岳明,謝濤,張磊,張羽臣,陳卓

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司（天津 300459）2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室（天津 300459）

0 引言

渤海油田作業(yè)量逐年遞增，2015—2020年作業(yè)量以每年10%～30%的速度增加，且“十四五”期間作業(yè)量將達到歷史高峰，帶來豐富油氣資源的同時，也產(chǎn)生了大量的鉆完井廢棄物，渤海鉆完井主要以環(huán)保水基鉆井液為主，符合渤海一類海域排放標準[1]。但是有一部分鉆完井作業(yè)處于農(nóng)漁業(yè)區(qū)、生態(tài)保護區(qū)附近，排放要求極為嚴格，除冷卻水外的其他固液相均不得排放入海，如按照傳統(tǒng)全回收模式，將鉆完井巖屑、泥漿及完井階段液相全部回收，采用巖屑箱、污油罐以及船艙運送回陸地處理廠，需要容器和運輸工具的數(shù)量巨大。近年國家環(huán)境保護法規(guī)修訂，涉及的范圍更廣，執(zhí)法更嚴格，為更好地保護渤海環(huán)境，鉆井廢棄物將由限排、總量控制向回收轉(zhuǎn)變。

2014年4月24日，十二屆全國人大常委會第八次會議表決通過了《環(huán)保法修訂案》，本次修訂重點加強監(jiān)管力度，建立了公共檢測預警機制，劃定了生態(tài)保護紅線。在2016年，中國海油的專家已經(jīng)就國內(nèi)法規(guī)及技術進行了總結(jié)，其中在《新環(huán)保法給海上鉆井流體處理帶來的挑戰(zhàn)及對策》中，從我國海洋環(huán)境保護法演進歷程出發(fā)，針對海洋石油勘探與開發(fā)闡述了新環(huán)保法修訂新增加強監(jiān)管力度條例，并對比了國外海洋環(huán)保法案，明確了我國環(huán)保法已與國際接軌。渤海常規(guī)項目主要遵照國家標準GB4914—2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》。海域三級劃分，渤海被劃定為一級海域，一級海域不得排放非水基鉆井液鉆屑和油層段鉆井液及鉆屑。2018年11月頒布的《渤海綜合治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》更是強調(diào)了渤海的綠色低碳開發(fā)，對海上作業(yè)提出了極為嚴苛的要求[2]。

針對鉆完井廢棄物處置難題，主要從提升固控設備能力和現(xiàn)場減量處理裝置兩個方面開展研究[3]。渤海廢棄物處置領域自2015年開始啟動海上鉆完井廢棄物處置相關研究工作，經(jīng)過“十三五”階段的專項攻關，從鉆完井廢棄物源頭減量，過程原位處置，終端回收處置技術及鉆完井工藝優(yōu)化方面開始廣泛分析，初步實現(xiàn)了海上鉆井平臺生活污水“全回收”試點、負壓振動篩在海上實鉆中作為減量設備實驗，但是針對大規(guī)模開發(fā)項目，鉆完井全過程回收減量技術還不完善。自2017年渤海開始大規(guī)模攻關鉆井階段巖屑、泥漿現(xiàn)場處置技術，并通過專項科研項目，實現(xiàn)了水基泥漿在渤海地區(qū)的循環(huán)利用技術，通過提升固控系統(tǒng)設備性能，增加高速離心機的方法，將水基泥漿循環(huán)使用能力提高到3～5口井以上，大大降低了單井廢棄泥漿量。對于現(xiàn)場減量技術，通過借鑒陸地鉆完井廢棄物處置經(jīng)驗[4]，并結(jié)合海洋鉆井特點，首創(chuàng)出移動式鉆完井廢棄物處置中心和集成絮凝壓濾一體機，并于2019年成功應用。2019年通過梳理前期開發(fā)項目中全回收模式存在的問題，圍繞巖屑傳輸效率低的問題，引入并改進先進固相傳輸裝置，創(chuàng)新形成了一種能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離密閉傳輸系統(tǒng)。引入水處理系統(tǒng)，重點攻克完井過程中液相回用問題，通過優(yōu)化鉆完井工藝，將廢棄物產(chǎn)生的每個環(huán)節(jié)都針對性地提出了優(yōu)化措施，最終形成了一套完整的海上原位處置鉆完井工藝和處置體系。

1 海上水基鉆完井廢棄物處置面臨的主要技術難點

1.1 鉆井平臺空間有限

海上鉆完井作業(yè)主要是在鉆井平臺或生產(chǎn)平臺模塊鉆機作業(yè)，鉆井平臺甲板設計主要分三部分，懸臂梁甲板主要是管子堆場，主要用于存放套管、鉆桿和油管等管柱，為保障鉆井作業(yè)的連續(xù)性，不允許長期存放其他設施；船主甲板主要存放鉆井物料；飛機甲板僅限于飛機停放，嚴禁長期用于其他用途。常規(guī)的鉆井平臺主甲板沒有足夠的空間堆放大量巖屑箱、噸袋和廢棄物處置設施。同時，按照船級社規(guī)定，鉆井船上生產(chǎn)設施不允許隨意更換，因此在減量處置技術優(yōu)選小型高效設備。

1.2 環(huán)境污染風險大

海上平臺鉆完井作業(yè)屬于高風險作業(yè)，尤其在受限排放區(qū)域，海水流動性強，一旦發(fā)生泄漏事故，擴散速度比陸地快，且事故處理及救援難度較陸地困難數(shù)倍。因此，現(xiàn)場對處置設備的可靠性要求高。減量處置設備屬于帶電設備，存在漏電、爆炸、操作人員不熟悉等風險，因此需要嚴格保障篩選設備的安全性能，且改進后的鉆井工藝必須充分考慮防泄漏風險。

1.3 物流及處置成本高

海上鉆完井作業(yè)產(chǎn)生的固相主要依靠巖屑箱，如按照傳統(tǒng)粗放式回收模式，按照渤海常用巖屑箱尺寸，單個巖屑箱最多存放3m3巖屑，單口井全井段需要150～250個巖屑箱，這些巖屑箱無法全部放置在鉆井平臺或者值班拖輪上，需要額外配置大量的儲運工具，大幅增加成本，且運送回陸地的廢棄物處置單價高，大幅增加單井開發(fā)成本。

1.4 作業(yè)效率高，產(chǎn)生量密集

渤海海上鉆井作業(yè)為提高鉆井效率，通常采用批鉆方式，經(jīng)常會出現(xiàn)一個月多口井表層順序鉆進的情況，表層井眼大，廢棄物瞬時產(chǎn)生量及產(chǎn)生總量都極大，最高每小時可產(chǎn)生鉆屑近30m3，單井可產(chǎn)生鉆屑超過500m3、泥漿（含海水）800m3，另洗井和完井階段液相也超過600m3，液相主要成分以海水為主，對海洋環(huán)境影響小，但是在環(huán)境敏感區(qū)域作業(yè)仍然要嚴格按照“全回收”標準處置，因此產(chǎn)生總量和速率都需要改進工藝。

1.5 廢棄物種類復雜

海上鉆完井過程中主要廢棄物有生活垃圾、生活污水、雨水、雪水、工業(yè)垃圾、污油泥、鉆屑、廢棄鉆井液、廢棄完井液、固井鉆井液混漿、清罐污水、測試返排液、壓裂充填液、洗井液等，種類多且成分復雜，每種廢棄物均需要采取針對性的處理措施，其中鉆屑、泥漿和完井液相占比最大，成分復雜，處置難度高。

2 廢棄物原位處置關鍵工藝及技術

2.1 可循環(huán)利用鉆井液及配套固控系統(tǒng)

針對傳統(tǒng)的水基鉆井液體系，上部地層軟泥巖水化分散能力極強，以往只能通過大量置換維持鉆井液性能，PHPA類（PF-PLH/PF-PLUS）包被劑分子鏈大，作業(yè)311.15 mm（12?"）井眼最高通過120目，且不同鉆井深度需要頻繁地轉(zhuǎn)換泥漿體系，造成總量增加。為實現(xiàn)鉆井液多口井重復利用，控制廢棄泥漿產(chǎn)生量，研究出了無土相BIODRILL A鉆井液，該體系采用無機鹽降低鉆井液水活度，選用優(yōu)質(zhì)抑制劑及新型包被劑，抑制泥巖水化分散，鈍化黏土，單平臺鉆井液全部回收用于下口井。可重復利用的鉆井液具有低污染、低固相、長期穩(wěn)定性，可實現(xiàn)重復利用等特點[5-6]。

據(jù)統(tǒng)計，該體系能夠回收使用30%以上，通過菜單式管理（不同地層不同配比）已成功用于新近系地層的不同區(qū)塊、不同井型，可循環(huán)利用率高。

2.2 井筒“瘦身”技術

針對鉆屑原始體積過大的問題，研究了井筒的“瘦身”技術，井眼由406.4 mm（16″）+311.15 mm（12?"）縮小為311.15 mm（12?"）+241.3 mm（9?″），而套管對應的由339.72 mm（13?″）+244.47 mm（9?″）縮小為266.7 mm（10?″）+193.67 mm（7?″），因井眼尺寸受制于完井工具等影響，并不能無限制地減小，先后研究出了114.3 mm（4?″）篩管進行壓裂作業(yè)，分采、分注等也已經(jīng)達到現(xiàn)行技術的極限，如進一步縮小井眼尺寸，現(xiàn)行技術暫時無法保證工具可靠性，且瘦身后電泵功率和管柱通徑都相應減小，會一定程度上限制產(chǎn)量，因此“瘦身”要恰到好處才能更有利于油田開發(fā)。

在全回收項目中，井眼尺寸直接影響廢棄物源頭產(chǎn)生量，以一口3000m井為例：傳統(tǒng)表層406.4 mm（16″）井眼下入339.72 mm（13?″）套管800m、二開311.15 mm（12?"）井眼下入244.47 mm（9?″）套管3000m，得出本口井表層巖屑原始體積為192 m3，堆積體積達307m3。二開鉆屑原始體積為262 m3，堆積體積達491m3。而井筒“瘦身”后，表層鉆屑原始體積僅113m3，減量79m3，降幅達41%，二開鉆屑原始體積161m3，減量101m3，降幅達39%，井筒“瘦身”后鉆屑減量180m3，總體減量達40%，單井巖屑減量可達396t，單井可節(jié)約費用80萬元以上[6]。

井筒“瘦身”已成為前期設計中的“常規(guī)動作”，已成功應用超過20口井，在重點“全回收”項目的應用井數(shù)也逐步增加（圖1）。

圖1 瘦身結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 絮凝壓濾一體化工藝

針對廢棄鉆井液運送回陸地處置成本高，總量大運輸困難的問題。研究了可現(xiàn)場處置的絮凝壓濾一體化工藝。鉆井過程中固控系統(tǒng)持續(xù)產(chǎn)生部分廢棄液相，表層海水膨潤土漿鉆進1口井后，隨著固相含量增加，泥漿性能很難大量重復利用，因此需要隨時置換舊海水膨潤土漿，廢棄的海水膨潤土漿總量非常大，而且對于可重復利用鉆井液體系在經(jīng)過3～4口井使用后，需要置換50%以上，通過大量的分析，最終確立了板框式壓濾機與絮凝混合罐集成的絮凝壓濾一體化方案[7]。

絮凝劑選取以配制方便、分離效果易于觀察、絮凝劑本身易于清除、不破壞濾液原本性能為原則，針對不同地層所使用泥漿體系選擇不同的絮凝劑。海水膨潤土漿體系，使用PAM即可實現(xiàn)高效的固液分離。聚合物體系，選擇高價離子的無機絮凝劑，對于絮凝后參與的離子，采用加入化學藥劑的化學方法清除。

板框式壓濾機原理是通過擠壓濾布實現(xiàn)固液分離，研究人員保留了隔膜板框壓濾機主體結(jié)構(gòu)，對進料方式、壓榨壓力、濾布型號、絮凝劑與助濾劑的優(yōu)選方面開展了大量實驗，確定了壓濾機的主要參數(shù)。通過對海上常用的海水膨潤土漿、改進型PEC、PEM、BIODRILLA、EZ-FLOW等不同泥漿體系進行試驗，驗證過濾速度、濾液澄清度、濾餅成餅性、濾餅含水率等多項指標均達到了現(xiàn)場使用要求。

該工藝關鍵是把板框式壓濾與絮凝單元集成化，升高后的板框式壓濾機能夠?qū)崿F(xiàn)自動輸送直接進巖屑箱，作業(yè)過程中加藥，進料及脫板出料操作均實現(xiàn)半自動化，2人即可操作一套小型的一體化化學脫穩(wěn)壓濾設備，降低勞動強度。分離后的液相直接轉(zhuǎn)移調(diào)質(zhì)罐進行調(diào)質(zhì)處理即可直接復配泥漿，固相含液率低于60%，成餅狀。小型化壓濾設備占地面積22.4 m2，處理量130～150m3/d。

水基廢漿脫穩(wěn)固液分離工藝在墾利某油田首次應用實現(xiàn)泥漿減量80%，處理后濾液各項指標與海水相似，滿足重復配漿要求。

2.4 負壓抽吸振動篩減量技術

針對渤海部分砂巖段地層，現(xiàn)有傳統(tǒng)固控設備處理效果不理想，振動篩下來的鉆屑經(jīng)常出現(xiàn)含液量異常大的情況，部分井段經(jīng)振動篩處理后的固相含泥漿率高達200%，一方面造成泥漿材料流失，另一方面經(jīng)傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至封閉式巖屑箱沉淀后，超過2/3深度為液態(tài)，這種狀態(tài)的巖屑只能用巖屑箱存放，對儲存工具要求較高。為更好實現(xiàn)攜巖后泥漿與巖屑的高效分離，現(xiàn)場通常采用更換較大目數(shù)篩布降低泥漿流失，但大目數(shù)的篩布會造成過大顆粒進入泥漿沉砂池，大大增加泥漿固相含量，導致泥漿性能不穩(wěn)定。負壓抽吸振動篩是由高頻振動篩和真空系統(tǒng)組成，高頻振動篩作為提高一級固控振動篩性能被行業(yè)廣泛認可，其具有篩網(wǎng)面積大、激蕩力大和處理能力高的優(yōu)點[8]。負壓抽吸振動篩工作原理是在振動篩最后一塊篩布下，在不影響振動篩性能的前提下建立密閉負壓艙，同時負壓不會影響篩布的使用壽命，利用產(chǎn)生的吸力或真空破壞覆蓋巖屑上鉆井液的表面張力，使鉆井巖屑攜帶的鉆井液在不改變性質(zhì)的情況下被回收再利用。通過現(xiàn)場部分井段實驗，負壓工藝較傳統(tǒng)振動篩能夠?qū)崿F(xiàn)大幅減量，效果明顯，但是負壓振動篩附帶附件占地面積大，且針對不同地層及泥漿體系的適用性還需要進一步實驗驗證。

2.5 巖屑分選工藝

針對振動篩出來的鉆屑含液率高的問題，研究了巖屑分選工藝。固控系統(tǒng)出來的巖屑根據(jù)成分不同主要呈顆粒狀、糊狀、團狀和砂狀，含液率不同，因鉆井作業(yè)為提高攜巖效率，往往采用大排量鉆進，部分井段會出現(xiàn)固控系統(tǒng)處理后含液率極高，這些不穩(wěn)定的高含液巖屑無法直接進行絮凝壓濾。因此采用在中間加裝分選篩的工藝，通過反復試驗，確定了采用20目篩布能夠保證5臺振動篩的巖屑經(jīng)分選后呈團狀，含液率較低，能夠?qū)崿F(xiàn)噸袋裝運。對較大顆粒的巖屑進行初選，減排設備主要依托分選篩和水洗螺旋輸送機完成，一代分選篩的最大處理能力60m3/h（圖2）。

圖2 分選效果圖

2.6 巖屑遠距離密閉傳輸工藝

針對全回收過程中螺旋輸送器只能直線傳輸，且為開口易造成泄漏、傳輸距離短的難題，研究了巖屑遠距離密閉傳輸工藝。對于平臺甲板面積較小的鉆井船進行全回收項目作業(yè)時，甲板空間無法存放大量的固相，研究人員針對固相的傳輸難題，進行專項攻關，研發(fā)出了一套具有遠距離密閉傳輸功能的遠傳工藝。EPS工作船靠泊時，鉆井廢棄物經(jīng)螺旋輸送器，通過密閉傳輸泵直接泵送至EPS工作船進行處置；可實現(xiàn)鉆井廢棄物穩(wěn)定、連續(xù)傳輸，大大降低吊車工作頻次；EPS工作船無法靠泊時，鉆井廢棄物經(jīng)螺旋輸送器，通過密閉傳輸泵直接泵送至海上壓濾機進行處置，滿足現(xiàn)場作業(yè)[9]（圖3）。

圖3 遠距離傳輸裝置

遠距離傳輸系統(tǒng)主要由液壓動力源、動力泵、傳輸管線組成。該系統(tǒng)以液壓動力泵為驅(qū)動力，由料斗室總成、料缸總成、洗滌室總成、液壓缸總成、潤滑系統(tǒng)、底架組成，最大輸送量30m3/h，傳輸距離硬管可達400m，具有耗能低、穩(wěn)定性好、傳輸距離遠等優(yōu)點。

2.7 集成水處理裝置

針對水平段EZFLOW鉆開液、HTAFLOW完井液、返排液等液相，研究人員通過分析水處理技術，確立了多級氣浮膜過濾技術，通過現(xiàn)場處理，實現(xiàn)固液分離，油相和固相回收，處理后的水基廢液用于重復循環(huán)配制EZFLOW、HTAFLOW基液對水質(zhì)的要求，并不影響其性能。該技術能將渾濁的原水通過多級過濾，達到重復使用的指標，單撬處理量可達到25m3/h，能滿足EZFLOW鉆開液，HTAFLOW完井液和反排液的實時處理（圖4）。

圖4 水處理裝置處理效果對比圖

3 回收方案的配置與選擇

截至目前，渤海鉆井通常采用水基鉆井液體系，鉆完井廢棄物全回收作業(yè)方案主要受作業(yè)規(guī)模、泥漿體系、鉆井平臺結(jié)構(gòu)、環(huán)境參數(shù)、經(jīng)濟效益多種因素影響，因此針對不同項目，所選取的工藝不同。研究人員通過梳理渤海全回收項目，發(fā)現(xiàn)目前渤海全回收項目主要分5種情況，對此進行全回收處置模式方案分析對比。

3.1 大規(guī)模全回收開發(fā)項目全回收方案

此類項目往往具有井數(shù)多、作業(yè)周期長、生產(chǎn)平臺規(guī)模大等特點。這些項目因井數(shù)多，采用單鉆機模式會導致投產(chǎn)時間嚴重滯后，在渤海油田上產(chǎn)4000×104t的背景下，這些項目常采用雙鉆井平臺對打的模式進行作業(yè)，2條鉆井平臺分別靠平臺2側(cè)，船舶資源往往可以實現(xiàn)雙平臺共享，這種項目單日產(chǎn)生的廢棄物總量是常規(guī)項目的2倍。以渤海最大的全回收項目曹妃甸6-4油田為例進行全回收方案分析。

曹妃甸6-4被列為控制性保護利用區(qū)，工程施工期，含油和非含油鉆屑、含油和非含油鉆井液、工業(yè)垃圾、生活垃圾、機艙含油污水運回陸上處理；施工期間，在施工船舶或平臺上設置污水回收罐，將施工期產(chǎn)生的生活污水全部回收，定期由船舶運回陸上進行處理。因此定義為全時段全部廢棄物回收處置。

本項目的優(yōu)勢是有2條鉆井平臺同時作業(yè)，因此制定方案充分考慮資源共享，在鉆井平臺螺旋輸送器末端安裝遠距離密閉傳輸泵，通過127mm（5″）硬管+軟管結(jié)合的方式直接輸送至大型支持平臺或者EPS工作船，在支持平臺或EPS工作船上配置分選篩、大型絮凝壓濾單元、水處理裝置及航吊，能夠不依托平臺吊機的情況下完成鉆屑的固液分離。而鉆井平臺甲板配置一套小型一體化絮凝壓濾設備和分選篩，能夠保障在極端天氣條件，拖輪無法靠平臺的情況下，滿足平臺不停鉆作業(yè)（圖5）。

圖5 平臺處置流程圖

3.2 中小型開發(fā)項目全回收方案

此類項目一般為20口井以下，井數(shù)相對較少，因此采用單鉆機鉆井，采用支持平臺成本高，效益差，因此往往采用中小型EPS工作船進行支持，而中小型EPS工作船上的設備處理量小，艙容小，整體成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)單口井廢棄物來料處置。同時在鉆井平臺安裝分選篩、絮凝壓濾一體機和遠距離傳輸裝置，可實現(xiàn)平臺處置和EPS工作船處置模式切換。

3.3 開發(fā)項目季節(jié)性回收方案

季節(jié)性回收項目，主要是在魚蝦產(chǎn)卵季節(jié)進行全回收，因此禁排時間短，可以在非禁排期間將表層作業(yè)提前完成，條件具備的情況下可將部分二開井段提前完成，在禁排期間進行三開定向井作業(yè)，三開定向井作業(yè)期間是廢棄物產(chǎn)生量最小的階段。因此可以依托平臺安裝的小型化絮凝壓濾一體機和分選篩進行處置，即能夠保障在禁排期間對魚蝦產(chǎn)卵的影響，又能夠確保禁排期低成本回收。

3.4 調(diào)整井項目全回收方案

調(diào)整項目往往井數(shù)少，而且只需要回收側(cè)鉆點以下部分，一般情況下采用分選篩和小型化壓濾設備即能保障隨鉆處理，在完井階段液相量大時，可通過移動式EPS工作船進行處置，液相部分可使用到其他作業(yè)點作為原料重復利用。

3.5 油層段回收方案

油層段鉆屑回收量小，渤海通常采用正壓鉆井，因此含油量相對較少，一般情況下低于3%，廢棄泥漿可通過板框式壓濾進行處置，經(jīng)試驗，對于含油量較多的情況，板框式壓濾機的濾網(wǎng)極易堵塞，造成分離效果差，且沾滿油的濾網(wǎng)不能重復使用，可采用絮凝離心分離方法進行處置。巖屑部分因總量小，一般情況下不超過20m3，因此可采用巖屑箱直接運送回陸地，在現(xiàn)場不再進行處置。

4 結(jié)論與認識

1）鉆完井廢棄物種類多，現(xiàn)行處置技術保障了全回收項目順利啟動與運行，但是對于設備小型化、自動化還需進一步開展攻關。

2）鉆完井廢棄物處置裝置需針對不同廢棄物匹配對應的設備，因此在作業(yè)時要針對具體項目選擇合適的處理工藝。

3）鉆井平臺固控系統(tǒng)處置能力和效果對廢棄物產(chǎn)生量影響較大，也是鉆井液重復使用的關鍵，因此提升固控處理效果是關鍵。

4）移動式EPS工作船機動性好，處理儲存能力強，但易受惡劣天氣影響。

5）固定式處理站是解決鉆井平臺處理能力不足的有效手段，也是大型開發(fā)項目全回收作業(yè)的一種有效手段。