基于霍爾三維結構的修井作業井場環保技術

劉 博 章 敬 李慧敏 曹 元 安 靜 賈 悅

(1.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院；2.中國石油新疆油田分公司安全監督中心；3.中國石油新疆油田分公司工程技術公司)

0 引 言

修井作業已成為油田穩產復產的重要手段之一，但在修井作業過程中，不可避免地會產生固體和液體廢物，例如：含油污泥、油蠟、地面清洗廢液、洗井廢液、沾油廢物等，對環境造成不同程度的污染，且易造成二次環境污染，處理處置危險廢物給作業單位帶來新的問題。

現階段，作業隊伍普遍采用“末端治理”方式來防止環境污染[1]，即現場鋪設防滲布。為進一步改善修井作業面臨的環保現狀，選用具有防滲、防水、防油特點的新型防滲布，結實耐用，可重復使用4～12次，同時改進了防滲布的鋪設方式，如：在準備作業中，管橋下部鋪設防滲布，在其周邊用油管卷起建立圍堰；在地面清洗作業中，用防滲布搭建清蠟環保墻等。實施此項環保措施降低了二次環境污染的幾率，減少了部分危險廢物的產生，但卻增加了人工勞動強度，冬季鋪設、清理尤為困難，未能實現污染物的源頭減量化控制，危險廢物產生和二次環境污染的問題仍未解決。

為此，積極探索綠色環保修井作業技術，走產業升級和新工業化之路，對油田的綠色可持續發展具有十分重要的意義。

1 霍爾三維結構的建立

霍爾三維結構又稱硬系統方法論(Hard System Methodology)，它是將系統工程建立在一個三維坐標系空間結構上[2]，三維結構由時間維、邏輯維和知識維組成，運用系統工程知識使空間上各項活動相互影響、緊密相關，組成了一個有機的整體[3]。系統工程的每一項具體工作，在這個三維空間中都對應一個區域[4]。

在工程領域內，石油工程與環境工程均為大型復雜的系統工程，兩者存在少部分內容交叉，基本屬于相互獨立的系統工程。為解決修井作業中存在的環境污染，采用霍爾三維結構的系統工程方法論，深度融合石油工程中修井工藝與環境工程中的環境風險。

從系統觀點出發，將單次修井作業視為一個全生命周期，可將其時間維劃分為12個工序階段，包括作業準備、洗井、提油管、地面清洗、完工收尾等[5]；結合油田作業現狀，分類梳理修井技術措施，其邏輯維可細分為12項，包括檢泵、補層、復抽、上返補層、分注、打撈等；在作業階段，環境污染風險主要受作業內部和外部環境因素綜合影響，具有區域局限性，知識維可分為井口和井場兩個環境風險區域。經演繹轉換霍爾三維結構模型，將若干修井工藝和環境風險的單元模塊對應至時間維、邏輯維和知識維構建的三維空間內，建立了188個模塊的修井工藝與環境風險系統模型，見圖1。

圖1 修井工藝與環境風險系統模型

2 主要因素分析

通過運用系統工程方法，精準定位修井作業全過程中的各環境污染環節，確定出井場區域的兩個環境污染環節為地面清洗和完工收尾，見圖2；井口區域的5個環境污染環節包括拆井口安裝井控裝置、提結構、通井、射孔和下結構，見圖3。

圖2 井場區域環境污染環節

圖3 井口區域環境污染環節

在上述7個工序環節中，不可避免地會出現原油、油蠟、油砂等落地的現象，最終形成含油污泥。含油污泥已被列入《國家危險廢物名錄》(2016)，具有毒性和易燃性的特征。

經上述各環節的分析，發現模型中地面清洗和完工收尾兩個工序環節在井場環境污染區域(除分注措施以外)呈現線性化分布；拆井口安裝井控裝置、提結構和下結構3個工序在井口環境污染區域呈現線性化分布，其余兩個工序環節未發現有明顯規律。

由于修井作業產生的含油污泥在收集、轉移、處理等階段需要耗費大量人力、物力、財力，結合現場實際，統計出各修井工序環節產生含油污泥的權重，見表1。

表1 含油污泥權重

由表1可知，井場區域內含油污泥產生量的權重高達63%，環境污染風險主要是地面清洗和完工收尾所產生，其含油污泥產生量的權重分別為36%，27%；井口區域內產生含油污泥的修井工序雖多，但含油污泥產生量的權重相對較小，僅為37%。因此，井場環境的污染防治尤為重要。

3 修井作業井場環保技術的研發

針對井場區域含油污泥產生量大的兩個作業工序環節，即地面清洗和完工收尾，公司自主研制了井場管桿盒，用于井場環境保護及污染防治。

井場管桿盒設計了橫擔、集成積液盒、放油閥、擋板等裝置設備，主要由油管盒和抽油桿盒兩部分組成，分別擺放油管和抽油桿等井下管柱。該工藝具備3方面特點：①工藝結構設計緊湊，占地面積小，僅為傳統修井作業管柱擺放面積的40%；②適用范圍比較廣，可滿足井深小于3 000 m生產井的作業要求，管柱擺放采用逐層累加的方式，井場管桿盒的上部最高可累計擺放8層管柱；③具有較強的儲液能力，可容納油水混合物近10 m3，并且安裝、拆卸簡單，易于操作。

該工藝除了具備正常修井作業管橋的性能外，還擁有收集、回收和防止原油落地等多項環保功能，主要包括：①集成積液盒主要收集在輸送、擺放時管桿壁滴落流出的原油；②在地面清洗作業前豎起折疊式擋板，可有效阻止在地面清洗作業時油、水、蠟、砂等油水混合物從油管尾部噴灑至地面，使其全部落入集成積液盒內；③放油閥主要應用于完工收尾環節，結合污水泵一同作業，將集成積液盒內的油水廢液送至生產系統，減少油水廢液清理、轉移造成的二次環境污染。

4 現場應用效果

修井作業井場環保技術于2016年、2017年分別在新疆油田6個采油廠開展試驗，共計應用了2 105井次作業。

4.1 環保效益

經油田現場應用，新工藝技術有3項環保效果：①修井作業的井場區域內均未產生含油污泥，實現了油水不落地，從源頭上消除了含油污泥對井場的環境污染風險；②井場區域內無需鋪設防滲布，作業后也無需清洗、處置沾油防滲布，大幅降低了沾油廢物的清理、回收、運輸等二次環境污染的風險；③在完工井收尾階段，油水廢液可集中回收至油氣生產系統，實現了油水廢液資源化利用。

4.2 作業效率

在施工準備、完工收尾工序中，新工藝技術提升了作業效率，作業人員無需鋪設、回收管橋和防滲布、挖設排污溝和排污池、回收含油污泥和沾油廢物、恢復井場地貌等，節省了人工勞動時間，降低了人工勞動強度，與常規修井作業的施工時間對比，井場管桿盒可節約作業工時3.6 h/井次。同時，新工藝技術改善了員工操作的工作環境，無需在油污上作業，并降低了摔倒的安全風險。

4.3 經濟效益

新工藝技術與傳統環保工藝相比，節約了施工消耗費用和危險廢物處置費，包括人工費、材料費、清洗費、拉運費、含油污泥處置費和沾油廢物處置費，估算每年可節約修井作業環保費用約92.7萬元。若考慮新工藝的固定資產折舊及維護維修費等，采用新工藝與傳統環保工藝的費用支出基本持平[6]。

5 結 論

1)通過運用霍爾三維結構模型，建立了修井工藝與環境風險系統模型，分析了各作業工序中環境污染要素，精準定位了地面清洗和完工收尾兩個主要環境污染的工序環節，明確了井場區域為環境污染防治的主方向。

2)現場應用表明，修井作業井場環保技術應用效果較好，在環保上實現了修井作業井場區域的清潔生產，消除了二次環境污染的風險；在技術上先進、可靠、適用，提升了作業效率；在經濟上節約了人工費、材料費、清洗費等作業成本。

3)研發的修井作業井場環保技術—井場管桿盒，實現了“末端治理”的修井環保方式向“源頭控制”的轉型升級，具有進一步推廣的潛力和空間。