海洋模塊鉆機(jī)散料粉塵回收裝置設(shè)計(jì)與實(shí)施

何玉茍，何德磊，詹 超，杜 昆，鄭文杰

（中海油田服務(wù)股份有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

固井水泥、重晶石和膨潤(rùn)土等散料是石油鉆井固井作業(yè)和泥漿調(diào)配必須用到的重要材料，鉆機(jī)通過(guò)散料吹灰系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)散料的存儲(chǔ)、輸送和加料配漿作業(yè)，散料輸送的動(dòng)力為經(jīng)過(guò)壓力調(diào)定的壓縮空氣。散料吹灰作業(yè)前，需對(duì)散料罐和工藝管道進(jìn)行預(yù)充壓，根據(jù)散料的特性需求，往散料罐內(nèi)吹灰加料和吹灰作業(yè)完成后都要將罐內(nèi)空置部分所含帶有散料粉塵的壓縮空氣通過(guò)系統(tǒng)放空管道途徑上部組塊至平臺(tái)底層甲板弦外距離海平面約8 m 的位置排海。這些帶有水泥粉塵、重晶石粉塵或膨潤(rùn)土粉塵的壓縮空氣在放空時(shí)會(huì)在放空管道的末端迅速散開(kāi)隨風(fēng)吹散入海，部分水泥粉塵會(huì)不斷堆積在平臺(tái)樁腿上并結(jié)塊，對(duì)平臺(tái)樁腿的管理帶來(lái)嚴(yán)重影響。近年來(lái)，對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)的要求被提升到更高的層次，如果有一套粉塵回收裝置在散料吹灰系統(tǒng)排空管道排海前進(jìn)行凈化處理和粉塵回收，既可以在很大程度上減小散料粉塵對(duì)平臺(tái)樁腿的危害，又可以減少散料材料的浪費(fèi)且有利于保護(hù)海洋環(huán)境。

1 海洋模塊鉆機(jī)散料吹灰系統(tǒng)使用現(xiàn)狀

1.1 海洋模塊鉆機(jī)散料吹灰系統(tǒng)簡(jiǎn)介

海洋模塊鉆機(jī)散料吹灰系統(tǒng)主要由水泥罐、重晶石罐、膨潤(rùn)土罐、緩沖罐、配套的儀表、散料稱(chēng)重裝置及吹灰管道和閥門(mén)等組成，另外還有一個(gè)安裝在模塊鉆機(jī)DSM 散料倉(cāng)用于加料配漿的緩沖罐和一個(gè)位于固井泵撬內(nèi)的加料緩沖罐。罐裝散料主要以固井用的水泥、重晶石和膨潤(rùn)土為主，重晶石和膨潤(rùn)土是重要的鉆井液調(diào)配材料。7000 m 模塊鉆機(jī)一般配備5 個(gè)45 m3的散料罐分別用于裝水泥、重晶石和膨潤(rùn)土，另有2 個(gè)3 m3的緩沖罐。散料吹灰系統(tǒng)所有壓力容器和壓力管道的設(shè)計(jì)壓力為950 kPa（G），吹灰時(shí)所用壓縮空氣壓力一般通過(guò)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)設(shè)定在400 kPa（G）左右，通過(guò)閥門(mén)和工藝管道控制，用壓縮空氣攜帶散料實(shí)現(xiàn)將散料從供應(yīng)船輸送至鉆機(jī)散料罐，也可以進(jìn)行鉆井液泥漿調(diào)配的加料、送料、配漿等工作，在有需要的情況下，還可以進(jìn)行相同性質(zhì)罐組之間的倒罐等作業(yè)。

1.2 存在的問(wèn)題

放空管道排出的水泥等散料的粉塵經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的結(jié)塊和堆積，塊狀物會(huì)影響平臺(tái)樁腿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作，同時(shí)也影響平臺(tái)樁腿表面防腐層和外觀；而且有時(shí)候還會(huì)造成放空管道末端堵塞。部分平臺(tái)想了多種辦法對(duì)堆積在平臺(tái)樁腿上的水泥塊狀物進(jìn)行清理，但效果都不明顯，且作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)較高。為了保護(hù)海洋環(huán)境、降低對(duì)平臺(tái)樁腿管理的影響、減少清理粉塵結(jié)塊高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)、盡量避免材料浪費(fèi)和放空管道堵塞，亟待加裝粉塵回收裝置在散料吹灰系統(tǒng)排空管道排海前進(jìn)行凈化處理和粉塵回收。

2 海洋模塊鉆機(jī)散料粉塵回收裝置設(shè)計(jì)

水泥、重晶石、膨潤(rùn)土的物理特性是海洋模塊鉆機(jī)散料粉塵回收工藝流程設(shè)計(jì)和工藝設(shè)備配套設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重要因素。水泥罐、重晶石和膨潤(rùn)土罐整撬長(zhǎng)約19.2 m，寬約4.2 m，本身占用主甲板面積較大，且撬座高度約8.3 m，由于平臺(tái)上部頂層主甲板空余位置很少，附近沒(méi)有太多剩余空間用來(lái)安裝更多大型設(shè)備，因此要設(shè)計(jì)、安裝粉塵回收裝置，還必須結(jié)合現(xiàn)有平臺(tái)主甲板的設(shè)備布置情況、粉塵回收裝置的外形和尺寸、安裝施工可行性等進(jìn)行綜合考慮。粉塵回收裝置本身的外形和尺寸在滿足工藝要求的情況下應(yīng)盡可能小。

由于水泥罐可以互用，重晶石罐和膨潤(rùn)土罐在沒(méi)有介質(zhì)的情況下可以互用，平臺(tái)散料吹灰在設(shè)計(jì)上3 個(gè)水泥罐和固井泵撬的緩沖罐是一組工藝管道流程，重晶石、膨潤(rùn)土罐和散料倉(cāng)緩沖罐是一組工藝管道流程。為了避免水泥粉塵、重晶石和膨潤(rùn)土粉塵混合而導(dǎo)致模塊鉆機(jī)粉塵回收和處理工藝的復(fù)雜性，結(jié)合不同散料的物理特性，水泥粉塵與重晶石、膨潤(rùn)土粉塵必須考慮分別回收?？紤]模塊鉆機(jī)DSM 散料倉(cāng)緩沖罐距離重晶石、膨潤(rùn)土灰罐較遠(yuǎn)，應(yīng)考慮設(shè)置3 套不同處理能力和處理特性的粉塵回收裝置。裝置A 用于處理重晶石、膨潤(rùn)土罐排出的粉塵，裝置B 用于處理水泥罐和固井泵橇緩沖罐排出的粉塵，裝置C 用于處理散料間緩沖罐排出的粉塵。

2.1 散料粉塵回收工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊鉆機(jī)現(xiàn)有的散料罐撬和緩沖罐的布置、工藝流程和管道接口，結(jié)合處理量要求，對(duì)3 套粉塵回收工藝流程分別進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）流程A：水泥罐及固井撬內(nèi)緩沖罐粉塵回收工藝流程。3個(gè)水泥罐的放空管線與固井泵撬的放空管線匯合后進(jìn)入粉塵回收裝置，經(jīng)過(guò)處理后，凈化后的氣體途經(jīng)組塊排海，回收的水泥灰粉輸送到任一未裝滿的水泥灰罐，或吹回供應(yīng)船。A 工藝流程如圖1 所示。

圖1 A 工藝流程

（2）流程B：重晶石、膨潤(rùn)土罐粉塵回收工藝流程。兩個(gè)重晶石、膨潤(rùn)土罐的放空管線匯合后進(jìn)入粉塵回收裝置，經(jīng)過(guò)處理后，凈化后的氣體途經(jīng)組塊排海，回收的重晶石、膨潤(rùn)土灰粉輸送到重晶石、膨潤(rùn)土罐，或吹回供應(yīng)船。B 工藝流程如圖2 所示。

圖2 B 工藝流程

（3）流程C：散料間緩沖罐粉塵回收工藝流程。緩沖罐放空管線進(jìn)入粉塵回收裝置，經(jīng)過(guò)處理后，凈化后的氣體通過(guò)組塊排海，回收的粉塵輸送到重晶石、膨潤(rùn)土罐或人工投料到混合漏斗。該工藝流程處理的粉塵介質(zhì)為重晶石或膨潤(rùn)土，其設(shè)計(jì)與重晶石、膨潤(rùn)土粉塵回收工藝流程基本一致，只是處理量相對(duì)較小，在設(shè)備布置和后續(xù)的工藝設(shè)備配套設(shè)計(jì)方面有所差別。

2.2 散料粉塵回收工藝設(shè)備配套設(shè)計(jì)

2.2.1 粉塵回收工藝設(shè)備原理設(shè)計(jì)

模塊鉆機(jī)散料粉塵回收工藝設(shè)備需滿足處理量的要求并實(shí)現(xiàn)3 個(gè)功能，即除塵、清灰和回收。現(xiàn)有的礦山、化工等行業(yè)用到的除塵器[1]主要采用機(jī)械式除塵、過(guò)濾式除塵、磁力除塵等除塵方式，由于模塊鉆機(jī)散料系統(tǒng)吹灰作業(yè)時(shí)壓縮空氣流量最大為1200 m3/h，對(duì)粉塵回收裝置的處理量要求最大要達(dá)到1500 m3/h，結(jié)合水泥和膨潤(rùn)土受潮后會(huì)結(jié)塊的物理特性，模塊鉆機(jī)考慮采用機(jī)械擋板除塵與布袋過(guò)濾除塵[2]的組合方式，布袋濾芯材質(zhì)選用滌綸針刺氈或聚氨酯覆膜。清灰可采用簡(jiǎn)單易操作的低壓脈沖壓縮空氣清灰方式，粉塵回收則設(shè)計(jì)料位控制系統(tǒng)并通過(guò)壓縮空氣將粉塵吹回平臺(tái)對(duì)應(yīng)散料罐，或吹入獨(dú)立回收罐以運(yùn)回陸地散料工作站處理。

粉塵回收工藝設(shè)備原理如圖3 所示，工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)以回收罐為基礎(chǔ)，罐體底部設(shè)計(jì)為錐形以便粉塵回收。罐內(nèi)設(shè)計(jì)有機(jī)械除塵擋板、除塵布袋、脈沖清灰和料位控制儀，同時(shí)設(shè)計(jì)調(diào)壓閥、安全閥、壓力表、維修人孔和一些管道、其他閥門(mén)等附件。專(zhuān)門(mén)配有一個(gè)操作及顯示控制箱，料位控制儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回收罐內(nèi)散料粉塵堆積的高度，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)接入控制箱?？刂葡到y(tǒng)選擇采用西門(mén)子S7-200 PLC 控制單元，實(shí)現(xiàn)除塵、清灰和回收閥門(mén)（電動(dòng)蝶閥）的開(kāi)關(guān)操作和控制，同時(shí)具備料位顯示、壓力顯示、高料位聲光報(bào)警等功能。控制箱采用316 不銹鋼制作，防護(hù)等級(jí)IP56，安裝在防爆區(qū)域，防爆等級(jí)滿足I 區(qū)防爆要求。

圖3 粉塵回收工藝設(shè)備原理

粉塵回收工作原理如下：

（1）除塵：含塵氣體通過(guò)N1 進(jìn)氣口進(jìn)入回收罐，首先經(jīng)過(guò)擋板碰撞濾除結(jié)塊的粉塵，然后再經(jīng)過(guò)除塵布袋的過(guò)濾，粉塵被濾袋阻擋、下落，沉積到錐體。凈化后的氣體，透過(guò)除塵布袋，除塵后經(jīng)出氣口N3 排出。

（2）清灰：隨著除塵過(guò)程的不斷進(jìn)行，濾袋外表面的粉塵不斷增多，系統(tǒng)阻力同步升高，及時(shí)徹底的將其清除是保證除塵器正常運(yùn)行的關(guān)鍵。脈沖清灰[3]是一種利用脈沖氣體進(jìn)行清灰的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清灰效果好、便于控制的清灰方式。壓縮空氣經(jīng)脈沖閥和控制裝置轉(zhuǎn)換為脈沖氣體，經(jīng)吹管進(jìn)入噴嘴，同時(shí)誘發(fā)周?chē)諝獬蔀樗矔r(shí)膨脹爆發(fā)氣體，反向?qū)V袋表面的粉塵除掉，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

（3）回收：收集罐配有相應(yīng)的加壓吹灰系統(tǒng)，罐內(nèi)布置有料位計(jì)，當(dāng)粉塵達(dá)到一定料位后，利用空氣管線把粉塵吹回灰罐。

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械擋板除塵與布袋過(guò)濾式除塵的組合[4]方式，可依次除掉結(jié)塊的水泥、膨潤(rùn)土塊狀物，避免塊狀物在壓縮空氣的吹送下造成布袋損壞，既有利于提升過(guò)濾布袋的除塵效果，又有利于延長(zhǎng)過(guò)濾布袋的使用壽命[5]。

2.2.2 粉塵回收工藝設(shè)備選型分析

經(jīng)過(guò)調(diào)研陸地散料工作站作業(yè)數(shù)據(jù)，每輸送1000 m3散料產(chǎn)生粉塵約1.4 m3，根據(jù)水泥、重晶石、膨潤(rùn)土的密度特性，結(jié)合模塊鉆機(jī)散料系統(tǒng)水泥罐、重晶石罐、膨潤(rùn)土罐和緩沖罐的數(shù)量、容積和吹灰系統(tǒng)工況進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)A、B、C 三套散料粉塵回收工藝設(shè)備，這些套散料粉塵回收工藝設(shè)備有共同點(diǎn)也有些差異。具體參數(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 工藝設(shè)備參數(shù)

注：工作氣管道入口和脈沖反吹氣管道入口均設(shè)有調(diào)壓閥，操作壓力可根據(jù)實(shí)際除塵效果進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 海洋模塊鉆機(jī)散料粉塵回收裝置實(shí)施應(yīng)用

3.1 實(shí)施前的調(diào)研

以南海東部某固定平臺(tái)7000 m 模塊鉆機(jī)為例，該鉆機(jī)散料吹灰系統(tǒng)配備3 個(gè)45 m3的水泥罐，1 個(gè)45 m3重晶石罐、1 個(gè)45 m3的膨潤(rùn)土罐和2 個(gè)3 m3的緩沖罐，屬于南海東部最常見(jiàn)的配置。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)平臺(tái)甲板可利用空間、現(xiàn)有吹灰系統(tǒng)的設(shè)備布置、工藝管道接口、壓縮空氣系統(tǒng)的供應(yīng)情況和海上吊裝作業(yè)施工資源進(jìn)行詳細(xì)的了解和分析，結(jié)合粉塵回收工藝流程和設(shè)備的要求，對(duì)該模塊鉆機(jī)散料粉塵回收裝置了工藝流程設(shè)計(jì)和設(shè)備配套設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)備布置圖、管道連接圖進(jìn)行設(shè)計(jì)并提出材料單。

3.2 實(shí)施和應(yīng)用

按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行設(shè)備制造和安裝后，對(duì)粉塵回收工藝流程設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和應(yīng)用。分別測(cè)試除塵、脈沖清灰、粉塵回收等功能試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，該裝置運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)粉塵回收裝置的過(guò)濾除塵后，可以目測(cè)放空管線排出的氣體有明顯的改善，實(shí)測(cè)排出口顆粒物濃度約20 mg/m3，在很大程度上減少了粉塵排放和對(duì)平臺(tái)樁腿的危害。吹灰及放空作業(yè)期間，通過(guò)聽(tīng)聲音可以判斷出，伴有結(jié)塊的水泥粉塵能夠最先被機(jī)械擋板擋下，說(shuō)明設(shè)計(jì)機(jī)械擋板除塵和布袋過(guò)濾除塵這種組合式除塵的方式是非常有優(yōu)勢(shì)的。實(shí)踐證明，在脈沖反吹進(jìn)氣管道入口設(shè)計(jì)調(diào)壓閥非常有必要，在處理不同散料和不同受潮程度的散料粉塵時(shí)，需要對(duì)脈沖反氣壓進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到更好的除塵效果。粉塵回收則和正常的散料吹送方式一樣，可以根據(jù)需要將回收的粉塵吹回相應(yīng)的散料罐進(jìn)行回收利用，或吹至專(zhuān)用的回收罐送回陸地處理。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有海洋模塊鉆機(jī)散料吹灰系統(tǒng)的介紹和存在問(wèn)題分析，根據(jù)平臺(tái)甲板設(shè)備布置情況和空間，結(jié)合模塊鉆機(jī)現(xiàn)有的散料罐撬和緩沖罐的布置情況，對(duì)3 套粉塵回收工藝流程和工藝設(shè)備配套進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施，實(shí)現(xiàn)模塊鉆機(jī)散料粉塵回收和過(guò)濾排放，既能減小散料粉塵對(duì)平臺(tái)樁腿的危害、減少散料材料的浪費(fèi)，又有利于保護(hù)海洋環(huán)境。經(jīng)過(guò)使用和驗(yàn)證，粉塵回收裝置除塵效果好，滿足設(shè)計(jì)要求，且成本低、操作和維護(hù)簡(jiǎn)單，建議在現(xiàn)有和后續(xù)新建模塊鉆機(jī)上進(jìn)行推廣。