魏学成1
1. 中石化胜利石油工程有限公司 山东 东营 257000
摘要：针对当前胜利油田钻井废弃物处理中存在的难点，开发了适用于胜利油区的抗温环保钻井液体系，其抑制能力强，能够同时满足环保与抗温的需求；研发出满足胜利钻井需求的钻井液不落地装备，形成了一整套具有胜利特色的废弃物处理工艺和钻井液随钻随治处理技术；打造了契合胜利施工现场的钻井液再循环利用体系，液相回用率可达100%，污水实现零排放，钻井固废资源化利用率达75%以上，能源消耗显著下降。该废弃物减量化技术体系为钻井现场环境保护奠定了基础，为胜利油田绿色钻井技术和黄河三角洲湿地生态保护提供了技术保障，具有良好的应用效果和推广前景。
关键词：钻井废弃物；减量化技术；钻井液不落地；再循环；绿色钻井
Waste Reduction Technology Escorts Green Drilling in Shengli Oilfield
WEI Xuecheng1
(1. Shengli Petroleum Engineering Company Ltd., Sinopec, Dongying, Shandong, 257000, China)
Abstract: In view of the difficulties in drilling waste treatment in Shengli Oilfield, a temperature -resistant and environmentally friendly drilling fluid system suitable for Shengli Oilfield has been developed, which was strong inhibition ability and could meet the needs of environmental protection and temperature resistance at the same time. The drilling fluid non-landing equipment for Shengli drilling has been developed, thus a set of waste treatment technology while drilling with Shengli characteristics was formed. A drilling fluid recycling system suitable for Shengli Oilfield’s construction site has been established. The liquid phase recovery rate could reach 100 %, with zero discharge of the sewage, above 75% utilization rate of drilling solid waste, as well as the significant decrease of the energy consumption. The waste reduction technology system lays the foundation for environmental protection at the drilling site, provides technical support for green drilling technology in Shengli Oilfield and wetland ecological protection in the Yellow River Delta, and has good application effects and promotion prospects.
Keywords: Drilling waste; Reduction technology; Non-landing technology; Recycling of drilling fluid; Green drilling
胜利油区地处山东省东营市，市内的黄河三角洲湿地是共和国温暖带最年轻、最壮阔、保存最完整、面积最大的以保护黄河口新生湿地生态系统和珍稀濒危鸟类为主体的湿地类型保护区，是物种保护、候鸟迁移和河口生态演替研究的重要地点。在这里起步发展的胜利油田已经走过了半个世纪的历程，随着黄河三角洲湿地保护等级的不断提升，如何在实现油田可持续发展的同时，更好地保护好自然环境，成为了摆在石油人面前的一个必须解决的难题[1]。其中，对钻井液废弃物的环保处理一直是钻井生产中的一项必要的工作内容。多年来，胜利油田一直采用成熟的处理方式，即在钻井完井工作结束后，对存储池中的废弃物进行无害化、固化处理；但这种方式存在一定局限性，废弃物很难得到彻底处理，遇雨水冲蚀导致的循环池渗漏、溢出等将对地下水体产生难以预计的影响[2]。因此随着生态环境要求的日益提高，现有处理方式已不能很好地满足环保需求。如何无害化处理钻井废弃物，尽可能减少钻井废弃物对环境的负面影响，是决定油气勘探开发过程环保效果的亟需解决的问题，是实现胜利油田绿色钻井的有效保障[3]。
钻井液不落地技术改变了传统挖泥浆坑的做法，能够实现钻井施工中废弃物处理与钻井液回收再利用[4-5]。基于井队“固控”系统的废弃物处理技术，岩屑固渣处理及废液处理回用是其核心技术[6]。其能够同时满足固井返排液及钻水泥塞被污染的钻井液等回收与集中处理，实现清洁生产，并从根本上消除环境污染隐患，处理成本随配套技术的不断成熟和规模应用大幅降低[7]。目前胜利油田采用的废弃钻井液“末端治理”技术，工艺复杂，设备投入大，处理成本高，处理不彻底，无法解决废弃钻井液的环境污染问题[8]；因此研发环保型水基钻井液体系，从源头上控制废弃钻井液污染，已成为现阶段绿色钻井重要途径。目前国内外开展了大量如聚合醇、植物胶、甲酸盐等环保型水基钻井液体系的相关研究[9-10]，但这些体系为了满足胜利油田沙河街组及以下地层的井壁失稳等技术难题，需复配磺化树脂、沥青及磺酸盐等难生物降解的抗温防塌处理剂，且存在成本高、性能稳定性差等不足[11]。钻井液回收再利用技术能实现废弃物的不落地收集，依靠可靠的废弃泥浆再生技术实现泥浆的再生，最后利用废弃钻屑制备资源化产品，整个处理过程实现不落地，零排放，资源化[12]。但其依然存在设备运行不稳定，不同类型钻井废弃物处理的普适性差，以及应对复杂条件下的钻井废弃物能力不足等问题[13]。因此，针对胜利油田当前绿色钻井需求和钻井液废弃物处理方面存在的问题，通过开发出高效的环保处理剂，形成适合胜利油区深部地层的抗温环保钻井液体系；研发能满足胜利施工的钻井液不落地装备，形成钻井液随钻随治处理技术；加大钻井液回收利用力度，打造胜利“再循环”模式，最终形成了一整套适用于胜利油田的钻井废弃物减量化处理技术，实现为胜利油区绿色钻井保驾护航。
1 胜利油田钻井废弃物处理难点
1.1环保钻井液抗温性不足
目前胜利油区开发应用的环保钻井液普遍存在成本高、性能稳定性差、抗温性不足等问题，针对深部井段的井壁失稳与钻井液稳定性技术难题，需要复配使用含磺化的处理剂，对于钻井液环保性能造成了损害，而完全去磺化则导致抗温性能的不足，因此如何在基于改性淀粉等天然处理剂的基础上继续开发高效的抗温环保降滤失剂、环保抑制剂、环保润滑剂等环保型水基钻井液系列配套处理剂，构建综合性能良好的抗高温环保型水基钻井液体系，是当前利油田环保钻井液技术的主要需求。
1.2钻井液回收处理方法的缺陷
针对当前的固化与回收再利用方法，回填处理法主要适用于废淡水钻井液及其钻屑的处理，对毒性较大的废钻井液不宜采用；挤压处理法主要适用于毒性较大而难于处理的废钻井液的处理，其缺点是处理成本较高；垦植处理法主要适用于淡水钻井液和部分，易被生物降解的油基钻井液的处理；固化处理法存在废物中的某些成分可能导致固化剂降解，以及固化剂用量大，处理后物料的体积增多等问题。而且这些方法共同特点都是事后处理，不利于加重钻井液的回收和再利用，造成了效率不高、成本增加、环境污染等问题。
1.3钻井液不落地设备存在的不足
在实际施工中，钻井液不落地设备存在以下三方面问题。首先，设备运行不稳定，针对不同井，不同钻井液配方，不同开次而生成的废弃物性质差异大，处理过程不够稳定；其次，不同类型钻井废弃物处理的普适性差，不同类型钻井液废物性质不同，导致处理药剂类型、用量上都有差异；最后，应对复杂条件下的钻井废弃物能力不足，如针对废弃解卡液、废弃堵漏液等处理能力不足。
2“新体系”让钻井液更环保
钻井液是钻井的血液，承担着保障钻井施工作业安全的重任。随着油田勘探开发的不断深化，钻井数量、难度都在不断增大，钻井液的成分随之越来越复杂，钻井废弃物的成分也变得更为复杂；胜利油区作为东部老油田的典型代表，辖区内水系发达，生态环境脆弱，一旦被污染生态恢复困难。
针对胜利油区的地质和作业特点，确定了“分层实施、分段优化”的处理原则。
胜利油区具有上部地层松软、机械钻速快、钻屑产量大、易造浆的特点，小循环后期往往需要大量排放钻井液，且极易发生钻头泥包、井眼缩径等复杂状况；而中下部沙河街及以下地层具有埋藏深、温度高，泥岩硬脆、层理性强和易发生坍塌等特点，抗温处理剂较难降解从而造成污染。
为满足环保及施工的需求，针对上部地层特点，开发了适宜减量化作业的强抑制钻井液，其核心技术思路为通过钙处理控制地层造浆。自2016年初在胜利油区开始应用以来，该技术不断成熟且扎实推进，在施工中能够将大颗粒、清爽的钻屑自振动筛分离出来，钻具表面结净，井径规则，试验井未出现复杂工况，得到了广泛的应用。
另一方面，通过合理的分子结构设计及天然物质改性，研究出了抗温性好、生物无毒的环保处理剂，摒弃了常用的磺化树酯、矿物油润滑剂等处理剂，提升了钻井液的环保性能，形成了现场可抗150℃高温的环保型钻井液体系。该技术打破了常规抗高温钻井液为黑色的刻板印象，随着清洁絮凝剂、环保梳型聚合物降滤失剂、环保润滑剂的研发与应用，抗高温钻井液的颜色越来越浅，能够较好的满足湿地、海洋等环境敏感区的作业。
从图1和图2不难看出，与有机盐、聚合醇、MEG等钻井液体系相比，研究形成的抗高温环保钻井液体系具有最强的抑制能力，在常温和高温下其抑制造浆能力最强，具有最高的岩屑回收率；该体系能够同时兼顾抗温能力与抑制性，在具有较强的环保和抑制能力的同时具有很强的抗温能力，能够满足胜利油区沙河街组及以下地层的抗温、抑制、环保要求；该体系EC50值高达6.96×105mg/L，具有很低的生物毒性，对环境伤害小，是一种环保的高效钻井液体系。
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图1 环保钻井液体系抑制能力
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图2 环保钻井液体系的生物毒性
3“不落地”助钻井更清洁
通过研发能满足胜利作业需求的钻井液不落地装备，探索并形成了一整套具有胜利特色的废弃物处理工艺，最终形成了满足胜利钻井施工现场的钻井液随钻随治处理技术，满足了现场作业需求中钻井液“不落地”技术的全面推广，为降低钻井液及废弃物的有害物质含量打造了坚实基础。
2019年胜利油田《绿色企业行动计划实施方案》发布，将原定于2020年达到绿色企业标准的时间提升至2019年底。因此在钻井方面要求全面推广泥浆不落地工艺。而实际应用中，市面上几乎没有一台不落地的设备可以同时满足胜利油区上、下部地层钻进中的固控需要。理想的不落地设备应满足上部地层快速钻进产生的大量废弃物处理需要，同时能够保证下部地层钻井废弃物的有效分离。而往往稳定的钻井废弃物不使用破胶剂无法实现固液分离，使用破胶剂分离后的液相也无法现场回收再利用，且处理水的费用再一次造成了成本的增加。
针对上部地层机械钻速快、泵排量大、钻屑量大的问题，通过数值模拟和沉降理论计算，创新研制了一套二流道多仓体快速沉降装置，实现了钻井液快速自然沉降；沉降时间仅为5～8min，处理量达到200m3/h；在排量50L/s、最快机械钻速95m/h的情况下，实现了对钻井液的快速固液分离，固相清除率达98%以上，完全满足上部地层快速钻进的工艺要求。配合上部地层钙处理钻井液体系，产生的废弃物可现场减量50%以上，用水量节约45%以上，从源头上有效控制了固废总量。
针对中下部地层钻井废弃物固液分离难度大等难题，通过固液分离参数优化、随钻处理设备研发等，形成了钻井液固相控制与高效固液分离一体化集成技术。装备的处理能力达到200m3/h，钻屑含液率为35~57%，实现了随钻随治、循环使用、工完料净的技术优势，解决的传统的不落地设备独立于固控设备之外，充分整合了固控设备与不落地设备，形成了真正的成套一体化装备及配套工艺，与常规装备相比现场占地面积节约了30%以上。
钻井液随钻随治处理技术实现了钻井施工过程中泥浆“不落地”效果，全面杜绝了钻井生产污染，让循环池成为历史。钻井生产中产出的钻井液、岩屑，可通过此装备实现固液分离，分离后液相回收到循环罐内用于再生产；而分离出的岩屑被压成泥饼，回收后，进行无害化及资源化再利用。如此一来，原本进入循环池的废弃物“变废为宝”，井场实现了“一滴废水不落地，一滴泥浆不落地”。
目前，中石化胜利石油工程公司各单位施工的位于新疆、内蒙古、四川、重庆等国内外部市场，已全部实施钻井液随钻随治处理。胜利油区井位采用随钻随治处理技术的区域已达90%以上，钻井液“不落地”有效保证了钻井现场更清洁，更绿色，更环保。
4“再循环”让天蓝水绿
除了积极推进钻井液环保化，废弃物减量化，针对稳定的钻井液余浆，公司内部也加大了回收循环再利用力度。根据《胜利石油工程公司钻屑及钻井液治理管理办法》，实行公开招标，对转运车辆24小时卫星定位和视频监控。2020年，首先在胜利油区实现了全部井场钻屑和钻井液处置的不落地。实行“钻井井场至治理场站”和“治理场站至终端处置”两段联单制。制定承包商钻井固废治理检查考核标准，开展月度全覆盖检查考核；考核结果直接与承包商的经济效益挂钩。“十三五”期间，胜利油区根据“统一、协调、联动”的原则，建成了钻井液回收处理站10座，开发了“钻井液回收再利用网络调剂管理平台”，余浆回收再利用量超过10万方，回收再利用率达到了100%。根据内部测算，仅此一项，就为企业降本增效6000余万元。
而废弃固相按照“分层处理、经济处置”原则，形成了水基钻屑资源化处理集成技术，建成了水基钻屑资源化处理工程示范区，资源化处理总量达13.2×104m3。其中上部地层钻屑经过干化处理，用于井场铺垫和通井路铺设；中下部地层钻屑经无害化处理后，达到路基土标准，用于铁路路基土建设。对于不落地后产生的废弃液相，在现场通过配浆、设备冲洗及后续的联合站处理。
“十三五”期间，胜利工程公司通过通过改进工艺、技术、流程、设备，实施钻后治理，实现钻井泥浆不落地、稳定余浆再利用。积极将清洁生产、环保装备、绿色科技研发应用、再生资源利用等“新绿”模式融入到日常生产运行管理中，全方位树立“绿水青山就是金山银山”这一绿色发展理念，打造绿色生产、绿色发展、绿色服务、绿色文化为一体的绿色企业，打赢持续攻坚创效碧水蓝天净土保卫战。
5应用效果
实施胜利油区钻井废弃物减量化处理技术以来，水基钻井液固相控制与高效固液分离一体化装备目前已推广应用58套，配合使用减量化及抗高温环保钻井液体系，可实现固废体积减量50%以上，产生的固废可满足一类一般工业固废标准，液相回用率可达到100%。技术通过中石化石油工程公司的成果鉴定，相关技术成果及装备达到“国际先进水平”，2020年12月11日被评为中国石化石油工程公司内部优势产品。真正形成了一套适合胜利的可被推广复制的不落地处理模式，真正实现了去大循环池作业，平均每口井减少永久征地600m2以上。
目前，中国石化胜利石油工程公司钻井、作业废水及生活污水达到零排放，钻井作业废水回用率90%以上，生活污水综合利用率60%以上，钻井固废资源化利用率达到75%以上，能源消耗强度及工业用水效率相比2019年下降5%，泥浆不落地装备配备率达到100%。该技术体系为实现钻井现场施工环境保护奠定了基础，为胜利油田绿色钻井发展提供了助推力，为黄河三角洲湿地生态保护提供了技术保障。
6结论与建议
1）针对胜利油田绿色钻井需求，通过环保处理剂的开发，形成了适用于胜利油区的抗温环保钻井液体系，其抑制能力强，能够在满足环保要求的同时具有较强的抗温能力。
2）研发出满足胜利钻井需求的钻井液不落地装备，处理量达到200m3/h，产生的废弃物可现场减量50%以上，形成了成套一体化废弃物处理工艺，最终形成了具有胜利特色的钻井液随钻随治处理技术，占地面积较之于常规装备节约30%。
3）加大钻井液回收再利用力度，打造契合胜利施工现场的再循环体系，液相回用率可达到100%，资源化处理总量达13.2×104m3，胜利石油工程公司实现了污水零排放，钻井固废资源化利用率75%以上，能源消耗显著下降。建议加大该模式推广力度，拓展应用范围，提高钻井废弃物减量化技术水平。
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