，改为只盛清水。

(3)井口旁沉入泥浆罐作为中继罐，泥浆可从井口流入中继罐，将其作为泥浆中转池。中继罐中装有渣浆泵，通过钢管将泥浆打入固控设备的振动筛中。

(4)增加2个螺旋输送器，用于盛接振动筛、离心机、除泥除砂器的废弃物(见图4)。

图4 螺旋输送机Fig.4 Screw conveyor

(5)螺旋输送器的排出口方向，沉入一个40 m3沉渣搅拌罐，用于临时存储废弃物(见图5)。

图5 搅拌罐Fig.5 Mixing tank

(6)储渣罐上装有3台搅拌电机，按照10∶1比例加入水，将固态废弃物搅拌成废渣溶液，密度约为1.6 g/cm3。按此比例，30 t废液中的废渣含量为27 t，添加水产生的环保处理费用增加量占比很小。

(7)由于搅拌叶轮的搅拌范围有限，不能完整覆盖整个储渣罐，会导致储渣罐的四角产生岩屑堆积。在储渣罐接收废弃物的对侧装一个22 kW的砂泵，一侧为泵的吸入口，排出口设在储渣罐的接收废弃物的开口侧，这样建立起一个局部微循环，保证废弃物一直具有流动性，不会沉淀。

改造后的泥浆不落地处理流程如图6所示。

图6 改造后的泥浆不落地处理流程Fig.6 Treatment process chart of the mud non-landing system

如此改造，现场不存在固态的废渣堆积，减少了环境污染风险，降低了使用挖掘机、槽车运输等费用，仅用杆泵将液态废弃物抽到商砼车中去，送往处理厂即可进行后续处理。

目前使用该方案，每日外运泥浆120 m3，耗时仅20 min，可保证试验顺利进行。由于舍去了泥浆池和沉淀池，整个泥浆循环、净化、回收过程未发生泥浆外渗，经济环保。

5 结语

本文通过对泥浆不落地系统的原理剖析与流程分解，总结了不落地系统的处理流程。依照不落地系统处理废弃物的思路，结合DY-4井现场实际情况，制定了一套泥浆不落地处理方案，并完成了方案的实施。经过实践证明，该方案可大量减少泥浆处理后期费用，适用于现有固控系统的改造。