編譯:曲曉紅 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

審校:嚴(yán)新新 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

非水基鉆井液污染鉆屑的處理
——提高環(huán)境和安全標(biāo)準(zhǔn)

編譯:曲曉紅 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

審校:嚴(yán)新新 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院)

多年來(lái),海上鉆井作業(yè)期間所產(chǎn)生的鉆屑和其他油氣污染廢棄物一直都在陸上進(jìn)行處理,一方面原因是海上處理法規(guī)的限制,另一方面是因?yàn)榄h(huán)境要求。不過(guò),將大量油氣污染的鉆屑從海上裝置運(yùn)送到陸地處理設(shè)備 (“起重箱及船運(yùn)”)是為了更好地實(shí)現(xiàn)環(huán)境和安全的目的。在海上處理油氣污染的鉆屑并將回收的油水重新用于鉆井液的處理方法,可為“起重箱及船運(yùn)”法所固有的問(wèn)題提供唯一的解決辦法。這一技術(shù)的開(kāi)發(fā)已進(jìn)入實(shí)踐階段,于2001年開(kāi)始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),得到了令人滿意的結(jié)果。2002年后期又在北海的英國(guó)海域進(jìn)行了一系列海上試驗(yàn),解決了海上作業(yè)中鉆井廢棄物處理方面的復(fù)雜問(wèn)題?；仡櫫似袼瓿傻淖鳂I(yè),提供了作業(yè)過(guò)程中各方面的現(xiàn)場(chǎng)資料,并就具體方案進(jìn)行了環(huán)境及安全方面的效益分析。

非水基鉆井液 鉆井廢棄物海上處理 環(huán)境和安全

1 前言

環(huán)境對(duì)油氣勘探的影響在工業(yè)上日益突出。隨著鉆井工業(yè)的發(fā)展越來(lái)越深入廣泛并進(jìn)入環(huán)境敏感地區(qū),這些問(wèn)題也日益突出。目前工業(yè)上所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題就是如何有效地減少鉆井廢棄物排放所造成的危害。鉆井廢棄物包括輕微污染的含油廢液、嚴(yán)重污染的高固含油罐清洗污泥、離心機(jī)分離物及鉆屑。如果使用非水基鉆井液,那么高固相材料就會(huì)受到油氣污染。這些固相材料未處理就排放會(huì)污染環(huán)境并損失有價(jià)值的基礎(chǔ)油;如果回收,可重復(fù)用于鉆井液或其他方面。

在2000—2005年間,由于鉆探了許多具有理想井身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜井,非水基鉆井液的應(yīng)用增加了2倍多,而傳統(tǒng)的水基鉆井液的應(yīng)用則減少很多。隨著鉆機(jī)日成本的增加,日益需要優(yōu)質(zhì)鉆井液以提供更加穩(wěn)定的抗溫、抗壓、抗復(fù)雜情況能力,同時(shí)縮短鉆時(shí)。以油為連續(xù)相的非水基鉆井液包括低毒礦物油,即低芳烴含量 (＜5%)的合成基鉆井液,通常為直鏈烷烴及含量不斷降低的柴油。不過(guò),忽略基礎(chǔ)油類,目前廣泛應(yīng)用的方法是在排放前處理非水基鉆井液污染的鉆屑,使之符合法規(guī)規(guī)定,更好地保護(hù)環(huán)境,同時(shí)回收有價(jià)值的成分,如基礎(chǔ)油。

由于上述原因,非水基鉆井液的應(yīng)用增加,世界各地被非水基鉆井液污染的鉆屑也相應(yīng)增加。例如,在U KCS,每年海上會(huì)產(chǎn)生多達(dá)80 000 t的非水基鉆井液鉆屑。這些鉆屑從振動(dòng)篩上分離出時(shí),一般都含有15%～20%(體積)的油。從80 000 t鉆屑中可回收的基礎(chǔ)油相當(dāng)于5 962～7 950 m3低毒礦物油。U KCS所處理的含油鉆屑僅占世界各地鉆井作業(yè)中的很少部分,在世界各地可回收的基礎(chǔ)油數(shù)量極為可觀。

2 海上處理的驅(qū)動(dòng)因素

這種處理方法的下述五個(gè)驅(qū)動(dòng)因素在不同國(guó)家及地區(qū)有所不同,這取決于許多實(shí)際情況,包括鉆井?dāng)?shù)量、水深、海流等。在許多情況下,政府法規(guī)最重要,個(gè)別作業(yè)公司可能會(huì)制定自己的標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論驅(qū)動(dòng)因素是什么,在不同地區(qū)的實(shí)施情況經(jīng)常有很大差異。

2.1 政府法規(guī)

法規(guī)所規(guī)定的非水基鉆井液鉆屑的排放標(biāo)準(zhǔn)及所容許的油氣污染指標(biāo)差異很大,從應(yīng)用于哈薩克斯坦里海、尼日利亞及其他地區(qū)的最嚴(yán)格的“零排放”標(biāo)準(zhǔn),直至所引入的OSPAR Decision 92中規(guī)定的U KCS所采用的低于1%(質(zhì)量,干基)標(biāo)準(zhǔn)。還有其他不同規(guī)定,如GOM所規(guī)定的上限低于6.9%,以及東南亞許多地區(qū)所應(yīng)用的低于10%。還可能更加復(fù)雜,無(wú)須對(duì)不同地區(qū)所容許的含油量數(shù)據(jù)進(jìn)行相互比較,不同國(guó)家可能制定不同的法規(guī),所允許使用的油類也可能不同。

2.2 作業(yè)公司的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

作業(yè)公司已日益注重自行預(yù)先制定環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。在有些國(guó)家或地區(qū),可能尚未制定有關(guān)非水基鉆井液污染固相排放控制方面的政府法規(guī),因此作業(yè)公司自行制定可容許的油氣污染上限,以確保完全符合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的最高要求。

2.3 成本

由于非水基鉆井液成本很高,全部或部分回收鉆井液具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值,否則這些鉆井液及其鉆屑會(huì)被排放。鉆屑中可能含有高達(dá)20%的基礎(chǔ)油,在許多情況下,回收和重復(fù)利用這些成分就可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 安全

運(yùn)送大量鉆屑可能存在一系列安全隱患,這取決于所選擇的處理方式,如果鉆井作業(yè)是在偏遠(yuǎn)的陸地或海上進(jìn)行,鉆屑在排放前就必須轉(zhuǎn)運(yùn)到專業(yè)化處理工廠。這就需要使用鉆屑集裝箱 (專門(mén)制造的鋼制集裝箱,容積一般為4 t),由此還需要大量使用起重機(jī),導(dǎo)致更多的不安全因素。例如,在U KCS產(chǎn)生的80 000 t鉆屑必須用這種集裝箱運(yùn)送到岸上進(jìn)行處理,至少需要20 000件次集裝箱。每個(gè)集裝箱需要運(yùn)送到鉆臺(tái),裝滿后再運(yùn)送到岸上的處理工廠,可能需要多達(dá)15個(gè)起重機(jī),每年共需要300 000臺(tái)次起重機(jī)。這么多臺(tái)次起重機(jī)經(jīng)常性地處于狹窄的空間,會(huì)增加作業(yè)過(guò)程中的傷害風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 后勤

將大量鉆屑運(yùn)送到專業(yè)化處理工廠還會(huì)帶來(lái)一些后勤保障問(wèn)題。尤其是冬季在海上進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí),天氣條件可能會(huì)給將鉆屑運(yùn)送到岸上以及在鉆臺(tái)騰空鉆屑集裝箱帶來(lái)困難。在偏遠(yuǎn)地區(qū)的岸上也會(huì)出現(xiàn)類似情況,如果路況不好,將鉆屑運(yùn)送到專業(yè)化處理工廠可能會(huì)很困難。結(jié)果是無(wú)法將集裝箱運(yùn)到或運(yùn)出鉆臺(tái),可能會(huì)暫時(shí)中斷鉆井作業(yè)。

3 處理方式的選擇

由于大規(guī)模排放鉆屑在許多國(guó)家都受到限制,而且這方面還沒(méi)有哪個(gè)作業(yè)公司處于領(lǐng)先地位,因此工業(yè)上有許多可行的排放/處理選擇。在陸地,可以進(jìn)行加熱脫附、固化及生物處理。在海上,一直采用鉆屑回注方式。在法規(guī)限制較少的其他地區(qū),一直使用各種“機(jī)械”分離法來(lái)滿足排放要求。廣泛用于GOM的干燥機(jī)就是一個(gè)例子。

如果海上作業(yè)產(chǎn)生的鉆屑在岸上處理,就必然要將大量非水基鉆井液污染的鉆屑從海上裝置 (起重箱及船只)運(yùn)送到岸上的處理工廠。這種方法廣泛用于北海及其他地區(qū),運(yùn)輸費(fèi)用相當(dāng)可觀,還存在后勤及 HSE隱患。無(wú)論選擇哪種陸地處理方式,所帶來(lái)的費(fèi)用及 HSE問(wèn)題都很明顯,還要考慮處理后的固相粉塵排放方面的責(zé)任問(wèn)題。

無(wú)疑,從海上裝置將大量逆乳化鉆井液污染的鉆屑運(yùn)送到陸上的處理工廠并非理想的解決方案,會(huì)造成更為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。如果最高標(biāo)準(zhǔn)可以滿足最佳選擇要求的話,從前文所述因素考慮,首先應(yīng)排除“起重箱及船運(yùn)”方案,但需要找到一種海上處理鉆屑技術(shù)。

多年來(lái),工業(yè)上一直在陸上應(yīng)用各種直接或間接的熱脫附方法處理鉆屑。該方法應(yīng)用熱能將鉆屑中的液相蒸發(fā),回收后分離為油和水,從理論上來(lái)說(shuō)該方法可用于海上處理鉆屑。不過(guò)裝置的體積、處理能力和安全問(wèn)題會(huì)在很多方面限制其應(yīng)用。根據(jù)錘磨機(jī)機(jī)理開(kāi)發(fā)的一種間接熱脫附技術(shù)可以滿足非?？量痰暮Ｉ献鳂I(yè)要求。熱脫附型錘磨機(jī)的中央傳動(dòng)軸上有一連串錘臂,可在處理艙內(nèi)高速旋轉(zhuǎn),與鉆屑產(chǎn)生摩擦,而后達(dá)到使液態(tài)水和油閃蒸所需的溫度,產(chǎn)生的蒸汽首先通過(guò)油冷凝器以回收油,然后通過(guò)蒸汽冷凝器回收水。

不過(guò),這項(xiàng)技術(shù)在投入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之前,先要滿足某些方面的要求。安全因素?zé)o疑最為重要,因此如何提供可用于脫附的熱能是一個(gè)關(guān)鍵因素。此外,需要著重強(qiáng)調(diào)的是海上作業(yè)時(shí)要保障設(shè)備的可靠性并有效地與鉆井作業(yè)相“銜接”,同時(shí)確保充分的處理能力,以便跟得上鉆屑返出速率。另一個(gè)重要因素是裝置的占地面積、質(zhì)量、靈活性,當(dāng)然還有費(fèi)用問(wèn)題。要滿足這些以及其他方面的要求有一定難度。

4 技術(shù)發(fā)展

在20世紀(jì)90年代中期,在北海的英國(guó)海域開(kāi)始評(píng)價(jià)海上錘磨機(jī)技術(shù),以處理非水基鉆井液鉆屑。這一發(fā)展階段的關(guān)鍵除了滿足或高于法規(guī)要求外,還包括裝置的組成模塊、減少質(zhì)量和占地面積、滿足不同海域的要求、處理能力與鉆屑產(chǎn)生速率相匹配,對(duì)于大尺寸井眼也是如此。單個(gè)模塊的質(zhì)量必須盡可能地輕,以適應(yīng)起重機(jī)舉升的限制,底座的占地面積應(yīng)盡量減少,以適用于大多數(shù)海上平臺(tái)。不同海域要求設(shè)計(jì)為可滿足2種海域要求。安全措施包括使用帶CO2清掃系統(tǒng)的封閉集裝箱、將處理裝置與鉆機(jī)緊急停車系統(tǒng)相連接,由計(jì)算機(jī)控制所有作業(yè)。需提高處理速率,以便跟得上正常鉆速下產(chǎn)生鉆屑的速率,不僅能滿足215.9 mm井眼要求,還應(yīng)滿足311.2 mm和444.5 mm井眼的要求。

根據(jù)這種錘磨機(jī)技術(shù)建造的鉆屑處理設(shè)備專門(mén)設(shè)計(jì)用于海上作業(yè),其連續(xù)作業(yè)程序由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制。所產(chǎn)生的高溫 (一般為260℃)可使液相(水和油)閃蒸。然后將這些蒸發(fā)的液相冷凝并分別回收。處理過(guò)程中最重要的是熱量不能散發(fā)到大氣中去,而且回收的水和油應(yīng)能重新循環(huán)進(jìn)鉆井液中。在最初的陸上試驗(yàn)中,對(duì)這些回收的基礎(chǔ)油進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),處理過(guò)程對(duì)于油或油在鉆井液中的性能只有很少影響或沒(méi)有影響?；厥账袣埩舻挠蜌夂恳话阈∮?0×10-6,懸浮固相含量在5～15 mg/L之間,處理后的惰性粉末中殘存的油氣含量低于0.1%。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為確保所有部件都能有效運(yùn)轉(zhuǎn),回收材料能夠滿足法規(guī)要求,一旦完成最初的改進(jìn),就必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),以驗(yàn)證其原理和處理程序。包括確認(rèn)所回收的油可重新用于鉆井液體系中,處理后的水和固相的性能符合海上排放要求。在整個(gè)開(kāi)發(fā)階段中,作業(yè)公司一直積極參與,這些試驗(yàn)的所有階段海上裝置都正常運(yùn)行。

◇第一套系統(tǒng),能夠在2個(gè)海域作業(yè),于2001年4月進(jìn)行了海上安裝;

◇第一次海上試驗(yàn)于2001年6月在 Glomar Arctic Ⅲ平臺(tái) (現(xiàn)在是 GSF Arctic Ⅲ平臺(tái))進(jìn)行;

◇又進(jìn)行了兩次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以驗(yàn)證是否符合法規(guī)的要求,如Dti公司和不同環(huán)境組織再次對(duì)Skene油田進(jìn)行了技術(shù)檢查;

◇完成第三次試驗(yàn)后Dti公司將該裝置選作海上處理和排放鉆屑的候選方案;

◇2003年建成第一座 950 kW的鉆屑處理裝置。

6 海上作業(yè)

由于早期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)順利完成而且該技術(shù)能夠滿足海上排放的法規(guī)要求,2003年對(duì)這種處理方法進(jìn)行了徹底的商業(yè)化。從那時(shí)以來(lái),共有8個(gè)作業(yè)公司在U KCS海上處理了超過(guò)30 000 t的鉆屑,包括高溫高壓井、444.5 mm井眼段及二者兼具的井。在這些鉆速較高且井眼較大的井段,短時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的鉆屑超過(guò)了裝置的處理能力,為此配備了儲(chǔ)存罐以起到一定的緩沖作用。因此,在連續(xù)處理24 h鉆井作業(yè)中所產(chǎn)生的鉆屑時(shí)可以部分“脫機(jī)”。從處理過(guò)程中所回收的油一般重新用于非水基鉆井液,排放到海里的粉末中油氣含量一般低于0.1%(法規(guī)的上限是1%),符合法規(guī)要求。在大多數(shù)情況下,回收的水也排放到海里以潤(rùn)濕處理過(guò)的粉末,避免海上排放過(guò)程中產(chǎn)生粉塵。

迄今已在海上處理了30 000 t鉆屑,節(jié)省了112 500臺(tái)次起重機(jī),少用7 500個(gè)集裝箱。此外,無(wú)須再對(duì)約18 000 t回收的粉末進(jìn)行填埋處理,因?yàn)槎伎梢耘欧诺胶＠铩Ｌ幚磉^(guò)程中所回收的油可以重復(fù)利用,總計(jì)多達(dá)2 862 m3。

7 實(shí)例

2006年7月,2臺(tái)錘磨機(jī)型熱脫附裝置首次運(yùn)送到U KCS的一個(gè)半潛式平臺(tái),必要的輸送設(shè)備也準(zhǔn)備就緒,用非水基鉆井液鉆一批井。950 kW的機(jī)器安裝在船尾甲板的右舷。裝置由4個(gè)模塊組成,占地面積64 m2,甲板載荷1.5 t/m2。共鉆了8口井,在海上處理了9 000 t鉆屑,節(jié)省需動(dòng)用的鉆屑儲(chǔ)存罐2 250個(gè),并節(jié)省多達(dá)33 750臺(tái)次的起重機(jī),減少了風(fēng)險(xiǎn)并提高了安全性。回收的所有基礎(chǔ)油都重新用于鉆井液體系,處理后的固相粉末中油氣含量低于0.1%(質(zhì)量),可利用現(xiàn)有的鉆屑排放管線排放到海中。由于處理后的固相粉末直接從船上排放,不需要在陸地上建填埋場(chǎng)處理,減少了對(duì)環(huán)境的影響。

2007年5月,第二套海上熱脫附裝置運(yùn)送到U KCS同一個(gè)作業(yè)公司的另一個(gè)半潛式平臺(tái)上。從那時(shí)以來(lái),共鉆了3口井,在海上處理了6 000 t鉆屑,與另一個(gè)鉆井平臺(tái)的熱處理程序非常相似,節(jié)省了1 500個(gè)鉆屑儲(chǔ)存罐和22 500臺(tái)次起重機(jī)。同樣,所有回收的基礎(chǔ)油都重復(fù)利用,處理后的固相粉末排放到海中。

隨著2套熱處理裝置在2個(gè)鉆井平臺(tái)上的作業(yè),迄今已在海上處理了15 000 t鉆屑,節(jié)省2 750個(gè)鉆屑儲(chǔ)存罐和56 250臺(tái)次起重機(jī)。所有這些都有助于作業(yè)環(huán)境的安全,累計(jì)超過(guò)46 000工時(shí)。出于環(huán)境考慮,因?yàn)樗泄滔喽嫉玫教幚?處理后的固相中油氣含量降低至＜0.1%,處理后的所有固相都可以直接排放而非運(yùn)到陸地填埋。如果鉆屑在陸上處理就只能進(jìn)行填埋。

8 結(jié)論

已證實(shí)在海上處理鉆屑是一種可行的選擇,該方法可以提高安全性,減少對(duì)環(huán)境的影響,同時(shí)簡(jiǎn)化后勤工作。錘磨機(jī)型熱脫附裝置能夠有效地降低鉆屑中的油含量,除最嚴(yán)格的“零排放”法規(guī)外,可滿足所有法規(guī)要求。

處理過(guò)程的溫度在240～260℃之間,回收的基礎(chǔ)油性能不受處理工藝的影響,可以重復(fù)用于鉆井液體系。平均處理能力為6 t/h,足以滿足大多數(shù)鉆井作業(yè)要求;特別是,如果配備了緩沖罐,還可使處理過(guò)程“脫機(jī)”運(yùn)行,同時(shí)調(diào)節(jié)大井眼鉆井所產(chǎn)生的過(guò)多鉆屑。裝置的占地面積較小,為64 m2,因此可用于大多數(shù)移動(dòng)式海上平臺(tái),處理過(guò)程是在船上完成的。無(wú)須“起重箱或船運(yùn)”即可海上處理鉆屑,這種方法只需要一套熱處理裝置,因此其處理能力得到充分優(yōu)化。

隨著非水基鉆井液的應(yīng)用日益增多,世界各地的環(huán)境法規(guī)會(huì)更加嚴(yán)格,海上熱脫附裝置處理鉆屑技術(shù)將在工業(yè)上發(fā)揮更大的作用。

資料來(lái)源于美國(guó)《IADC/SPE 112727》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.6.017

2009-04-13)