海洋平臺鉆井鉆屑存儲輸送裝置的設(shè)計與分析

吳坤坤，石大磊，張 明，高 翔

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300480；2.四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，荊州434000）

現(xiàn)代工業(yè)社會導(dǎo)致油氣儲量迅速遞減，陸地油氣資源已日趨枯竭，隨著海洋油氣資源的大力開發(fā)，海上石油鉆井規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，由此產(chǎn)生的廢棄鉆井液對海洋生態(tài)環(huán)境的污染不可忽視[1]。鉆井鉆屑屬于石油鉆井污染中的固體廢物污染，是廢棄鉆井完井液固液分離后產(chǎn)生的對石油鉆井無用的固相。鉆屑中含有大量的有機(jī)物和有毒重金屬，直接排放會嚴(yán)重污染海洋環(huán)境。在處理海洋鉆井的廢棄物時，第一步首先要對鉆井廢液進(jìn)行固液分離，它是減少輸送量、提高循環(huán)利用率和解決環(huán)境污染問題的前提。在海上鉆井作業(yè)中，清除鉆屑是一項費事和花費不菲的工作，也是油井設(shè)計和鉆井施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

當(dāng)今社會對于海洋污染問題越來越重視，各國對海洋環(huán)境保護(hù)也日趨嚴(yán)格。2000年3月頒布的北大西洋和東大西洋環(huán)境保護(hù)委員會標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定向海洋排放鉆屑的殘留礦物油的含量要低于1%。自2009年5月1日起，我國開始實行新的《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》標(biāo)準(zhǔn)，與我國自1985年實行的《海洋石油開發(fā)工業(yè)含油污水排放標(biāo)準(zhǔn)》相比，新標(biāo)準(zhǔn)對海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限制越發(fā)嚴(yán)格，基本上接近“零”排放標(biāo)準(zhǔn)[2]。

目前國內(nèi)外鉆井鉆屑處理技術(shù)主要分為3 大類：巖屑脫干法、巖屑熱分餾法和巖屑回注法。這些方法會受到場地、環(huán)境的影響，并不能應(yīng)用在所有井場，需要存儲輸送設(shè)備作為補(bǔ)充[3]。國內(nèi)外常用的存儲輸送技術(shù)有螺旋絞龍輸送、軟管泵輸送、正壓氣力輸送、負(fù)壓氣力輸送等，國外Clyde Materials Handling 公司研制了一種新型CleanCut 閉式鉆屑清除系統(tǒng)，NOV 公司研制的BRANDT FREEFLOW系統(tǒng)，SUPAVAC 公司的Slurry Management Systems都可用于鉆屑的輸送，但是鉆屑的存儲及運(yùn)輸功能不夠，多用于物料輸送，國內(nèi)還沒有用于專門輸送鉆屑的裝置，存儲及運(yùn)輸?shù)膸r屑箱也體積較小。為了解決現(xiàn)有方式的不足，確保更環(huán)保高效的巖屑存儲、運(yùn)輸及輸送，研制了鉆井鉆屑存儲輸送裝置，并通過試驗驗證了設(shè)備的可靠性。

1 鉆井鉆屑存儲輸送裝置設(shè)計

1.1 設(shè)備組成及工作原理

該海洋平臺鉆井鉆屑存儲輸送裝置主要由存儲罐體、管匯系統(tǒng)、輸送氣路、控制氣路、螺旋輸送、滑塊系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、橇架及防碰架、控制系統(tǒng)等幾部分組成，能夠獨立全自動運(yùn)行，將廢棄的鉆井鉆屑進(jìn)行存儲，方便運(yùn)輸?shù)狡渌胤?，并能自行將鉆井鉆屑輸送至指定位置[4]。海洋平臺鉆井鉆屑存儲輸送裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 鉆井鉆屑存儲輸送裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling cuttings storage and conveying device

設(shè)備的工作原理為：將外部輸送管線與設(shè)備連接好，打開存儲罐體頂部的呼吸閥門，外部設(shè)備將鉆井鉆屑輸送進(jìn)入本設(shè)備，存儲罐體存儲鉆屑，可將整個設(shè)備作為儲罐存儲及運(yùn)輸。當(dāng)設(shè)備運(yùn)輸?shù)侥康牡睾?，接好排出口的排出管線和外接氣源，打開滑塊系統(tǒng)，滑塊系統(tǒng)可以將管體底部的鉆屑推送至螺旋輸送的輸送槽內(nèi)，打開出料系統(tǒng)的排出閥、輸送氣源和罐體頂部的供料氣源，啟動螺旋輸送進(jìn)行送料，設(shè)備通過氣力輸送方式將鉆屑柔性輸送到指定位置。

1.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

設(shè)備的主要執(zhí)行部件采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，采用中高壓液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力在20 MPa，而系統(tǒng)的總動力大小主要由以下兩部分負(fù)載確定，考慮機(jī)械和液壓的效率后，確定所需功率大小，由功率大小選取對應(yīng)功率等級的電機(jī)來驅(qū)動液壓系統(tǒng)。

1.2.1 滑塊系統(tǒng)受力計算

由于罐體底部是平面結(jié)構(gòu)，不利于物料進(jìn)入螺旋輸送的輸送槽內(nèi)，采用滑塊在罐體底部做往復(fù)運(yùn)動，將物料推送至輸送槽內(nèi)，由液壓系統(tǒng)提供動力驅(qū)動油缸來推動滑塊工作[5]?；瑝K的運(yùn)動中，滑塊與罐體底板接觸，產(chǎn)生摩擦力，滑塊的端面在移動過程中，會受到罐體內(nèi)物料的阻力，由這兩個力的大小來選擇油缸的規(guī)格型號。滑塊示意圖如圖2所示。

圖2 滑塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of slider

鉆屑存儲輸送裝置的底部推板的摩擦力為

式中：p為壓強(qiáng)；ρ 為物料密度，ρ=2 t/m3=2000 kg/m3；g為重力加速度，取g=9.8；H為罐內(nèi)物料高度，H=2.3 m。

式中：FN1為正壓力，F(xiàn)N1=F1；μ 為動摩擦因數(shù)，鐵與鐵摩擦μ=1。

各種規(guī)格的鉆井鉆屑表面摩擦系數(shù)參考如表1所示，參考用泥漿濕潤的工況，需滿足所有可能物料的輸送要求，即選取最高摩擦系數(shù)進(jìn)行計算?；◢弾r與鋼材的摩擦系數(shù)按μ2=0.57 計算，花崗巖與花崗巖摩擦系數(shù)按μ3=0.52 計算。

表1 巖石表面摩擦系數(shù)Tab.1 Friction coefficient of rock surface

側(cè)面（滑塊側(cè)面的受力）的推拉力F2，滑塊側(cè)面推動物料移動，物料與罐體底板產(chǎn)生摩擦力F磨2，物料與物料相對滑動產(chǎn)生摩擦力F磨3，公式為

式中：FN2，F(xiàn)N3為正壓力，F(xiàn)N2=FN3=F1

1.2.2 無軸螺旋輸送功率計算

無軸螺旋用于將平底罐體底部的物料輸送至出料系統(tǒng)，出料系統(tǒng)使用壓縮空氣將物料輸送出去，由液壓馬達(dá)驅(qū)動減速機(jī)來使無軸螺旋工作。螺旋輸送機(jī)功率計算的公式如下：

式中：P為總功率；P1為空載運(yùn)行功率；P2為物料輸送消耗功率；P3為傾斜輸送功率。

式中：D為螺旋直徑（m）；L為輸送長度（m）。

式中：Q為輸送量（t/h）；L為輸送長度（m）；λ 為輸送阻力系數(shù)。

式中：Q為輸送量（t/h）；H為傾斜提升高度（m）。

在設(shè)備輸入?yún)?shù)確定好后，基本參數(shù)就可設(shè)計完成，其取值為：D=295 mm，L=2.5 m，Q=25 t/h，H=0 m。

系數(shù)λ 是對每種輸送物料所特有的，通常λ 值在2～4 之間，根據(jù)國標(biāo)JB/T7679-2008 的推薦λ 值，選取花崗石的λ 值，λ=3.4。

上述計算功率為實際使用功率，采用1∶4.25 的減速機(jī)后，驅(qū)動部件的功率如下：

1.3 輸送系統(tǒng)的設(shè)計

出料部分采用雙噴射器設(shè)計，兩個噴射器的機(jī)械結(jié)構(gòu)一致，采用一大一小，噴射器的中間為物料通道，四周為壓縮空氣的通道，此結(jié)構(gòu)可充分利用壓縮空氣的動力，而物料始終沿著直線輸送，不會損失輸送動能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 噴射器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of ejector

設(shè)計過程中，輸送罐有效容積V容=7.5 m3，輸送時間按經(jīng)驗取t=22 min，輸送管道選用5″管道，不考慮罐體頂部推送物料到出料口的壓縮空氣的損失量。

輸送能力GLL為

式中：rL為物料比重，rL=2000 kg/m3；t為輸送時間，按實際輸送時間取值。

空氣消耗量GL為

式中：GLL為系統(tǒng)輸送能力（kg/h）；N為重量混合比，輸送功率大的重質(zhì)物料時，混合比一般在5～25，根據(jù)經(jīng)驗取26；y為空氣的比重，取1.2 kg/m3。

輸送速度V為

式中：α 為系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取α=12；ρL為物料比重（t/m3），對于壓送式系統(tǒng)，代以物料真實比重，ρL=2 t/m3；B為系數(shù)，B=（2～5）×10-5；LZ為輸送管道折算長度，取180 m。

2 強(qiáng)度及安全性分析

2.1 罐體強(qiáng)度受力分析

存儲罐體用于鉆井鉆屑的存儲，裝滿物料后可運(yùn)輸?shù)狡渌胤剑摅w采用壓力容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，在進(jìn)行物料氣力輸送時作為輸送系統(tǒng)的輸送罐使用[6]。

結(jié)構(gòu)基本參數(shù)：該撬架主要承力部件均采用Q345R 材料焊接，該材料屈服強(qiáng)度為345 MPa，拉伸強(qiáng)度為450～630 MPa，根據(jù)“DNV-OS-E101”的相關(guān)規(guī)定，在計算校核撬架強(qiáng)度時材料受到的最大應(yīng)力不能超過材料屈服強(qiáng)度的0.85 倍，即最大許可應(yīng)力不能超過293.25 MPa。

有限元中主要計算參數(shù)設(shè)置：材料密度為7870 kg/m3；彈性模量（EX）為2.12E11 Pa；泊松比（PRXY）為0.31；加速度為g=10 N/kg。

有限元建模：通過三維軟件SOLIDWORKS 建立承壓罐體的完整模型，然后將模型導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行計算，有限元模型如圖4所示。

圖4 框架有限元建模示意圖Fig.4 Schematic diagram of frame finite element modeling

有限元設(shè)置約束和加載：在底部施加固定約束；設(shè)備空載時，施加設(shè)備自重，重力加速度g=10 m/s2；罐體滿載時，介質(zhì)質(zhì)量：π×1.12×1.63×2000×1.5=18600 kg，通過靜水壓力的方式施加，截面示意圖如圖5所示。罐體內(nèi)部最大空氣壓力110 psi，施加整個罐體內(nèi)表面的壓力載荷：110×0.007×1.5=1.155 MPa。整體加載載荷如圖6所示。

圖5 靜水壓力截面示意圖Fig.5 Schematic diagram of hydrostatic pressure section

圖6 整體載荷示意圖Fig.6 Schematic diagram of overall load

計算結(jié)果及結(jié)論分析：通過有限元計算撬架應(yīng)力云圖如圖7所示，框架變形云圖如圖8所示。

圖7 框架應(yīng)力云圖Fig.7 Cloud diagram of frame stress

圖8 框架變形云圖Fig.8 Cloud diagram of frame deformation

從上述結(jié)果中可以得到：考慮動載系數(shù)1.5 時，豎直工況撬架所受到的最大應(yīng)力為251.06 MPa，最大受力點在罐體側(cè)面的加強(qiáng)筋處，最大應(yīng)力不超過293.25 MPa；最大變形為2.20 mm，變形值相對較小，因此框架強(qiáng)度滿足要求。

2.2 安全性分析

存儲罐體在卸料過程中采用壓縮空氣作為動力，在操作過程中可能出現(xiàn)超壓情況，罐體頂部使用安全閥進(jìn)行超壓泄放[7]。罐體采用的安全閥通徑為DN25，在下述安全性分析中，安全閥的通徑不得小于分析結(jié)果值。分析過程中，參考了GB150.1-2011《壓力容器—第1 部分：通用要求》的計算公式及設(shè)定條件。

2.2.1 氣體的泄放面積計算

下述公式適用于單一相氣體介質(zhì)通過泄放裝置時泄放面積的計算，公式為

式中：Ws為氣體儲罐的安全泄放量（kg/h）；C為氣體特性系數(shù)，查GB150.1-2011 的表B.4，由表B.4 選取C=356；K為泄放裝置的泄放系數(shù)，由安全閥廠家提供，一般K=0.75；Pf為泄放裝置的泄放壓力，按容器設(shè)計壓力取值，Pf=0.7586 MPa；Z為氣體的壓縮系數(shù)，對于空氣，Z=1.0；Tf為泄放裝置泄放溫度，按泄放溫度為50 ℃計算，Tf=50 ℃=323.15 K；M為氣體的摩爾質(zhì)量，由GB150-2011 的表B.6 選取，M=28.97。

2.2.2 氣體儲罐安全泄放量的計算

氣體儲罐的安全泄放量按下式計算：

式中：ρ 為泄放條件（設(shè)定溫度與設(shè)定壓力）下的介質(zhì)密度 （kg/m3）；ν 為容器進(jìn)氣管內(nèi)的流速（m/s）；d為容器進(jìn)氣管內(nèi)直徑（mm）。

壓縮空氣密度計算如下：

式中：ρ 為壓縮空氣密度。

式中：Q為空壓機(jī)的進(jìn)氣排量，Q=21 m3/min；d為設(shè)計的進(jìn)氣管內(nèi)徑，d=50 mm。則：

2.2.3 泄放裝置通徑計算

泄放裝置通徑的計算公式為

泄放裝置通徑d1為

通過上述計算，安全閥通徑滿足DN20 即可，安全考慮，安全閥通徑通徑需大于驗證值，即安全閥通徑選取DN25 滿足安全要求。

3 結(jié)語

本文提出了一種鉆井平臺鉆屑存儲、運(yùn)輸及輸送的方法，設(shè)計制造了一套海洋平臺鉆井鉆屑存儲輸送裝置。該裝置具備鉆屑存儲量大、運(yùn)輸方便、輸送效率高、自動化控制和環(huán)保等級高等優(yōu)點。針對存儲罐體內(nèi)物料的輸送，對液壓系統(tǒng)和物料輸送參數(shù)給出了計算方法和相應(yīng)計算公式，為系統(tǒng)功率匹配、氣源消耗等主要參數(shù)設(shè)計提供參考。對鉆井鉆屑存儲輸送裝置的重點結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，并對罐體安全性進(jìn)行了分析，分析研究的內(nèi)容對于該類裝置的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。