[发明专利]用于废钻井流体脱水的系统和方法

说明书

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

不适用。

背景

本公开内容总体上涉及用于钻井流体脱水的系统和方法。更具体地，本公开内容涉及通过用有机聚合物调节钻井流体使废钻井流体脱水的系统和方法。

任何钻井工艺的关键要素都是钻井流体或泥浆的使用。钻井流体起到数种目的。钻井流体的密度或重量阻止地层流体或气体进入井眼，并进而控制地层压力。钻井流体还使钻屑从井眼底部悬浮并携带至表面。表面处的固体控制设备使钻井流体能够连续再循环，和/或沉积到位置与钻机泥浆罐相邻的土坑，亦称储备池内。

在钻井之前，要求钻井操作员建造和划出储备池来容纳钻屑量和数千桶水基钻井流体废物，所述废物预计由固体控制设备排放和倾卸钻井流体废物以维持最佳流体性质、水泥替置和钻机运转之前清洗机罐而产生。由于大多数采用传统实践的钻机没有运用特定类型的高效固体控制设备，因此通常遵循“倾卸和稀释”方式来控制泥浆密度、粘度和固体含量，以帮助改善钻头的机械钻速，并阻止卡钻趋势。这种“倾卸和稀释”方式意味着要消耗大量的水来减小胶态固体的浓度，并与化学添加剂重新配制，以给操作线带回最佳钻井流体性质。同时，作为定期倾泻的结果，储备池继续容纳更大体积的钻井流体废物。由于政府管理机构、市民、钻机位置、钻井成本、井的复杂性和钻井流体性能的原因，这种传统的钻井操作已经被逐步淘汰。

为了提供钻头的润滑和冷却、钻屑的去除和井的控制，钻井流体的性质必须要小心控制。当钻屑在钻井流体中累积时，钻井流体的重量和粘度便增加，从而增加了钻头上减慢机械钻速(ROP)的曳力，增加了钻孔壁上的壁垢厚度，并使井的压力更加难以控制。为了控制钻井流体的重量和粘度，从而防止井失控、ROP降低、和/或钻井部件由于壁垢厚度增加而在钻孔中被粘住，将水加入到再生的钻井流体中，以在重新注入之前对其进行调节。

为了降低与处理废钻井流体、运输清水到井场和井场恢复相关的成本，已经开发了多种用于废钻井流体脱水的技术。这些脱水技术使水能够从废钻井流体中回收，随后在注入钻柱之前与未用过的或再循环的钻井流体合并。水从废钻井流体中分离后，剩余的固体废物与脱水之前的废钻井流体相比，体积更小，重量更轻，并且可以运离井场，并以明显低的费用进行处置。

用在钻机上的固体控制设备的传统方法开始于钻井流体在流线上流出钻孔的时候。钻井流体经过线性运动振荡器，所述振荡器根据所用筛网的筛孔大小，在去除320-75μm之间大小的粗固体颗粒时能够处理100％的泥浆泵流。然后钻井流体经过除砂及除泥水力旋流器，以进一步以泥浆泵流速的大约110％的处理速率去除大小在20-74μm之间的细粉和淤泥级钻井固体颗粒。最后，流体经高速固体控制沉降式离心机处理，以泥浆泵流速的大约20％的平均处理速率除去大于5μm的超细钻井固体颗粒。

研究显示，水基钻井流体的胶体含量，钻头的钻速越快。胶态固体的最小化有助于降低钻井流体的塑性粘度，从而促使钻头的马力更大。然而，如果胶态在钻井流体中连续再循环时允许胶态固体累积和进一步降解，那么，除去胶态固体即使并非不可能，也会变得困难。粒度大于5μm或更大的胶态固体通过用带高阳离子电荷/低分子量有机聚合物进行粒子电荷脱稳，从钻井流体废物中去除，并且通过加入阴离子电荷可变/高分子量有机聚合物聚集在一起，形成“硬絮体”。

为了进一步提高这些传统脱水工艺的总效率，常常在进入离心机之前向钻井流体中加入无机聚合电解质或聚合物。钻井流体是产自土地或商业化生产的各种大小的固体和水的悬浮液。所述固体颗粒携带着导致它们彼此相互排斥的电荷，从而使所述固体能够悬浮在水中。由于这些排斥力和胶体/超细固体的浓度，钻井流体脱水将需要相当多的时间，以致这种自然工艺成为了不实用的方法。为了加快脱水过程，在钻井流体被传送通过离心机之前，将钻井流体用无机凝结剂处理。通常，无机凝结剂，如硫酸铝、聚氯化铝、氯化铁、氢氧化钙或酸首先被添加到钻井流体中，以使混合物的悬浮固体去稳定化。本文所用的去稳定化是指将悬浮在胶体混合物或钻井流体中的固体的电荷中和，以减小或破坏其排斥力的过程。