國(guó)外油田鉆井廢棄物回注處理技術(shù)進(jìn)展_李厚銘

1、28期乍以銘等:國(guó)外油m鉆井廢棄物冋注處理技術(shù)進(jìn)展7319第12卷第28期2012年10月1671 1815 (2012 )287318-08科學(xué)技術(shù)與工程Science TtH-hnoIog) and EngintM*ring1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 28期乍以銘等:國(guó)外油m鉆井廢棄物冋注處理技術(shù)進(jìn)展73191994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights r

2、eserved, 28期乍以銘等:國(guó)外油m鉆井廢棄物冋注處理技術(shù)進(jìn)展7319石油技術(shù)國(guó)外油田鉆井廢棄物回注處理技術(shù)進(jìn)展李厚銘李學(xué)軍張福銘陳小華王雪山仲海油田眼務(wù)股份有限公司化學(xué)研究院北京101149 ）摘要油氣鉆井過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的鉆井廢棄物常見(jiàn)的鉆井廢棄物處理辦法有：熱處理；生物處理；通過(guò)海上平臺(tái)排海；通 過(guò)換充、鋪設(shè)路而或教他方法對(duì)因體進(jìn)行再利用；野外填埋；地下回注?；刈⒓夹g(shù)主嬰通過(guò)研磨戒者其他方法俗IS體變成細(xì) 小的顆粒，與水或者其他液體混合配成漿體再在一定的畧石破裂壓力卞，將漿體注入到地層中。鉆屑回注主要依靠壓裂，裂 發(fā)的大小、形狀和位宣可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)鉆屑回注的成本效益分析主

3、要基于三點(diǎn)：需處理的廢棄物量、當(dāng)?shù)胤?規(guī)、陸上處理設(shè)施的實(shí)用性。關(guān)鍵詞鉆屑回注 鉆井液鉆井廢棄物壓裂中圖法分類號(hào)TE357.8；文獻(xiàn)標(biāo)志碼A1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 28期乍以銘等:國(guó)外油m鉆井廢棄物冋注處理技術(shù)進(jìn)展73191994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 28期乍以銘等:國(guó)外油m鉆井廢棄物冋注處理技術(shù)進(jìn)展7319鉆井和完井過(guò)

4、程中由丁缺乏對(duì)鉆們的右效處 理于段，大雖富倉(cāng)右毒冇害化學(xué)物質(zhì)的廢棄泥漿和 鉆們隨地排放。一方面對(duì)自然界造成嚴(yán)重污染另 一方面乂造成泥漿材料的浪費(fèi)。因此對(duì)泥漿以及 鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的鉆屑進(jìn)行處理及回收利用，可有 效地避免由J：鉆井造成的環(huán)境污染同時(shí)可節(jié)約泥 漿材料，降低鉆井成本。油氣井鉆進(jìn)過(guò)程中將產(chǎn)牛兩種廢棄物:鉆井液 和鉆屑。鉆井液（泥漿）主要川于輔助鉆進(jìn)。鉆井 泥漿一般均含有撮土、水、硫酸鎖（取晶石）利一些 特殊添加劑。某些泥漿中還會(huì)加入一些有機(jī)物。 油U鉆井過(guò)程還會(huì)產(chǎn)個(gè)大雖的巖石顆粒這就是 鉆屑。鉆井泥漿被存放在陸地上的泥漿罐或泥漿池 屮通過(guò)鉆桿輸送到井底，再通過(guò)估頭的孔洞流出 來(lái)。泥漿能夠

5、潤(rùn)滑和冷卻鉆頭，攜帶鉆屑到地面。 泥漿和鉆旭在地面通過(guò)機(jī)械裝世進(jìn)行分離如振動(dòng) 篩、離心機(jī)等；流過(guò)振動(dòng)篩的泥漿將進(jìn)入泥漿系統(tǒng) 再循環(huán)。通過(guò)機(jī)械方法或加入各種添加劑的方法2012年6月I日收到第一作者簡(jiǎn)介:李厚銘Q985-）,男工學(xué)慎士.中海油田図務(wù)股份 冇限公司油川化曾研究院T.Rfip研究方向：酸化壓戰(zhàn)、鉆屆冋注 相關(guān)【藝技術(shù) E-mail ： lihm cost. coni, cn。圖1鉆頭鉆進(jìn)持續(xù)不斷的處理，町以維持竹效鉆進(jìn)所需的泥漿性 能。而固體鉆屑將會(huì)被存貯，待進(jìn)一步處理后排放。根據(jù)井深和井徑的不同每I丨井所產(chǎn)牛.的鉆井 廢棄物的數(shù)就也是不同的，一般箱況下每I I井均 會(huì)產(chǎn)牛上下桶鉆井

6、廢棄物。據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API） 估算995年，美國(guó)陸上油田共產(chǎn)出1.5億桶的鉆 井廢棄物其中大約 4 000萬(wàn)桶廢棄物是固體 鉆屑。1鉆井廢棄物處理大部分國(guó)外陸上汕m把鉆們存放在井眼附近圖2泥漿循環(huán)過(guò)程的人匚池里。鉆井結(jié)束后，池屮的液體被轉(zhuǎn)移和處 理剩下的固依被埋在合適的地方或者鋪機(jī)在井眼 附近的地面。部分常見(jiàn)的鉆井廢棄物處理辦法有"一列:熱處理；生物處理;通過(guò)海上平臺(tái)排海；通過(guò)填 充、鋪設(shè)路面或苴他方法對(duì)固體進(jìn)行再利用；野外 填埋;地下冋注。苴屮熱處理法是進(jìn)行處理油基鉆井液和鉆井 廢棄物的一種竹效方法處理過(guò)的固休原油質(zhì)雖分 數(shù)低于1%。目前巖屑熱分溜法在一些發(fā)達(dá)國(guó)家 應(yīng)用比較廣泛

7、.多為專業(yè)處理廠應(yīng)川。牛物處理利用微牛物將侑機(jī)長(zhǎng)鏈或有機(jī)高分 子降解成為環(huán)境可接受的低分子或氣體。該方法 的難點(diǎn)是選擇合適的微牛物菌種和載體。11鉆井廢棄物地下回注鉆屑冋注技術(shù)主要通過(guò)研磨或者其他方法將 固體變成細(xì)小的顆粒，與水或者其他液體混合配成 漿體,再在一定的巖石破裂壓力下將漿體注入到 地層中*。此外，回注還右兩種途徑：廢棄物在相對(duì)較低 壓力下注入到鹽巖溶腔、低丁地層破裂壓力情況下 回注地層（欠壓裂回注）。圖3鹽巖溶腔處理廢棄物鹽巖溶腔是通過(guò)一種可控的方式溶解地下鹽 層形成一個(gè)充滿鹽水的大型地下“容器”。目 詢，僅美國(guó)德克薩斯州允許在鹽巖溶腔內(nèi)處理鉆井 廢棄物，路易斯安那州尚在制定鹽巖溶

8、腔處理廢棄 物的相關(guān)法規(guī)。1.3欠壓裂注入在某業(yè)地質(zhì)條件中，以低地層破裂壓力的方 式地層也可以注入廢棄泥漿。廢棄物注入壓力比 正常冋注要低得多。最典型的案例是在美國(guó)徳克 薩斯州東部該巖層上覆鹽穹，巖層右天然裂縫廢 棄泥漿可以在非常低的地而注入壓力（甚至是負(fù) 壓）情況下注入地層。某公司在徳克薩斯州東部的 一些地區(qū)建成了一定數(shù)帚的欠壓裂冋注井，用于處 理來(lái)自黑西哥灣海上平臺(tái)的鉆井廢棄物。2鉆們冋注出:界許多海域都實(shí)行鉆井廢棄物零排放政策, 例如，北海地區(qū)、泰國(guó)灣、墨西哥灣、俄羅斯的遠(yuǎn)東 海域等。在當(dāng)?shù)劂@井區(qū)塊地質(zhì)條件允許"的悄況 下，采用鉆旭回注技術(shù)處理估井廢棄物9問(wèn)是晝經(jīng) 濟(jì)可行的方式

9、。在作業(yè)屮，施工設(shè)il至關(guān)巫要，它 關(guān)系到回注方式的選擇、冋注過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)控制和 成本筈制。2.1注入方式鉆們冋注右兩種類型，分別是環(huán)空注入和專用 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 28期乍叩銘每：國(guó)外油m鉆井廢棄物冋注處理技術(shù)進(jìn)展7321回注井注入'I?。環(huán)空注入是將廢棄泥漿從兩個(gè) 套管的屮間空隙注入，在外層套竹的底部鉆刖被 注入地層。專用冋注井注入可以在所右的套管下 方井段施丁也可以在所盂的冋注地層深度對(duì)套管 進(jìn)行射孔再注入。許多環(huán)空注入T.程僅設(shè)汁用

10、來(lái)接收一【丨井的 廢棄物。在多井眼平臺(tái)或者陸上鉆臺(tái)鉆取的第一 【I井一般用來(lái)接收第二II井的廢棄物。通過(guò)連續(xù) 作業(yè)將鉆井廢棄物注入到之前完鉆的井。在此模 式下單一注入井的注入時(shí)間校短，一般不會(huì)超過(guò) 幾周或幾個(gè)月。而其他注入施工，尤其是有專用回 注井，大約會(huì)在同一口井注入數(shù)月甚至幾年血一。 2.2鉆屑回注過(guò)程鉆鵬回注可使用一些常規(guī)的油田設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn) 單的機(jī)械處理如研磨、攪拌和泵入。第一步，固體 或者半固體的鉆井廢棄物被處理成可以回注的漿 體。廢棄物被收集利篩分去除大顆粒，防止顆粒堵 塞泵體或地層。將液體加入到固體屮造漿漿體通 過(guò)研磨或者苴他程序來(lái)減小顆粒等級(jí)123-25 O在注 入前漿體內(nèi)加入各種

11、添加劑，以得到合適的黏度 和其他物理特性。接看漿體通過(guò)冋注井注入到冃 標(biāo)地層。在漿體【叫注2前目標(biāo)地層需要經(jīng)過(guò)前處理方 可何注。第一步，注入清水使系統(tǒng)増壓，開(kāi)始?jí)毫?地層。當(dāng)諸水町以在破裂壓裂下正常流動(dòng)時(shí)，隨即 注入漿體。該批次漿體注入之后，再注入一些諸水 rfi洗井眼，然后停泵。當(dāng)漿體屮的液體部分返排 后地層壓力逐漸下降，漿體中的固體最終留在地 層中。鉆眉回注可以采用一次性的回注方式也可以 采用一系列的小批量間歇注入方式心在一些海 上平臺(tái)，鉆井過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，沒(méi)有足夠的空間存放 鉆們所以冋注必須通過(guò)鉆一 |丨新冋注井而保證不 間斷進(jìn)行。大部分的冋注都是設(shè)計(jì)為間歇冋注方式。施 丁過(guò)程屮每大冋注數(shù)

12、小時(shí)之后地層閉合斥力得 到釋放,然后第二天或者數(shù)H之后再繼續(xù)注入。2.3適合鉆屑回注的地層條件不同類型的巖石右不同的滲透率特性因?yàn)閹r石是由許多固體顆粒通過(guò)一定的化學(xué)或物理的力 結(jié)合到一起。在地層高壓下，水和苴他流體可以在 顆粒間的孔隙流動(dòng)。右些類型的巖石比如黏土和 頁(yè)巖,ft!非常細(xì)小的顆粒組成，顆粒間的孔隙較小, 流體無(wú)法輕易地流過(guò)。而砂巖由膠結(jié)的砂粒組成. 苴相對(duì)校大的孔隙可以讓流體較容易地流過(guò)。鉆屑冋注主要依靠壓裂因而冋注漿體的地層 滲透率是一個(gè)豆要參數(shù)它決定了巖層壓裂的難度 以及裂縫的規(guī)模和結(jié)構(gòu)。當(dāng)漿體不能在孔隙中繼 續(xù)流動(dòng)時(shí)繼續(xù)增大注入壓力，巖石就會(huì)被壓開(kāi)持 續(xù)的注入會(huì)導(dǎo)致巖層形成一

13、個(gè)大型裂縫”一兀。該 裂縫由一個(gè)從注入點(diǎn)開(kāi)始向上向外延伸的垂心:面 組成。而間歇注入會(huì)形成一系列校小的垂苴面，它 們?cè)谧⑷朦c(diǎn)附近形成一個(gè)裂縫區(qū)乩切。裂縫如果從注入點(diǎn)開(kāi)始在垂點(diǎn)方向或者水平 方向延伸太遠(yuǎn)將會(huì)橫穿其他井眼、天然裂縫、斷層 或者含水層。這種悄況足不希望發(fā)住的，必須通過(guò) 詳細(xì)的設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控來(lái)避免。大部分的環(huán)空冋注是在頁(yè)巖層或者苴他低滲 透層，而大多數(shù)的專用冋注井都注入到了高滲透的 砂巖層40。無(wú)論選擇何種類型的巖層作為冋注 層冋注層必須擁右相反滲透率特性的蓋層（高對(duì) 低）。而且，砂巖和頁(yè)巖交替變化的地層可作為冋 汴層限制裂縫牛長(zhǎng)。在一個(gè)較低的小層開(kāi)始回注. 上覆的低滲透層町以作為裂縫

14、屏障從而使流體快 速地流入回注區(qū)的高滲透層。2.4裂縫監(jiān)測(cè)裂縫的大小、形狀和位置町以通過(guò)汁算機(jī)進(jìn)行 模擬預(yù)測(cè)。監(jiān)測(cè)的匝點(diǎn)足監(jiān)測(cè)地層的動(dòng)態(tài)變 化并確保裂縫沒(méi)右在不適當(dāng)?shù)膮^(qū)域延伸44-461 o通 過(guò)監(jiān)測(cè)裝世可以向施丁人員及時(shí)反饋地層的變化 信息。在井內(nèi)下入測(cè)井設(shè)備（包括便用放射性示蹤 劑、溫度測(cè)井、成像測(cè)井“）進(jìn)行常規(guī)的油田監(jiān) 測(cè)能夠提供裂縫位世的一些信息。但這些方法只 能用于監(jiān)測(cè)近井地帶的情況而無(wú)法給出裂縫幾何 形狀和裂縫規(guī)模的信息52-54 因此這吐設(shè)備的使用 受到了限制55-581 on麗,有兩種外部裝n可以通過(guò)遠(yuǎn)程測(cè)m巖石 的變化提供更詳細(xì)的信息。其中傾角儀可以監(jiān) 測(cè)M注前后巖石表面的細(xì)

15、微角度變化地震波檢測(cè) 儀可以監(jiān)測(cè)與壓裂相關(guān)的微地喪悄況。這兩種儀 器均可放豐地表或者監(jiān)測(cè)井的某一深度。但這 些設(shè)備造價(jià)較高，一般主要用長(zhǎng)期冋注項(xiàng)目的專 用回注井。2.5鉆屑回注基本施工參數(shù)回注作業(yè)的三個(gè)代表性地區(qū)分別是：阿拉斯 加、墨西哥灣、北海。人部分回注作業(yè)以環(huán)空回注 為主，其余的作業(yè)使用專用回注井。數(shù)據(jù)表明，大 部分的環(huán)空回注作業(yè)在阿拉斯加。幾乎大部分回注作業(yè)的深度在1 500 m以內(nèi)， 主要深度集屮都在8001 500 m之間。最淺的冋 注作業(yè)深度是380-390 m広卩度尼西亞）最深的是 4 663 m臨易斯安那州陸上油井）o數(shù)據(jù)顯示59-621 .冋注速度一般控制在0.3桶/ mi

16、n-44桶/min,冋注圧力控制在50 |亦一5 431 psi。2.6回注物的類型和規(guī)模絕大部分冋注井是用于冋注鉆屑。右些井也 用于回注其他類型的油田廢棄物，包括產(chǎn)出水、罐 底雜質(zhì)、含油污水、礦坑內(nèi)容物、垢、含有天然放射 性物質(zhì)的污泥。表1給出了各個(gè)回注量范禺的回注作業(yè)數(shù)比 例。根據(jù)相關(guān)資料數(shù)據(jù)顯示一70 .86%的回注漿體 量小T 50 000桶。最大的回注呈是43 000 000桶 漿體它是一個(gè)專門(mén)的研磨回注項(xiàng)目屮，通過(guò)多口 井回注 阿拉斯加北坡，普徳拉雷灣）。表1作業(yè)規(guī)模統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表注人休枳/桶作業(yè)吐統(tǒng)汁比例/%<10 00026.210 00050 00062.050 00110

17、0 0002.7100 0()!500 0003.9500 0011 000 0001.5>1 000 0003.62.7目前出現(xiàn)的主要問(wèn)題最普遍的問(wèn)題與施丁有關(guān)：套管或油管堵塞 為固體在回注過(guò)程中沉積下來(lái)）。另一個(gè)較明 顯的問(wèn)題是解損:通過(guò)高壓泵入含右大吊IA1體顆粒 物的漿體，引起套管、油管及系統(tǒng)其它設(shè)備的過(guò) 度磨損。在有些作業(yè)中，回注不能跟上鉆井速度. 這種睛況假如發(fā)牛在海上平臺(tái)平臺(tái)如果沒(méi)有足夠 的存儲(chǔ)空間那么只右停止鉆進(jìn)。這不僅帯來(lái)作業(yè) 的不便，而且停止正常作業(yè)會(huì)產(chǎn)生昂貴的額外費(fèi) 用。但是這些問(wèn)題一般不存在對(duì)環(huán)境的危險(xiǎn)。與回注有關(guān)的環(huán)境問(wèn)題較為少見(jiàn)7，_741 O海上 油井的幾次

18、回注作業(yè)泄露到了地表或者海床。其 最可能的原因足裂縫從注入點(diǎn)開(kāi)始住長(zhǎng)過(guò)快，而穿 透了尚未完全固井的另一口井。在井底奇壓下流 體會(huì)流向阻力最小的方向。假如固井水泥出現(xiàn)裂 縫或?T巖層出現(xiàn)斷層流體會(huì)借此向上返爪抵達(dá) 地表或者海床。3成本與經(jīng)濟(jì)效益影響I大I素進(jìn)行鉆屑冋注的成本效益分析時(shí)，三個(gè)因素最 為關(guān)鍵：（1）需處理的廢棄物球：處理吊越大冋注技術(shù) 越具競(jìng)爭(zhēng)力。就地處理能夠避免運(yùn)輸廢棄物到其 他待處理地點(diǎn)。如果右大最的廢棄物盂要處理，運(yùn) 輸成本是一個(gè)至關(guān)重要的因索。另外運(yùn)輸大雖的 廢棄物附帯有與處理、轉(zhuǎn)移、船運(yùn)等相關(guān)的安全風(fēng) 險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。而口運(yùn)輸還會(huì)消耗更多的燃料并 產(chǎn)生空氣污染。Q ）當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)

19、:排放要求越嚴(yán)格.回注的成本效 益也就越高。如果巖屑能夠在合理的后處理成本 下排放，那么排放就足最竹效的辦法。在選擇處理 方案時(shí).禁止或者鼓勵(lì)鉆們冋注”的法規(guī)要求起到 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 7322科學(xué)技術(shù)與匸程12卷了決定性的作用175_77： o6 )低成本的陸上處理設(shè)施的實(shí)用性：在美國(guó) 路易斯安那州和徳克薩斯州，一些處理公司丁海岸 建成了龐大的駁船運(yùn)輸終端，用丁從墨酉哥灣的海 上平臺(tái)收集鉆們運(yùn)冋陸上。他們隨后在陸上處理 點(diǎn)通過(guò)欠壓裂冋注的方式或并

20、HA鹽林溶腔的方 式進(jìn)行處理。規(guī)模經(jīng)濟(jì)使這些陸上處理方法的成 本較低，許多不能排海的廢棄物均被拉冋陸上進(jìn)行 處理。而目前,世界其他國(guó)家或地區(qū)尚沒(méi)有類似收 益高、成本低的陸上處理設(shè)施。而且，在這些地區(qū). 陸上處理方式成本通常更高。4詢雖鉆眉回注技術(shù)已經(jīng)在1比界上許多地區(qū)用鉆 井廢棄物處理。盡管，右些回注作業(yè)出現(xiàn)了一些問(wèn) 題但類似的問(wèn)題可以通過(guò)合適的選層、設(shè)計(jì)和施 丁進(jìn)行避免皿沏。當(dāng)在合適的地層下注入，而且注 入過(guò)程被有效地管理和監(jiān)測(cè)時(shí)鉆們冋注是一種非 常安全且環(huán)境友好的處理方法。在任何油田鉆井廢棄物處理方法均需要根據(jù) 半地情況進(jìn)行優(yōu)選"刖0鉆刖回注并不是適合所 右地區(qū)的鉆井廢棄物處理方

21、法然而在許多地區(qū). 它相比其他傳統(tǒng)處理方案成本效益更明城。參考文獻(xiàn)1易紹金向興金肖穩(wěn)發(fā)海上鉆井含油鉆屑處理技術(shù).中國(guó)海上 油氣(丁程).2001 ；13 6 ):52542胡小剛.城瀏供時(shí)文等.國(guó)外鉆井巖用處理技術(shù)與國(guó)內(nèi)應(yīng)用 研制分析石汕機(jī)械.2009:37 © ):159-1613余勇剛.代家林.朱戰(zhàn)兵等鉆誦冋注技術(shù).天然氣勘探與開(kāi)發(fā). 2009:32 U )：60644 Raker B. Engh hardt J M. Ib id J D Iairgr ncak NOW/NOB M "4 posal through slurry waste injection. SHE

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