0 引言
随着海上环保形势的日趋严峻，渤海湾设定了多区域生态保护红线区，要求生态红线区内污染物及废弃物实现“零排放”[1]。目前钻完井废弃物的处置方式为现场通过岩屑箱回收，运输船运回陆地，交给有资质的处理厂处置[2]。该处置方式面临以下问题：一方面由于港口资质不全，处理厂家废弃物处理能力不同，造成运输成本较高，现场大量积压，影响作业效率；另一方面现场絮凝罐及老式压滤机两大设备体积大，使得在海洋平台使用空间受限，占用大量平台资源，且处理效率低，处理成本高。
钻井表层作业具有钻屑多以及废弃钻井液量大的特点，而良好的海上钻井废弃物固液分离处理装置能使液相与固相废弃物有效分离，液相循环利用，固相运回陆地处置，使得资源能够有效利用，同时降低废弃物处置成本。小型橇装絮凝压滤一体机能减小占用面积，可在甲板上完成压滤絮凝，使其替代油服EPS环保船成为可能[3-6]。鉴于此，渤海油田研制了水基钻屑絮凝压滤一体机。该小型集成化压滤设备可将钻屑从振动筛经绞笼运输到分选筛进行初级固液分离，将分选筛筛出的滤液泵抽至压滤设备进行终级固液分离，滤液重复使用，钻屑榨干吨包回收，在钻井平台即可完成钻屑的快速减量和废弃钻井液的回收利用[7]，大大降低了钻屑和废弃钻井液的回收处理成本。
1 水基钻屑絮凝压滤一体机设计 1.1 絮凝压滤一体技术平台减量技术主要包括源头减量和过程减量，过程减量包括升级固控系统、钻屑减量和废液重复利用等。为解决零排放项目积压岩屑箱以及陆地终端处理成本高的难题，通过分析对比静置沉降、离心分离和压滤法等固液分离方法，选择压滤设备作为机械分离设备，研制出小型集成化絮凝压滤一体化设备。该设备将絮凝罐与压滤机合二为一，在初期安装过程中就解决了管线改造、滤液出口改造和岩屑传输方式改造等39项难题。
在海上现场钻屑处理流程(见图 1)中，将回收的水基钻井液经絮凝压滤一体机处理后，固废装箱转运处理厂，滤液被重复利用。
|
| 图 1 现场钻屑处理流程 Fig.1 On-site drill cuttings processing flow |
絮凝压滤一体机可用于水基钻井液钻屑的固液分离，分离后滤饼含水率低，固液分离效果好，操作流程简便。
1.2 絮凝压滤一体机结构絮凝压滤一体机主要由压滤机与絮凝罐两部分组成。压滤机工作流程包括滤板压紧、过滤、压榨、洗涤、滤板松开和卸料等，各道工序可实现半自动化控制。进料过滤后，可通过水压改变滤室容积，压榨滤饼，进一步降低滤饼含水率[8]。
1.2.1 压滤机程控隔膜压滤机(见图 2)由压滤系统、液压系统及卸料装置等组成，能自动完成上料、压榨、脱板和外输工作，操作简便。
|
| 1—止推板；2—主梁；3—压紧板；4—自动拉板系统；5—机座；6—电控柜；7—液压系统；8—滤液排放(也可通过明流水嘴)或洗饼进出水连接装置；9—料浆进口连接装置；10—隔膜压榨连接装置；11—滤板组；12—滤布。 图 2 程控隔膜压滤结机构示意图 Fig.2 Schematic diagram of the programmable diaphragm filter press mechanism |
压滤系统由整齐排列在主梁上的隔膜板和板与板之间的滤布组成。压滤开始时，滤浆在进料泵的推动下进入各滤室内，借助输料泵产生的压力进行固液分离，通过滤布后固体留在滤室内形成滤饼，滤液由排液口排出。
液压系统是主机完成压紧和松开动作的动力装置。当系统被液压站、油缸压紧时，各滤室密封，用于过滤，松开时用于卸料。压紧松开过程如图 3所示。
|
| 1—滤板；2—压紧板；3—松开限位装置；4—压紧板调整螺栓；5—半片法兰；6—机座；7—压力表；8—液压油缸。 图 3 压紧松开过程示意图 Fig.3 Schematic diagram of pressing and releasing process |
程控隔膜压滤机的卸料装置(见图 4)为一多次快速拉板系统，该系统将压滤机滤板分为若干组，每组滤板均用铁链相连。拉板时每次拉开一组，并顺次拉开所有滤板。该装置主要由一个低能耗小功率变频减速电机、拉板器、传动轴、链轮、链条、变频器和PLC等部件组成。
|
| 1—拉板电机；2—滑道；3—拉板器；4—链条；5—链轮。 图 4 卸料装置 Fig.4 Unloading device |
1.2.2 絮凝罐
絮凝罐(见图 5)是压滤机作业配套的原料储备罐，废弃钻井液或钻屑都需在絮凝罐里进行破胶絮凝，待絮凝完毕再通过自身的上料泵给压滤机供料，由压滤机进行压滤作业。
|
| 图 5 絮凝罐 Fig.5 Flocculation tank |
絮凝罐内有2个10 m3的舱室互为备用，可连续作业。整个絮凝系统配套2个搅拌器，1个供料泵，供料泵可视用户需求采用多级离心泵或柱塞泵。
1.2.3 絮凝压滤一体机操作要点(1) 对压滤机各润滑点注润滑脂，确定压滤机的液压缸与絮凝橇上柱塞泵液压油的油质和液位。
(2) 启动絮凝罐上料泵前应检查沿线阀门打开状态，防止憋压。
(3) 当上料压力达到60~80 N且无明显滤液流出时才可启动压榨泵，这样可防止内部料不充足而导致隔膜板出现塑性变形。
(4) 压榨泵在压榨过程中，如自动操作则一定要调整好压力上限100~120 N，并根据经验值调整好延时时间。
(5) 不允许第二次进料，即不允许物料未卸载完全就进行下次进料。
2 钻井液滤液技术 2.1 絮凝剂的优选压滤前首先进行絮凝作业，针对不同钻井液体系给出了不同的絮凝剂(见表 1)[9-10]。通过加入化学破胶剂改变钻井液的物理性质和化学性质，破坏其胶体体系，促使悬浮的细小颗粒聚结成较大的絮凝体，再采用压滤和离心等机械手段进行固液分离，分离钻井液中的固、液两相，液相可以重复配浆或达标排放。
| 钻井液体系 | 絮凝剂 | 絮凝效果 |
| 改进PEC | PAC | 明显 |
| 改进PEC | PAM | 无变化 |
| 改进PEC | FeCl3 | 明显 |
| PEM | FeCl3 | 一般 |
| PEM | PAM | 无变化 |
| PEM | FeCl3+ PAM | 明显 |
海水搬土浆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形成链桥，进一步形成高分子链状絮凝体，最终沉降；聚合物体系采用高价离子的无机絮凝剂，其离子对胶粒双电层直接压缩，离子交换和吸附可使胶体变为中性，降低溶液稳定性，胶粒之间发生絮凝沉淀。
2.2 滤液回用技术评价固液分离后的滤液需要重新回到钻井液中实现循环使用，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。滤液分析结果表明，固液分离后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。
3 应用情况秦皇岛33-1南油田是渤海油田第一个零排放开发项目，属于农业渔业区，要求废弃物全回收。首次采取“环保体系+平台减量+EPS工作船”模式，其中平台减量主要采用分选筛与水基钻屑絮凝压滤一体机。2019年7—10月已顺利完成7口井的钻井作业，整体效果较好。过程减量减排工艺流程见图 6。
|
| 图 6 过程减量减排工艺流程 Fig.6 Process flow of drilling cuttings reduction and emission reduction |
水基钻屑絮凝压滤一体机占地面积22.4 m2，减少甲板占地面积50%以上，处理量130~150 m3/d，废钻井液减量可达80%。在表层和ø311.2 mm上部井段，因钻速较快、钻井液量大，平台主要搭配分选筛处理岩屑，EPS工作船处置钻井液，可满足ø311.2 mm下部井段正常钻井液和岩屑处理。同时增加了自动操作程序与控制按钮，使得人工操作更加简便。
岩屑输送作业中，返出岩屑量最大约为14.5 m3/h，占螺旋输送机能力的50%，50%的岩屑溶解在钻井液中，可以满足现场需求。
絮凝压滤一体机安装之后平稳运行，通过与EPS工作船分析对比，发现在“环保体系+平台减量+EPS工作船”模式中，平台减量中絮凝压滤一体机占主导地位，其中岩屑减量与固体废弃物减量分别占89.98%和90.14%，如表 2所示，使得絮凝压滤一体机替代油服EPS环保船成为可能[11-12]。
| 项目 | 一体机 | EPS工作船 | 总数 |
| 废钻井液减量/m3 | 1 701 | 1 697 | 3 398 |
| 岩屑减量/t | 6 510 | 725 | 7 235 |
| 固体废弃物减量/t | 3 640 | 398 | 4 038 |
4 结论
(1) 为解决平台甲板面积受限难题，研制了小型集成化絮凝压滤一体机，创新性地将絮凝罐与压滤机合二为一，攻克了包括管线改造和滤液出口改造、岩屑传输方式改造等多项难题。
(2) 小型集成化絮凝压滤一体化设备能有效实现固液分离，达到钻屑过程减量的目的。同时进行了絮凝剂的优选和滤液回用评价，研究了适用于渤海平台钻屑和废钻井液现场减量化处置新工艺。
(3) 采用“环保体系+平台减量+EPS工作船”模式在秦皇岛33-1南油田进行了首次应用，通过平台减量中絮凝压滤一体机与EPS工作船分析对比，絮凝压滤一体机占据主导地位，岩屑减量与固体废弃物减量分别占89.98%和90.14%，使得絮凝压滤一体机替代EPS环保船成为可能。
| [1] |
张羽臣, 林家昱, 霍宏博, 等. 海上钻井废物管理原则及处理技术探讨[J]. 油气田环境保护, 2019, 29(4): 1-3, 7. ZHANG Y C, LIN J Y, HUO H B, et al. Management principle and treatment technology of offshore drilling waste[J]. Environmental Protection of Oil & Gas Fields, 2019, 29(4): 1-3, 7. |
| [2] |
胡小刚, 康涛, 柴占文, 等. 国外钻井岩屑处理技术与国内应用研制分析[J]. 石油机械, 2009, 37(9): 159-161. HU X G, KANG T, CHAI Z W, et al. Foreign drilling cuttings treatment technology and domestic application development analysis[J]. China Petroleum Machinery, 2009, 37(9): 159-161. |
| [3] |
潘丽娟, 孔勇, 牛晓, 等. 环保钻井液处理剂研究进展[J]. 油田化学, 2017, 34(4): 734-738. PAN L J, KONG Y, NIU X, et al. Research advances of environmental drilling fluid additives[J]. Oilfield Chemistry, 2017, 34(4): 734-738. |
| [4] |
韩来聚, 李公让. 胜利油田钻井环保技术进展及发展方向[J]. 石油钻探技术, 2019, 47(3): 89-94. HAN L J, LI G R. Progress, development trends, and outlook for drilling environmental protection technologies in the Shengli Oilfield[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2019, 47(3): 89-94. |
| [5] |
雷先革, 牟长清, 涂志威, 等. 钻井固控环保一体化装备的研制与应用[J]. 石油机械, 2017, 45(12): 28-31. LEI X G, MOU C Q, TU Z W, et al. Development and application of integrated drilling solid control and environmental protection equipment[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(12): 28-31. |
| [6] |
潘丽娟, 叶艳, 张謦文, 等. 西北油田塔里木地区水基钻井液体系环保控制指标研究[J]. 石油与天然气化工, 2018, 47(4): 107-112. PAN L J, YE Y, ZHANG Q W, et al. Research on environmental control index of water-based drilling fluids in Tarim area of Northwest Oilfield[J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2018, 47(4): 107-112. |
| [7] |
董秀梅.含油污泥脱水减量技术研究[D].青岛: 中国石油大学(华东), 2010. DONG X M. Investigation on quantitative reduction of oily sludge through dewatering method[D]. Qingdao: China University of Petroleum(Huadong), 2010. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10425-2010280491.htm |
| [8] |
冯少华.辽河油田含油污泥综合处理技术[D].大庆: 大庆石油学院, 2008. FENG S H. Research on the treatment of oily sludge in Liaohe Oilfield[D]. Daqing: Daqing Petroleum Institute, 2008. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10220-2008207699.htm |
| [9] |
张烁, 庞建勇, 孙林柱, 等. PAM絮凝剂对钻孔粘土废弃泥浆脱水性能的影响[J]. 安徽理工大学学报(自然科学版), 2014, 34(1): 34-38. ZHANG S, PANG J Y, SUN L Z, et al. The effects of PAM flocculant on drilling waste clay slurry dewatering performance[J]. Journal of Anhui University of Science and Technology (Natural Science), 2014, 34(1): 34-38. |
| [10] |
石常省, 谢广元, 吴玲. 絮凝剂在压滤脱水中的作用[J]. 选煤技术, 2003(3): 19-21. SHI C S, XIE G Y, WU L. The function of flocculant in pressure filtration dehydration[J]. Coal Preparation Technology, 2003(3): 19-21. |
| [11] |
王颖, 王丽霞, 李中和, 等. 油田产能建设项目环保验收监测方案布点探讨[J]. 环境监测管理与技术, 2015, 27(3): 61-65. WANG Y, WANG L X, LI Z H, et al. Discussion on laying out monitoring site in environmental protection of oil exploitation development for check and accept completed project[J]. The Administration and Technique of Environmental Monitoring, 2015, 27(3): 61-65. |
| [12] |
耿朋飞, 孙林柱. 钻孔废弃泥浆絮凝压滤脱水的研究[J]. 武汉理工大学学报, 2014, 36(7): 114-118. GENG P F, SUN L Z. Study on construction abandoned drilling slurry dehydrationproperty[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2014, 36(7): 114-118. |