油基鉆屑三相離心機(jī)研制與應(yīng)用

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(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163000)①

在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中，水平井鉆井是以頁(yè)巖氣為主的非常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，水平段鉆井大都采用油基鉆井液。油基鉆井液具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕、有助于井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑性好、對(duì)油氣層損害小的特點(diǎn)[1]，使得在頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中得到大規(guī)模使用。但鉆井產(chǎn)生的油基鉆屑及其廢液有較高毒性，油基鉆屑的無(wú)害化處理技術(shù)的研究亟需進(jìn)行。經(jīng)過(guò)2 a多的努力，開(kāi)發(fā)了油基鉆屑復(fù)合清洗工藝技術(shù)，其核心設(shè)備為三相離心機(jī)。

三相離心機(jī)是用于液-液-固三相懸浮液分離的臥螺式離心機(jī)，主要用于互不相溶的兩相液體和固體混合物的分離，這兩相液體通常情況下是油和水[2]。采用復(fù)合清洗工藝調(diào)質(zhì)后的油基鉆屑會(huì)形成互不相容的三相，即礦物油、廢水和鉆屑。礦物油回收后，可再次用于油基鉆屑的配制；廢水回用，用于工藝流程中油基鉆屑的調(diào)質(zhì)處理；分離出的鉆屑固相可滿足相關(guān)環(huán)保要求，集中處理。整套工藝流程中，三相離心機(jī)的性能是保證油基鉆屑能否達(dá)標(biāo)處理的關(guān)鍵。

1 結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

油基鉆屑三相離心機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)包括底座、轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器、殼體、控制系統(tǒng)、電機(jī)、差速器和液壓系統(tǒng)，如圖1所示。

1—底座；2—轉(zhuǎn)鼓；3—螺旋輸送器；4—?dú)んw； 5—控制系統(tǒng)； 6—電機(jī)；7—差速器；8—液壓系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定了離心機(jī)的性能和分離效果，螺旋輸送器是利用螺旋與轉(zhuǎn)鼓間的轉(zhuǎn)速差將沉降在轉(zhuǎn)鼓壁的沉渣輸送到轉(zhuǎn)鼓的排渣口排出。差速器是離心機(jī)上不可缺少的最精密又最復(fù)雜的核心部件，其作用是使螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間形成一個(gè)微小的轉(zhuǎn)速差。差速器有機(jī)械式、液壓式和電磁式等傳動(dòng)型式，為滿足高固相含量物料的需要，采用液壓差速器，以提高螺旋輸送器的推料轉(zhuǎn)矩。液壓站用于為液壓差速器提供動(dòng)力；控制系統(tǒng)為主機(jī)和液壓系統(tǒng)提供電氣控制，另外，還要控制進(jìn)料泵的啟停及進(jìn)液量調(diào)節(jié)。

主要技術(shù)參數(shù)：

轉(zhuǎn)鼓直徑 450 mm

轉(zhuǎn)鼓最高轉(zhuǎn)速 3500 r/min

最大分離因數(shù) 3084

長(zhǎng)徑比 4.2

差轉(zhuǎn)速 1～20 r/min

處理量(油基鉆屑) 2～5 m3/h

液池深度 192～220 mm

2 工作原理

三相離心機(jī)的工作原理如圖2所示。

1—螺旋推進(jìn)器；2—轉(zhuǎn)鼓； 3—重液通道； 4—環(huán)形空間；5—撇液管； 6—輕液通道；7—溢流堰。

被分離的三相物料通過(guò)加料管連續(xù)進(jìn)入螺旋輸送器的加料倉(cāng)，懸浮液經(jīng)螺旋進(jìn)料口迅速進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，利用懸浮液中固-液-液三相的密度差，在離心力場(chǎng)作用下，固相顆粒迅速沉降在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁形成沉渣，由于轉(zhuǎn)鼓和螺旋之間存在一定的轉(zhuǎn)速差，沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的物料由螺旋將沉渣推到轉(zhuǎn)鼓小端的出渣口而排出機(jī)外，被澄清的分離液由于液-液相的密度差在螺旋葉片通道被分離成兩層，將輕、重液相分開(kāi)，在轉(zhuǎn)鼓大端設(shè)置有輕、重液相出口，重液相經(jīng)重液通道進(jìn)入環(huán)狀空間由撇液管排出。輕液相經(jīng)溢流堰進(jìn)入輕液通道靠離心力排出。這樣就實(shí)現(xiàn)了固-液-液三相的分離。

3 關(guān)鍵技術(shù)

采用油基鉆屑復(fù)合清洗工藝調(diào)質(zhì)后形成的三相混合物，具有固相含量高、物性多變等特點(diǎn)，三相分離難度很大，常規(guī)結(jié)構(gòu)的三相離心機(jī)不能滿足環(huán)保要求。因此研制了2種高效分離結(jié)構(gòu)，大幅提高了離心機(jī)的效能。

3.1 轉(zhuǎn)鼓液面調(diào)節(jié)裝置

由于三相離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，現(xiàn)有三相離心機(jī)的液池深度為固定式，無(wú)法向兩相離心機(jī)一樣進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就無(wú)法根據(jù)物料的特性，改變排出固相的含液量，使得三相離心機(jī)的應(yīng)用受到一定的限制。因此，研制了轉(zhuǎn)鼓液面調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)鼓液面的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

該裝置包括轉(zhuǎn)鼓端蓋、液面調(diào)節(jié)盤(pán)體、鎖緊螺母、排液管等，如圖3所示。

1—轉(zhuǎn)鼓端蓋；2—液面調(diào)節(jié)盤(pán)體；3—鎖緊螺母；4—排液管；5—螺紋孔；6—槽；7—轉(zhuǎn)鼓；8—轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔；9—重質(zhì)液相口；10—圓形空間。

轉(zhuǎn)鼓端蓋和液面調(diào)節(jié)盤(pán)配合安裝，并形成圓形空間；液面調(diào)節(jié)盤(pán)的盤(pán)體上有若干斜向的重質(zhì)液相出口和若干斜向的螺紋孔，螺紋孔內(nèi)安裝排液管，排液管外端安裝鎖緊螺母。工作時(shí)，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的高速旋轉(zhuǎn)，使得輕、重質(zhì)液相分層，外側(cè)的重質(zhì)液相通過(guò)調(diào)節(jié)盤(pán)體上的重質(zhì)液相口進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓端蓋與液面調(diào)節(jié)盤(pán)之間的圓形空間，由撇液泵排出；內(nèi)側(cè)的輕質(zhì)液相通過(guò)排液管排出；排液管可通過(guò)螺紋調(diào)節(jié)插入深度，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液面高度，當(dāng)排液管插入螺紋孔較深時(shí)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液面高度就越大，反之就越小。調(diào)節(jié)完成后，上緊鎖緊螺母鎖定排液管，防止排液管松動(dòng)或脫落，實(shí)現(xiàn)了改變固相含液量，提高離心機(jī)功效的目的。

3.2 溢流實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

由于油基鉆屑和廢液中的含油量并不是一個(gè)固定值，差異很大。在含油量較高時(shí)，需要增大油相的排量，同時(shí)減小水相的排量；反之亦然。采用溢流實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可不停機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)油、水的排量，達(dá)到提高油相分離質(zhì)量的目的。

溢流實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括進(jìn)液管、調(diào)節(jié)桿、調(diào)節(jié)座、固定管、固定盤(pán)、撇液輪、支撐盤(pán)、支撐套、大圓盤(pán)等，如圖4所示。

1—進(jìn)液管；2—調(diào)節(jié)桿；3—調(diào)節(jié)座；4—固定管；5—固定盤(pán)；6—撇液輪；7—支撐盤(pán)；8—調(diào)節(jié)盤(pán)；9—螺旋葉片；10—臺(tái)階孔；>11—螺釘；12—支撐套；13—環(huán)形空間；14—排液孔；15—緊定螺釘；16—弧形通道；17—偏心小圓盤(pán)；18—大圓盤(pán)；19—長(zhǎng)槽。

撇液輪及相連接的零部件安裝在離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，調(diào)節(jié)桿及相連部件安裝在離心機(jī)外部。工作時(shí)，離心機(jī)內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的液體通過(guò)撇液輪的弧形通道，進(jìn)入撇液輪中部，再通過(guò)螺旋葉片進(jìn)入固定管與進(jìn)液管之間的環(huán)形空間，最后由排液孔排出。需要調(diào)節(jié)時(shí)，無(wú)需停機(jī)，直接扳動(dòng)調(diào)節(jié)桿，通過(guò)調(diào)節(jié)座、進(jìn)液管帶動(dòng)調(diào)節(jié)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)盤(pán)上的偏心小圓盤(pán)可帶動(dòng)撇液輪伸縮，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液池的深度，改變離心機(jī)的處理效果。實(shí)現(xiàn)了在不停機(jī)情況下，實(shí)時(shí)改變離心機(jī)工作特性的目的。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

油基鉆屑三相離心分離機(jī)研制完成后，在中石化西南局永頁(yè)2HF井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井三開(kāi)水平段采用油基鉆井液鉆進(jìn)。

4.1 工藝流程

根據(jù)油基鉆屑復(fù)合清洗工藝的要求，油基鉆屑化學(xué)清洗工藝流程如圖5所示，使用螺桿泵將油基鉆屑由收集罐輸送到調(diào)質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)，同時(shí)在反應(yīng)器內(nèi)加入清洗劑、助洗劑、絮凝劑及水，進(jìn)行充分的攪拌和反應(yīng)，反應(yīng)完成后，由一臺(tái)螺桿泵將反應(yīng)后的混合物料輸送到三相離心機(jī)內(nèi)。三相離心機(jī)將物料分成固相、油相和水相三部分。固相作為廢渣，由螺旋輸送機(jī)排出；油相進(jìn)入存儲(chǔ)罐；水相進(jìn)入污水罐，待重復(fù)使用。

圖5 油基鉆屑處理工藝流程

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)三相離心機(jī)分離出的固相和油相進(jìn)行取樣及檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1～2。由于水相重復(fù)使用時(shí)對(duì)水質(zhì)無(wú)要求，因此未取樣。

5 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及檢測(cè)結(jié)果表明，經(jīng)處理的廢渣總石油烴含量為0.833%～1.196%，遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)廢棄物2%的要求，便于后續(xù)的集中處理；油相含水量1.68%～1.76%，可直接用于油基鉆井液的配制，大幅節(jié)約鉆井成本。該技術(shù)對(duì)國(guó)內(nèi)其它產(chǎn)能示范區(qū)的頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的油基鉆屑及廢液的環(huán)保治理及安全處置具有較好的借鑒及示范引領(lǐng)作用。

表1 固相檢測(cè)結(jié)果

表2 油相檢測(cè)結(jié)果

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