油基鉆井液及其廢棄物除油處理技術(shù)在東海探井中的應(yīng)用

李 乾，邱 康，張 瑞，何陽(yáng)子，黃 召，雷 磊

（1. 中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120；2. 中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200335）

目前，東海油氣田開(kāi)發(fā)采用了許多大斜度定向井或大位移井，由于井斜角度大、大斜度穩(wěn)斜段長(zhǎng)等因素，使其面臨著井眼清潔困難、摩阻扭矩大、井壁穩(wěn)定性不足等諸多難題。在早期開(kāi)發(fā)井鉆井中采用水基鉆井液，通過(guò)不斷改進(jìn)其配方，引入氯化鉀、甲酸鉀、聚合醇等組分，降低了自由水含量、提高了鉆井液抑制性和潤(rùn)滑性，也只是在一定程度上解決了上述難題。近幾年，為了進(jìn)一步解決上述問(wèn)題，在東海引入油基鉆井液體系，在多口開(kāi)發(fā)井中進(jìn)行了嘗試性應(yīng)用，取得了良好使用效果。

相比水基鉆井液，油基鉆井液抑制性更強(qiáng)，潤(rùn)滑性更好，有利于保持井壁穩(wěn)固，有效解決了潤(rùn)滑防卡等問(wèn)題[1-4]。本文首先對(duì)油基鉆井液在東海油氣田已鉆開(kāi)發(fā)井的使用情況進(jìn)行分析研究，之后對(duì)油基鉆井液在東海探井中的應(yīng)用與其廢棄物除油處理技術(shù)的可行性進(jìn)行理論研究，順利地將油基鉆井液的使用工藝、方法擴(kuò)展到了探井中應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證明，該套工藝、方法可滿(mǎn)足在東海探井使用油基鉆井液的安全高效鉆井與環(huán)保要求，具有較廣的應(yīng)用前景。

1 油基鉆井液在已鉆開(kāi)發(fā)井中的使用情況

東海油氣田近幾年在鉆進(jìn)大斜度定向井和大位移井時(shí)，鉆井液體系以油基鉆井液體系為主。油基鉆井液是以油作為連續(xù)相、水作為分散相的油包水乳化鉆井液，其中作為連續(xù)相的基油對(duì)鉆井液的性能起重要作用，基油的優(yōu)劣不僅直接影響到鉆井液的流變性、電穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能，而且也會(huì)影響其它處理劑在鉆井液中的應(yīng)用效果。東海所用油基鉆井液基油為白油，與國(guó)內(nèi)陸上油基鉆井液常用的柴油相比，白油由于芳香烴含量低，毒性小且易于生物降解，可以減輕環(huán)保壓力，并且具有良好的流變性、熱穩(wěn)定性和電穩(wěn)定性[5-7]。表1所示為各類(lèi)基油性質(zhì)對(duì)比，可以看出，白油所含芳烴最少、毒性最低，滿(mǎn)足海上環(huán)保要求。

表1 各類(lèi)基油性質(zhì)對(duì)比

東海近幾年所鉆的幾口開(kāi)發(fā)井在φ311.15 mm井眼使用MO-DRILL油基鉆井液，施工過(guò)程順利，起下鉆遇阻頻率顯著降低。表2所示為東海五口井的實(shí)鉆情況，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，MO-DRILL油基鉆井液性能穩(wěn)定，抑制性強(qiáng)，流變性和潤(rùn)滑性能好，極大地降低了起下鉆遇阻、遇卡等復(fù)雜情況的發(fā)生頻率，縮短了建井周期，節(jié)約了鉆井費(fèi)用。

表2 東海五口開(kāi)發(fā)井實(shí)鉆情況統(tǒng)計(jì)

2 油基鉆井液的使用維護(hù)工藝與廢棄物處置方法

近幾年，在東海探井鉆井過(guò)程中，由于下部地層黏土礦物含量高，泥頁(yè)巖易水化膨脹，并且地層應(yīng)力交錯(cuò)頻繁，因此，地層易剝落掉塊造成井壁失穩(wěn)坍塌，導(dǎo)致鉆具起下鉆遇阻情況頻繁發(fā)生，甚至出現(xiàn)鉆具卡鉆、落井等嚴(yán)重事故，影響了鉆井效率。為了實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井目標(biāo)，考慮借鑒開(kāi)發(fā)井經(jīng)驗(yàn)，在探井中使用油基鉆井液體系。油基鉆井液在東海探井中使用需要解決兩個(gè)難題，一是東海探井一般井深較深，井下溫度高，需要保證油基鉆井液在高溫高壓條件下各項(xiàng)性能的穩(wěn)定，要相應(yīng)制定鉆井液日常維護(hù)措施；二是需要解決油基鉆井液廢棄物的有效處置問(wèn)題，如何安全高效地進(jìn)行油基鉆井液廢棄物處置，直接關(guān)系到油基鉆井液在探井中的使用成本與海上環(huán)保安全問(wèn)題。因此，需要建立一套適合于東海探井油基鉆井液使用的工藝、方法。

2.1 油基鉆井液配制

近幾年?yáng)|海探井的鉆進(jìn)深度逐步向4 000 m以下更深部地層推進(jìn)，深部地層地溫更高，對(duì)鉆井液的抗溫能力有更高要求。為了保證油基鉆井液在高溫高壓條件下良好的濾失性，在常規(guī)MODRILL油基鉆井液中，推薦加入高溫降濾失劑如PF-MOFAC等。根據(jù)表1可知，白油雖然毒性低，但其黏度偏低，另外，油基鉆井液普遍存在黏度隨溫度升高而下降從而導(dǎo)致切力低、懸浮巖屑性能不足的問(wèn)題[8-10]。針對(duì)東海垂深在4 000 m以上的探井，采用環(huán)保型白油基鉆井液時(shí)，還應(yīng)添加高性能流型調(diào)節(jié)劑如PF-MOVIS等，提高鉆井液黏、切性能，解決油基鉆井液黏度隨井深增加溫度升高所導(dǎo)致的巖屑懸浮能力下降的問(wèn)題。針對(duì)東海深探井推薦的鉆井液配方如表3所示。

表3 抗高溫MO-DRILL油基鉆井液推薦配方

MO-DRILL油基鉆井液各添加劑的加量在初始配置階段均以推薦配方的低限加料，整個(gè)配置流程分為五步：

（1）首先按設(shè)計(jì)用量加入低毒性白油；

（2）依次加入PF-MOEMUL、PF-MOCOAT、PF-MOWET，攪拌均勻；

（3）加入PF-MOALK，攪拌均勻，再加入PF-MOGEL，攪拌均勻；

（4）加入CaCl2水溶液，攪拌均勻；

（5）加入PF-MOHFR、PF-MOFAC、PF-MOLSF攪拌均勻；

（6）用重晶石加重至所需密度后，再加入PFMOVIS，攪拌均勻。

需要注意的是，主乳化劑PF-MOEMUL與輔乳化劑PF-MOCOAT要遵循4∶1比例添加，每次在配置處理劑混合溶液時(shí)，根據(jù)對(duì)鉆井液流變性能的需要，按需添加流型調(diào)節(jié)劑PF-MOVIS。

2.2 油基鉆井液性能維護(hù)

在鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)，要按規(guī)定定期測(cè)定鉆井液流變參數(shù)、濾失量、油水體積比、抗溫穩(wěn)定性和水相化學(xué)活度等性能，密切關(guān)注鉆井液各項(xiàng)性能指標(biāo)的變化情況，對(duì)鉆井液性能進(jìn)行及時(shí)有效的維護(hù)，保證鉆井液性能滿(mǎn)足施工要求。

（1）采用油基鉆井液將原鉆井液頂替出井眼后，還要繼續(xù)循環(huán)油基鉆井液一個(gè)循環(huán)周以上，檢測(cè)鉆井液的各項(xiàng)性能指標(biāo)，要求盡快將破乳電壓ES調(diào)整到450 V以上，油水比調(diào)整到70∶30 ~ 85∶15范圍內(nèi)；根據(jù)流變性檢測(cè)結(jié)果，可考慮加入流型調(diào)節(jié)劑PF-MOVIS，調(diào)整R6/R3讀數(shù)≥10/8。

（2）在鉆遇斷層或地層破碎帶前，要提高鉆井液的隨鉆封堵能力，保證井漿內(nèi)有1% ~ 2%PFMOFAC和1% ~ 2%PF-MOLSF，提高泥餅質(zhì)量、降低鉆井液濾失量、保證鉆井液隨鉆封堵性能。

（3）鉆井期間，由于新漿補(bǔ)充和乳化劑自身的消耗，如發(fā)現(xiàn)鉆井液破乳電壓指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，需及時(shí)補(bǔ)充乳化劑，確保油包水乳液的穩(wěn)定性。

（4）隨時(shí)關(guān)注振動(dòng)篩篩面上巖屑的返出情況，如返出巖屑表現(xiàn)為水濕，要及時(shí)調(diào)整潤(rùn)濕劑加量，保證巖屑為油濕；發(fā)現(xiàn)井壁垮塌要及時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督溝通，根據(jù)情況決定是否調(diào)整鉆井液密度或提高封堵材料加量。

（5）如需調(diào)整油水比，建議采用細(xì)水長(zhǎng)流的方式，緩慢均勻地補(bǔ)充全油新漿來(lái)提高油水比，或加入CaCl2鹽水來(lái)降低油水比，并保證鉆井液堿度在設(shè)計(jì)范圍。另外，混漿前必須先進(jìn)行小型混配試驗(yàn)。

2.3 含油巖屑除油處理

油基鉆井液在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生含油鉆屑，需要按照國(guó)家法律法規(guī)要求進(jìn)行處理[11]。我國(guó)對(duì)海上含油鉆屑的排放要求，按不同的排放海域分為三級(jí)：一級(jí)海域要求含油量≤1%，二級(jí)海域≤3%，三級(jí)海域含油量≤8%方可排放[12]。東海屬于三級(jí)海域，因此，東海探井使用油基鉆井液產(chǎn)生的含油鉆屑經(jīng)過(guò)處理后，含油量小于8%即可排放入海。目前國(guó)內(nèi)外油基鉆井液含油巖屑的除油處理技術(shù)有很多種，主要包括熱蒸餾處理技術(shù)、甩干+離心處理技術(shù)、溶劑萃取處理技術(shù)、超臨界流體提取處理技術(shù)、生物修復(fù)處理技術(shù)、化學(xué)破乳處理技術(shù)、空化射流處理技術(shù)等[13-16]。表4為目前主要的幾種含油巖屑除油處理技術(shù)的對(duì)比。

表4 含油巖屑處理技術(shù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)各類(lèi)含油巖屑處理技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為對(duì)于東海三級(jí)海域，甩干+離心處理技術(shù)可以在鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)除油達(dá)標(biāo)排放目標(biāo)，既能滿(mǎn)足巖屑含油量要求，而且占地面積小、使用成本低，適合海上鉆井平臺(tái)使用。

圖1 甩干+離心處理技術(shù)流程示意圖

圖1所示為設(shè)計(jì)的甩干+離心處理法進(jìn)行海上含油巖屑處理的工藝流程。整個(gè)流程主要包含甩干機(jī)和離心機(jī)兩個(gè)核心組件，據(jù)此，工藝流程分為兩步，構(gòu)成一級(jí)和二級(jí)分離。

（1）一級(jí)分離

在振動(dòng)篩處對(duì)含油巖屑收集處理：從振動(dòng)篩處，改造、加裝螺旋輸送機(jī)用于輸送含油巖屑，確保含油巖屑不會(huì)造成二次污染，既不能落地，也要確保巖屑不被機(jī)械粉碎破壞。將巖屑傳輸?shù)搅⑹剿Ω蓹C(jī)處，由立式甩干機(jī)將大顆粒巖屑與含有小顆粒巖屑（污泥）的液相進(jìn)行固液分離，可重復(fù)利用的液相進(jìn)入液相存儲(chǔ)罐，再通過(guò)管路泵送回振動(dòng)篩，固液分離處理后的巖屑通過(guò)實(shí)時(shí)的含油量檢測(cè)，達(dá)標(biāo)后方可排放入海。若不達(dá)標(biāo)，則將巖屑全部收集，再進(jìn)行后續(xù)的深度除油處理。另外，還要考慮配置收集存儲(chǔ)罐，用于應(yīng)急情況下臨時(shí)存儲(chǔ)含油固相。表5所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的含油巖屑經(jīng)甩干機(jī)處理后的含油及含水量。

表5 甩干機(jī)處理后巖屑含油及含水量實(shí)驗(yàn)表

如表5所示，經(jīng)甩干處理后，含油巖屑含油量可以大幅降低。根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，現(xiàn)場(chǎng)甩干機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1 750 ~ 2 250 r/min，保證設(shè)備的應(yīng)用適應(yīng)性并且可以降本節(jié)能。

（2）二級(jí)分離

在離心機(jī)處對(duì)含油巖屑收集處理：對(duì)含有小顆粒巖屑（污泥）的液相通過(guò)離心機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理，離心機(jī)處分離出的液相通過(guò)管路輸送到泥漿池，回收利用，分離出的小顆粒小粒徑的含油巖屑（污泥）則通過(guò)巖屑收集箱收集后進(jìn)行后續(xù)的深度除油處理。離心機(jī)是利用機(jī)械離心原理來(lái)實(shí)現(xiàn)油基鉆井液固相與液相分離的。離心力計(jì)算公式為：

式中：F為離心力，N；m為質(zhì)量，kg；ω為角速度，rad/s；r為離心半徑，m。

2.4 深度除油技術(shù)適用性研究

前文所述經(jīng)甩干機(jī)處理后的巖屑仍然可能會(huì)有一小部分未能達(dá)到排海要求，除此之外，離心機(jī)產(chǎn)生的含油污泥、油基鉆井液從碼頭運(yùn)輸?shù)狡脚_(tái)過(guò)程中產(chǎn)生的含油污泥、污油，沉砂池和泥漿池等處的含油污泥等，也需要采取處理措施，以滿(mǎn)足海上環(huán)保要求。受鉆井平臺(tái)空間及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件的限制，在鉆井平臺(tái)上對(duì)上述巖屑、污泥實(shí)現(xiàn)集中處理的難度較大，因此，可考慮將其集中運(yùn)輸?shù)脚R近支持平臺(tái)上，在支持平臺(tái)上配備油基鉆井液廢棄物處理設(shè)備進(jìn)行集中處理。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)，認(rèn)為以污泥熱解裝置為核心設(shè)備的深度除油技術(shù)可以滿(mǎn)足東海海域鉆井過(guò)程中油基鉆井液廢棄物的二次除油處理要求。該技術(shù)通過(guò)熱解處理可以將廢棄物含油量控制到2%以下，并且能夠有效回收基油進(jìn)行循環(huán)利用，此外，該熱解裝置配有尾氣凈化裝置，能夠?qū)峤膺^(guò)程中產(chǎn)生的有毒、有害尾氣進(jìn)行多項(xiàng)凈化處理。

深度除油技術(shù)目前在番禺油田、涪陵頁(yè)巖氣田、惠州石化基地等地進(jìn)行了嘗試性實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。表6所示為深度除油技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

表6 深度除油技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

深度除油技術(shù)的整個(gè)工藝流程如圖2所示。首先，通過(guò)螺旋輸送泵或柱塞泵將鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的油基鉆屑、污泥等廢棄物輸送至減壓熱解釜裝置內(nèi)，熱解釜采用高頻電磁感應(yīng)電源加熱，在高溫真空狀態(tài)下，隨著釜內(nèi)攪拌槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，含油廢棄物在容器內(nèi)逐步裂解、碳化，通過(guò)30 ~ 60 min的反應(yīng)時(shí)間，油基鉆井液的基油和水以氣體餾分的形式分離出來(lái)形成裂解氣，裂解氣經(jīng)冷凝裝置處理后，分離出含油污水以及不凝析的有機(jī)氣體，回收含油污水進(jìn)暫存箱/緩沖罐，經(jīng)后續(xù)分離處理后，回收的油類(lèi)可再次進(jìn)入泥漿循環(huán)系統(tǒng)，污水可根據(jù)含油量進(jìn)行排放或再次用于配漿。不凝有機(jī)氣則通過(guò)尾氣處理裝置進(jìn)行凈化處理后達(dá)標(biāo)排放。在熱解釜內(nèi)殘存的固態(tài)殘?jiān)厥盏皆晾鋮s箱中進(jìn)行后續(xù)的無(wú)害化處理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，固態(tài)殘?jiān)吐室话阍?%以下。圖3所示為減壓熱解釜裝置外觀(guān)。

圖2 深度除油技術(shù)技術(shù)流程示意圖

圖3 減壓熱解釜裝置實(shí)物圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

抗高溫MO-DRILL油基鉆井液及其廢棄物除油技術(shù)在東海L2和L3井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其中，深度除油技術(shù)的相關(guān)設(shè)備安裝在臨近的H1平臺(tái)上。L2井實(shí)鉆井深4 480 m，采用四開(kāi)次井身結(jié)構(gòu)，三開(kāi)φ311.15 mm和四開(kāi)φ215.9 mm井段使用白油基鉆井液體系。L3井實(shí)鉆井深4 679 m，采用三開(kāi)次井身結(jié)構(gòu)，三開(kāi)φ311.15 mm井段使用白油基鉆井液體系。

3.1 油基鉆井液使用效果評(píng)價(jià)

兩口井鉆井施工過(guò)程都較為順利，無(wú)復(fù)雜情況發(fā)生。返出巖屑泥巖成型，棱角分明（圖4），表現(xiàn)為一面平整，另一面PDC齒印清楚，泥巖巖屑掰斷后，里面干燥且紋理清晰，充分驗(yàn)證了油基鉆井液對(duì)于泥頁(yè)巖水化膨脹具有很好的抑制作用。使用在這兩口井的油基鉆井液的性能如表7所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)返出巖屑情況

表7 抗高溫MO-DRILL油基鉆井液性能參數(shù)

以L(fǎng)3井為例，將其與使用低自由水鉆井液的L1、B1、K4井鉆井液濾失量與井徑擴(kuò)大率進(jìn)行對(duì)比（圖5、圖6），L3井鉆井液高溫濾失量比鄰井常溫濾失量還要低，全井段濾失量維持在3 mL以?xún)?nèi)，平均井徑擴(kuò)大率在5%以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)小于鄰井，且沒(méi)有嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑井段。根據(jù)對(duì)比可以看出，油基鉆井液濾失量尤其是高溫濾失量更小，能夠有效抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹，保持井眼規(guī)則，防止井壁垮塌造成嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑。

圖5 鉆井液濾失量對(duì)比

3.2 油基鉆井液廢棄物除油處理

L2和L3井在鉆井平臺(tái)上采用了一臺(tái)立式甩干機(jī)和兩臺(tái)離心機(jī)對(duì)鉆井液廢棄物進(jìn)行除油處理（圖 7）。

圖6 井徑擴(kuò)大率對(duì)比

圖7 平臺(tái)油基鉆井液除油處理設(shè)備安裝實(shí)物圖

經(jīng)立式甩干機(jī)處理后的巖屑含油量基本8%以下，滿(mǎn)足直接排海條件。兩臺(tái)離心機(jī)，一臺(tái)DERRICK D -1000液壓離心機(jī)，用于處理沉砂池鉆井液；另一臺(tái)華油飛達(dá)離心機(jī)，用于處理甩干機(jī)分離出的液相，兩臺(tái)離心機(jī)處理能力均為40 m3/ h。離心機(jī)分離出來(lái)的含油污泥回收后由運(yùn)輸船運(yùn)送到了臨近的H1平臺(tái)，利用H1平臺(tái)安裝的深度除油設(shè)備，對(duì)鉆井平臺(tái)無(wú)法處理的巖屑、污泥及污油進(jìn)行處理，處理后的固態(tài)殘?jiān)吐市∮?%，滿(mǎn)足直接排放要求。

4 結(jié)論與建議

（1）在常規(guī)MO-DRILL油基鉆井液中，加入高溫降濾失劑PF-MOFAC和高性能流型調(diào)節(jié)劑PF-MOVIS，形成了一套適合于東海深探井的抗高溫油基鉆井液體系?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示，該套油基鉆井液體系具有良好的流變性和觸變性，破乳電壓較高，高溫高壓濾失量低，有利于維持井壁穩(wěn)定性，減少了井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

（2）對(duì)比國(guó)內(nèi)外含油巖屑除油處理技術(shù)，針對(duì)東海海域含油巖屑排放要求，選擇甩干+離心除油處理技術(shù)，處理后巖屑含油量低于8%，滿(mǎn)足海上含油巖屑排放要求，同時(shí)，處理設(shè)備占地面積小、使用成本低，適合海上鉆井平臺(tái)使用。

（3）在臨近支持平臺(tái)上安裝深度除油設(shè)備，對(duì)鉆井平臺(tái)無(wú)法處理的巖屑、污泥及污油進(jìn)行二次處理的思路是可行的，今后東海海域的環(huán)保要求趨于嚴(yán)格，該處理思路具有一定的借鑒意義。

（4）針對(duì)海上鉆井作業(yè)，空化射流和化學(xué)破乳這兩種含油巖屑處理技術(shù)具有較高的應(yīng)用前景，后續(xù)應(yīng)對(duì)這兩種技術(shù)在海上鉆井平臺(tái)的適用性進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。