一種鉆屑處置配套的鉆井平臺(tái)改造方法探討

范永剛，岳明，張啟龍，張春芳，齊琳

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

在渤海油田鉆探過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到需要在農(nóng)漁業(yè)區(qū)、毗鄰生態(tài)保護(hù)區(qū)進(jìn)行鉆井作業(yè)的情況，產(chǎn)生的鉆井鉆屑對(duì)海洋會(huì)產(chǎn)生一定的影響。為降低淺海作業(yè)過(guò)程中的廢棄物排放量，部分項(xiàng)目會(huì)采取現(xiàn)場(chǎng)減量的工藝，降低污染物的產(chǎn)生量[1-2]。

水基、油基鉆井液的使用，鉆井速度的增加，鉆井工藝水平的不斷提高等因素，對(duì)固控設(shè)備提出了更強(qiáng)的適應(yīng)性、更大的處理量、更精細(xì)的處理等要求。鉆井液振動(dòng)篩是鉆井作業(yè)中必不可少的設(shè)備。鉆井過(guò)程鉆屑的產(chǎn)生是連續(xù)不斷的，鉆屑一旦返出井口，必須盡快轉(zhuǎn)移至合適的容器。針對(duì)該難題，本文通過(guò)分析鉆井過(guò)程中鉆屑產(chǎn)生的量、鉆屑的特點(diǎn)，提出依托現(xiàn)有鉆井平臺(tái)設(shè)施改進(jìn)的方法，實(shí)現(xiàn)鉆井過(guò)程鉆屑零排放。

1 負(fù)壓式振動(dòng)篩

根據(jù)作用原理，負(fù)壓式振動(dòng)篩主要分為真空濾帶式負(fù)壓振動(dòng)篩、文丘里負(fù)壓振動(dòng)篩、板式集成化振動(dòng)篩。振動(dòng)篩的選擇主要受巖屑成分、鉆井液成分、鉆井平臺(tái)空間、作業(yè)井段效率等多種因素影響。

1.1 真空濾帶式負(fù)壓振動(dòng)篩技術(shù)

真空濾帶式負(fù)壓振動(dòng)篩的主要代表是挪威Cubility 公司MudCube[3-4]，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為采用氣動(dòng)高頻微振動(dòng)器為振動(dòng)源，在篩網(wǎng)下利用負(fù)壓抽吸增加過(guò)篩，鏈帶式卸料。其優(yōu)點(diǎn)是因振動(dòng)造成巖屑的二次破碎和混入的有害固相的實(shí)際情況較好；缺點(diǎn)是制造成本和運(yùn)行維護(hù)成本太高，且維修工作量大，用戶接受難度較大。

在渤海某油田應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)采用傳統(tǒng)固控和負(fù)壓振動(dòng)篩結(jié)合的方式，鉆井液處理效率得到顯著提高，產(chǎn)生的廢棄物量減少35%。不同入口含液率(4 種分別為120%、100%、90%、80%)、不同篩布目數(shù)(4 種分別為API120、API140、API170、API200)、不同篩布旋轉(zhuǎn)速率(4 種分別為25%、35%、45%、55%)進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，密度越大，分離效果越差。而入口含液率較低的情況下，鉆屑含液率越高，而更換更低目數(shù)的篩布后，液相含固率更高，旋轉(zhuǎn)速度增加也會(huì)導(dǎo)致分離效果變差。因此，該振動(dòng)篩處理效果好，但處理能力差，適合與傳統(tǒng)振動(dòng)篩搭配使用以獲得更好的處理效果。

1.2 “文丘里”抽吸振動(dòng)篩技術(shù)

“文丘里”抽吸振動(dòng)篩技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在常規(guī)振動(dòng)篩上安裝文丘里管來(lái)產(chǎn)生抽吸的負(fù)壓振動(dòng)篩，其將壓縮空氣作為動(dòng)力。該裝置的缺點(diǎn)是會(huì)使泥漿產(chǎn)生一定的水溶現(xiàn)象，且壓縮空氣的消耗量大，每分鐘約4.5 m3，平臺(tái)現(xiàn)在的配氣量不能滿足其正常運(yùn)行。泥漿的水溶現(xiàn)象是由于泥漿中溶入了空氣氣泡，由于泥漿具有一定的黏度，溶入的氣泡在一定時(shí)間內(nèi)不容易自行消除，造成泥漿泵壓力不穩(wěn)定。由于用氣量較大而需要額外增加設(shè)備，導(dǎo)致占地面積增加。

1.3 高效集成化振動(dòng)篩技術(shù)

海洋平臺(tái)作業(yè)環(huán)境要求高效振動(dòng)篩具有占地面積小、處理量大、具備傳統(tǒng)振動(dòng)篩基本功能的同時(shí)應(yīng)具有減量處理功能等特點(diǎn)[5]，較傳統(tǒng)振動(dòng)篩更適應(yīng)于環(huán)保作業(yè)。因此考慮在較大處理量振動(dòng)篩基礎(chǔ)上，將負(fù)壓真空系統(tǒng)與平動(dòng)橢圓振動(dòng)篩的結(jié)合體，搭載氣液分離裝置和快速壓緊篩網(wǎng)裝置。其功能要求為在高頻振動(dòng)篩分和負(fù)壓真空的雙重作用下進(jìn)一步提高處理能力；巖屑的含濕量更低，充分降低了泥漿的損耗率。其結(jié)構(gòu)要求為整體式設(shè)計(jì)，無(wú)需備置輔助設(shè)備，安裝更便捷；無(wú)需更大的安裝面積，具備維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)行成本低、節(jié)能降耗的特點(diǎn)。

進(jìn)行高效振動(dòng)篩關(guān)鍵參數(shù)分析時(shí)，結(jié)合鉆井固控振動(dòng)篩特性及框架篩網(wǎng)布料均勻、安裝方便等方面進(jìn)行分析。進(jìn)行振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，針對(duì)振動(dòng)篩是一種篩分設(shè)備的特點(diǎn)，用于物料的分級(jí)處理，從眾多物料中選出需要的部分，其主要由兩塊側(cè)壁、一個(gè)底梁、一個(gè)后擋板以及4 組彈簧及彈簧支撐座等部件組成。對(duì)該對(duì)象分析必須建立一個(gè)簡(jiǎn)化的三維有限元模型，這樣可以對(duì)該模型進(jìn)行盡快定性分析，更快地把握和了解其力學(xué)特性、變形情況以及振動(dòng)形式。通過(guò)關(guān)鍵參數(shù)研究，可以確定篩箱的質(zhì)量、質(zhì)心、振動(dòng)傾角、篩箱面積、彈簧參數(shù)等主要參數(shù)。篩箱尺寸確定后，根據(jù)總體布局思路，可確定負(fù)壓篩其他組件基本尺寸，初步完成整機(jī)布局。選擇風(fēng)量260 m3/h、功率2.2 kW 雙泵即可滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)海上實(shí)驗(yàn)，單篩最大處理量為3 600 L/min，振幅為5.2 mm，激振強(qiáng)度G為6.6。運(yùn)行負(fù)壓裝置時(shí)，負(fù)壓?jiǎn)卧ㄗh使用負(fù)壓專用篩網(wǎng)(防堵)，使用的篩網(wǎng)目數(shù)為270 目左右。應(yīng)用于處理水基鉆井液時(shí)，建議不啟動(dòng)負(fù)壓裝置，當(dāng)常規(guī)篩使用，在零排放或跑漿情況下使用，或者在泥漿工程師的指導(dǎo)下使用。應(yīng)用油基鉆井液時(shí)，啟動(dòng)負(fù)壓裝置，鉆屑含液量降低18%左右，減量效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益明顯。本套高效振動(dòng)篩具有占地面積不增加、保留所有基本功能、處理量提升、處理效果提升、設(shè)備維護(hù)成本低等特點(diǎn)，達(dá)到了集成化設(shè)計(jì)初衷。

2 鉆屑固液分離技術(shù)

海上鉆屑經(jīng)固控系統(tǒng)處置后，一般采用固液分離減量技術(shù)進(jìn)行處理。在渤海油田進(jìn)行多種形式的固液分離工藝實(shí)驗(yàn)，其中疊螺機(jī)、壓榨機(jī)等工藝實(shí)驗(yàn)處理效果基本達(dá)到所需要求，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中因體積大、效率低無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。通過(guò)分析不同工藝在渤海的實(shí)驗(yàn)效果，主要有鉆屑初選、高效離心機(jī)、甩干機(jī)及傳輸過(guò)程減量4 種方式適合海上平臺(tái)作業(yè)環(huán)境。

2.1 鉆屑初選

干燥分選篩通過(guò)篩分單元的篩分、攪拌單元的防沉淀攪拌、輸送單元的輸送，從而將待處理鉆屑處理為液相和固相，通過(guò)不同方式排出系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆屑凈化分離[6]。具體流程為現(xiàn)場(chǎng)將鉆屑送入篩分單元，經(jīng)過(guò)篩分單元處理后，液相落入存儲(chǔ)單元中，在攪拌單元的攪拌過(guò)程中，使用輸送單元送出系統(tǒng)；固相被篩分單元篩出。干燥分選篩是目前行業(yè)內(nèi)鉆屑干燥分選最常用的設(shè)備之一，具有處理量大、減量效果明顯等特點(diǎn)。但由于結(jié)構(gòu)和干燥原理，分選后鉆屑含液量降低有限，直接裝袋仍有液體析出，影響減量處理質(zhì)量。由于干燥分選后物料含水率較高，物料收集自動(dòng)化難以實(shí)現(xiàn)，需要吊車長(zhǎng)時(shí)間配合完成。并且干燥分選過(guò)程中，為保證干燥效果，增大振動(dòng)篩篩網(wǎng)尺寸，致使大量細(xì)微固相進(jìn)入液相，增大了液相處理難度，導(dǎo)致隨鉆減量難以實(shí)現(xiàn)。

2.2 高效離心機(jī)

鉆井液中有害鉆屑成分對(duì)鉆井液使用壽命影響較大，傳統(tǒng)中頻離心機(jī)效果較差。針對(duì)高效離心機(jī)固液分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)不同鉆井液體系高效離心機(jī)固液分離對(duì)鉆井液性能的影響及固相參數(shù)對(duì)分離效果的影響進(jìn)行分析。早期離心機(jī)控制系統(tǒng)成本相對(duì)較高[7]。

通過(guò)對(duì)離心機(jī)運(yùn)行過(guò)程仿真模擬分析，在不同處理介質(zhì)條件下，進(jìn)行離心機(jī)處理效果1∶1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M，逐步摸清適合海上鉆井液體系的高效離心機(jī)，較傳統(tǒng)定頻中速離心機(jī)，在同等占地面積情況下，處理效率大幅提升，處理效果顯著，處理后的固相含液率處于較低水平。而自動(dòng)化控制技術(shù)在高效離心機(jī)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)的自動(dòng)啟停、自動(dòng)調(diào)頻等關(guān)鍵功能，大幅減少了泥漿工和鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)高效離心機(jī)研制，加深了對(duì)離心機(jī)結(jié)構(gòu)及功能效果的認(rèn)識(shí)，固控設(shè)備升級(jí)，自動(dòng)化程度更高，設(shè)備性能穩(wěn)定，再加上離心機(jī)專業(yè)化管理，在零排放背景下，固控離心機(jī)將發(fā)揮更重要的作用，具有較好的推廣價(jià)值，已逐步取代傳統(tǒng)離心機(jī)。

2.3 雙驅(qū)動(dòng)多功能甩干機(jī)

根據(jù)海上對(duì)水基鉆屑及合成基鉆屑處置的需求，進(jìn)行可滿足兩種工況的甩干機(jī)設(shè)計(jì)。各廠家的傳統(tǒng)單驅(qū)動(dòng)甩干機(jī)在結(jié)構(gòu)上雖有所不同，但總體上都是采用電機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)減速后直接驅(qū)動(dòng)差速器外殼，再通過(guò)差速器減速后獲得外殼和行星架輸出的兩個(gè)轉(zhuǎn)速，這兩個(gè)轉(zhuǎn)速形成定比例速比。通過(guò)巖屑甩干機(jī)內(nèi)流場(chǎng)特性，巖屑甩干機(jī)所處理的鉆井液是經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩篩分后的固液混合顆粒團(tuán)。振動(dòng)篩的分離效率根據(jù)物料性質(zhì)的不同而不同，一般篩分率為60% ～80%，有的物料甚至可達(dá)98%。所以巖屑甩干機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)特性是基于振動(dòng)篩篩分基礎(chǔ)上的高濃度流場(chǎng)。為了更加形象直觀地表示出錐籃內(nèi)部流場(chǎng)情況，運(yùn)用三維建模軟件Solidworks 對(duì)其進(jìn)行三維建模，建立流場(chǎng)模型之前需對(duì)轉(zhuǎn)子刮刀進(jìn)行建模，并與錐體做布爾運(yùn)算得出最終流場(chǎng)域。研究離心力場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提是了解其內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，充分認(rèn)識(shí)巖屑甩干機(jī)內(nèi)流場(chǎng)中的速度分布、壓力分布以及固液兩相運(yùn)動(dòng)分布規(guī)律，分析甩干機(jī)的分離原理、分離效率以及分離效果，以此來(lái)改進(jìn)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化參數(shù)是仿真手段所要達(dá)到的目的，也是本項(xiàng)目研究意義所在。不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)對(duì)應(yīng)不同的流場(chǎng)分布，本次研究的重點(diǎn)就是通過(guò)變參數(shù)下的模擬，如轉(zhuǎn)速、差轉(zhuǎn)速、密度、黏度、固相體積分?jǐn)?shù)、轉(zhuǎn)子半錐角以及顆粒粒徑大小來(lái)模擬流場(chǎng)變化，尋找出分離效率最高、固相含濕量最低的最優(yōu)參數(shù)。

2.4 鉆屑傳輸過(guò)程減量裝置

本項(xiàng)目的鉆屑減量工藝通過(guò)設(shè)計(jì)一種小型化源頭減量分離裝置，將其安裝在振動(dòng)篩下，在鉆屑和泥漿處于分散狀態(tài)下，利用負(fù)壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空吸附對(duì)鉆屑和泥漿進(jìn)行分離，這樣可以最大限度地分離漿體，消除螺旋對(duì)鉆屑的破壞，得到較為干燥的鉆屑，實(shí)現(xiàn)鉆屑源頭減量的目的。鉆屑旋轉(zhuǎn)真空干燥裝置是由機(jī)架、帶氣刀的導(dǎo)流槽、旋轉(zhuǎn)篩及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成的一個(gè)完整系統(tǒng)，機(jī)架用于支撐和固定相關(guān)部件，便于整機(jī)的組裝與轉(zhuǎn)運(yùn)；導(dǎo)流槽用于均布鉆屑，將振動(dòng)篩截留的鉆屑均勻地鋪展于旋轉(zhuǎn)篩網(wǎng)的表面，并將大顆粒鉆屑及時(shí)移出干燥機(jī)；旋轉(zhuǎn)篩用于真空抽濾，將鉆屑中細(xì)小顆粒的污泥通過(guò)負(fù)壓抽吸引流至分離罐；空氣刀用于及時(shí)清理篩孔中堵塞的污泥，方便下次抽濾操作；驅(qū)動(dòng)裝置有兩臺(tái)，一臺(tái)用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)，另一臺(tái)用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)流槽做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，鉆屑旋轉(zhuǎn)真空干燥裝置滿足設(shè)計(jì)要求，2 套旋轉(zhuǎn)真空干燥裝置處理能力不低于10 m3/h，鉆屑含水率在75%的情況下減量效果達(dá)到50%，裝置各組成部分的功能均正常。

3 結(jié)語(yǔ)

鉆屑減量?jī)?yōu)先選用在不改變平臺(tái)設(shè)備規(guī)模的情況下，升級(jí)固控系統(tǒng)，不額外使用鉆完井堆場(chǎng)空間。而針對(duì)廢棄物全回收項(xiàng)目，需要進(jìn)行深度處理的情況下，就需要根據(jù)鉆井平臺(tái)空間和固控設(shè)備配置情況，優(yōu)選合適的處理設(shè)備進(jìn)行處理，原則是減少新增設(shè)備的數(shù)量和面積，通過(guò)合理化搭配，實(shí)現(xiàn)隨鉆處置。而安裝到鉆井平臺(tái)的設(shè)備要成撬，方便拆裝及運(yùn)輸，一般改造時(shí)間不超過(guò)7 ～10 d，改造后作為臨時(shí)設(shè)備，作業(yè)結(jié)束后能快速拆除，減少占用鉆井平臺(tái)待機(jī)時(shí)間，降低成本。

而本文所述工藝具有海上平臺(tái)改造工作量難度小、不額外占用面積的特點(diǎn)。通過(guò)不同分離裝置組合，實(shí)現(xiàn)鉆屑達(dá)到相對(duì)干燥的狀態(tài)，達(dá)到固廢裝噸袋、液相重復(fù)利用的目的。