国外油田钻井废弃物回注处理技术进展_李厚铭

1、28期乍以铭等:国外油m钻井废弃物冋注处理技术进展7319第12卷第28期2012年10月1671 1815 (2012 )287318-08科学技术与工程Science TtH-hnoIog) and EngintM*ring1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 28期乍以铭等:国外油m钻井废弃物冋注处理技术进展73191994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights r

2、eserved, 28期乍以铭等:国外油m钻井废弃物冋注处理技术进展7319石油技术国外油田钻井废弃物回注处理技术进展李厚铭李学军张福铭陈小华王雪山仲海油田眼务股份有限公司化学研究院北京101149 ）摘要油气钻井过程会产生大量的钻井废弃物常见的钻井废弃物处理办法有：热处理；生物处理；通过海上平台排海；通 过換充、铺设路而或教他方法对因体进行再利用；野外填埋；地下回注。回注技术主嬰通过研磨戒者其他方法俗IS体变成细 小的颗粒，与水或者其他液体混合配成浆体再在一定的畧石破裂压力卞，将浆体注入到地层中。钻屑回注主要依靠压裂，裂 發的大小、形状和位宣可以通过计算机模型进行预測钻屑回注的成本效益分析主

3、要基于三点：需处理的废弃物量、当地法 规、陆上处理设施的实用性。关键词钻屑回注 钻井液钻井废弃物压裂中图法分类号TE357.8；文献标志码A1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 28期乍以铭等:国外油m钻井废弃物冋注处理技术进展73191994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 28期乍以铭等:国外油m钻井废弃物冋注处理技术进展7319钻井和完井过

4、程中由丁缺乏对钻們的右效处 理于段，大虽富倉右毒冇害化学物质的废弃泥浆和 钻們随地排放。一方面对自然界造成严重污染另 一方面乂造成泥浆材料的浪费。因此对泥浆以及 钻井过程中产生的钻屑进行处理及回收利用，可有 效地避免由J：钻井造成的环境污染同时可节约泥 浆材料，降低钻井成本。油气井钻进过程中将产牛两种废弃物:钻井液 和钻屑。钻井液（泥浆）主要川于辅助钻进。钻井 泥浆一般均含有撮土、水、硫酸锁（取晶石）利一些 特殊添加剂。某些泥浆中还会加入一些有机物。 油U钻井过程还会产个大虽的岩石颗粒这就是 钻屑。钻井泥浆被存放在陆地上的泥浆罐或泥浆池 屮通过钻杆输送到井底，再通过估头的孔洞流出 來。泥浆能够

5、润滑和冷却钻头，携带钻屑到地面。 泥浆和钻旭在地面通过机械装世进行分离如振动 筛、离心机等；流过振动筛的泥浆将进入泥浆系统 再循环。通过机械方法或加入各种添加剂的方法2012年6月I日收到第一作者简介:李厚铭Q985-）,男工学慎士.中海油田図务股份 冇限公司油川化曾研究院T.Rfip研究方向：酸化压戰、钻届冋注 相关【艺技术 E-mail ： lihm cost. coni, cn。图1钻头钻进持续不断的处理，町以维持竹效钻进所需的泥浆性 能。而固体钻屑将会被存贮，待进一步处理后排放。根据井深和井径的不同每I丨井所产牛.的钻井 废弃物的数就也是不同的，一般箱况下每I I井均 会产牛上下桶钻井

6、废弃物。据美国石油协会（API） 估算995年，美国陆上油田共产出1.5亿桶的钻 井废弃物其中大约 4 000万桶废弃物是固体 钻屑。1钻井废弃物处理大部分国外陆上汕m把钻們存放在井眼附近图2泥浆循环过程的人匚池里。钻井结束后，池屮的液体被转移和处 理剩下的固依被埋在合适的地方或者铺機在井眼 附近的地面。部分常见的钻井废弃物处理办法有"一列:热处理；生物处理;通过海上平台排海；通过填 充、铺设路面或苴他方法对固体进行再利用；野外 填埋;地下冋注。苴屮热处理法是进行处理油基钻井液和钻井 废弃物的一种竹效方法处理过的固休原油质虽分 数低于1%。目前岩屑热分溜法在一些发达国家 应用比较广泛

7、.多为专业处理厂应川。牛物处理利用微牛物将侑机长链或有机高分 子降解成为环境可接受的低分子或气体。该方法 的难点是选择合适的微牛物菌种和载体。11钻井废弃物地下回注钻屑冋注技术主要通过研磨或者其他方法将 固体变成细小的颗粒，与水或者其他液体混合配成 浆体,再在一定的岩石破裂压力下将浆体注入到 地层中*。此外，回注还右两种途径：废弃物在相对较低 压力下注入到盐岩溶腔、低丁地层破裂压力情况下 回注地层（欠压裂回注）。图3盐岩溶腔处理废弃物盐岩溶腔是通过一种可控的方式溶解地下盐 层形成一个充满盐水的大型地下“容器”。目 询，仅美国德克萨斯州允许在盐岩溶腔内处理钻井 废弃物，路易斯安那州尚在制定盐岩溶

8、腔处理废弃 物的相关法规。1.3欠压裂注入在某业地质条件中，以低地层破裂压力的方 式地层也可以注入废弃泥浆。废弃物注入压力比 正常冋注要低得多。最典型的案例是在美国徳克 萨斯州东部该岩层上覆盐穹，岩层右天然裂缝废 弃泥浆可以在非常低的地而注入压力（甚至是负 压）情况下注入地层。某公司在徳克萨斯州东部的 一些地区建成了一定数帚的欠压裂冋注井，用于处 理來自黑西哥湾海上平台的钻井废弃物。2钻們冋注出:界许多海域都实行钻井废弃物零排放政策, 例如，北海地区、泰国湾、墨西哥湾、俄罗斯的远东 海域等。在当地钻井区块地质条件允许"的悄况 下，采用钻旭回注技术处理估井废弃物9问是昼经 济可行的方式

9、。在作业屮，施工设il至关巫要，它 关系到回注方式的选择、冋注过程中的风险控制和 成本筈制。2.1注入方式钻們冋注右两种类型，分别是环空注入和专用 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 28期乍叩铭每：国外油m钻井废弃物冋注处理技术进展7321回注井注入'I?。环空注入是将废弃泥浆从两个 套管的屮间空隙注入，在外层套竹的底部钻刖被 注入地层。专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层深度对套管 进行射孔再注入。许多环空注入T.程仅设汁用

10、來接收一【丨井的 废弃物。在多井眼平台或者陆上钻台钻取的第一 【I井一般用來接收第二II井的废弃物。通过连续 作业将钻井废弃物注入到之前完钻的井。在此模 式下单一注入井的注入时间校短，一般不会超过 几周或几个月。而其他注入施工，尤其是有专用回 注井，大约会在同一口井注入数月甚至几年血一。 2.2钻屑回注过程钻鹏回注可使用一些常规的油田设备进行简 单的机械处理如研磨、搅拌和泵入。第一步，固体 或者半固体的钻井废弃物被处理成可以回注的浆 体。废弃物被收集利筛分去除大颗粒，防止颗粒堵 塞泵体或地层。将液体加入到固体屮造浆浆体通 过研磨或者苴他程序來减小颗粒等级123-25 O在注 入前浆体内加入各种

11、添加剂，以得到合适的黏度 和其他物理特性。接看浆体通过冋注井注入到冃 标地层。在浆体【叫注2前目标地层需要经过前处理方 可何注。第一步，注入清水使系统増压，开始压裂 地层。当诸水町以在破裂压裂下正常流动时，随即 注入浆体。该批次浆体注入之后，再注入一些诸水 rfi洗井眼，然后停泵。当浆体屮的液体部分返排 后地层压力逐渐下降，浆体中的固体最终留在地 层中。钻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间歇注入方式心在一些海 上平台，钻井过程持续进行，没有足够的空间存放 钻們所以冋注必须通过钻一 |丨新冋注井而保证不 间断进行。大部分的冋注都是设计为间歇冋注方式。施 丁过程屮每大冋注数

12、小时之后地层闭合斥力得 到释放,然后第二天或者数H之后再继续注入。2.3适合钻屑回注的地层条件不同类型的岩石右不同的渗透率特性因为岩石是由许多固体颗粒通过一定的化学或物理的力 结合到一起。在地层高压下，水和苴他流体可以在 颗粒间的孔隙流动。右些类型的岩石比如黏土和 页岩,ft!非常细小的颗粒组成，颗粒间的孔隙较小, 流体无法轻易地流过。而砂岩由胶结的砂粒组成. 苴相对校大的孔隙可以让流体较容易地流过。钻屑冋注主要依靠压裂因而冋注浆体的地层 渗透率是一个豆要参数它决定了岩层压裂的难度 以及裂缝的规模和结构。当浆体不能在孔隙中继 续流动时继续增大注入压力，岩石就会被压开持 续的注入会导致岩层形成一

13、个大型裂缝”一兀。该 裂缝由一个从注入点开始向上向外延伸的垂心:面 组成。而间歇注入会形成一系列校小的垂苴面，它 们在注入点附近形成一个裂缝区乩切。裂缝如果从注入点开始在垂点方向或者水平 方向延伸太远将会横穿其他井眼、天然裂缝、断层 或者含水层。这种悄况足不希望发住的，必须通过 详细的设计、监测监控來避免。大部分的环空冋注是在页岩层或者苴他低渗 透层，而大多数的专用冋注井都注入到了高渗透的 砂岩层40。无论选择何种类型的岩层作为冋注 层冋注层必须拥右相反渗透率特性的盖层（高对 低）。而且，砂岩和页岩交替变化的地层可作为冋 汴层限制裂缝牛长。在一个较低的小层开始回注. 上覆的低渗透层町以作为裂缝

14、屏障从而使流体快 速地流入回注区的高渗透层。2.4裂缝监测裂缝的大小、形状和位置町以通过汁算机进行 模拟预测。监测的匝点足监测地层的动态变 化并确保裂缝没右在不适当的区域延伸44-461 o通 过监测装世可以向施丁人员及时反馈地层的变化 信息。在井内下入测井设备（包括便用放射性示踪 剂、温度测井、成像测井“）进行常规的油田监 测能够提供裂缝位世的一些信息。但这些方法只 能用于监测近井地带的情况而无法给出裂缝几何 形状和裂缝规模的信息52-54 因此这吐设备的使用 受到了限制55-581 on丽,有两种外部装n可以通过远程测m岩石 的变化提供更详细的信息。其中倾角仪可以监 测M注前后岩石表面的细

15、微角度变化地震波检测 仪可以监测与压裂相关的微地喪悄况。这两种仪 器均可放豐地表或者监测井的某一深度。但这 些设备造价较高，一般主要用长期冋注项目的专 用回注井。2.5钻屑回注基本施工参数回注作业的三个代表性地区分别是：阿拉斯 加、墨西哥湾、北海。人部分回注作业以环空回注 为主，其余的作业使用专用回注井。数据表明，大 部分的环空回注作业在阿拉斯加。几乎大部分回注作业的深度在1 500 m以内， 主要深度集屮都在8001 500 m之间。最浅的冋 注作业深度是380-390 m広卩度尼西亚）最深的是 4 663 m临易斯安那州陆上油井）o数据显示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回注物的类型和规模绝大部分冋注井是用于冋注钻屑。右些井也 用于回注其他类型的油田废弃物，包括产出水、罐 底杂质、含油污水、矿坑内容物、垢、含有天然放射 性物质的污泥。表1给出了各个回注量范禺的回注作业数比 例。根据相关资料数据显示一70 .86%的回注浆体 量小T 50 000桶。最大的回注呈是43 000 000桶 浆体它是一个专门的研磨回注项目屮，通过多口 井回注 阿拉斯加北坡，普徳拉雷湾）。表1作业规模统计数据表注人休枳/桶作业吐统汁比例/%<10 00026.210 00050 00062.050 00110

17、0 0002.7100 0()!500 0003.9500 0011 000 0001.5>1 000 0003.62.7目前出现的主要问题最普遍的问题与施丁有关：套管或油管堵塞 为固体在回注过程中沉积下来）。另一个较明 显的问题是解损:通过高压泵入含右大吊IA1体颗粒 物的浆体，引起套管、油管及系统其它设备的过 度磨损。在有些作业中，回注不能跟上钻井速度. 这种睛况假如发牛在海上平台平台如果没有足够 的存储空间那么只右停止钻进。这不仅帯來作业 的不便，而且停止正常作业会产生昂贵的额外费 用。但是这些问题一般不存在对环境的危险。与回注有关的环境问题较为少见7，_741 O海上 油井的几次

18、回注作业泄露到了地表或者海床。其 最可能的原因足裂缝从注入点开始住长过快，而穿 透了尚未完全固井的另一口井。在井底奇压下流 体会流向阻力最小的方向。假如固井水泥出现裂 缝或?T岩层出现断层流体会借此向上返爪抵达 地表或者海床。3成本与经济效益影响I大I素进行钻屑冋注的成本效益分析时，三个因素最 为关键：（1）需处理的废弃物球：处理吊越大冋注技术 越具竞争力。就地处理能够避免运输废弃物到其 他待处理地点。如果右大最的废弃物盂要处理，运 输成本是一个至关重要的因索。另外运输大虽的 废弃物附帯有与处理、转移、船运等相关的安全风 险和环境风险。而口运输还会消耗更多的燃料并 产生空气污染。Q ）当地法规

19、:排放要求越严格.回注的成本效 益也就越高。如果岩屑能够在合理的后处理成本 下排放，那么排放就足最竹效的办法。在选择处理 方案时.禁止或者鼓励钻們冋注”的法规要求起到 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 7322科学技术与匸程12卷了决定性的作用175_77： o6 )低成本的陆上处理设施的实用性：在美国 路易斯安那州和徳克萨斯州，一些处理公司丁海岸 建成了庞大的驳船运输终端，用丁从墨酉哥湾的海 上平台收集钻們运冋陆上。他们随后在陆上处理 点通过欠压裂冋注的方式或并

20、HA盐林溶腔的方 式进行处理。规模经济使这些陆上处理方法的成 本较低，许多不能排海的废弃物均被拉冋陆上进行 处理。而目前,世界其他国家或地区尚没有类似收 益高、成本低的陆上处理设施。而且，在这些地区. 陆上处理方式成本通常更高。4询虽钻眉回注技术已经在1比界上许多地区用钻 井废弃物处理。尽管，右些回注作业出现了一些问 题但类似的问题可以通过合适的选层、设计和施 丁进行避免皿沏。当在合适的地层下注入，而且注 入过程被有效地管理和监测时钻們冋注是一种非 常安全且环境友好的处理方法。在任何油田钻井废弃物处理方法均需要根据 半地情况进行优选"刖0钻刖回注并不是适合所 右地区的钻井废弃物处理方

21、法然而在许多地区. 它相比其他传统处理方案成本效益更明城。参考文献1易绍金向兴金肖稳发海上钻井含油钻屑处理技术.中国海上 油气(丁程).2001 ；13 6 ):52542胡小剛.城浏供时文等.国外钻井岩用处理技术与国内应用 研制分析石汕机械.2009:37 © ):159-1613余勇刚.代家林.朱战兵等钻诵冋注技术.天然气勘探与开发. 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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