张羽臣,窦蓬,霍宏博,董平华,刘海龙

中海石油（中国）有限公司 天津分公司（天津300459）

0 引言

随着渤海油田的进一步开发，企业生产经营面临着更严峻的生态环保形势，部分海域要求将作业期间产生的废弃物全部回收，对钻完井作业的成本控制提出了挑战。对公司运营准确预测钻完井作业全过程产生的废弃物量，优化作业船舶调配，准确预估回收成本、效益以及投资控制有着重要意义。

通常，钻完井废弃物先在海上进行固体与液体初步分离回收[1]，然后使用船舶运回陆地作进一步处理。按照废弃物产生环节不同，海上钻完井过程中产生的废弃物可分为钻井作业废弃物、完井作业废弃物和生活废弃物3类。本文提出了各类废弃物量的测算方法，并与实际作业情况进行对比分析，以期为钻完井全回收技术在海上钻完井作业中的应用提供支持。

1 钻井全过程废弃物量测算

钻井过程中的废弃物包括各开次产生的固体废弃物和液体废弃物。固体废弃物主要为钻井过程中产生的岩屑。岩屑经由钻井液携带至地面，经固控设备分离后输送至岩屑回收箱储存。

液体废弃物以废弃钻井液为主，主要为钻井各开次产生的过剩、变质或对下一开次不适用的钻井液，钻井液中含有黏土、无机盐、油及各类添加剂[2-3]，若直接排放入海将造成水体污染。废弃钻井液经平台短暂集中储存后外输至船舶，与固相岩屑一同返回陆地作下一步处理[4-5]。

1.1 岩屑量测算

理论上，干岩屑体积等于井眼开挖后排出的地层岩石体积，各开次产生的干岩屑体积可表示为：

式中：Di表示各开次使用的钻头直径，mm；hi表示各开次的钻达深度，m；ϕi表示地层岩石孔隙度；ηi为不同井段的井径扩大系数。

根据现场作业实际条件，需考虑不同井段钻井液携岩效率和固控设备的工作效率，各钻井液体系中的湿岩屑膨胀率也不可忽视，最终从泥浆中可分离出的湿岩屑体积为：

式中：n表示井身结构开次；αi为各开次携岩效率系数，该系数和泥浆性能、钻井水力参数、井眼轨迹等有关，根据实际作业统计，该值在85%～90%；βi为各开次固控系统设备工作效率，通常在80%～85%；εi为岩屑吸水体积膨胀系数。

1.2 液体废弃物量测算

1.2.1 单井废液量测算方法

若要准确估算单井各开次产生的废液量，需对每一环节从井中返出的钻井液进行估算，并考虑管线和泥浆池中配置的备用浆液。对此，国内学者开展了一定研究，基本的预测思路可归纳为经验法和统计法两类[6-7]。

经验法：经验法是根据工程师的现场经验，并结合一定的技术资料，对各开次的钻井液用量、补充胶液量、备用量进行估算，其准确性大多取决于现场操作人员的经验，有一定的局限性，实际应用精确度不足。单井废液量总量计算如下：

式中：Vw为各开次中完深度时井眼体积，m3；Vl为地面泥浆池和管线体积，m3；Vk为每一开次的钻井液维护量，m3；Vx为固控设备清洗时产生的污水，m3。

统计法：统计法是对该油田或邻近油田近年来钻井作业中同层位、相似井身结构的井进行统计而得到的钻井液用量，其能够充分反映区块地质、工艺等因素的影响，同时可以排除人为主观因素的影响。统计法得到的数据对调整钻井有一定的指导意义，但对于未进行过大规模开发的新油田或新层位却不太适用。

1.2.2 单井废液量测算过程

考虑不同井段的携岩效率和岩石特性，推导出单井作业中某一井段的部分岩屑以冲稀的方式进入钻井液中并达到设计要求的固控水平。根据是否需要加重对该井段钻井液用量情况进行讨论。

对于作业过程中的钻井液固相含量超过固控要求含量，需要对钻井液加水进行稀释至设计固相含量，钻井液量为：

公式（4）适用于需要稀释的浅表层钻井。

对于作业过程中钻井液固相含量不能满足要求，需要使用加重剂进行加重，对公式进行修正，得到钻井液消耗量[4]如下：

式中：ρw为配浆水密度，g∕cm3；ρh为设计使用的加重剂密度，g∕cm3；ρr为膨润土密度，g∕cm3；Sb为设计的膨润土含量，%；Sdm为预测井段设计的固相含量，%；ρm为设计的钻井液密度，g∕cm3。

公式（5）适用于需要加重的中深部地层。

在实际作业中，随着井深的增加，钻遇地层的温度和压力也逐渐增大，对钻井液的性能要求有所变化。随着循环时间的增加，钻井液的性能也会逐渐劣化，为了调整钻井液性能满足下步作业（固井、测井、体系转化）要求，需舍弃部分性能变差的钻井液，补充相同体积的新钻井液。该部分新钻井液的用量随机性较强，一般与地层岩性和钻井液体系密切相关。

1.2.3 批量钻井废液量测算

不同于单井钻井作业，目前除探井以外，海上开发井钻井作业以丛式井批量钻井（下称批钻）为主，即采用移动钻机的方式依次钻多口井的相同井段。在此过程，部分钻井液可以重复利用，但现阶段批钻过程中的钻井液用量测算方法还未见相关报导。

若不考虑井漏、井涌等风险因素引发的钻井液体积变化，提出钻井液重复利用率系数的概念，即在批钻过程中，本井某一开次使用的钻井液占上一口井相同开次钻井液的比例。重复利用率值越高，表示能重复使用的钻井液越多，相应的需要配备的新钻井液也就越少。其和泥浆性能变化速度、钻井周期、地层性质、钻井液维护水平、现场实际操作等多种因素有关。由此可知，第m（m≥2）口井需要新配钻井液体积为：

则一次批钻使用的钻井液总量为：

2 完井作业全过程废弃物量测算

类似于批钻，海上丛式井完井作业中产生固体废物以地层砂、射孔弹碎片、铁屑为主，由于其极少体积可忽略不计，废弃物可以按照全液体计算。完井作业过程的废液包含：清洗液、射孔液、压井液、防砂充填液、完井液、返排流体等。

经统计，各作业阶段产生的废液量可由表1 估算得到。

表1 批量完井废弃液量估算表

由此可知，完井作业过程中作业流体的重复利用率很高，需要回收的液体废弃物量只与含油段直接接触的流体量有关，且废弃液体总量至多为1.5倍井筒容积和2倍射孔管柱容积之和。

3 生活废弃物量测算

为契合钻完井零排放的要求，渤海地区的部分钻井船也进行了钻井平台“零排放”适应性改造，经“零排放”改造后的海洋钻井平台生活污水处理流程如图1所示[8]。

生活废弃物量V4可以表示为：

式中：T 为钻完井工期，d；n 为人均生活污水产生量，m3∕d；N 为平台设计人数，一般按照平台救生艇人数考虑；μ 为水量波动系数，一般取1.1～1.2。

钻井、完井和生活产生的全部废弃物之和即为海上钻完井全过程所产生的废弃物总量：

4 实例验证

举例对本文提出的钻完井全过程废弃物量测算方法的可行性进行验证。

概况如下：定员100 人的钻井船靠某油田生产平台进行钻完批钻批完作业，共批量钻井4口井，批量完井4 口井，设计钻井工期60 d，完井工期28 d。钻井采用三开井身结构，完井采用套管射孔负压射孔工艺。

图1 钻井船“零排放”污水处理流程

连排钻井作业基本情况见表2。

根据上文推导出的结论，预测本次批钻批完作业所产生的废弃物量，并与实际废弃物生成量进行对比，结果见表3、表4。

对计算结果做出以下分析：

1）现阶段海上油田钻井一开作业通常不安装井口装置及泥浆回流管线，且根据现阶段法规，海上表层钻井作业产生的固液废弃物尚可直接排放入海[9]，故此实际表层作业还未进行全回收。但随着作业规范进一步修订，表层作业必然要列入全回收范围内。

2）实际作业配浆时考虑到作业中有可能出现井漏、压井等多种复杂情况，实际备浆量略多于测算量。

3）完井液体废弃物产生量远小于测算量，这是由于测算时按最大污染量进行计算，后续可根据实测值对计算进行修正。

表2 计算参数表

4）生活废弃物按钻井船满员情况进行测算，与现场实际作业人数略有差异。

5）本文提出的钻完井废弃物全回收测算方法与实际结果契合度较高，计算方法可行，满足工程精度要求，钻井废弃物误差低于7%，完井废弃物误差低于10%。

6）在测算过程中需注意同一开次是否采用单一钻井液体系，若采用多套体系，则不考虑批钻。

5 结论和建议

1）海上钻完井作业产生的废弃物可分为钻井废弃物、完井废弃物和生活废弃物3类，在前期设计阶段可使用该方法预测废弃物总量，有助于废弃物回收量及回收成本估算。

表3 废弃物预测量与实际生成量

表4 完井及生活废弃物预测量与实际生成量

2）计算中使用的各项系数是根据某油田作业统计得到，不同地区不同作业条件下的各项系数存在差异，在计算之前需要根据区域进行参数统计，以便更准确地预测废弃物生成量。