渤海油田钻井废弃物源头减量及资源化利用研究

方健

中海油天津化工研究设计院有限公司

渤海油田所产原油主要为重质油，在钻井过程中，会产生大量的钻井废弃物，主要包括废弃钻井岩屑和废弃钻井液。由于渤海海域大部分油田采取“零排放”模式，当前都是将钻井废弃物通过运输船运送回到陆地，再经由有相关资质的危险废物处理厂家进行最终处置。

海洋油田作业环境和条件较为特殊，运输船不仅要负责在港口和油田间负责各类物资、工具、设备和废弃物的运输，还担负油田各平台间的穿梭和值班任务。不断增长的钻井废弃物严重增加了运输船的负担，影响钻井和生产物资、工具、设备运输，且会增加成本。因为钻井废弃物的仓储、运输及处理均会发生高昂的费用，降低了海上油田开发的经济性，提高了海上低品质油藏经济开发的门限。所以，在海洋油田钻井船或钻采平台开展源头减量和资源化研究工作显得尤为重要和迫切。

1 渤海油田钻井流程简介

渤海油田的作业区域主要是浅水区，水深约为10～30 m。目前,在渤海海域通过钻井船和钻采一体化平台，钻井和钻井液固体控制流程基本一致。钻井作业主要包括水平井钻井作业、定向井钻井作业和调整井钻井作业，钻井液体系主要有PEC、PEM和EZFLOW等。

依据地层的地质情况及井下的温度和压力，每个井段设计选择的钻井液体系必须满足以下要求[1-4]：减少对油层及环境的污染、抑制泥岩的水化膨胀、防止井壁的坍塌、防止卡钻、提高钻速、具有良好的润滑性以利于减少扭矩和摩阻。在钻井过程中，钻井液是通过钻杆不断循环使用的，但是在钻井液返回地面后需要通过固体控制系统除去携带上来的碎岩屑后再返回地层继续作业。渤海油田钻井流程中固体控制流程基本上都是三级处理系统，即：振动筛、除砂除泥器和离心机。三级处理系统分离出来的废弃钻井岩屑装入岩屑箱通过工作船运回陆地做最终的资源化处理。而循环使用的钻井液在废弃之后也同样装入泥浆罐或船舱运回陆地做最终处置。图1所示是某钻井船上的钻井液固体控制流程图。

2 废弃钻井岩屑源头减量试验研究

钻井过程中的大部分岩屑是从振动筛上分离出来的，由于钻井液体系中的聚合物成分增大了其黏度，会达到40～50 mPa·s，这就使得振动筛的筛分效率大为降低，经过振动筛的筛上物的含液率在80%以上，有时会糊筛和跑浆，导致废弃钻井岩屑的含液率进一步上升。这样会导致废弃钻井岩屑的运输成本和处理成本处于较高的水平，为了进一步干化废弃钻井岩屑，国内普遍采用甩干机[5]。离心甩干法设备占地面积大、功耗高、使用过程中筛网易堵死而使得分离效率大大下降，设备维护保养复杂，在海洋平台上的应用中存在较多的困难。

2.1 试验流程

本研究提出了采用负压微振过滤分离法对钻井液废弃物进行减量化处理的思路，开发出一种使用方便、占地面积小，适合海洋平台的钻井废弃物处理装置[6-8]。该系统对模拟的海洋油田固控系统中第一级的振动筛筛上物进行进一步的固液分离，减量后的废弃钻井岩屑运回陆地处理，分离出的废弃钻井液循环回用，在随钻减少废弃钻井岩屑体积的同时减少了循环泥浆的损失量。设计了一套“钻井废弃物源头减量化试验平台”，试验处理量为5 m3/h。试验平台由4个模块组成：钻井液配制模块、钻井液和岩屑混合模块、固液分离模块和岩屑回收模块。具体流程见图2。

2.2 试验设备与方法

试验采用的负压微振过滤设备是一个撬装集成化设备，可直接应用于海洋油田的钻井平台和钻井船上。负压微振过滤设备是一种完全封闭式系统，采用真空原理和输送带，同时具备真空过滤及振动筛的处理功能，使用真空泵在过滤带下的腔体中产生负压状态，从而增加过滤效果，微振器使得过滤带处于微振状态，这样可以防止废弃钻井液中的岩屑和黏土被负压抽吸而堵塞过滤网孔。过滤带类似于“坦克履带”循环转动，在固相出口的位置有“气刀”吹扫滤带上的固体颗粒，达到清洁滤带的功能。该设备可连续运转，处理量高，提高了过滤效率，有效减少了滤后液体中的小比重固相成分，有助于提升钻井效率，避免卡钻、污染地层等意外情况的发生。

负压微振过滤设备的外形尺寸为2 778 mm×1 930 mm×1 228 mm，质量为1 150 kg，设备采用气动力，气源0.6 MPa压力，耗气量5 m3/min。真空泵是形成负压的关键设备，压力为负0.6 MPa(相对大气压)。检测仪器包括：泥浆密度计、pH计、马氏漏斗、ZNN-D6型黏度计、泥浆固相测定仪。

废弃钻井岩屑的含液率采用固相测定仪测出蒸发质量差后换算成体积比。

2.3 试验结果和讨论

2.3.1入口含液率对固液分离效果的影响

利用钻井液和岩屑混合罐进行钻井液和岩屑的比例调配，本组试验的入口岩屑含液率范围为80%～110%(模拟渤海油田振动筛筛上物状态)，滤布目数选择API120，滤布运行速率为35%。图3显示，岩屑入口含液率保持在100%以上时，出口含液率变化不大，在21%～22%之间，但是在岩屑入口含液率下降至90%和80%后，出口含液率也随之升高，最高到33%左右。岩屑的入口含液率低，其流动性差，在滤布上流动性和分布性均不如入口含液率高的岩屑，影响了固液分离的效果。特别是当岩屑黏度过高而无法铺满整个滤布时，真空系统无法起到作用。

2.3.2不同转速的固液分离效果

滤布在设备上是依靠转轴循环作业，滤布循环1周最短时间为10 s，转速决定处理量和停留时间。本次试验采用25%、35%、40%、50%和65%共5种转速(100%转速为60 r/min)，入口含液率为105%，滤布目数API120条件下开展试验。

图4的试验结果表明，在40%转速以下时，出口的岩屑含液率基本稳定在21%～22%之间，脱水效果较好，当增大到50%转速以上时，出口岩屑的含液率增加较快，最高达到31.09%。转速越快，停留时间越短，脱水效率越差。

2.3.3不同滤布目数下的固液分离效果

试验选择API120、API140、API160、API170、API200 共5种不同目数的滤布，转速固定在35%，入口的岩屑含液率控制在105%。

图5的试验结果表明，滤布的目数在API160以下时，出口的岩屑含液率基本稳定在21%～23%之间，当目数增加到API160以上时，出口岩屑的含液率增加较快，最高达到36.17%。越低目数的滤布过滤后的固相含液率越低。这是由于随着滤布目数的增大而滤布粒径减小，对于聚合体系来讲，由于其与部分极小颗粒(泥土和小粒度砂砾)的结合团块结合性太强，不容易实现较为理想的固液分离，而这些团块由于流动性较强，在经历较小的筛布目数时通过了筛布而流到了滤清液当中，剩下的较大颗粒的钻屑则很容易实现固液分离。

2.3.4分离前后废弃钻井液性能变化分析

取分离后的废弃钻井液，对其各项性能进行检测，结果见表1。

表1 分离前后的废弃钻井液性能对比性能指标分离前1分离后1分离前2分离后2平均变化率/%密度/(g·cm-3)1.301.261.301.224.61塑性黏度/(mPa·s)4337454012.53表观黏度/(mPa·s)4741494411.49动切力/Pa3.52.83.53.017.15pH值9.909.899.909.891.10

从表1可以看出，钻井废弃物在经过负压微振过滤系统分离后性能有一定的变化，其中密度、塑性黏度、表观黏度变化率均不超过15%，pH值基本无变化，动切力变化在14%～20%之间。原因可能是在分离过程中,部分膨润土留在了滤布的岩屑中。在海洋钻井平台随钻过程中，回用的废弃钻井液须重新测定性能,并补充一部分钻井液添加剂。

3 废弃钻井液资源化研究

实现岩屑脱液减量及钻井液的循环使用是为了减少海洋运输成本，另一方面还需要将废弃钻井液中的液相进行除油脱水处理，处理后的净化水作为回用配浆的基液，以实现海洋油田钻完井废弃物的彻底资源化利用。海洋油田钻井中产生的废弃钻井液是一种复杂的多项稳态胶体固液混合悬浮体系。废弃钻井液中主要有害成分是各类的化学添加剂、油类、重金属等[9-17]。一般情况下其成分见表2。

表2 废弃钻井液性能项目数值密度/(g·cm-1)1.2～1.4pH值7.5～8.5COD值/(mg·L-1)10 000BOD值/(mg·L-1)2 000～3 000色度>3 000表观黏度/(mPa·s)45.5矿化度/(mg·L-1)30 000ρ(Cl-) /(mg·L-1)18 000～20 000w(油)/%1～2w(固体)/%20～30

3.1 实验流程

该系统首先利用化学方法使废弃水基钻井液中胶体破胶絮凝，实现水与钻井液中的固相分离。然后进入脱水离心机，强行将破胶后的废弃水基钻井液分离为固相和液相。分离的液相经过气浮除去少量油组分，然后通过膜过滤深度处理，处理后直接循环用于钻井施工(清洗设备、配制钻井液)。实验流程见图6。

3.2 实验设备与方法

废弃钻井液资源化工艺以负压微振过滤设备产生的液相为原材料，进行室内模拟实验，采用的离心机为TG16.5台式高速离心机，臭氧气浮和陶瓷膜均为自制小型实验设备。

废弃钻井液的含油值采用正己烷萃取后红外分光光度法测量，COD值采用重铬酸钾氧化法测定。

3.3 实验结果和讨论

3.3.1破胶单元

来自负压微振设备的废弃钻井液，其中的固相(细小的岩屑、膨润土和各类化学添加剂)均匀地分散在液相(水)中，形成带负电为分散相的稳定胶体溶液。对于废弃钻井液的净化，首先要开展破胶脱稳。本实验采用化学法破胶，针对海洋油田废弃钻井液的特点，选择两种破胶剂FeCl3和PAC，加入废弃钻井液中，分别开展浓度梯度实验。搅拌12 min，再静置沉降20 min，将各样品放入离心机，在3 000 r/min转速下离心处理。分离出的液相除以总体积即为破胶率。实验结果表明，破胶剂在1% (体积分数)以上，才有较高的破胶率(破胶率高于80%)。PAC的破胶率略高于FeCl3。

3.3.2气浮分离单元

破胶-离心分离后，固渣的含液率在80%～90%之间，离心后的固渣随危废收集箱回到陆地，由有危废经营资质的厂区处理处置。液相的含油率为300～600 mg/L，进入气浮单元做进一步的净化。采用臭氧气浮工艺，加注浮选剂THY-09，臭氧微气泡曝气装置可以在气浮除油的同时，降低水中的COD。浮选剂THY-09注入质量浓度为100 mg/L，不同臭氧流量下的处理效果见图8。实验结果表明，臭氧流量越大，COD的去除率越高，但是除油率在4 L/min时有一个最高值83%，臭氧流量进一步加大后，除油率反而会降低，这是因为气泡密度太大会影响油滴的上浮和聚结。

3.3.3陶瓷膜深度分离单元

无机陶瓷膜具有分离效率高、化学性质稳定、耐酸碱、机械强度高、使用寿命长等优点[18]，非常适用于废弃钻井液的深度处理，保证回用配浆净水的水质。为了延长陶瓷膜的使用寿命，将其放在废弃钻井液净化处理的最后一个单元。

臭氧气浮单元出口的净水含油值在50 mg/L以下，进入陶瓷膜分离单元做终端处理，实验条件下的水温为30 ℃、40 ℃和50 ℃，操作压力为0.2 MPa，陶瓷膜产水率为70%～80%，浓液返回破胶单元重新处理。50 ℃时出口水相含油值最低，为1.8～2.8 mg/L，浊度小于1NTU，均符合配制钻井液基液的要求，实现了钻井废弃泥浆的资源化处理。

4 结论

针对渤海油田产生的大量钻完井废弃物，通过废弃钻井岩屑的负压微振过滤处理及废弃钻井液的净化回用配浆，实现最终的源头减量和资源化利用。

(1) 建立钻井废弃物试验平台，并开展负压微振撬装化集成设备的源头减量测试：入口的岩屑含液率在100%以上，在40%转速以内，滤布目数在API160以内时有很好的脱水效果，出口的岩屑含液率为21%～22%。废弃钻井岩屑大幅减量，回用的废弃钻井液性能变化不超过20%，可补充一部分添加剂以维持钻井液的性能指标。

(2) 进一步对废弃钻井液进行资源化实验，采用破胶-离心分离-臭氧气浮分离-陶瓷膜分离流程，破胶单元选用1%的PAC作为破胶剂，破胶率可达到80%以上。在浮选剂质量浓度为100 mg/L，臭氧流量为4 L/min时，除油率最高，出口的含油值可控制在50 mg/L以内。50 ℃，操作压力在0.2 MPa下，出水含油值为1.8～2.8 mg/L，浊度小于1NTU，可用于配制新的钻井液。钻井废弃物源头减量及资源化利用研究实现海上油田钻井废弃物的“零排放”和资源化。

(3) 钻井废弃物负压微振过滤设备的性能试验表明，今后可进一步用于海洋钻井平台固体控制系统的第一级设备，使得固液分离在固体控制系统中就达到试验中的分离效果，从而进一步节省海洋平台空间和设备。