0 引言

石油钻井固控技术的发展历程是由简至繁、再化繁为简的过程。20世纪70年代初，振动筛、除砂器、除泥器和离心机陆续应用，形成四级固控系统。随着筛分技术和筛网工艺的提升，200~350目的超细筛网已经普及应用。国内钻井受到低成本钻井液和岩性条件限制，无法全井段使用200目以上筛网，需要长时间开启除砂器^[1]。国外很多钻井公司已经采用多台细目振动筛与离心机组合的两级固控，取代了耗能高及维护保养工作量大的四级固控系统^[2]。

随着环保法规的完善，钻井废弃物处理要求也愈发严格。废弃物处理施工单位提供相关设备和技术服务，但未能和固控系统有机结合，在经济性、环保指标和现场管理方面尚未达到最佳效果。

渤海钻探工程有限公司针对固控节能和钻井废弃物处理的要求，提出钻井废弃物和固控系统一体化理念，与华油一机(河北)钻井装备有限公司合作研制了固控环保一体化装备。笔者拟在此介绍钻井废弃物与固控系统一体化、两级净化节能型固控、随钻岩屑脱干及钻井废弃液脱水等4项技术。

1 功能及技术指标

固控环保一体化装备主要功能及技术指标如下：①一体化装备实现钻井液固相控制、岩屑脱干及废弃钻井液固液分离等3大功能；②钻井液净化流程为2级；③岩屑综合含水质量分数小于30%；④废弃钻井液固液分离处理能力10 m³/h。

2 布局和流程

钻井废弃物处理和固控系统一体化布局如图 1所示。布局包括固控和钻井废弃物处理2部分。固控系统中有5个钻井液罐，具有钻井液循环、净化和配制等功能，振动筛和离心机是关键设备。废弃物处理系统由岩屑收集输送、脱干和絮凝脱水等3大单元组成。

2.1 钻井液净化流程

为了使振动筛达到更好的净化效果，四联筛底部不设沉砂仓。采用“振动筛+离心机”两级净化流程，取消了清洁器和砂泵的配置。

振动筛净化后的钻井液通过钻井液槽进入下一仓室，螺杆泵吸入钻井液供给离心机，处理后的钻井液由钻井泵吸入。

2.2 岩屑收集和输送流程

振动筛排出岩屑落入岩屑收集输送装置，通过2条螺旋输送器将岩屑送入脱干筛处理。2台离心机排出的岩屑直接进入岩屑箱。

2.3 废弃钻井液处理流程

固控罐内的废弃钻井液进入钻井液收集罐，螺杆泵将其输送到絮凝系统主管路，计量泵向管路中添加适量的絮凝剂和促凝剂，在管道中充分混合，经离心机脱水，根据出水污浊程度，分别输送到水收集罐污水仓或清水仓。

3 主要设备配置

XNTS-15絮凝脱水单元能够实现不间断自动在线加药流程，利用絮凝剂使钻井液形成粒子聚集体，完成固液分离。其最大处理量可达10 m³/h，可以清除粒径小于2 μm的颗粒^[3]。

S610振动筛采用上、下2层筛框，筛网总面积6.1 m²，比常规筛大1倍。采用自动气囊压紧筛网装置，更换8张筛网仅需5 min。该振动筛具有上、下层分级筛分和并联筛分2种调节方式，分别用于延长筛网寿命和加大处理量。

LW355调速离心机作为固控设备调节钻井液性能，也用于脱干絮凝后的废弃钻井液。2台离心机并联工作，分离因数选择1 300~1 700^[4]，处理固相质量分数≤10%的絮凝液时，处理量可达15 m³/h。

脱干筛为双层筛网，筛网面积4 m²，振动角度60°，降低钻屑含水质量分数10%~30%。

4 技术特点

(1) 钻井废弃物处理与固控系统功能互补。脱干筛组不仅脱干钻屑，还可处理罐面振动筛短时跑浆，解决其受泵排量脉动影响的技术瓶颈，有效提高筛网20~40目，易于实现两级节能固控模式。

(2) 离心机作为固控系统的净化设备，兼有废弃钻井液固液分离脱水功能，实现一机多用，避免重复配置设备。

(3)“甩干机+脱干筛”以并联方式脱干岩屑，实现双保险作业，保障钻井作业不因设备故障而停钻。2个设备功能上相辅相承，减少废弃物排放量、节约水资源和钻井液。

(4) 钻井废弃物与固控系统结构紧凑，栏杆走道及管路统一布局，可实现科学、安全、高效的现代化管理模式。

(5) 在线自动絮凝系统按照罐体外形尺寸设计，实现了废弃物处理与固控系统的完美结合。采用固控离心机作为脱水设备，絮凝系统能够自动、高效地对废弃钻井液进行破胶、脱稳，处理量为5~10 m³/h，比常规压滤机的工作效率高。

(6) 可实现“振动筛+离心机”两级净化，在冀中区块首次实现两级节能型固控模式，应用双层振动筛可安装230目筛网。

5 现场试验情况

2016年，渤海钻探四公司在冀中4个井队，先后对钻井固控环保一体化装备进行了4次试验。以下是试验具体情况。

5.1 第1次试验

2016年1月，40688队在河北高阳县高9-20X井首次使用固控环保一体化装备，使用中存在如下问题：一开和二开的快速钻进阶段，筛网只能用到120目，没有除砂器，钻井液中含砂量高，未实现两级净化。由于岩屑含水高，螺旋输送器无法对其往20°倾角的脱干筛上输送。

因为存在较多问题，高9-20X井取消了钻井液不落地装置，挖钻井液坑正常钻井。试验后，在振动筛下部增加了沉砂罐，将岩屑收集输送装置改成地埋罐。

5.2 第2次试验

2016年4月，50674队在河北雄县岔30-201x和岔30-202x井试验。因条件限制不允许用钻井液不落地装置，本次只试验了两级固控和絮凝脱水流程。岔30-202x井中，1 000 m更换成盐水钻井液，岩屑的包被效果好，振动筛应用200目筛网与离心机形成两级净化模式。岔30-202x井使用聚合物+聚璜钻井液，颗粒分散，二开中后期筛网仅用到175目。

絮凝脱水处理盐水钻井液240 m³，聚合物钻井液260 m³。钻井液黏度55 s，固相质量分数20%，钻井液稀释成密度1.15 cm³/g后，处理量约10 m³/h。完井液经絮凝后进入离心机固液分离，产出水质清澈，固相表观较干，滚落成堆，测试固相含水质量分数40%。分离出的水质达到国家三级排放标准，可以用于配制盐水钻井液。

5.3 第3次试验

2016年12月，40665队在河北安新县高661井和高661X井进行了整套系统的现场试验。

采用聚合物+聚磺钻井液，一开的500 m清水配浆，表层快速钻进阶段，未尝试高目数筛网。二开后，钻井泵排量32 L/s，安装230目高强度细丝径筛布，开2备1处理全部钻井液。此时筛孔直径74 μm，清除的固相范围涵盖了除砂器的工作范围^[5]，形成“振动筛+离心机”两级净化模式。

干燥筛处理钻井过程中80%岩屑量，处理前岩屑含水质量分数均值38%，处理后均值28%，钻屑呈流态，需要添加固化剂才能堆放和拉运。

岩屑甩干机处理干燥筛排出的湿钻屑，安装0.38 mm楔缝式不锈钢筛网。不同岩性的脱干效果差异较大：砂岩层岩屑干燥度 < 13%，泥岩、砂岩和砾岩交互层岩屑含水质量分数 < 20%。但是，粒径小于0.38 mm颗粒随液相返回地埋罐，在1 500 m以后的馆陶组、东营组和沙河街利用率很低，固相出料和进料比≤20%, 只是为了获取试验数据才间断开启。

完井液采用絮凝脱水处理。钻井液密度1.20 g/cm³，黏度60 s，固相质量分数17%。处理完井液240 m³，未经过稀释，处理量6 m³/h，40 h处理完。絮凝脱水处理成本(药剂+电费+人工费)约200元/m³。

试验后，调整为4台振动筛，争取实现包括一开的全井段两级净化模式，增加脱干筛组，争取获得更干燥的钻屑。

5.4 第4次试验

2017年8月，50501队在河北深州泽43-13X井试验。

这口井实现了全井段“振动筛+离心机”两级净化模式。一开深度为1 503 m，钻头直径311 mm，最快进尺60 m/h。采用膨润土钻井液，2台钻井泵排量为55 L/s。四联筛安装200目筛网可处理全部钻井液，开启离心机形成“振动筛+离心机”两级净化模式，将含砂质量分数控制在0.3%内。二开1 503~4 500 m，钻头直径215.9 mm，采用聚合物钻井液，黏度55 s，钻井液密度1.26 g/cm³，单泵工作排量32 L/s。四联筛安装230目筛网，开3备1。一台离心机间歇开启用于清除直径小于74 μm的固相颗粒，能很好地控制密度、黏度及扳土含量。

脱干筛组为原双层筛下游增加2台S250-2平动椭圆筛，均安装230目筛网。脱干筛组主要起2方面作用：①罐面振动筛偶尔跑浆，脱干筛组能有效回收这部分钻井液；②强化回收钻屑中的钻井液，钻屑含水质量分数再降低3%。

测试地埋罐钻井液含砂质量分数小于2%时，可用离心机处理，处理量10 m³/h，离心机出口含砂质量分数≤0.05%，满足钻井工艺要求的0.3%含砂质量分数指标。对钻井液性能要求不高的场合，允许直接返回循环系统。这口井回收钻井液200 m³，节省了可观的钻井液材料费用。

6 结论及建议

钻井固控环保一体化装备在冀中油田现场应用6井次，实现了钻井废弃物处理与固控系统的有机结合，降低人工成本、节省钻井液材料费和电费共计超过160万元，节约生产用水3 000 m³，钻井废弃物减少1 000 m³。

该项技术现场应用中也暴露一些问题，有待进一步研究解决，故提出以下建议。

(1) 岩屑综合含水质量分数仍然大于25%，建议开发更经济、实用的岩屑干燥设备，例如脱干效果更好的真空振动筛或离心机式脱干设备。

(2) 液相回用和固相无害化处理还需要进一步研究。

(3) 冀中油田以水基钻井液为主，1 000 m前钻井液主要是水加膨润土和包被剂，无毒且容易降解，这类淡水基钻井液可以机械脱水后直接排放。但是由于“无毒”、“无害”难以界定，所以建议尽快出台相关标准或规范。