真空吸附設(shè)備在油基鉆井液處理中的應(yīng)用研究

陳金瑞 馮群娣 周靜 田文衛(wèi) 劉興振 劉彥良

摘要：為減少隨鉆處理時(shí)產(chǎn)生油基鉆井廢棄物固相，以及節(jié)省后處理成本，研制了一種真空吸附設(shè)備，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)了吸附真空室、微振動(dòng)裝置及篩網(wǎng)清洗裝置。利用真空吸附力與高頻次的微振動(dòng)，將排出的油基鉆井廢棄物固相中的含水、含油體積分?jǐn)?shù)降低。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：相比常規(guī)振動(dòng)篩，該裝備可以有效增加油基鉆井液的利用率，避免過多的油基鉆井液排到油基鉆井液廢棄物固相中，減少了油基鉆井液廢棄物固相污染量，并節(jié)省了二次環(huán)境保護(hù)后處理的成本。產(chǎn)品的研發(fā)為石油天然氣開發(fā)減少油基鉆井廢棄物固相排放提供了技術(shù)支撐，并在今后的油基鉆井液進(jìn)一步隨鉆處理過程中，為應(yīng)用于固控系統(tǒng)的第一級(jí)固液分離設(shè)備提供技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞：油基鉆井液；鉆井液振動(dòng)篩；油基鉆井廢棄物固相；真空吸附；微振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TE922 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16082／j．cnki．issn．1001-4578.2022.12.007

Application of Vacuum Adsorption Equipment in Treatment of Oil-based Drilling Fluid

Chen Jinrui Feng Qundi Zhou Jing Tian Wenwei Liu Xingzhen Liu Yanliang

（Puyang Zhongyuan Restar Petroleum Equipment Co.，Ltd.）

Abstract：In order to reduce the oil-based solid drilling waste generated in the process of treatment while drilling and save the subsequent treatment cost， a vacuum adsorption equipment composed of adsorption vacuum chamber，micro-vibration device and screen cleaning device was developed. The vacuum adsorption and high-fre- quency micro-vibration reduce the water cut and oil cut of oil-based solid drilling waste. Field test results show that，comnpared with conventional shale shakers， this equipment effectively increases the utilization ratio of oil- based drilling fluid，avoids excessive oil-based drilling fluid from being discharged into the oil-based solid drilling waste， reduces the pollution of oil-based solid drilling waste and saves the subsequent treatment cost for secondary environmental protection. This vacuum adsorption equipment provides a technical support for the reduction of oil- based solid drilling waste in the oil and gas development，and also a technical reference for application in the first stage of solid-liquid separator in the solid control system in the process of oil-based drilling fluid treatment while drilling.

Keywords：oil-based drilling fluid; shale shaker; oil-based solid drilling waste; vacuum adsorption; mi- cro-vibration

0引言

隨著鉆井深度與工藝的發(fā)展，我國鉆井作業(yè)對(duì)鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的要求越來越高，尤其是油基鉆井液具有良好的流變穩(wěn)定性能、電穩(wěn)定性能、潤滑性能、抑制性能以及較高的動(dòng)塑比等優(yōu)點(diǎn)，石油天然氣開發(fā)采用油基鉆井液作為鉆井工程中的鉆井液越來越普遍。但油基鉆井廢棄物固相作為石油天然氣開發(fā)的重要污染源，單井可產(chǎn)生油基鉆井廢棄物固相400～800㎡，成為石油天然氣開發(fā)過程的主要污染源。世界各國都對(duì)油基鉆井廢棄物的排放制定了嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，美國聯(lián)邦政府規(guī)定禁止排放油基鉆井液，含柴油的鉆屑游離油也不允許排放；加拿大政府規(guī)定處理后的廢棄物中的含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得大于2％［2］。目前針對(duì)油基鉆井廢棄物固相的后處理主要是脫干—生物降解、熱蒸餾、熱裂解、化學(xué)清洗、超臨界萃取、LRET、水泥窯協(xié)同處置技術(shù)等不同處理技術(shù)［3—10］。以上技術(shù)在國內(nèi)都展開了不同程度的研究與應(yīng)用，不同的技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但主要問題仍集中在工藝復(fù)雜，能耗高，無法滿足后處理量產(chǎn)率的需求。

針對(duì)此問題，近年來國外改變思路從源頭減少油基鉆井廢棄物固相的排放。美國Swaco公司與加拿大Vac Screen公司利用文丘里管噴射原理形成真空并加裝在原有振動(dòng)篩上，將油基鉆井廢棄物固相攜帶多余的油基鉆井液回收利用；挪威Cubility公司研究的新型 mudcube 設(shè)備，將真空及微振動(dòng)原理用于取代傳統(tǒng)振動(dòng)篩，減少油基鉆井廢棄物固相的排出［＂—13］。但以上新技術(shù)一直受到保密限制，國內(nèi)還處于研究起步階段。

為此，筆者研制了一種用于油基鉆井液真空吸附的設(shè)備［＂］，該設(shè)備突破國外技術(shù)障礙，在鉆井工程開發(fā)中取代常規(guī)鉆井液振動(dòng)篩，減少了油基鉆井固相廢棄物排放量，從源頭控制其含水、含油體積分?jǐn)?shù)，減輕了后處理工藝的負(fù)擔(dān)，降低了后續(xù)工藝的能耗。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

真空吸附設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉆井液分配器與篩分系統(tǒng)入料口連接在一起，并固定在篩分系統(tǒng)上部，篩分系統(tǒng)一端連接真空排液室并形成密封空間，其中篩分系統(tǒng)兩端設(shè)置尼龍齒輪，上方為轉(zhuǎn)運(yùn)拖鏈，轉(zhuǎn)運(yùn)拖鏈上方為篩網(wǎng)，拖鏈下方為高頻氣動(dòng)振動(dòng)器，并內(nèi)置于篩分系統(tǒng)中。篩分系統(tǒng)前部的主動(dòng)尼龍齒輪通過兩端軸承安裝在主框架前部并連接電動(dòng)系統(tǒng)上部，被動(dòng)尼龍齒輪通過兩端軸承安裝在主框架后部。篩分系統(tǒng)上方為密封型的防飛濺，防飛濺前端為活裝結(jié)構(gòu)，通過氣動(dòng)彈簧連接在主框架上，篩網(wǎng)清潔系統(tǒng)固定在篩分系統(tǒng)外部下方。落料清掃系統(tǒng)通過前、后兩端軸承固定在主架下部并連接電動(dòng)系統(tǒng)。真空排液室一端與篩分系統(tǒng)連接，另一接口連接排氣系統(tǒng)。電控系統(tǒng)固定在真空排液室上。鉆井液分配器、篩分系統(tǒng)、落料清掃系統(tǒng)、真空排液室、排氣系統(tǒng)固定在主框架上，主框架前方下部開有落料口。

1.2 工作原理

井底返上的油基鉆井液進(jìn)入到鉆井液分配器，鉆井液分配器將油基鉆井液均勻地分流入篩分系統(tǒng)中；排氣系統(tǒng)產(chǎn)生真空，通過真空排液室將真空力施加到篩分系統(tǒng)中的篩網(wǎng)上；同時(shí)篩分系統(tǒng)中的激振器通過外接氣源產(chǎn)生高頻微振動(dòng)，使篩網(wǎng)上面的油基鉆井液與油基廢棄物固相在自身重力產(chǎn)生的慣性力下分離。分離后的油基鉆井液在兩者的作用下流到真空排液室，再通過真空排液室排出口流入到循環(huán)罐中，以再次循環(huán)回收利用油基鉆井液。分離后的油基鉆井廢棄物固相隨著篩網(wǎng)在電動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)到落料口處，依靠自重脫落。未脫落的油基鉆井廢棄物固相在篩網(wǎng)清潔系統(tǒng)的作用下脫離篩網(wǎng)，并落在主框架底部。落料清掃系統(tǒng)在電動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)下將脫離篩網(wǎng)的油基鉆井廢棄物固相清掃至主框架出料口處。電控系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)篩網(wǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)速度及落料清掃系統(tǒng)速度，并控制排氣系統(tǒng)的啟停。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

真空吸附設(shè)備總功率約為11kW；處理量為150m3，外接氣源壓力為0.6MPa，激振器空氣消耗量為1.5m／min，空氣刀滿負(fù)荷空氣消耗量為6.5m3／min，篩分系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為10～12r／min（變頻可調(diào)）；主機(jī)外形尺寸：3150mmx2105 mmx1 645mm。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鉆井液分配器

鉆井液分配器內(nèi)部采用溢流堰式結(jié)構(gòu)和鋸齒形流道，這使得進(jìn)料的油基鉆井液能夠上升到一定高度才能溢流到出料口，再經(jīng)過鋸齒形流道，使得油基鉆井液可以均勻地分配到篩分系統(tǒng)中。在鉆井液分配器內(nèi)部設(shè)置有鉆井液平衡結(jié)構(gòu)，可根據(jù)地腳安裝情況調(diào)節(jié)兩側(cè)鉆井液流入量，防止因地腳傾斜造成鉆井液流入篩分系統(tǒng)不均。在鉆井液分配器入口設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)，避免油基鉆井液因流速過快或在慣性的作用下越過溢流堰式結(jié)構(gòu)。

2.2 篩分系統(tǒng)

篩分系統(tǒng)頂部設(shè)置有篩網(wǎng)，篩網(wǎng)下方為可轉(zhuǎn)動(dòng)的拖鏈，安裝在主框架的前后兩端軸承上。軸承外置于篩分系統(tǒng)，避免鉆井液浸入軸承體。篩分系統(tǒng)內(nèi)置高頻氣動(dòng)振動(dòng)器，通過振動(dòng)平衡杠將振動(dòng)均勻地傳遞在拖鏈與篩網(wǎng)本體。篩分系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置收集倉，該收集倉通過真空排液室間接與排氣系統(tǒng)連接，使真空吸附力傳遞到篩網(wǎng)面的油基鉆井液，以保證分離后的油基鉆井液可以集中導(dǎo)向真空排液室。為保證真空的密封性，在收集倉頂部四周采用聚氨酯塊與篩網(wǎng)拖鏈形成密封空間。為避免油基鉆井液通過篩網(wǎng)與拖鏈之間流入收集倉，在篩網(wǎng)兩側(cè)增加閉孔密封條，通過在閉孔密封條正上部增加配重壓縮閉孔密封條，使得油基鉆井液無法流入收集倉中，從而避免處理前、后的混合物料。

篩分系統(tǒng)工作原理如圖2所示。油基鉆井液流經(jīng)篩網(wǎng)表面時(shí)，黏附在油基鉆井廢棄物固相的油基鉆井液在上下振動(dòng)的作用力下脫離分開，并由向下的吸附作用力將油基鉆井液透過篩網(wǎng)吸入到篩分系統(tǒng)中。經(jīng)分離后的油基鉆井液進(jìn)入到篩分系統(tǒng)內(nèi)部并流入到真空排液室。粒徑大于篩網(wǎng)孔的固相被傳動(dòng)到出料口。

篩分系統(tǒng)采用激振器高頻微振動(dòng)＋真空吸附的原理，廢棄物固相顆粒基本保持井下返上的形狀，在真空吸附力與微振動(dòng)的作用下盡量避免破壞原顆粒物大小，使得顆粒物的表面積遠(yuǎn)小于常規(guī)振動(dòng)篩處理后的顆粒物的表面積。

2.3 真空排液室

真空排液室內(nèi)部設(shè)計(jì)有水密封結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)部真空與外部大氣壓隔開。源源不斷的油基鉆井液通過液體自身重力經(jīng)過水密封結(jié)構(gòu)排出到出液口。在真空排液室中部設(shè)置有過濾器，防止一些油基鉆井液隨大氣吸入排氣系統(tǒng)中，頂部設(shè)置錐形真空吸盤，將排氣系統(tǒng)中的氣壓范圍擴(kuò)大。

真空排液室的流程如圖3所示。向下的箭頭為油基鉆井液流向，向上的箭頭為氣體流向，氣體與液體在此單元內(nèi)進(jìn)行分離。同時(shí)在真空吸盤真空吸附力的作用下，一部分有害氣體從液體中破碎[15]，并通過排氣系統(tǒng)的排氣口外接到安全地帶。

2.4 排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)為該設(shè)備的真空源，選擇的風(fēng)機(jī)負(fù)壓與氣體流量曲線如圖 4 所示。其中下部紅色線條為50 Hz 的曲線，上部藍(lán)虛線為60 Hz 的曲線。在 50Hz 的情況下，當(dāng)油基鉆井液完全覆蓋篩分系統(tǒng)篩網(wǎng)時(shí)，真空壓力可以達(dá)到—0. 027 MPa，氣量為 230m3/h；當(dāng)篩分系統(tǒng)中無油基鉆井液時(shí)，真空壓力為 0，氣量最大 830 m/h。該該曲線基本為線性，具體壓力與氣量隨油基鉆井液覆蓋篩分系統(tǒng)中篩網(wǎng)狀況而發(fā)生變化。

2.5 落料清掃系統(tǒng)

落料清掃系統(tǒng)由 16把氣刀組成，連接外部空氣壓縮機(jī)，使壓縮空氣噴射到篩網(wǎng)上。該氣刀內(nèi)大外小，通過將氣口急劇收縮，噴射出的壓縮空氣形成線狀，以清除黏附在篩網(wǎng)上的油基鉆井廢棄物固相。該結(jié)構(gòu)高度可調(diào)，根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)氣刀口與篩網(wǎng)面的距離，使氣刀覆蓋全篩面。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該設(shè)備與平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩于 2021年9月在四川頁巖氣某平臺(tái)進(jìn)行油基鉆井液隨鉆試驗(yàn)對(duì)比。油基鉆井廢棄物固相在篩面情況如圖5所示。

由圖 5 可知，相同工況下，平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩與真空吸附設(shè)備篩網(wǎng)面處理油基鉆井廢棄物的區(qū)別在于：平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩篩面上的物料更碎，顆粒更小，流動(dòng)性較強(qiáng)，攜帶的油基鉆井液更多；而真空吸附設(shè)備分離顆粒較大，未經(jīng)破碎，攜帶的油基鉆井液較少。

鉆井深度為 5 900 m 時(shí)，平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩與真空吸附設(shè)備采用200×110目的長方形孔篩網(wǎng)。平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩處理后的油基鉆井廢棄物固相（取樣 50 mL）經(jīng)蒸餾器檢測(cè)，含水、含油體積分?jǐn)?shù)如表 1 所示。

真空吸附設(shè)備處理后油基鉆井廢棄物固相（取樣50mL）含水、含油如表2所示。

從表 1、表 2 可以得出，平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩處理后平均含液體積分?jǐn)?shù)42.5%，平均含油體積分?jǐn)?shù)33.14%。真空吸附設(shè)備平均含液體積分?jǐn)?shù) 33.9%，平均含油體積分?jǐn)?shù) 25.7%。真空吸附設(shè)備比平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩含液體積分?jǐn)?shù)低8.6%，含油體積分?jǐn)?shù)低 7.44%。

4 結(jié)論及建議

（1）研制的真空吸附設(shè)備可以有效減少鉆井作業(yè)中產(chǎn)生的油基鉆井液廢棄物固相，為二次后處理工藝（如熱蒸餾、熱裂解等）減輕負(fù)擔(dān)。

（2）應(yīng)用真空吸附設(shè)備能有效增加鉆井作業(yè)過程中油基鉆井液的利用率，避免過多油基鉆井液排放到油基鉆井液廢棄物固相中。

（3）在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，真空吸附設(shè)備可以將一部分有害氣體從液體中破碎并排放到安全地帶，改善了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，減小了安全隱患。

（4）在油基鉆井液隨鉆處理過程中，可考慮將該設(shè)備應(yīng)用于固控系統(tǒng)第一級(jí)固液分離中。

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第一作者簡(jiǎn)介：陳金瑞，工程師，生于 1987 年，2013年畢業(yè)于河南科技大學(xué)，獲碩士學(xué)位；現(xiàn)主要從事石油天然氣、煤礦泥水及環(huán)保后處理方面的科研工作。地址：（457000）河南省濮陽市。E—mail： 541583956@qq.com。

通信作者：田文衛(wèi)，E—mail：1025085234@ qq.com。

收稿日期：2022—06—18

（本文編輯 南麗華）