渤海水基钻井液减量化技术可行性研究

许 杰，张忠亮，李 斌，张贵磊，耿 铁

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油服油田化学事业部油化研究院，河北燕郊 065201）

由于国家对海洋环保政策的收紧，渤海零排放已是必然[1]，渤海湾一年平均要作业300 口井左右，单井产生废弃钻井液200 m3～300 m3，另外渤海当前的固控工艺，短期内无法进行深度提升，将使废弃物的总体量增加，平台的载荷、空间、废弃物的运输、废弃物的处理将会直接影响钻井作业的实效、成本。

由于钻井液成分组成复杂，且核心材料化学组分保密，由其衍生出来的钻井废弃物的成分和处理工艺只有钻井液服务商最为了解。国内外的统一认识是钻井液+废弃物处理一体化思路，才能达到资源重复使用及成本控制的目的。

钻井现场通过前端减量及重复使用，从源头上减少了废弃物的产生，通过工艺的组合及现场的调配，使之形成一套适合海洋的废弃物处理工艺，最终实现钻完井液服务和钻井废弃物服务的无缝对接和构建完整的一体化服务链[2-4]。

1 工艺搭建及室内评价

1.1 絮凝剂的优选

以滤液能够实现钻井现场回用为目的，尽量避免外来离子对滤液的污染[5，6]。目前行业内使用的絮凝剂都是接触型絮凝剂，所以絮凝速率不在考虑范围之内，絮凝剂的选择需要具有以下几个特点：易于配制、分离效果明显易于观察、絮凝剂本身易于清除、不破坏滤液原本性能。根据海洋作业的特点：上部海水膨润土浆、下部聚合物体系，针对性的选择絮凝剂。行业内几种常见用于处理废弃钻井液的絮凝剂使用浓度及使用范围（见表1）。

针对上部海水膨润土浆体系：加入高分子电解质时，黏土对高分子的强烈吸附作用使胶粒之间形成链桥，形成高分子链状物絮凝体，最终沉降。

表1 絮凝剂种类及配制浓度Tab.1 Types and concentration of flocculants

（1）采取现场取回的海水膨润土浆（1.09 g/cm3），按照GB/T 16881-2008 《水的混凝、沉淀试杯试验方法》，上部地层使用海水膨润土浆钻进，成分相对简单，根据此特点选择合适的絮凝剂，需要保证单位时间内的处理量，即废弃物产出量与处理量的对比，选择絮凝剂的加量，保证效果的同时实现压滤液回用（见表2、图1）。

根据上述实验，基本验证了在海水膨润土浆体系，使用絮凝剂C 即可实现高效的固液分离，且滤液可以实现全部的重复使用。

（2）现场使用聚合物钻井液成分相对复杂，本身为较为稳定的胶体体系，体系中胶体颗粒被聚合物材料包裹，胶体周围双电层更不容易被破坏，胶体之间稳定性更强，所以固液分离前需要破坏钻井液的稳定，尽量破坏掉胶体周围包裹的聚合物及双电层，使胶体颗粒直接接触絮凝剂[7，8]。同时考虑絮凝剂离子对后续滤液回用的效果，根据对前边絮凝剂离子清除情况的分析，在絮凝效果相同的情况下，优先选择离子易于清除絮凝剂。

下部聚合物体系：高价离子的无机絮凝剂，其离子对胶粒双电层直接压缩，高价离子的离子交换和吸附作用，使胶体变为中性，降低溶液稳定性，胶粒之间发生絮凝沉淀（见表3）。

表2 絮凝效果及絮凝剂加量实验Tab.2 Experiments of flocculation effect and flocculant dosage

图1 不同絮凝剂对钻井液固液分离效果Fig.1 Solid-liquid separation effect of different flocculants on drilling fluid

表3 现场钻井液絮凝实验Tab.3 Field flocculation test of drilling fluid

根据前边的评价实验，本着离子便于清除的原则，针对体系选定了可以满足固液分离的絮凝剂。

1.2 固液分离设备选择

前边在室内进行了钻井液固液分离的模拟实验，确定了絮凝剂的使用方法及原则，根据现阶段国际通用的处理工艺，化学处理法与物理处理法相结合的废弃物固液分离方法[9-11]。其中化学固液分离法是向钻井液废弃物中加入一定量的破胶剂对体系进行破胶、絮凝，再使用物理处理法利用固控设备使体系经化学脱稳后的自由水与固相颗粒分离。

化学脱稳破胶后，体系的辅助脱水方法按脱水原理通常可分为自然沉降脱水法、离心分离脱水法、压滤脱水法等几大类，自然沉降法适合一般的工地水处理、水厂污水处理，国内陆地油田基本都使用离心分离法、压滤法。根据陆地长期的应用经验及需要在现场实现钻井液重复利用的要求方面考虑，对几种固液分离法的分析，确定现场使用隔膜板框式压滤机进行作业。几种分离方法的特点（见表4）。

1.3 滤液回用评价

表4 不同机械脱水方式设备的特点Tab.4 Characteristics of equipments with different mechanical dewatering methods

表5 滤液离子分析Tab.5 Analysis of filtrate ions

固液分离后的滤液需要重新回到钻井液中实现循环使用，滤液能否实现回用是检验工艺搭建合理与否的唯一标准，回用前对滤液进行离子测定及处理，可以将絮凝剂带来的离子全部清除（见表5）。

按照钻井液的室内评价方法，通过对比实验分析回收的滤液对体系的影响，按配方对比测量老化前流变性、老化后流变性、API 失水、pH 值、悬浮性、水分析（见表6、表7）。

表6 滤液回用配方Table 6 Formulas for filtrate reuse

表7 滤液回用性能对比Tab.7 Comparison of filtrate reuse performance

通过常规配制和滤液配制钻井液（有土相、无土相）的性能对比评价及分析，确定滤液配制钻井液性能达到要求（见图2）。

图2 滤液离子分析Fig.2 Analysis of filtrate ions

滤液水分析结果证明，固液分离后的滤液中盐基本都留在滤液中，使废弃钻井液中的有用部分实现了循环利用。

2 现场应用

依据室内钻井液固液分离工艺的整体评价效果，在渤海的现场现已针对两个区块的钻井液体系进行了现场减量处理及滤液的重复使用。

2.1 现场作业及效果

现场使用絮凝罐回收待处理钻井液，配药罐配制絮凝剂A/絮凝剂C，根据室内搭建的工艺进行现场作业，使用隔膜板框压滤机进行现场废弃钻井液的固液分离及重复使用。

压滤过程中，压滤机进液口维持在压力0.7 MPa左右。滤液颜色较API 失水颜色淡，滤液输出澄清，完成进料后，启动压榨系统进一步降低滤饼含水率，压榨完成正常脱板，完成整个工艺。

采用压滤技术在海上实现了固液分离后，滤液在PL、QHD 区块作业期间采用配浆和配制成胶液的方式进行回用，在现场对滤液配浆及补充滤液配制的胶液井筒循环的钻井液进行性能监控，性能指标与海水配浆性能相当，全部实现重复利用（见表8～表10）。

3 结论

（1）利用行业内的水基钻井液处理技术，针对海洋作业特点，对现阶段使用的钻井液固液分离工艺进行了探索，形成了一套能够满足现场作业的絮凝压滤调质法工艺。

（2）对渤海钻井工艺，进行固液分离效果的评价研究，以滤液回用为原则，不同井段钻井液针对性的使用破胶絮凝剂，确保滤液中残余的离子便于清除，在滤液的重复利用过程中，对钻井液性能不产生不利影响。

表8 滤液配浆性能对比（PL 区块）Tab.8 Comparison of filtrate mixing performance（PL block）

图3 现场应用情况对比Fig.3 Field application comparison

表9 滤液配浆性能对比（QHD 区块）Tab.9 Comparison of filtrate mixing performance（QHD block）

表10 现场处理钻井液统计Tab.10 Field treatment of drilling fluid statistics

（3）利用此套工艺处理后的钻井液，将废弃钻井液体积减少80 %，分离后的液相（含有可溶性盐）全部实现回用，低含水量的固相也便于装箱运回陆地。