張羽臣,竇蓬,霍宏博,董平華,劉海龍

中海石油（中國）有限公司 天津分公司（天津300459）

0 引言

隨著渤海油田的進一步開發(fā)，企業(yè)生產經營面臨著更嚴峻的生態(tài)環(huán)保形勢，部分海域要求將作業(yè)期間產生的廢棄物全部回收，對鉆完井作業(yè)的成本控制提出了挑戰(zhàn)。對公司運營準確預測鉆完井作業(yè)全過程產生的廢棄物量，優(yōu)化作業(yè)船舶調配，準確預估回收成本、效益以及投資控制有著重要意義。

通常，鉆完井廢棄物先在海上進行固體與液體初步分離回收[1]，然后使用船舶運回陸地作進一步處理。按照廢棄物產生環(huán)節(jié)不同，海上鉆完井過程中產生的廢棄物可分為鉆井作業(yè)廢棄物、完井作業(yè)廢棄物和生活廢棄物3類。本文提出了各類廢棄物量的測算方法，并與實際作業(yè)情況進行對比分析，以期為鉆完井全回收技術在海上鉆完井作業(yè)中的應用提供支持。

1 鉆井全過程廢棄物量測算

鉆井過程中的廢棄物包括各開次產生的固體廢棄物和液體廢棄物。固體廢棄物主要為鉆井過程中產生的巖屑。巖屑經由鉆井液攜帶至地面，經固控設備分離后輸送至巖屑回收箱儲存。

液體廢棄物以廢棄鉆井液為主，主要為鉆井各開次產生的過剩、變質或對下一開次不適用的鉆井液，鉆井液中含有黏土、無機鹽、油及各類添加劑[2-3]，若直接排放入海將造成水體污染。廢棄鉆井液經平臺短暫集中儲存后外輸至船舶，與固相巖屑一同返回陸地作下一步處理[4-5]。

1.1 巖屑量測算

理論上，干巖屑體積等于井眼開挖后排出的地層巖石體積，各開次產生的干巖屑體積可表示為：

式中：Di表示各開次使用的鉆頭直徑，mm；hi表示各開次的鉆達深度，m；?i表示地層巖石孔隙度；ηi為不同井段的井徑擴大系數。

根據現場作業(yè)實際條件，需考慮不同井段鉆井液攜巖效率和固控設備的工作效率，各鉆井液體系中的濕巖屑膨脹率也不可忽視，最終從泥漿中可分離出的濕巖屑體積為：

式中：n表示井身結構開次；αi為各開次攜巖效率系數，該系數和泥漿性能、鉆井水力參數、井眼軌跡等有關，根據實際作業(yè)統(tǒng)計，該值在85%～90%；βi為各開次固控系統(tǒng)設備工作效率，通常在80%～85%；εi為巖屑吸水體積膨脹系數。

1.2 液體廢棄物量測算

1.2.1 單井廢液量測算方法

若要準確估算單井各開次產生的廢液量，需對每一環(huán)節(jié)從井中返出的鉆井液進行估算，并考慮管線和泥漿池中配置的備用漿液。對此，國內學者開展了一定研究，基本的預測思路可歸納為經驗法和統(tǒng)計法兩類[6-7]。

經驗法：經驗法是根據工程師的現場經驗，并結合一定的技術資料，對各開次的鉆井液用量、補充膠液量、備用量進行估算，其準確性大多取決于現場操作人員的經驗，有一定的局限性，實際應用精確度不足。單井廢液量總量計算如下：

式中：Vw為各開次中完深度時井眼體積，m3；Vl為地面泥漿池和管線體積，m3；Vk為每一開次的鉆井液維護量，m3；Vx為固控設備清洗時產生的污水，m3。

統(tǒng)計法：統(tǒng)計法是對該油田或鄰近油田近年來鉆井作業(yè)中同層位、相似井身結構的井進行統(tǒng)計而得到的鉆井液用量，其能夠充分反映區(qū)塊地質、工藝等因素的影響，同時可以排除人為主觀因素的影響。統(tǒng)計法得到的數據對調整鉆井有一定的指導意義，但對于未進行過大規(guī)模開發(fā)的新油田或新層位卻不太適用。

1.2.2 單井廢液量測算過程

考慮不同井段的攜巖效率和巖石特性，推導出單井作業(yè)中某一井段的部分巖屑以沖稀的方式進入鉆井液中并達到設計要求的固控水平。根據是否需要加重對該井段鉆井液用量情況進行討論。

對于作業(yè)過程中的鉆井液固相含量超過固控要求含量，需要對鉆井液加水進行稀釋至設計固相含量，鉆井液量為：

公式（4）適用于需要稀釋的淺表層鉆井。

對于作業(yè)過程中鉆井液固相含量不能滿足要求，需要使用加重劑進行加重，對公式進行修正，得到鉆井液消耗量[4]如下：

式中：ρw為配漿水密度，g∕cm3；ρh為設計使用的加重劑密度，g∕cm3；ρr為膨潤土密度，g∕cm3；Sb為設計的膨潤土含量，%；Sdm為預測井段設計的固相含量，%；ρm為設計的鉆井液密度，g∕cm3。

公式（5）適用于需要加重的中深部地層。

在實際作業(yè)中，隨著井深的增加，鉆遇地層的溫度和壓力也逐漸增大，對鉆井液的性能要求有所變化。隨著循環(huán)時間的增加，鉆井液的性能也會逐漸劣化，為了調整鉆井液性能滿足下步作業(yè)（固井、測井、體系轉化）要求，需舍棄部分性能變差的鉆井液，補充相同體積的新鉆井液。該部分新鉆井液的用量隨機性較強，一般與地層巖性和鉆井液體系密切相關。

1.2.3 批量鉆井廢液量測算

不同于單井鉆井作業(yè)，目前除探井以外，海上開發(fā)井鉆井作業(yè)以叢式井批量鉆井（下稱批鉆）為主，即采用移動鉆機的方式依次鉆多口井的相同井段。在此過程，部分鉆井液可以重復利用，但現階段批鉆過程中的鉆井液用量測算方法還未見相關報導。

若不考慮井漏、井涌等風險因素引發(fā)的鉆井液體積變化，提出鉆井液重復利用率系數的概念，即在批鉆過程中，本井某一開次使用的鉆井液占上一口井相同開次鉆井液的比例。重復利用率值越高，表示能重復使用的鉆井液越多，相應的需要配備的新鉆井液也就越少。其和泥漿性能變化速度、鉆井周期、地層性質、鉆井液維護水平、現場實際操作等多種因素有關。由此可知，第m（m≥2）口井需要新配鉆井液體積為：

則一次批鉆使用的鉆井液總量為：

2 完井作業(yè)全過程廢棄物量測算

類似于批鉆，海上叢式井完井作業(yè)中產生固體廢物以地層砂、射孔彈碎片、鐵屑為主，由于其極少體積可忽略不計，廢棄物可以按照全液體計算。完井作業(yè)過程的廢液包含：清洗液、射孔液、壓井液、防砂充填液、完井液、返排流體等。

經統(tǒng)計，各作業(yè)階段產生的廢液量可由表1 估算得到。

表1 批量完井廢棄液量估算表

由此可知，完井作業(yè)過程中作業(yè)流體的重復利用率很高，需要回收的液體廢棄物量只與含油段直接接觸的流體量有關，且廢棄液體總量至多為1.5倍井筒容積和2倍射孔管柱容積之和。

3 生活廢棄物量測算

為契合鉆完井零排放的要求，渤海地區(qū)的部分鉆井船也進行了鉆井平臺“零排放”適應性改造，經“零排放”改造后的海洋鉆井平臺生活污水處理流程如圖1所示[8]。

生活廢棄物量V4可以表示為：

式中：T 為鉆完井工期，d；n 為人均生活污水產生量，m3∕d；N 為平臺設計人數，一般按照平臺救生艇人數考慮；μ 為水量波動系數，一般取1.1～1.2。

鉆井、完井和生活產生的全部廢棄物之和即為海上鉆完井全過程所產生的廢棄物總量：

4 實例驗證

舉例對本文提出的鉆完井全過程廢棄物量測算方法的可行性進行驗證。

概況如下：定員100 人的鉆井船靠某油田生產平臺進行鉆完批鉆批完作業(yè)，共批量鉆井4口井，批量完井4 口井，設計鉆井工期60 d，完井工期28 d。鉆井采用三開井身結構，完井采用套管射孔負壓射孔工藝。

圖1 鉆井船“零排放”污水處理流程

連排鉆井作業(yè)基本情況見表2。

根據上文推導出的結論，預測本次批鉆批完作業(yè)所產生的廢棄物量，并與實際廢棄物生成量進行對比，結果見表3、表4。

對計算結果做出以下分析：

1）現階段海上油田鉆井一開作業(yè)通常不安裝井口裝置及泥漿回流管線，且根據現階段法規(guī)，海上表層鉆井作業(yè)產生的固液廢棄物尚可直接排放入海[9]，故此實際表層作業(yè)還未進行全回收。但隨著作業(yè)規(guī)范進一步修訂，表層作業(yè)必然要列入全回收范圍內。

2）實際作業(yè)配漿時考慮到作業(yè)中有可能出現井漏、壓井等多種復雜情況，實際備漿量略多于測算量。

3）完井液體廢棄物產生量遠小于測算量，這是由于測算時按最大污染量進行計算，后續(xù)可根據實測值對計算進行修正。

表2 計算參數表

4）生活廢棄物按鉆井船滿員情況進行測算，與現場實際作業(yè)人數略有差異。

5）本文提出的鉆完井廢棄物全回收測算方法與實際結果契合度較高，計算方法可行，滿足工程精度要求，鉆井廢棄物誤差低于7%，完井廢棄物誤差低于10%。

6）在測算過程中需注意同一開次是否采用單一鉆井液體系，若采用多套體系，則不考慮批鉆。

5 結論和建議

1）海上鉆完井作業(yè)產生的廢棄物可分為鉆井廢棄物、完井廢棄物和生活廢棄物3類，在前期設計階段可使用該方法預測廢棄物總量，有助于廢棄物回收量及回收成本估算。

表3 廢棄物預測量與實際生成量

表4 完井及生活廢棄物預測量與實際生成量

2）計算中使用的各項系數是根據某油田作業(yè)統(tǒng)計得到，不同地區(qū)不同作業(yè)條件下的各項系數存在差異，在計算之前需要根據區(qū)域進行參數統(tǒng)計，以便更準確地預測廢棄物生成量。