非水基鉆井液污染鉆屑的處理
——提高環境和安全標準

編譯:曲曉紅 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

審校:嚴新新 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

非水基鉆井液污染鉆屑的處理
——提高環境和安全標準

編譯:曲曉紅 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

審校:嚴新新 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

多年來,海上鉆井作業期間所產生的鉆屑和其他油氣污染廢棄物一直都在陸上進行處理,一方面原因是海上處理法規的限制,另一方面是因為環境要求。不過,將大量油氣污染的鉆屑從海上裝置運送到陸地處理設備 (“起重箱及船運”)是為了更好地實現環境和安全的目的。在海上處理油氣污染的鉆屑并將回收的油水重新用于鉆井液的處理方法,可為“起重箱及船運”法所固有的問題提供唯一的解決辦法。這一技術的開發已進入實踐階段,于2001年開始進行現場試驗,得到了令人滿意的結果。2002年后期又在北海的英國海域進行了一系列海上試驗,解決了海上作業中鉆井廢棄物處理方面的復雜問題。回顧了迄今所完成的作業,提供了作業過程中各方面的現場資料,并就具體方案進行了環境及安全方面的效益分析。

非水基鉆井液 鉆井廢棄物海上處理 環境和安全

1 前言

環境對油氣勘探的影響在工業上日益突出。隨著鉆井工業的發展越來越深入廣泛并進入環境敏感地區,這些問題也日益突出。目前工業上所面臨的一個嚴峻問題就是如何有效地減少鉆井廢棄物排放所造成的危害。鉆井廢棄物包括輕微污染的含油廢液、嚴重污染的高固含油罐清洗污泥、離心機分離物及鉆屑。如果使用非水基鉆井液,那么高固相材料就會受到油氣污染。這些固相材料未處理就排放會污染環境并損失有價值的基礎油;如果回收,可重復用于鉆井液或其他方面。

在2000—2005年間,由于鉆探了許多具有理想井身結構的復雜井,非水基鉆井液的應用增加了2倍多,而傳統的水基鉆井液的應用則減少很多。隨著鉆機日成本的增加,日益需要優質鉆井液以提供更加穩定的抗溫、抗壓、抗復雜情況能力,同時縮短鉆時。以油為連續相的非水基鉆井液包括低毒礦物油,即低芳烴含量 (＜5%)的合成基鉆井液,通常為直鏈烷烴及含量不斷降低的柴油。不過,忽略基礎油類,目前廣泛應用的方法是在排放前處理非水基鉆井液污染的鉆屑,使之符合法規規定,更好地保護環境,同時回收有價值的成分,如基礎油。

由于上述原因,非水基鉆井液的應用增加,世界各地被非水基鉆井液污染的鉆屑也相應增加。例如,在U KCS,每年海上會產生多達80 000 t的非水基鉆井液鉆屑。這些鉆屑從振動篩上分離出時,一般都含有15%～20%(體積)的油。從80 000 t鉆屑中可回收的基礎油相當于5 962～7 950 m3低毒礦物油。U KCS所處理的含油鉆屑僅占世界各地鉆井作業中的很少部分,在世界各地可回收的基礎油數量極為可觀。

2 海上處理的驅動因素

這種處理方法的下述五個驅動因素在不同國家及地區有所不同,這取決于許多實際情況,包括鉆井數量、水深、海流等。在許多情況下,政府法規最重要,個別作業公司可能會制定自己的標準。無論驅動因素是什么,在不同地區的實施情況經常有很大差異。

2.1 政府法規

法規所規定的非水基鉆井液鉆屑的排放標準及所容許的油氣污染指標差異很大,從應用于哈薩克斯坦里海、尼日利亞及其他地區的最嚴格的“零排放”標準,直至所引入的OSPAR Decision 92中規定的U KCS所采用的低于1%(質量,干基)標準。還有其他不同規定,如GOM所規定的上限低于6.9%,以及東南亞許多地區所應用的低于10%。還可能更加復雜,無須對不同地區所容許的含油量數據進行相互比較,不同國家可能制定不同的法規,所允許使用的油類也可能不同。

2.2 作業公司的環境標準

作業公司已日益注重自行預先制定環境標準。在有些國家或地區,可能尚未制定有關非水基鉆井液污染固相排放控制方面的政府法規,因此作業公司自行制定可容許的油氣污染上限,以確保完全符合環境標準的最高要求。

2.3 成本

由于非水基鉆井液成本很高,全部或部分回收鉆井液具有經濟價值,否則這些鉆井液及其鉆屑會被排放。鉆屑中可能含有高達20%的基礎油,在許多情況下,回收和重復利用這些成分就可以獲得顯著的經濟效益。

2.4 安全

運送大量鉆屑可能存在一系列安全隱患,這取決于所選擇的處理方式,如果鉆井作業是在偏遠的陸地或海上進行,鉆屑在排放前就必須轉運到專業化處理工廠。這就需要使用鉆屑集裝箱 (專門制造的鋼制集裝箱,容積一般為4 t),由此還需要大量使用起重機,導致更多的不安全因素。例如,在U KCS產生的80 000 t鉆屑必須用這種集裝箱運送到岸上進行處理,至少需要20 000件次集裝箱。每個集裝箱需要運送到鉆臺,裝滿后再運送到岸上的處理工廠,可能需要多達15個起重機,每年共需要300 000臺次起重機。這么多臺次起重機經常性地處于狹窄的空間,會增加作業過程中的傷害風險。

2.5 后勤

將大量鉆屑運送到專業化處理工廠還會帶來一些后勤保障問題。尤其是冬季在海上進行鉆井作業時,天氣條件可能會給將鉆屑運送到岸上以及在鉆臺騰空鉆屑集裝箱帶來困難。在偏遠地區的岸上也會出現類似情況,如果路況不好,將鉆屑運送到專業化處理工廠可能會很困難。結果是無法將集裝箱運到或運出鉆臺,可能會暫時中斷鉆井作業。

3 處理方式的選擇

由于大規模排放鉆屑在許多國家都受到限制,而且這方面還沒有哪個作業公司處于領先地位,因此工業上有許多可行的排放/處理選擇。在陸地,可以進行加熱脫附、固化及生物處理。在海上,一直采用鉆屑回注方式。在法規限制較少的其他地區,一直使用各種“機械”分離法來滿足排放要求。廣泛用于GOM的干燥機就是一個例子。

如果海上作業產生的鉆屑在岸上處理,就必然要將大量非水基鉆井液污染的鉆屑從海上裝置 (起重箱及船只)運送到岸上的處理工廠。這種方法廣泛用于北海及其他地區,運輸費用相當可觀,還存在后勤及 HSE隱患。無論選擇哪種陸地處理方式,所帶來的費用及 HSE問題都很明顯,還要考慮處理后的固相粉塵排放方面的責任問題。

無疑,從海上裝置將大量逆乳化鉆井液污染的鉆屑運送到陸上的處理工廠并非理想的解決方案,會造成更為嚴重的環境問題。如果最高標準可以滿足最佳選擇要求的話,從前文所述因素考慮,首先應排除“起重箱及船運”方案,但需要找到一種海上處理鉆屑技術。

多年來,工業上一直在陸上應用各種直接或間接的熱脫附方法處理鉆屑。該方法應用熱能將鉆屑中的液相蒸發,回收后分離為油和水,從理論上來說該方法可用于海上處理鉆屑。不過裝置的體積、處理能力和安全問題會在很多方面限制其應用。根據錘磨機機理開發的一種間接熱脫附技術可以滿足非常苛刻的海上作業要求。熱脫附型錘磨機的中央傳動軸上有一連串錘臂,可在處理艙內高速旋轉,與鉆屑產生摩擦,而后達到使液態水和油閃蒸所需的溫度,產生的蒸汽首先通過油冷凝器以回收油,然后通過蒸汽冷凝器回收水。

不過,這項技術在投入現場試驗之前,先要滿足某些方面的要求。安全因素無疑最為重要,因此如何提供可用于脫附的熱能是一個關鍵因素。此外,需要著重強調的是海上作業時要保障設備的可靠性并有效地與鉆井作業相“銜接”,同時確保充分的處理能力,以便跟得上鉆屑返出速率。另一個重要因素是裝置的占地面積、質量、靈活性,當然還有費用問題。要滿足這些以及其他方面的要求有一定難度。

4 技術發展

在20世紀90年代中期,在北海的英國海域開始評價海上錘磨機技術,以處理非水基鉆井液鉆屑。這一發展階段的關鍵除了滿足或高于法規要求外,還包括裝置的組成模塊、減少質量和占地面積、滿足不同海域的要求、處理能力與鉆屑產生速率相匹配,對于大尺寸井眼也是如此。單個模塊的質量必須盡可能地輕,以適應起重機舉升的限制,底座的占地面積應盡量減少,以適用于大多數海上平臺。不同海域要求設計為可滿足2種海域要求。安全措施包括使用帶CO2清掃系統的封閉集裝箱、將處理裝置與鉆機緊急停車系統相連接,由計算機控制所有作業。需提高處理速率,以便跟得上正常鉆速下產生鉆屑的速率,不僅能滿足215.9 mm井眼要求,還應滿足311.2 mm和444.5 mm井眼的要求。

根據這種錘磨機技術建造的鉆屑處理設備專門設計用于海上作業,其連續作業程序由計算機系統控制。所產生的高溫 (一般為260℃)可使液相(水和油)閃蒸。然后將這些蒸發的液相冷凝并分別回收。處理過程中最重要的是熱量不能散發到大氣中去,而且回收的水和油應能重新循環進鉆井液中。在最初的陸上試驗中,對這些回收的基礎油進行分析發現,處理過程對于油或油在鉆井液中的性能只有很少影響或沒有影響。回收水中殘留的油氣含量一般小于20×10-6,懸浮固相含量在5～15 mg/L之間,處理后的惰性粉末中殘存的油氣含量低于0.1%。

5 現場試驗

為確保所有部件都能有效運轉,回收材料能夠滿足法規要求,一旦完成最初的改進,就必須進行現場試驗,以驗證其原理和處理程序。包括確認所回收的油可重新用于鉆井液體系中,處理后的水和固相的性能符合海上排放要求。在整個開發階段中,作業公司一直積極參與,這些試驗的所有階段海上裝置都正常運行。

◇第一套系統,能夠在2個海域作業,于2001年4月進行了海上安裝;

◇第一次海上試驗于2001年6月在 Glomar Arctic Ⅲ平臺 (現在是 GSF Arctic Ⅲ平臺)進行;

◇又進行了兩次現場試驗以驗證是否符合法規的要求,如Dti公司和不同環境組織再次對Skene油田進行了技術檢查;

◇完成第三次試驗后Dti公司將該裝置選作海上處理和排放鉆屑的候選方案;

◇2003年建成第一座 950 kW的鉆屑處理裝置。

6 海上作業

由于早期現場試驗順利完成而且該技術能夠滿足海上排放的法規要求,2003年對這種處理方法進行了徹底的商業化。從那時以來,共有8個作業公司在U KCS海上處理了超過30 000 t的鉆屑,包括高溫高壓井、444.5 mm井眼段及二者兼具的井。在這些鉆速較高且井眼較大的井段,短時間內所產生的鉆屑超過了裝置的處理能力,為此配備了儲存罐以起到一定的緩沖作用。因此,在連續處理24 h鉆井作業中所產生的鉆屑時可以部分“脫機”。從處理過程中所回收的油一般重新用于非水基鉆井液,排放到海里的粉末中油氣含量一般低于0.1%(法規的上限是1%),符合法規要求。在大多數情況下,回收的水也排放到海里以潤濕處理過的粉末,避免海上排放過程中產生粉塵。

迄今已在海上處理了30 000 t鉆屑,節省了112 500臺次起重機,少用7 500個集裝箱。此外,無須再對約18 000 t回收的粉末進行填埋處理,因為都可以排放到海里。處理過程中所回收的油可以重復利用,總計多達2 862 m3。

7 實例

2006年7月,2臺錘磨機型熱脫附裝置首次運送到U KCS的一個半潛式平臺,必要的輸送設備也準備就緒,用非水基鉆井液鉆一批井。950 kW的機器安裝在船尾甲板的右舷。裝置由4個模塊組成,占地面積64 m2,甲板載荷1.5 t/m2。共鉆了8口井,在海上處理了9 000 t鉆屑,節省需動用的鉆屑儲存罐2 250個,并節省多達33 750臺次的起重機,減少了風險并提高了安全性。回收的所有基礎油都重新用于鉆井液體系,處理后的固相粉末中油氣含量低于0.1%(質量),可利用現有的鉆屑排放管線排放到海中。由于處理后的固相粉末直接從船上排放,不需要在陸地上建填埋場處理,減少了對環境的影響。

2007年5月,第二套海上熱脫附裝置運送到U KCS同一個作業公司的另一個半潛式平臺上。從那時以來,共鉆了3口井,在海上處理了6 000 t鉆屑,與另一個鉆井平臺的熱處理程序非常相似,節省了1 500個鉆屑儲存罐和22 500臺次起重機。同樣,所有回收的基礎油都重復利用,處理后的固相粉末排放到海中。

隨著2套熱處理裝置在2個鉆井平臺上的作業,迄今已在海上處理了15 000 t鉆屑,節省2 750個鉆屑儲存罐和56 250臺次起重機。所有這些都有助于作業環境的安全,累計超過46 000工時。出于環境考慮,因為所有固相都得到處理,處理后的固相中油氣含量降低至＜0.1%,處理后的所有固相都可以直接排放而非運到陸地填埋。如果鉆屑在陸上處理就只能進行填埋。

8 結論

已證實在海上處理鉆屑是一種可行的選擇,該方法可以提高安全性,減少對環境的影響,同時簡化后勤工作。錘磨機型熱脫附裝置能夠有效地降低鉆屑中的油含量,除最嚴格的“零排放”法規外,可滿足所有法規要求。

處理過程的溫度在240～260℃之間,回收的基礎油性能不受處理工藝的影響,可以重復用于鉆井液體系。平均處理能力為6 t/h,足以滿足大多數鉆井作業要求;特別是,如果配備了緩沖罐,還可使處理過程“脫機”運行,同時調節大井眼鉆井所產生的過多鉆屑。裝置的占地面積較小,為64 m2,因此可用于大多數移動式海上平臺,處理過程是在船上完成的。無須“起重箱或船運”即可海上處理鉆屑,這種方法只需要一套熱處理裝置,因此其處理能力得到充分優化。

隨著非水基鉆井液的應用日益增多,世界各地的環境法規會更加嚴格,海上熱脫附裝置處理鉆屑技術將在工業上發揮更大的作用。

資料來源于美國《IADC/SPE 112727》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.6.017

2009-04-13)