一种快速钻井废弃物全回收技术探讨

方传峰，张启龙，岳明，林家昱，刘询

(1.中海油田服务股份有限公司，天津 300459；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

渤海油田近些年勘探开发向着近海、养殖区、生态保护区靠近，为减少钻完井过程中产生的废弃钻屑和泥浆等物质对环境的影响[1]，在该类区域钻完井时，往往进行限制性排放作业[2]。渤海第一个全回收开发项目秦皇岛33-1南油田启动开始，渤海围绕控制产生量、攻关现场处置工艺，逐步突破了多项技术瓶颈，建立了开发大型整装油田过程中废弃物全回收的能力，而面对快速钻井机械钻速大幅提高，作业工序衔接更加紧密，废弃物瞬时产生量较以往常规开发项目提高50%以上，对源头及过程减量技术提出了更高的要求，所以从井身结构优化、泥浆重复利用、全封闭井口、钻屑远距离密闭传输、平台处置与移动式处置中心结合等多方面，进行了系统的设计，形成了一套满足新快速钻井作业速率的全封闭零排放钻完井技术体系[3]。

1 源头减量关键技术

1.1 优化“瘦身井”在批钻中的应用

传统的废弃物处置工艺能够满足常规井眼的常规机械钻速，面对“跑起来”的作业效率，亟需通过降低废弃物源头产生量，根据渤海油田技术现场情况和该油田位于生态红区边缘全过程零排放的要求，综合考虑产能、完井及后期增产要求，优选推广12-1/4″-9-1/2″井身结构，井深＜3 200 m且水垂比＜2.5的井采用瘦身井设计，16口瘦身井可减排3 858 t岩屑，少配置钻完井液1 500 m³以上，可节约成本1 500万元，因此快速钻井浅层常规井通过瘦身井可提速减排，对水垂比较大的大位移井，考虑作业难度及钻速，减少进行瘦身井设计。

1.2 钻井液重复利用工艺与装备

针对上部地层软泥岩水化分散能力极强，需频繁置换维持钻井液性能，过筛性差、泥浆体系多等一系列问题，为实现钻井液最大限度重复使用，研究出了无土相钻井液体系。该体系采用无机盐降低钻井液水活度，选用优质抑制剂及新型包被剂，抑制泥岩水化分散，钝化黏土，单平台钻井液全部回收用于下口井。其中聚胺在溶液中逐步解离形成铵离子，由于粘土表面水化呈现负电性，促进铵离子优先吸附到粘土层表面，抑制表面水化。可重复利用钻井液具有低污染、低固相、长期稳定性，可实现重复利用等特点[5]。

经现场试验，为维持钻井液重复利用率，优良的固控系统能够有效控制有害固相含量，因此渤海通过三年环保升级行动将老旧振动筛替换，以实现振动筛100%能力输出，并在采用可重复利用钻井液的平台新增离心机，保障离心机梳理3～4台，能够使钻井液利用率达到3～4口井。该体系回用率30%以上，已成功应用于新近系地层的不同区块、不同井型，可循环利用率高。

2 过程减量系列化工艺

2.1 表层密闭快装井口

密闭快装井口主要特点：

(1)分体式快速安装；

(2)安装速度快；

(3)安装精度高；

(4)可重复使用，只需更换密封件；

(5)安装后可快速试压；

(6)密封效果好，不易发生泄漏。

2.2 钻屑远距离高效密闭传输配套技术

秦皇岛某油田全回收项目作业过程吊装频繁，大大降低了吊机使用频率和安全风险，且在作业高峰需有1台吊机专门吊装岩屑箱，严重制约作业效率。而传统的螺旋输送形式只能近似平面短距离传输，无法将钻屑由固控系统传输至移动式处置中心进行处置，为解决岩屑传输面临的难题，通过调研国内外岩屑传输技术，水基钻屑远距离密闭传输尚无成熟经验借鉴。

因此开发出了以柱塞传输为主，通过现场应用传输管线建模，按照两相流模拟能耗损失，得出管线走向突变和较大变径压耗较高，橡胶管线压力损失较大的结论，不考虑固相颗粒和热传递，密度1 600 kg/m3，黏度50 mPa·s，考虑重力影响的情况下，压力损耗主要在运输管线前部弯曲段，减少管线走向突变可降低此段压耗；管线缩颈处没有明显增加压耗，在一定泵送压力下，管线缩颈处存在流速增加的情况；橡胶软管线相比钢制管线的压力损失大，约3～4倍。

经在新快速钻井完全释放机械钻速的情况下，批钻表层单日最高传输钻屑646 t，可满足表层16″井眼ROP ≥200 m 及扩眼至26″的作业。

2.3 分选筛与小型化絮凝压滤一体机平台处置模式

固控系统出来的岩屑根据成分不同主要呈颗粒状、糊状、团状和砂状，含液率不同，因钻井作业为提高携岩效率，往往采用大排量钻进，部分井段会出现固控系统处理后含液率极高，这些不稳定的高含液岩屑无法直接进行絮凝压滤。针对钻屑含液率高的问题，通过对比压榨、负压振动筛等二级减量工艺，发现单台套压榨及负压振动筛的处理速率无法满足随钻高峰20 m³/h的钻屑量，因此根据振动筛的基本原理，改进结构形式，采用低目数结构形式，研究出了分选筛工艺[6]。

分选筛主要定位是作为二级减量中间处理设备，通过反复试验，确定了采用20目筛布能够保证5台振动筛的岩屑经分选后呈团状，含液率较低，能够实现采用吨袋装运。对较大颗粒的岩屑进行初选，分选筛的最大处理能力60 m3/h。

钻进过程中，会产生大量废弃钻井液，废弃钻井液主要来源：

(1)固控系统和岩屑会携带大量钻井液，通过分选筛将液相分离出后，液相中有害固相含量增加，这部分液相无法用于重复利用；

(2)受泥浆性能影响，很难大量重复利用，需要随时置换旧海水膨润土浆，废弃的海水膨润土浆总量非常大，单井在200～500 m³；

(3)可重复利用钻井液体系能够使用3～4口井，之后需要置换50%以上；

(4)作业过程中疏通管线，冲洗设备会产生大量废弃液相。

针对这些液相，通过研究人员进行了大量的分析，最终确立了板框式压滤机与絮凝混合罐集成的絮凝压滤一体化方案。

絮凝剂选取以配制方便、分离效果易于观察、絮凝剂本身易于清除、不破坏滤液原本性能为原则，针对不同地层所使用泥浆体系选择不同的絮凝剂。海水膨润土浆体系，使用PAM即可实现高效的固液分离。聚合物体系，选择高价离子的无机絮凝剂，对絮凝后参与的离子，采用加入化学药剂的化学方法清除[7]。

板框式压滤机原理主要是通过挤压滤布实现固液分离，研究人员保留了隔膜板框压滤机主体结构，对进料方式、压榨压力、滤布型号、絮凝剂与助滤剂的优选方面开展了大量实验，确定了压滤机的主要参数。通过对海上常用的海水膨润土浆、改进型PEC、PEM、BIODRILL A、EZ-FLOW等不同泥浆体系进行试验，验证过滤速度、滤液澄清度、滤饼成饼性、滤饼含水率等多项指标均达到了现场使用的要求。

该工艺关键是把板框式压滤与絮凝单元集成化，升高后的板框式压滤机能够实现自动输送直接进岩屑箱，作业过程中加药，进料及脱板出料操作均实现半自动化，2人即可操作一套小型的一体化化学脱稳压滤设备，降低劳动强度。分离后的液相直接转移调质罐进行调质处理即可直接复配泥浆，固相含液率低于60%，成饼状。小型化压滤设备占地面积22.4 m2，处理量130～150 m³/d。

水基废浆脱稳固液分离工艺在垦利某油田首次应用即实现泥浆减量80%，处理后滤液各项指标与海水相似，满足重复配浆要求[8]。

2.4 完井液相处置技术

水平段采用EZFLOW无固相钻开液、HTAFLOW完井液、返排液等“微固相”的液相，研究人员借鉴化工行业水处理技术，优选形成了以多级气浮膜过滤技术为核心的水处理集成撬，实现固液分离，油相和固相回收，处理后的水基废液用于重复循环配制EZFLOW、HTAFLOW基液对水质的要求，并不影响其性能。该技术能将浑浊的原水通过多级过滤，达到重复使用的指标，单撬处理量可达到25 m3/h，能够满足EZFLOW钻开液，HTAFLOW完井液和反排液的实时处理。

2.5 满足快速钻井钻速的移动式处置中心

针对平台空间局限和渤海区域集中开发产生大量废弃物的回收处置难题，国际首创海上移动一体化废弃物处理中心，集废弃物储存、运输、处理、回用于一体，实现海上原位批量处置并反输平台循环利用，钻井液减量80%、钻屑减量40%～60%，液体在海上100%循环利用。

3 一体化处理工艺在快速钻井项目中的应用

快速钻井项目具有井数多、环保要求严格、作业节奏快等特点。为实现渤海油田上产4 000万吨，采用双钻井平台对打的模式进行作业，2条钻井平台分别靠平台两侧，船舶资源往往可以实现双平台共享，这种项目单日产生的废弃物总量是常规项目的2倍。本文以新快速钻井垦利某油田为例，进行全回收一体化工艺介绍。

本项目的优势是有2条钻井平台同时作业，因此制定方案充分考虑资源共享，在钻井平台螺旋输送器末端安装远距离密闭传输泵[9]，通过127 mm(5″ )硬管+软管结合的方式直接输送至大型支持平台或者EPS工作船，在支持平台或EPS工作船上配置分选筛、大型絮凝压滤单元、水处理装置及航吊，能够不依托平台吊机的情况下完成钻屑的固液分离[10]。而钻井平台甲板配置一套小型一体化絮凝压滤设备和分选筛，能够保障在极端天气条件下，拖轮无法靠平台的情况下，满足平台不停钻作业。

该模式下移动式处置中心与小型化絮凝压力一体机配合使用，期间遇到三次特殊情况，A6井海水钻进期间，岩屑输送软管堵塞；A14井二开钻进期间现场大风天气(阵风九级)；A7井二开井段钻进期间岩屑输送泵液压缸故障，更换岩屑输送泵，均采取切换至小型化设备应急预案，为影响现场作业时效。处理岩屑减量率50%，液相减量率70%。

4 结语

(1)小型化絮凝压滤一体机能够实现钻井船独立作业，但是作业高峰仅能坚持数小时，因此可以作为下部井段及应急情况下的补充；

(2)全封闭快装井口能够解决快速钻井和全回收2个难点，确保100%钻速释放和“滴水不漏”；

(3)移动式EPS工作船机动性好，处理储存能力强，但易受恶劣天气影响时效；

(4)极端天气影响移动式处置中心靠泊，因此固定式处理站是解决钻井平台处理能力不足的有效手段，也是大型开发项目全回收作业的另一种有效手段。