董懷榮

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257000）

1 概述

鉆井液是石油鉆井過程不可或缺的循環(huán)流體，在鉆井液循環(huán)過程中含有大量不同顆粒大小的巖屑進入鉆井液體系，對鉆井液性能影響頗大。因此當井筒中返回到地面的含有大量巖屑的固液混合物必須通過地面固液分離設備進行凈化，以滿足鉆井工藝要求。大量鉆井實踐表明，在鉆井液中有害固相顆粒每減少1%，鉆頭壽命可延長7%以上，鉆井速度可提高29%以上，而且特別是細小固相顆粒的存在對固控設備、鉆井泵的易損件以及井下工具、儀器、油氣層保護都有著巨大不利影響。因此地面固控設備盡可能多地將鉆井液中有害固相分離出來，實現(xiàn)鉆井液功能最大化，確保安全、高效、環(huán)保地鉆井[1]。

實現(xiàn)固液分離的方法很多，但從鉆井液固控系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀看，依據(jù)固相和液相之間的密度差原理進行固液分離、固相控制方法仍然是當前石油鉆井過程中最有效手段，而且固液分離速度、效率、精度、鉆井液循環(huán)速度基本能夠滿足鉆井速度要求。雖然有的固液分離方法精度較高、固相含水率較低，但固液分離速度與效率不能很好滿足大排量鉆井液循環(huán)速度要求，因此今后很長一段時期內，基于密度差原理研發(fā)的固液分離設備仍然是主流，研究攻關的方向仍然是以改進提高首級凈化設備——振動篩性能為核心、全面提高次級凈化設備——離心機性能為主的技術路線，實現(xiàn)鉆井液固控系統(tǒng)的安全環(huán)保、節(jié)能高效。

2 我國鉆井液循環(huán)凈化系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，我國鉆井液固控系統(tǒng)從工藝技術、裝備配套都有了較大改進，鉆井液主要循環(huán)凈化處理流程：從井筒上返的固液混合物依次通過振動篩、除砂器、除泥器、離心機等固控設備進行固液分離，液相重復循環(huán)，分離出的鉆屑等固相以及鉆井過程中產生的廢棄泥漿、固井替漿過程從井筒上返的水泥漿等混合物全部排入泥漿池，漂浮在泥漿池上面的漂浮泵從中吸入上部清液補充返回固控系統(tǒng)中。這種工藝存在的主要不足是[2]：

（1）振動篩篩網(wǎng)數(shù)量少、目數(shù)不高，處理量不足，分離精度低，篩網(wǎng)易堵塞，存在“糊篩”、“跑泥漿”情況發(fā)生，處理后的鉆屑等固相含水率高，難以達到泥漿不落地車輛拉運要求。

（2）除砂器、除泥器采用的是旋流分離原理，受到處理介質的密度、粘度、固相含量、流速等影響較大，性能不穩(wěn)定，在旋流器內部的摩擦導致巖屑更加細化，清除更加困難，砂泵能耗高，分離出來的底流固相含水率高達85%以上。

3 我國泥漿不落地系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

鉆井生產過程中產生的廢棄泥漿是一種含粘土、加重材料、各種化學處理劑、污水、污油、重金屬及鉆頭破碎地層的鉆屑等混合物。如果大量的廢棄泥漿未經(jīng)處理直接排放到泥漿池進行就地固化掩埋，會存在以下問題：

（1）經(jīng)過泥漿池的自然沉降，上面澄清的泥漿水作為鉆井液循環(huán)使用，必然會有一些巖屑和砂礫進入鉆井泵，被再次送入井底，導致鉆井液固控系統(tǒng)中參與循環(huán)的鉆井液中有害固相顯著增加，造成鉆井泵易損件、井筒中工具與儀器、鉆頭壽命的大大縮短，鉆速降低，破壞鉆井液的造壁性能，甚至造成井塌、卡鉆等事故。

（2）鉆井過程中產生的廢棄泥漿存在較大環(huán)境污染風險，其主要污染物特性是具有高COD、高BOD、高油類、高Cl-、高pH值、高懸物固體并含有重金屬等特性。若將其存留于井場泥漿池，如遇到暴雨或其他水源匯集井場，或泥漿池的滲漏、溢出等，廢棄泥漿都可能會泄漏到鄰近的農田、水體和表層土壤中，破壞井場附近的生態(tài)環(huán)境。

隨著國家環(huán)保法律法規(guī)的日益完善及環(huán)境監(jiān)測監(jiān)管力度的加大，各地方環(huán)保部門要求石油鉆井全井段實現(xiàn)廢棄鉆井液及鉆屑現(xiàn)場不落地，不再允許開挖泥漿池和占地。目前比較有代表性的廢棄泥漿不落地處理方式主要有如下幾種工藝[3-4]：

（1）以壓濾機為關鍵設備的泥漿不落地工藝。在井隊在用固控系統(tǒng)基礎上，串聯(lián)一套以板框壓濾機為關鍵設備的泥漿不落地系統(tǒng)。工藝過程如下：井隊在用振動篩、除砂器、除泥器分離出來的濕鉆屑及廢棄泥漿直接排入到與其串聯(lián)的巖屑收集攪拌裝置中，添加各種處理劑溶液，使其破膠失穩(wěn)。待充分攪拌、破膠后，再泵入到板框壓濾機內，進行壓濾脫液干化，壓濾分離出來泥餅進入固相收集罐中臨時存放；壓濾機分離出來的壓濾液進入液相收集罐中，再轉運至廢液處理站進一步深度處理。中速離心機、高速離心機分離出來的固相含水率較低（小于60%）情況下直接拉運；如果含水率較高（大于60%）同樣需要壓濾機進行壓濾。

這種工藝主要優(yōu)點是處理后的廢棄固相呈現(xiàn)泥餅狀，固相含水率較低，通常小于40%，減量化效果比較明顯，易于運輸，特別是對于下部地層采用固液分離難度較大的聚合物磺化鉆井液體系鉆進施工產生的廢棄泥漿，易采用這種板框壓濾工藝。

但同樣存在一些不足，主要是：井隊振動篩、除砂器、除泥器等排出的含液量較高的固相直接進行混合攪拌和壓濾，鉆井液回收率相對較低；壓濾過程需另加破乳劑、絮凝劑、破膠劑等藥品，固相及濾液中會比原鉆井液多出添加的化學藥品，存在越治越多現(xiàn)象；濾液及清洗設備的廢液量很大且不能回用，后期廢液處理量大且費用高；壓濾機操作維護相對較復雜，易損件（濾布等）更換頻繁，勞動強度大，現(xiàn)場使用人員較多，需要委托第三方專業(yè)人員進行管理和操作；壓濾機間歇工作，處理效率低，難以很好地滿足快速鉆進工藝要求，需要現(xiàn)場備用儲備罐多；使用成本較高。

（2）以串聯(lián)脫液干燥振動篩和離心機為關鍵設備的泥漿不落地工藝。就是在井隊在用固控系統(tǒng)基礎上，旁通串聯(lián)一套脫液干燥振動篩和中速離心機，用于回收鉆井液和對固相脫液干燥，并使得處理后固相能夠含水率小于70%，達到固相廢棄物轉運要求。主要工藝過程為：井隊在用除砂器、除泥器、中速離心機、高速離心機分離出來的固相直接排入固相收集罐中臨時存放；井隊在用振動篩分離出來的濕鉆屑及跑漿的廢液直接排入到與其串聯(lián)的干燥篩進行進一步固液分離和脫液干燥，分離出來的液相泵入旁通的中速離心機進行固液分離和脫液干燥，分離出的液相返回井隊固控系統(tǒng)參與循環(huán)使用，干燥篩、旁通的中速離心機分離出的固相排入固相收集罐中臨時存放，再轉運至指定地點。

這種處理方式主要優(yōu)點是：采用振動加離心的物理方式固液分離，可連續(xù)工作，不犧牲鉆井速度，不添加任何其它化學藥處理劑，回收的液相可全部循環(huán)使用，大大提高減量化效果和鉆井液的回收率。

主要存在的不足是：系統(tǒng)復雜，占地面積大、設備配置多、勞動強度高、需要額外增加人員、能耗高等問題；這種方案并沒有提高原有固控系統(tǒng)的技術效果，特別是對于粘度高、密度大的固液混合物固液分離難度較大，清除效率低，大量細小有害固相未能從鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中有效分離出來，除砂器、除泥器的排出的固相含水率高達80%以上（質量比），幾乎無法拉運，不能同時滿足全井段鉆井液固相控制和泥漿不落地的要求[5-6]。

4 新型鉆井液固相控制與泥漿不落地一體化系統(tǒng)

隨著相關環(huán)保法律、法規(guī)的出臺和施行，以及勘探開發(fā)的難度和鉆井深度不斷增加，對鉆井過程環(huán)保要求以及鉆井液的性能要求越來越高，所添加的鉆井液處理劑種類和數(shù)量越來越多，導致鉆井液的成份越來越復雜，固液分離難度以及對施工環(huán)境的污染風險越來越大，迫切需要既能滿足鉆井液固相控制要求又能滿足鉆井施工環(huán)保要求的新型高效、環(huán)保、固相清除率高的鉆井液凈化與鉆屑隨鉆處理系統(tǒng)。

通過調研分析國內外鉆井液固相控制系統(tǒng)現(xiàn)狀以及泥漿不落地應用情況，為克服上述方案存在的不足和發(fā)揮各自優(yōu)勢，研究形成一套以振動干燥和離心為主的新型鉆井液固相控制與不落地一體化系統(tǒng)，仍然采用密度差固液分離原理，通過提高振動篩和離心機的性能，實現(xiàn)鉆井液兩級凈化，減少固控系統(tǒng)的級數(shù)，優(yōu)化固控設備系統(tǒng)布置，降低能耗，提高鉆井液固相控制效果，同時分離之后的固相含水率小于70%，可以直接拉運，顯著提高鉆井液回收率，降低鉆井綜合成本[7]。

主要工藝流程如圖1所示：井筒上返的固液混合物進入三聯(lián)五網(wǎng)振動篩進行固液分離和脫液干燥，分離后的液相依次進入大排量低速離心機、中速離心機、高速離心機進行進一步逐級固液分離和脫液干燥，分離之后的液相進入加重循環(huán)罐的鉆井泵吸入倉，然后再進行鉆井循環(huán)使用；經(jīng)三聯(lián)五網(wǎng)振動篩、大排量低速離心機、中速離心機、高速離心機分離出的固相直接排入固相收集罐中臨時存放，然后拉運至指定地點進一步無害化處理和資源化利用。

圖1 新型鉆井液固相控制與泥漿不落地一體化工藝流程

決定整套工藝效果的關鍵是三聯(lián)五網(wǎng)振動篩、大排量低速離心機、中速離心機、高速離心機等設備。三聯(lián)五網(wǎng)振動篩是首級全流量鉆井液凈化設備，是目前在用固液分離設備中能耗最低的設備，是整個系統(tǒng)的關鍵設備，其性能高低直接影響全套工藝流程及其效果，可以將井筒上返的固液混合物中70%以上的固相分離出來并進行脫液干燥，三聯(lián)五網(wǎng)振動篩是由三個單臺振動篩并聯(lián)安裝在一個底座上，每臺振動篩具有較大的激振力和較高的振動強度，固液分離能力強，處理量大，每臺振動篩使用的是五張板式復合式細目篩網(wǎng)，凈化精度較高，使用過程中要根據(jù)鉆遇不同地層使用不同的鉆井液性能選用目數(shù)較高的篩網(wǎng)，以提高篩分效果和降低排出固相的含水率，減輕后續(xù)固控設備處理壓力。例如：每臺振動篩的前3張篩網(wǎng)使用超細目（160~200目），主要承擔大排量的固液分離功能，有效遏制跑漿現(xiàn)象；后2張網(wǎng)使用細目（120~160目），主要承擔對前三張篩網(wǎng)分離出來的固相廢物進行振動脫液干燥，進一步降低其含水率。

每一單臺振動篩技術性能不低于如下要求：液相處理量：不低于200m3/h；固相處理量：不低于15m3/h；單臺電機功率：4.0~5.5kW；振動強度：6.5~8.0g；篩分面積：3.4~4mm2；篩網(wǎng)數(shù)量：5張；篩網(wǎng)型式：板框復合式多層篩網(wǎng)；篩網(wǎng)目數(shù)：120~300目。

針對目前旋流除砂器、除泥器現(xiàn)場使用效果不好，跑漿嚴重，鉆井液損失最多的環(huán)節(jié)，分離出來的固相含水率較高，尤其是下部地層使用固液分離難度較大的鉆井液鉆進時，旋流除砂器、除泥器固液分離能力更低，而且分別給除砂器和除泥器供液的每臺砂泵功率45~55kW，兩臺砂泵功率高達90~110kW，能耗高。因此采用一臺大排量低速離心機全過程代替除砂器、除泥器，用于處理經(jīng)過三聯(lián)五網(wǎng)振動篩分離之后的液相，離心機分離因數(shù)高，固液分離效果好、有害固相清除率高、分離之后的固相含水率小于45%，既能滿足固相控制要求也能滿足泥漿不落地對鉆屑等廢棄固相轉運要求；同時減少整個固控系統(tǒng)級數(shù)，實現(xiàn)兩級凈化，系統(tǒng)可靠性提高，能耗降低。

針對不同鉆機類型、適應不同井深要求，優(yōu)選大排量低速離心機主要技術性能不低于以下指標要求：滾筒直徑800~1000mm，滾筒轉速900~1200r/min，處理量100~120m3/h，分離粒度：10~15μm，功率：75~90kW。

另外，還需配套井隊常規(guī)使用的1臺大排量中速離心機及1臺高速離心機。大排量中速離心機主要技術性能不低于以下指標要求：滾筒直徑450~500mm，滾筒轉速1700~2200r/min，處理量60~80m3/h，分離粒度：5~10μm，功率：45~55kW；高速離心機主要技術性能不低于以下指標要求：滾筒直徑400~450mm，滾筒轉速2600~3200r/min，處理量40~60m3/h，分離粒度：3~5μm，功率：37~45kW。

鉆遇上部地層下時，中、高速離心機要全程開啟使用，盡可能多地清除膠體等有害固相，避免鉆頭起泥包和地層造漿現(xiàn)象的發(fā)生；鉆遇下部地層根據(jù)鉆井液性能及鉆井工藝要求間斷使用中、高速離心機，以控制鉆井液中固相含量、含砂量、粘度和密度。低、中、高速離心機組合既可以用于常規(guī)固液分離也可以用于重晶石回收。

根據(jù)新型鉆井液固相控制與泥漿不落地一體化工藝流程，形成如圖2所示一體化系統(tǒng)總體布局圖，系統(tǒng)主要由一號罐、二號罐、三號罐、加重循環(huán)罐、三聯(lián)五網(wǎng)振動篩、大排量低速離心機、中速離心機、高速離心機、攪拌器、除氣器（預留）、加重泵、混合漏斗、一號固相收集罐、二號固相收集罐、三號固相收集罐及其他附件組成。三聯(lián)五網(wǎng)振動篩安裝在一號罐罐面，并預留1臺除氣器位置，大排量低速離心機、中速離心機安裝在二號罐罐面，高速離心機安裝在三號罐罐面，加重泵、混合漏斗等安裝在加重循環(huán)罐，每一個循環(huán)罐內部根據(jù)倉體大小、鉆井液密度、粘度選用功率為7.5~11kW攪拌器。一號固相收集罐收集三聯(lián)五網(wǎng)振動篩分離出來的固相；二號固相收集罐收集大排量低速離心機、中速離心機分離出來的固相；三號固相收集罐用于收集高速離心機分離出來的固相。另外根據(jù)鉆井實際工程需要另配一定數(shù)量的儲備罐。這種方案主要優(yōu)點是：

圖2 新型鉆井液固相控制與泥漿不落地一體化系統(tǒng)布置圖

（1）采用高性能的三聯(lián)五網(wǎng)振動篩既有鉆井液固液分離、固相控制功能，又有對分離出來的巖屑直接脫液干燥功能，實現(xiàn)一機多用功能，使得整個系統(tǒng)流程大大簡化。

（2）采用大排量低速離心機替代目前現(xiàn)場使用效果差、分離出固相含水率高的旋流除砂器、除泥器，能夠有效清除鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中大量細小有害固相，顯著降低排出固相含水率，大大提高鉆井液回收率，而且降低了能耗、提高了可靠性。

（3）將鉆井液循環(huán)凈化、固相控制與泥漿不落地高度融為一體，能滿足全井段、全排量鉆井液固相控制和巖屑隨鉆處理的要求。

（4）簡化現(xiàn)有的鉆井液多級固相控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩級凈化，流程合理、適應性強，固相清除率高，分離出來的固相含水率低，完全能滿足泥漿不落地要求。

（5）系統(tǒng)結構緊湊、占地面積小、勞動強度輕、安裝維護保養(yǎng)簡單，無需額外增加人員。

5 結論

綜合分析國內鉆井液固相控制、循環(huán)凈化與泥漿不落地技術與裝備現(xiàn)狀，提出采用鉆井液固相控制與鉆屑隨鉆處理一體化系統(tǒng)，既能對鉆井過程中進行高效固液分離和固相控制，滿足鉆井工藝的要求；同時也能對鉆屑濃縮脫液干化、液相回收利用，滿足泥漿不落地的隨鉆處理要求；無需另配泥漿不落地系統(tǒng)和第三方專業(yè)人員進行設備和技術服務，解決了目前在用的泥漿不落地工藝和裝備一般都是獨立于井隊固控系統(tǒng)之外，存在占地面積大、設備配置多、勞動強度大、需要人員多、技術經(jīng)濟效益不高等問題。實現(xiàn)了固相控制與泥漿不落地工藝技術一體化、設備配套一體化、設備管理一體化及人員配置一體化，顯著提高現(xiàn)有固控系統(tǒng)及泥漿不落地的經(jīng)濟性、有效性，實現(xiàn)了“全井筒、全排量、全過程”條件下鉆井廢棄物隨鉆過程減量化。隨著石油勘探向著縱深方向發(fā)展，這種固控效果好、固相清除率高、易損件壽命長、能耗低、系統(tǒng)可靠性高的鉆井液固相控制、循環(huán)凈化與鉆屑隨鉆處理的一體化系統(tǒng)必將具有更加廣闊的應用前景。