Design and Application of Positive Pressure Conveying Device for Drill Cuttings in Drilling Platform

Bin Li, Xiang Gao, Kunkun Wu, Jinquan Han, Xiong Ruan

1Oilfield Chemical Department of China Oilfield Services Co. Ltd., Beijing

2SJS Serva Corporation, Jingzhou Hubei

Abstract With the improvement of environmental protection requirements in the oil industry and the promotion of non-landing operation mode of mud, higher requirements were put forward for the transportation of oil-based solid waste cuttings in well completion from offshore drilling. Due to the problems of waste drip leakage, low automation, short transmission distance and cumbersome installation and maintenance in the traditional unconfined transportation, it was urgently needed to adopt more environmentally friendly and efficient transportation methods. Therefore,a closed positive pressure continuous delivery device was developed. The device was composed of a vibrating feed hopper, a transfer chamber, isolation valve, a purge system and an automatic control and detection system. The flexible transmission of pipeline could be realized by using pressure gas as power source. The equipment included many kinds of detectors for detecting the running condition in real time. The control system could realize the function of automatic control and automatic fault alarm. The experimental results and field application results show that the device can fully meet the high requirements of oil-based cuttings transportation on offshore platform.

Keywords Offshore Drilling, Environmental Protection, Drill Cuttings, Positive Pressure Delivery

1. 引言

在油氣田開發(fā)鉆井作業(yè)時(shí)，井筒里的鉆屑會(huì)隨著鉆井液的循環(huán)被帶回地面。攜帶鉆屑的鉆井液經(jīng)過固控系統(tǒng)(振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、離心機(jī))固液分離[1]。分離后的固相(鉆屑)需要通過一套傳輸裝置，將固相輸送到指定位置進(jìn)行排放或者收集。

目前國內(nèi)石油行業(yè)針對鉆屑傳輸?shù)钠毡樽龇ㄊ遣捎梅敲荛]傳輸方式，例如螺旋輸送、傳輸帶輸送。這種傳輸方式存在易滴漏、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、不易自動(dòng)化控制等諸多問題。隨著石油行業(yè)環(huán)保要求的提升和泥漿不落地作業(yè)模式的推廣，鉆屑輸送系統(tǒng)需要采用密閉輸送方式[2] [3]。

為了解決現(xiàn)存輸送方式的不足，確保更環(huán)保高效的巖屑輸送，筆者所在課題組研制了正壓密閉鉆屑輸送裝置，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)備的可靠性。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)長距離、大落差爬高輸送[4]，大幅提升自動(dòng)化程度，降低污染物滴漏風(fēng)險(xiǎn)。

2. 鉆屑正壓輸送裝置設(shè)計(jì)

2.1. 正壓輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

輸送罐有效容積0.25 m3，輸送時(shí)間按經(jīng)驗(yàn)取t = 0.65 min (40 s，不含落料時(shí)間)，儲罐輸送能力GLL計(jì)算如下：

式中：GLL為儲罐輸送能力，kg/h；Lρ′為巖屑密度，取值1800 kg/m3；t為輸送時(shí)間，s。

空氣消耗量GL計(jì)算如下：

式中：N為質(zhì)量混合比，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取26。

輸送速度計(jì)算如下：

式中：α為系數(shù)，粉狀物料取12α=；ρL為物料密度，t/m3；B為系數(shù)，B = (2 - 5) × 10-5；LZ為輸送管道折算長度，m。

輸送管道直徑D計(jì)算如下：

推薦采用Φ127 mm × 5 mm標(biāo)準(zhǔn)管。

2.2. 裝置組成

裝置采用正壓輸送的方式，實(shí)現(xiàn)物料的密閉輸送。裝置包括錐形料斗、進(jìn)料閥、輸送腔、出料閥、吹掃系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，組裝為一個(gè)整體橇裝設(shè)備，滿足集成化、模塊化，設(shè)備體積小，運(yùn)輸方便。在設(shè)備上集成本地控制系統(tǒng)，并配置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，完成鉆屑輸送功能。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

Figure 1. The diagrammatic sketch of equipment structure圖1. 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1. 料斗組件

料斗組件主要由錐形料斗、振動(dòng)電機(jī)、料位檢測器、上減振圈、下減振圈、吹掃氣嘴組成。振動(dòng)電機(jī)與吹掃氣嘴配合使用下，鉆屑進(jìn)入料斗后能快速進(jìn)入輸送罐，有效解決卡阻情況。同時(shí)料位檢測器能實(shí)時(shí)監(jiān)測料斗中鉆屑情況，防止鉆屑溢出。

2.2.2. 輸送罐組件

輸送罐組件主要由進(jìn)料閥、輸送罐、排出閥、輸送器管、吹掃氣嘴組成。通過調(diào)節(jié)進(jìn)出器閥和氣嘴的開啟順序，使鉆屑隨壓力氣體高效輸送。

2.2.3. 自動(dòng)控制系統(tǒng)

鉆屑密閉輸送裝置的控制系統(tǒng)，主要由Proface公司的LT-4201M圖形邏輯控制器，及外圍配套電路組成。LT-4201M集人機(jī)界面與I/O控制為一體，具有模擬觸摸面板，內(nèi)部存儲器和內(nèi)置控制程序等特點(diǎn)。自身可內(nèi)置多路DIO和AIO，支持以太網(wǎng)和串口通訊，是一款非常適用于小型工業(yè)控制領(lǐng)域的控制器產(chǎn)品。

鉆屑密閉輸送裝置有兩種工作模式可供選擇：定時(shí)器模式和料位計(jì)模式。定時(shí)器模式即所有執(zhí)行器件，如閥門、電機(jī)、氣泵等，均按照事先設(shè)定的各定時(shí)器的時(shí)間間隔，以一定的時(shí)序運(yùn)行。通過對運(yùn)行過程和效果的監(jiān)控，及時(shí)對定時(shí)器的時(shí)間間隔進(jìn)行調(diào)整，使設(shè)備達(dá)到最好的運(yùn)行狀態(tài)。料位計(jì)模式即以鉆屑密閉輸送裝置上端的料斗料位作為原始驅(qū)動(dòng)信號，按照控制器內(nèi)部的邏輯控制程序，驅(qū)動(dòng)所有執(zhí)行器件。這種模式的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備可以自適應(yīng)外部作業(yè)條件的改變，無需太多人工干預(yù)。

2.3. 裝置工作原理

裝置工作原理示意圖如圖2，通過控制面板上的啟動(dòng)按鈕(或初始循環(huán)的遠(yuǎn)程循環(huán)啟動(dòng)信號)啟動(dòng)一個(gè)傳送周期。后續(xù)循環(huán)將由循環(huán)計(jì)時(shí)器或料位探頭啟動(dòng)。進(jìn)料閥打開，料斗內(nèi)的鉆屑在重力作用下由料斗進(jìn)入輸送罐中。料斗振動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，促進(jìn)物料從進(jìn)料斗排出。在錐形料斗的底部有掃氣噴嘴來進(jìn)一步輔助排出物料。在靜止填充物料期間，排氣閥打開，排出輸送罐內(nèi)的空氣，出料閥關(guān)閉。在定時(shí)延遲結(jié)束后，振動(dòng)電機(jī)停止，掃氣噴嘴、進(jìn)料閥關(guān)閉。當(dāng)進(jìn)料閥關(guān)閉并充氣密封后，將有一個(gè)短暫的延遲，允許出料閥完全打開。排氣閥關(guān)閉，同時(shí)將輸送空氣引入輸送罐。鉆屑將從輸送罐排入密閉管道，并被運(yùn)送到接收點(diǎn)。短脈沖的空氣也將通過空氣吹掃噴嘴以固定的時(shí)間間隔引入輸送罐，幫助在輸送循環(huán)期間平穩(wěn)地排出鉆屑。當(dāng)輸送罐已經(jīng)排空時(shí)，輸送壓力下降，循環(huán)的大部分有用工作已經(jīng)完成。輸送空氣閥將關(guān)閉，排氣閥打開。當(dāng)輸送壓力完全衰減時(shí)，“低壓”開關(guān)將指示循環(huán)完成。

Figure 2. The diagrammatic sketch of equipment principle圖2. 裝置工作原理示意圖

3. 現(xiàn)場應(yīng)用及試驗(yàn)研究

該裝置的吹掃氣嘴以脈沖的形式開啟與關(guān)閉，脈沖間隔對巖屑輸送有極大影響。一個(gè)輸送周期的結(jié)束是根據(jù)單次輸送完成后罐內(nèi)壓力降至設(shè)定壓力后來決定，單次周期越短輸送能力越強(qiáng)。表1和表2分別為試驗(yàn)現(xiàn)場測得的相同吹掃時(shí)間不同時(shí)間間隔和不同吹掃時(shí)間相同時(shí)間間隔條件下的輸送能力參數(shù)。從表1可以看出，在吹掃時(shí)間設(shè)定為10 s時(shí)，輸送能力隨著吹掃間隔時(shí)間的加長呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且最優(yōu)間隔時(shí)間為3 s；從表2可以看出，在吹掃間隔時(shí)間設(shè)定為3 s時(shí)，輸送能力隨著吹掃時(shí)間的加長先是減小，但超過一定值之后不再減小甚至開始有略微增大的趨勢，其最優(yōu)吹掃時(shí)間為13 s。

Table 2. The transport capacity parameters at different blowing times表2. 不同吹掃時(shí)間的輸送能力參數(shù)

4. 結(jié)語

1) 提出了一種鉆進(jìn)平臺鉆屑輸送的方法，設(shè)計(jì)了一套正壓密閉輸送裝置。該裝置具備自動(dòng)化控制、高效率傳輸、占地少、環(huán)保等級高等優(yōu)點(diǎn)。

2) 現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置性能優(yōu)秀，能夠大幅降低人員的工作量，滿足平臺對巖屑輸送的高要求。

3) 通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，當(dāng)吹掃時(shí)間設(shè)定為10 s時(shí)，最優(yōu)間隔時(shí)間為3 s；當(dāng)吹掃間隔時(shí)間設(shè)定為3 s時(shí)，最優(yōu)吹掃時(shí)間為13 s。

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