水基鉆井液鉆屑減量處理技術探討

岳 明,劉 陽,李治衡,林家昱,劉海龍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300459)

0 引言

近年來,國家陸續頒布多項環保相關法律法規,標志著社會對環境保護的越趨重視,而海洋環境保護更是環保的重中之重。2019年渤海加大能源開發力度,全年需回收的鉆完井廢棄物達10×104t[1]。為更好地保護渤海環境[2-4],鉆井廢棄物將由限排、總量控制向回收轉變,因受陸地固廢處理廠的接收限制、總量巨大回收困難以及高額廢棄物處理成本等因素影響,油田大規模的開發作業面臨嚴峻挑戰。海上鉆井廢棄物現場減量亟待解決。

海上鉆完井采取鉆井平臺和生產平臺模塊鉆機作業。不同于陸地鉆完井作業井場條件,海上鉆完井甲板的總面積和承載能力有限,無法擺放較大尺寸和重量的設備,因此在減量處置技術優選上,應充分考慮設備的尺寸和單位面積重量。渤海鉆完井作業多采用批鉆作業,高效鉆井導致巖屑產生時間集中、總量大。減量處置技術需滿足隨鉆處理的要求,以保障現場作業連續性。

針對鉆完井廢棄物處置難題,國內外相關學者從提升固控設備能力和搭配減量處理裝置兩方面開展了大量研究[5]。近年來鉆井液體系不斷完善,固控裝備能力也有顯著提高,涌現出了多種針對油基鉆井液的廢棄物處置技術[6],但是針對水基鉆井液廢棄物處置技術研究起步較晚,并且大多數處置技術均未在渤海開展過相關實踐應用。為此,急需結合渤海油田勘探開發地層特點,提出適用于渤海的鉆完井廢棄物減量處置技術設備。

1 水基鉆井液鉆屑減量處置關鍵技術

水基泥漿鉆井主要處理流程是井口返出先進入負壓抽吸振動篩,鉆屑經一級減量后,進入具備水洗功能的螺旋輸送器,降低其黏附力,使其易于過篩。傳輸過程中鉆屑與濾液充分混合最終輸送至分選篩,進行固液分離。液相經過壓濾設備處置,固相進入到巖屑壓榨分離設備進行壓榨以降低含液率,裝巖屑箱。

1.1 負壓抽吸振動篩減量技術

渤海油田常用的鉆井固控系統一般配置4臺振動篩。但由于主要是水基鉆井液,鉆井過程中固控設備處理效果較差,固相含泥漿率高達100%～200%,在全回收項目中跑漿嚴重,造成待回收處理量大幅增加。該文通過篩力學分析,發現傳統振動篩跑漿的原因是泥漿過篩性差(黏度大,非均質)以及巖屑特性(泥巖易黏滯成團狀)[7-8]。振動篩鉆屑受力分析如圖1所示。

圖1 振動篩鉆屑受力分析Fig.1 Force analysis of drilling cuttings of vibrating screen

如圖1所示,通過在垂直于篩面方向的鉆屑受力FN上增加分力的方式,增加固相顆粒垂向受力;通過工藝篩選,確定了負壓的方式增加垂向分力。固相顆粒在x和y方向上的受力分別為:

式中:G為巖屑重力;α為篩面傾角;FN為篩面所受壓力;R為黏滯力;Px,Py為慣性力。

負壓抽吸振動篩由高頻振動篩和真空系統組成,其工作原理是在不影響振動篩性能的前提下,在振動篩最后一塊篩布下建立密閉負壓艙,負壓艙能夠很好的為鉆屑與泥漿提供分離動力,且不增加占地面積[9-10],如圖2所示。

圖2 負壓艙Fig.2 Negative pressure chamber

選取埕北油田某調整井采用負壓抽吸振動篩進行實驗,鉆井基本數據如表1所示。鉆井設計為水平井,在900 m 處開窗側鉆,設計一開為Φ311.15 mm)井眼,二開為Φ215.井眼,三開為Φ152.40 mm(6 in)裸眼段。

表1 鉆井基本數據Table 1 Basic data of drilling

實驗過程主要選取明化鎮上/下、館陶組和東營組的減量數據,如表2和圖3所示,總計回收鉆屑量46 m3,回收泥漿43 m3。通過檢測各層段的平均進料和出料含水率,分別計算出減重百分比。

表2 鉆屑各巖層減量效果Table 2 Reduction effect of drilling cuttings in different strata

圖3 減量數據對比圖Fig.3 Comparison chart of reduction data

從地層特征上看,明化鎮組上部為黏性較大的泥巖,且返出鉆屑經螺旋輸送器傳輸后水化現象嚴重,形成大塊泥團,處理效果受到影響;明化鎮組下部和館陶組為泥砂混合層,減量效果較為明顯,負壓抽吸振動篩處理后鉆屑含水率約為30%(如圖4a所示);調整泥漿體系稠漿返砂一級固控跑漿嚴重,負壓抽吸振動篩出現嚴重糊篩布現象(如圖4b所示),控制排量并將所有振動篩全開,改善效果明顯;館陶組下部和東營組以砂巖為主夾雜少量泥巖,負壓抽吸振動篩處理后鉆屑較干,測量含水率低于20%(如圖4c所示)。

圖4 鉆屑減量效果圖(從左至右)Fig.4 Effect drawing of drilling cuttings reduction(fromleft to right)

根據井眼尺寸和井深進行分析,Φ311.15 mm井段減量約34%,Φ215和Φ152.40 mm(6 in)井段平均減量20%,全井段廢棄物重量減量比30%,如表3 所示。通過數據對比發現,上部井段減量效果明顯,減量后含液率高于下部井段,下部井段減量后含液率19%,全井段不同角度都能實現較大幅度減量。

表3 鉆屑各井段減量效果Table 3 Reduction effect of drilling cuttings in each well section

1.2 鉆屑濾液水洗技術

因鉆屑在螺旋輸送器傳送過程中黏度較大,造成螺旋輸送器堵塞,嚴重影響快速鉆井過程中的傳輸效率。針對鉆屑在進入分選篩之前黏附泥漿難分離的問題,該文研究了傳輸效率隨鉆屑含液率和加液量的關系,確定不同鉆屑條件下的液量添加速度。通過改進螺旋輸送器,在不同的位置設置濾液水基口,實現隨鉆過程鉆屑被稀釋打散的功能。

為了在傳輸過程中對隨鉆進行稀釋,開展了傳輸過程中隨鉆降黏的創新研究。通過改進螺旋輸送器結構形式,在螺旋輸送器中部增加噴射口,精確設計噴口位置及壓力,在水射流的作用下巖屑與泥漿實現很好的稀釋分離;為降低固液相總體廢棄量,用于稀釋的液相不用水而采用濾液,降低液相侵入量。改進后的水洗螺旋輸送器如圖5所示。

圖5 水洗螺旋輸送器Fig.5 Washing screw conveyor

表4所示為采取不同加液量的分離效果數據對比。隨著加液量的增加,分選效果逐步提高,因此水洗效果與加液量成正比例關系。隨著進液壓力增加分選減量效果逐漸變好。較大泥塊在水洗作用下逐漸被打散,不易黏著到輸送器葉片而造成堵塞[9]。

表4 進出口含液率處理效果對比Table 4 Treat ment effect comparison of liquid content of import and export

該技術在秦皇島和曹妃甸某油田已成功應用17口井,經濾液水洗后的鉆屑到達分選篩后固液分離效果非常顯著。該工藝能夠提高傳輸效率,清潔鉆屑表面泥漿,不額外增加設備,是水基鉆屑減量工藝傳輸過程的重要部分。

1.3 鉆屑分選篩分離技術

該文設計采用二次固液分離的方法,以解決鉆屑在經過傳統振動篩或負壓振動篩篩選后,部分井段仍存在含液率較高的問題。首先要確定分離工藝能夠解決隨鉆要求,分離效果能夠達到鉆屑回收轉運指標。設計采用20目以上高頻振動篩在回收前進行二次分選的方法并進行了大量實驗研究,創新形成了一種帶液相遠距離傳輸功能的分選傳輸一體化工藝。要達到水洗稀釋后的鉆屑進一步分離的目的,輸送至巖屑箱之前,采用分選篩進行二次篩分的方法,將泥團、大顆粒固相篩分出來,含小顆粒液相進入中轉罐,顆粒懸浮狀態時間長,經輸送泵傳輸至固液分離單元進行固液分離[10-11],如圖6所示。

圖6 分選篩原理圖Fig.6 Separation screen schematic diagram

該技術在秦皇島、曹妃甸和遼東等油田成功應用30余口井。采用蒸餾法對秦皇島水基鉆屑含液量進行測量,取水基鉆屑100 g,用高溫(電加熱)將其蒸干,然后進行固相稱量,算出固相成分的重量百分含量。進出液關鍵指標對比如表5所示,重量總體減量超過30%,體積減量比超過60%[12]。

表5 進出口含液率處理效果對比Table 5 Treat ment effect comparison of liquid content of import and export

通過對多種地層及鉆井液體系進行實驗發現,目前渤海油田泥漿體系表層為海水膨潤土漿,中部地層采用環保型可重復利用鉆井液,最下部井段采用儲層鉆開液,分選篩的分離不受泥漿體系種類的影響,能夠同時滿足多種井段的固液分離[13]。圖7a所示為分選后的巖屑直接裝到噸袋,巖屑形態如圖7b所示,無流態水存在。

圖7 分選篩分離效果圖Fig.7 Separation effect of sorting screen

1.4 巖屑壓榨分離技術

振動篩返出巖屑含液率高達100%～200%[14],給全回收項目中的收集轉運帶來極大壓力。通過比選,設計采用物理壓榨強制分離的方法。設計的巖屑壓榨分離裝置占地面積不超過15 m2,如圖8所示,巖屑中液相在高壓濾布的作用下實現分離。巖屑壓榨分離裝置是將含液率較高的鉆屑泵送至濾布上,采用快速進料方法,并使用500目抗腐蝕篩布,處理量達到120 t/d,處理后固相含液率不高于25%,處理前后重量減量比超過20%。

圖8 巖屑壓榨分離裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of cuttings pressing and separating device

該工藝壓榨后的泥餅狀態如圖9所示。壓榨裝置處理能力強,單位隨鉆處理量6 t/h,雙套設備即可滿足調整井鉆屑產生速率5～8 m3/h的產生量。

圖9 壓榨分離泥餅效果圖Fig.9 Effect picture of pressing and separating mud cake

如表6所示,處置后鉆屑含液率為13%～25%,較處置之前含液率降低20個百分點以上,達到現場減量的要求,泥餅能夠實現直接裝噸袋的要求。

表6 進出口含液率處理效果對比Table 6 Treat ment effect comparison of liquid content of import and export

壓榨效率較高,單次時間一般控制在7～14 min,配置的旋轉濾布能夠在單板壓榨結束后快速滾動,切換進行下一板壓榨作業。

物理設備總功率不高于25 kW,與熱分離技術相比,具有能耗低、污染小的優勢。但是該設備占地面積與處置能力比值偏大,不適合空間狹小的平臺放置;但在大規模回收作業中,以支持平臺為載體的處置中心配置該裝置,能夠有效降低鉆屑含液率[15]。

2 結語

負壓抽吸振動篩能夠很好地彌補固控系統固液分離不徹底的問題,鉆屑濾液水洗工藝不額外占用空間,能將鉆屑附帶的泥漿清洗干凈;但需額外增加真空泵,額外占用空間。鉆屑濾液水洗裝置占地面積與常規螺旋輸送器基本相同,但必須連續消耗濾液,因此需配套使用其他形式固液分離工藝。巖屑分選篩分離技術能夠很好地降低鉆屑含水率,但是需要在螺旋輸送器末端占用約12 mm 的空間。巖屑壓榨分離技術能夠實現對巖屑的最后一步固液分離,但是不能連續處置,且占地面積偏大。負壓抽吸振動篩、巖屑濾液水洗和分選篩技術均成功應用在海上鉆井平臺,具備很好的推廣價值,壓榨分離技術更適合海上廢棄物處置中心的作業情況。