我国钻井液净化和不落地系统现状与对策研究

董怀荣

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257000）

1 概述

钻井液是石油钻井过程不可或缺的循环流体，在钻井液循环过程中含有大量不同颗粒大小的岩屑进入钻井液体系，对钻井液性能影响颇大。因此当井筒中返回到地面的含有大量岩屑的固液混合物必须通过地面固液分离设备进行净化，以满足钻井工艺要求。大量钻井实践表明，在钻井液中有害固相颗粒每减少1%，钻头寿命可延长7%以上，钻井速度可提高29%以上，而且特别是细小固相颗粒的存在对固控设备、钻井泵的易损件以及井下工具、仪器、油气层保护都有着巨大不利影响。因此地面固控设备尽可能多地将钻井液中有害固相分离出来，实现钻井液功能最大化，确保安全、高效、环保地钻井[1]。

实现固液分离的方法很多，但从钻井液固控系统的发展历程及现状看，依据固相和液相之间的密度差原理进行固液分离、固相控制方法仍然是当前石油钻井过程中最有效手段，而且固液分离速度、效率、精度、钻井液循环速度基本能够满足钻井速度要求。虽然有的固液分离方法精度较高、固相含水率较低，但固液分离速度与效率不能很好满足大排量钻井液循环速度要求，因此今后很长一段时期内，基于密度差原理研发的固液分离设备仍然是主流，研究攻关的方向仍然是以改进提高首级净化设备——振动筛性能为核心、全面提高次级净化设备——离心机性能为主的技术路线，实现钻井液固控系统的安全环保、节能高效。

2 我国钻井液循环净化系统现状

近年来，我国钻井液固控系统从工艺技术、装备配套都有了较大改进，钻井液主要循环净化处理流程：从井筒上返的固液混合物依次通过振动筛、除砂器、除泥器、离心机等固控设备进行固液分离，液相重复循环，分离出的钻屑等固相以及钻井过程中产生的废弃泥浆、固井替浆过程从井筒上返的水泥浆等混合物全部排入泥浆池，漂浮在泥浆池上面的漂浮泵从中吸入上部清液补充返回固控系统中。这种工艺存在的主要不足是[2]：

（1）振动筛筛网数量少、目数不高，处理量不足，分离精度低，筛网易堵塞，存在“糊筛”、“跑泥浆”情况发生，处理后的钻屑等固相含水率高，难以达到泥浆不落地车辆拉运要求。

（2）除砂器、除泥器采用的是旋流分离原理，受到处理介质的密度、粘度、固相含量、流速等影响较大，性能不稳定，在旋流器内部的摩擦导致岩屑更加细化，清除更加困难，砂泵能耗高，分离出来的底流固相含水率高达85%以上。

3 我国泥浆不落地系统现状分析

钻井生产过程中产生的废弃泥浆是一种含粘土、加重材料、各种化学处理剂、污水、污油、重金属及钻头破碎地层的钻屑等混合物。如果大量的废弃泥浆未经处理直接排放到泥浆池进行就地固化掩埋，会存在以下问题：

（1）经过泥浆池的自然沉降，上面澄清的泥浆水作为钻井液循环使用，必然会有一些岩屑和砂砾进入钻井泵，被再次送入井底，导致钻井液固控系统中参与循环的钻井液中有害固相显著增加，造成钻井泵易损件、井筒中工具与仪器、钻头寿命的大大缩短，钻速降低，破坏钻井液的造壁性能，甚至造成井塌、卡钻等事故。

（2）钻井过程中产生的废弃泥浆存在较大环境污染风险，其主要污染物特性是具有高COD、高BOD、高油类、高Cl-、高pH值、高悬物固体并含有重金属等特性。若将其存留于井场泥浆池，如遇到暴雨或其他水源汇集井场，或泥浆池的渗漏、溢出等，废弃泥浆都可能会泄漏到邻近的农田、水体和表层土壤中，破坏井场附近的生态环境。

随着国家环保法律法规的日益完善及环境监测监管力度的加大，各地方环保部门要求石油钻井全井段实现废弃钻井液及钻屑现场不落地，不再允许开挖泥浆池和占地。目前比较有代表性的废弃泥浆不落地处理方式主要有如下几种工艺[3-4]：

（1）以压滤机为关键设备的泥浆不落地工艺。在井队在用固控系统基础上，串联一套以板框压滤机为关键设备的泥浆不落地系统。工艺过程如下：井队在用振动筛、除砂器、除泥器分离出来的湿钻屑及废弃泥浆直接排入到与其串联的岩屑收集搅拌装置中，添加各种处理剂溶液，使其破胶失稳。待充分搅拌、破胶后，再泵入到板框压滤机内，进行压滤脱液干化，压滤分离出来泥饼进入固相收集罐中临时存放；压滤机分离出来的压滤液进入液相收集罐中，再转运至废液处理站进一步深度处理。中速离心机、高速离心机分离出来的固相含水率较低（小于60%）情况下直接拉运；如果含水率较高（大于60%）同样需要压滤机进行压滤。

这种工艺主要优点是处理后的废弃固相呈现泥饼状，固相含水率较低，通常小于40%，减量化效果比较明显，易于运输，特别是对于下部地层采用固液分离难度较大的聚合物磺化钻井液体系钻进施工产生的废弃泥浆，易采用这种板框压滤工艺。

但同样存在一些不足，主要是：井队振动筛、除砂器、除泥器等排出的含液量较高的固相直接进行混合搅拌和压滤，钻井液回收率相对较低；压滤过程需另加破乳剂、絮凝剂、破胶剂等药品，固相及滤液中会比原钻井液多出添加的化学药品，存在越治越多现象；滤液及清洗设备的废液量很大且不能回用，后期废液处理量大且费用高；压滤机操作维护相对较复杂，易损件（滤布等）更换频繁，劳动强度大，现场使用人员较多，需要委托第三方专业人员进行管理和操作；压滤机间歇工作，处理效率低，难以很好地满足快速钻进工艺要求，需要现场备用储备罐多；使用成本较高。

（2）以串联脱液干燥振动筛和离心机为关键设备的泥浆不落地工艺。就是在井队在用固控系统基础上，旁通串联一套脱液干燥振动筛和中速离心机，用于回收钻井液和对固相脱液干燥，并使得处理后固相能够含水率小于70%，达到固相废弃物转运要求。主要工艺过程为：井队在用除砂器、除泥器、中速离心机、高速离心机分离出来的固相直接排入固相收集罐中临时存放；井队在用振动筛分离出来的湿钻屑及跑浆的废液直接排入到与其串联的干燥筛进行进一步固液分离和脱液干燥，分离出来的液相泵入旁通的中速离心机进行固液分离和脱液干燥，分离出的液相返回井队固控系统参与循环使用，干燥筛、旁通的中速离心机分离出的固相排入固相收集罐中临时存放，再转运至指定地点。

这种处理方式主要优点是：采用振动加离心的物理方式固液分离，可连续工作，不牺牲钻井速度，不添加任何其它化学药处理剂，回收的液相可全部循环使用，大大提高减量化效果和钻井液的回收率。

主要存在的不足是：系统复杂，占地面积大、设备配置多、劳动强度高、需要额外增加人员、能耗高等问题；这种方案并没有提高原有固控系统的技术效果，特别是对于粘度高、密度大的固液混合物固液分离难度较大，清除效率低，大量细小有害固相未能从钻井液循环系统中有效分离出来，除砂器、除泥器的排出的固相含水率高达80%以上（质量比），几乎无法拉运，不能同时满足全井段钻井液固相控制和泥浆不落地的要求[5-6]。

4 新型钻井液固相控制与泥浆不落地一体化系统

随着相关环保法律、法规的出台和施行，以及勘探开发的难度和钻井深度不断增加，对钻井过程环保要求以及钻井液的性能要求越来越高，所添加的钻井液处理剂种类和数量越来越多，导致钻井液的成份越来越复杂，固液分离难度以及对施工环境的污染风险越来越大，迫切需要既能满足钻井液固相控制要求又能满足钻井施工环保要求的新型高效、环保、固相清除率高的钻井液净化与钻屑随钻处理系统。

通过调研分析国内外钻井液固相控制系统现状以及泥浆不落地应用情况，为克服上述方案存在的不足和发挥各自优势，研究形成一套以振动干燥和离心为主的新型钻井液固相控制与不落地一体化系统，仍然采用密度差固液分离原理，通过提高振动筛和离心机的性能，实现钻井液两级净化，减少固控系统的级数，优化固控设备系统布置，降低能耗，提高钻井液固相控制效果，同时分离之后的固相含水率小于70%，可以直接拉运，显著提高钻井液回收率，降低钻井综合成本[7]。

主要工艺流程如图1所示：井筒上返的固液混合物进入三联五网振动筛进行固液分离和脱液干燥，分离后的液相依次进入大排量低速离心机、中速离心机、高速离心机进行进一步逐级固液分离和脱液干燥，分离之后的液相进入加重循环罐的钻井泵吸入仓，然后再进行钻井循环使用；经三联五网振动筛、大排量低速离心机、中速离心机、高速离心机分离出的固相直接排入固相收集罐中临时存放，然后拉运至指定地点进一步无害化处理和资源化利用。

图1 新型钻井液固相控制与泥浆不落地一体化工艺流程

决定整套工艺效果的关键是三联五网振动筛、大排量低速离心机、中速离心机、高速离心机等设备。三联五网振动筛是首级全流量钻井液净化设备，是目前在用固液分离设备中能耗最低的设备，是整个系统的关键设备，其性能高低直接影响全套工艺流程及其效果，可以将井筒上返的固液混合物中70%以上的固相分离出来并进行脱液干燥，三联五网振动筛是由三个单台振动筛并联安装在一个底座上，每台振动筛具有较大的激振力和较高的振动强度，固液分离能力强，处理量大，每台振动筛使用的是五张板式复合式细目筛网，净化精度较高，使用过程中要根据钻遇不同地层使用不同的钻井液性能选用目数较高的筛网，以提高筛分效果和降低排出固相的含水率，减轻后续固控设备处理压力。例如：每台振动筛的前3张筛网使用超细目（160~200目），主要承担大排量的固液分离功能，有效遏制跑浆现象；后2张网使用细目（120~160目），主要承担对前三张筛网分离出来的固相废物进行振动脱液干燥，进一步降低其含水率。

每一单台振动筛技术性能不低于如下要求：液相处理量：不低于200m3/h；固相处理量：不低于15m3/h；单台电机功率：4.0~5.5kW；振动强度：6.5~8.0g；筛分面积：3.4~4mm2；筛网数量：5张；筛网型式：板框复合式多层筛网；筛网目数：120~300目。

针对目前旋流除砂器、除泥器现场使用效果不好，跑浆严重，钻井液损失最多的环节，分离出来的固相含水率较高，尤其是下部地层使用固液分离难度较大的钻井液钻进时，旋流除砂器、除泥器固液分离能力更低，而且分别给除砂器和除泥器供液的每台砂泵功率45~55kW，两台砂泵功率高达90~110kW，能耗高。因此采用一台大排量低速离心机全过程代替除砂器、除泥器，用于处理经过三联五网振动筛分离之后的液相，离心机分离因数高，固液分离效果好、有害固相清除率高、分离之后的固相含水率小于45%，既能满足固相控制要求也能满足泥浆不落地对钻屑等废弃固相转运要求；同时减少整个固控系统级数，实现两级净化，系统可靠性提高，能耗降低。

针对不同钻机类型、适应不同井深要求，优选大排量低速离心机主要技术性能不低于以下指标要求：滚筒直径800~1000mm，滚筒转速900~1200r/min，处理量100~120m3/h，分离粒度：10~15μm，功率：75~90kW。

另外，还需配套井队常规使用的1台大排量中速离心机及1台高速离心机。大排量中速离心机主要技术性能不低于以下指标要求：滚筒直径450~500mm，滚筒转速1700~2200r/min，处理量60~80m3/h，分离粒度：5~10μm，功率：45~55kW；高速离心机主要技术性能不低于以下指标要求：滚筒直径400~450mm，滚筒转速2600~3200r/min，处理量40~60m3/h，分离粒度：3~5μm，功率：37~45kW。

钻遇上部地层下时，中、高速离心机要全程开启使用，尽可能多地清除胶体等有害固相，避免钻头起泥包和地层造浆现象的发生；钻遇下部地层根据钻井液性能及钻井工艺要求间断使用中、高速离心机，以控制钻井液中固相含量、含砂量、粘度和密度。低、中、高速离心机组合既可以用于常规固液分离也可以用于重晶石回收。

根据新型钻井液固相控制与泥浆不落地一体化工艺流程，形成如图2所示一体化系统总体布局图，系统主要由一号罐、二号罐、三号罐、加重循环罐、三联五网振动筛、大排量低速离心机、中速离心机、高速离心机、搅拌器、除气器（预留）、加重泵、混合漏斗、一号固相收集罐、二号固相收集罐、三号固相收集罐及其他附件组成。三联五网振动筛安装在一号罐罐面，并预留1台除气器位置，大排量低速离心机、中速离心机安装在二号罐罐面，高速离心机安装在三号罐罐面，加重泵、混合漏斗等安装在加重循环罐，每一个循环罐内部根据仓体大小、钻井液密度、粘度选用功率为7.5~11kW搅拌器。一号固相收集罐收集三联五网振动筛分离出来的固相；二号固相收集罐收集大排量低速离心机、中速离心机分离出来的固相；三号固相收集罐用于收集高速离心机分离出来的固相。另外根据钻井实际工程需要另配一定数量的储备罐。这种方案主要优点是：

图2 新型钻井液固相控制与泥浆不落地一体化系统布置图

（1）采用高性能的三联五网振动筛既有钻井液固液分离、固相控制功能，又有对分离出来的岩屑直接脱液干燥功能，实现一机多用功能，使得整个系统流程大大简化。

（2）采用大排量低速离心机替代目前现场使用效果差、分离出固相含水率高的旋流除砂器、除泥器，能够有效清除钻井液循环系统中大量细小有害固相，显著降低排出固相含水率，大大提高钻井液回收率，而且降低了能耗、提高了可靠性。

（3）将钻井液循环净化、固相控制与泥浆不落地高度融为一体，能满足全井段、全排量钻井液固相控制和岩屑随钻处理的要求。

（4）简化现有的钻井液多级固相控制系统，实现了两级净化，流程合理、适应性强，固相清除率高，分离出来的固相含水率低，完全能满足泥浆不落地要求。

（5）系统结构紧凑、占地面积小、劳动强度轻、安装维护保养简单，无需额外增加人员。

5 结论

综合分析国内钻井液固相控制、循环净化与泥浆不落地技术与装备现状，提出采用钻井液固相控制与钻屑随钻处理一体化系统，既能对钻井过程中进行高效固液分离和固相控制，满足钻井工艺的要求；同时也能对钻屑浓缩脱液干化、液相回收利用，满足泥浆不落地的随钻处理要求；无需另配泥浆不落地系统和第三方专业人员进行设备和技术服务，解决了目前在用的泥浆不落地工艺和装备一般都是独立于井队固控系统之外，存在占地面积大、设备配置多、劳动强度大、需要人员多、技术经济效益不高等问题。实现了固相控制与泥浆不落地工艺技术一体化、设备配套一体化、设备管理一体化及人员配置一体化，显著提高现有固控系统及泥浆不落地的经济性、有效性，实现了“全井筒、全排量、全过程”条件下钻井废弃物随钻过程减量化。随着石油勘探向着纵深方向发展，这种固控效果好、固相清除率高、易损件寿命长、能耗低、系统可靠性高的钻井液固相控制、循环净化与钻屑随钻处理的一体化系统必将具有更加广阔的应用前景。