海上油基鉆屑錘磨式熱解析處理裝置的工業(yè)化應(yīng)用

摘 要 錘磨式機(jī)械加熱方式在處理效果、能耗、處理量方面具有綜合優(yōu)勢(shì)，選定錘磨式熱解析技術(shù)作為海上油基鉆屑的處理技術(shù)。制定錘磨式熱解析處理裝置的技術(shù)路線，提出了裝置工業(yè)化應(yīng)用要求，介紹裝置在加工制造過程中滿足工業(yè)化應(yīng)用的保障措施。裝置陸續(xù)開展廠內(nèi)、出海前陸地、海上平臺(tái)3個(gè)階段的試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 海上平臺(tái) 油基鉆屑 錘磨式熱解析裝置 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 工業(yè)化應(yīng)用

中圖分類號(hào) TE52" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B" "文章編號(hào) 0254?6094（2023）01?0125?04

油基鉆井液具有良好的流變性、高抑制性及高潤(rùn)滑性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在頁巖氣井、大位移井、深水井、高溫高壓井的作業(yè)中[1]。在使用油基鉆井液鉆井的過程中，固相控制系統(tǒng)分離出大量的油基鉆屑，油基鉆屑含有粒徑大小不一的碎屑、礦物油、乳化劑及化學(xué)添加劑等物質(zhì)，成分復(fù)雜，屬于HW08類危險(xiǎn)廢物[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外油基鉆屑處理技術(shù)主要有離心分離技術(shù)、常溫化學(xué)脫附技術(shù)、微生物處理技術(shù)、焚燒技術(shù)以及熱解析技術(shù)等[3]。離心分離技術(shù)對(duì)于粒徑較大的油基鉆屑處理效果較好，但對(duì)于離心機(jī)分離出的粒徑較小的固相顆粒幾乎無處理能力;常溫化學(xué)脫附技術(shù)工藝復(fù)雜，藥劑使用量大，費(fèi)用昂貴，且容易造成二次污染;微生物處理技術(shù)需要大面積的場(chǎng)地和較長(zhǎng)的處理周期，海上平臺(tái)無法滿足其要求;焚燒技術(shù)處理溫度在1 000 ℃以上，雖然能較徹底地處理油基鉆屑，但是無法回收其中的基礎(chǔ)油，造成資源浪費(fèi);熱解析技術(shù)是將油基鉆屑加熱到300 ℃左右，將液相氣化，回收其中的基礎(chǔ)油，既能將油基鉆屑含油量處理到排放標(biāo)準(zhǔn)限值之下，又能實(shí)現(xiàn)資源化利用[4]。

1 錘磨式熱解析技術(shù)

1.1 熱解析技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1.1 無害化處理

油基鉆屑在海上平臺(tái)熱解析處理，省去了海上運(yùn)輸、陸地轉(zhuǎn)運(yùn)及儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)，降低了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。熱解析反應(yīng)過程中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過尾氣處理系統(tǒng)凈化，污染物檢測(cè)數(shù)值均低于GB 18484—2001《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的值，最大程度地減少了二次污染。油基鉆屑經(jīng)過熱解析后，重金屬都富集在干渣中，重金屬形態(tài)發(fā)生了顯著改變，可交換態(tài)含量顯著降低，浸出濃度大幅降低，同時(shí)，較低的處理溫度遏制了二噁英等有害物質(zhì)的生成，處理后的干渣滿足

GB 4914—2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物濃度限值》各污染要素排放限值要求。

1.1.2 資源化利用

油基鉆屑經(jīng)過熱解析處理，回收的烴類液相與基礎(chǔ)白油油品指標(biāo)相近，可作為配制油基鉆井液的基礎(chǔ)油。處理后的鉆屑干渣經(jīng)回收后，可被加工成各種資源化產(chǎn)品，如鋪路路基材料、免燒陶粒、免燒磚等，液相和固相均實(shí)現(xiàn)了資源化利用。

1.1.3 經(jīng)濟(jì)效益最大化

經(jīng)濟(jì)效益最大化主要包含兩個(gè)方面：一方面，油基鉆屑在海上平臺(tái)實(shí)現(xiàn)熱解析處理，省去了船舶租賃費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)及倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)等費(fèi)用，綜合處理成本大幅度降低;另一方面，熱解析處理過程中回收的基礎(chǔ)白油具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可用于配制新的油基鉆井液，降低成本。

1.2 錘磨式熱解析技術(shù)的選擇

熱解析技術(shù)中加熱方式有電磁加熱、電阻加熱、微波加熱及錘磨式機(jī)械加熱等，處理效果、能耗、處理量是評(píng)價(jià)不同加熱方式的熱解析技術(shù)優(yōu)劣的3項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)[5]：

a. 處理效果。油基鉆屑經(jīng)錘磨式熱解析工藝處理后，含油量一般在1%以下，可以滿足GB 4914—2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物濃度限值》中一級(jí)海域含油量不超過1%的要求。

b. 能耗。熱效率與熱利用率兩項(xiàng)參數(shù)決定了油基鉆屑錘磨熱解析處理的能耗，其中熱效率的節(jié)能評(píng)價(jià)值大于88%，熱利用率參考先進(jìn)節(jié)能的電磁熱解析技術(shù)，其熱利用率大于95%。錘磨式熱解析技術(shù)熱效率高達(dá)93.39%，熱利用率高達(dá)98.82%，節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)明顯[6]。

c. 處理量。這項(xiàng)參數(shù)決定了油基鉆屑錘磨熱解析處理的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)國(guó)外處理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般情況下錘磨熱解析機(jī)單位功率的處理量大于4.23×10-3 t/（h·kW）[7]。

錘磨式機(jī)械加熱相對(duì)比其他加熱方式，在處理效果、能耗、處理量3個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)方面具有一定的綜合優(yōu)勢(shì)，因此，選定錘磨式熱解析技術(shù)作為海上油基鉆屑熱解析處理的技術(shù)路線。

2 錘磨式熱解析裝置

2.1 技術(shù)路線圖

圖1為錘磨式熱解析裝置的技術(shù)路線圖，離心機(jī)固相出口的油基鉆屑經(jīng)過攪拌混合，經(jīng)過液壓柱塞進(jìn)料泵，連續(xù)泵入到錘式熱相分離器，通過轉(zhuǎn)動(dòng)臂與物料的摩擦生熱使物料溫度升高到300 ℃左右，物料經(jīng)過高溫?zé)峤馕龅墓滔鄰腻N式熱相分離器底端出口排出，達(dá)標(biāo)后排海或者回收[8]。錘式熱相分離器產(chǎn)生的油、水、氣、固相粉塵混合蒸汽經(jīng)氮?dú)獯祾吆筮M(jìn)入洗滌器，將混合蒸汽中攜帶的粉塵分離出來，經(jīng)過洗滌后的油、水、氣混合蒸汽進(jìn)入油冷凝器。油冷凝器通過冷卻的油液不斷地循環(huán)噴淋將混合蒸汽中的大部分重質(zhì)油冷卻成液態(tài)，剩余的水、輕質(zhì)油、氣體混合蒸汽進(jìn)入水冷凝器。水冷凝器通過循環(huán)的冷卻水使蒸汽徹底冷卻，混合液進(jìn)入三相分離器完成水、輕質(zhì)油分離。不能冷凝的氣體（如CO、NO、H2等）進(jìn)入尾氣處理裝置，經(jīng)脫硫、堿洗、催化燃燒處理后達(dá)標(biāo)排放。

2.2 錘磨式熱解析裝置的結(jié)構(gòu)

錘磨式熱解析裝置結(jié)構(gòu)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、錘磨熱解析系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)、氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)組成。其中：動(dòng)力系統(tǒng)由電機(jī)、變頻器組成;進(jìn)料系統(tǒng)由攪拌罐、進(jìn)料泵組成;錘磨熱解析系統(tǒng)主要由錘磨熱相分離器組成;卸料系統(tǒng)由卸料閥、夾套水冷絞龍、加濕絞龍、干渣回收箱組成;氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)由制氮機(jī)、風(fēng)機(jī)組成;冷凝系統(tǒng)由油洗滌器、油冷凝器、水冷凝器、熱油泵、循環(huán)泵、換熱器組成;分離系統(tǒng)主要由三相分離器組成，尾氣處理系統(tǒng)由凈化裝置、外排風(fēng)機(jī)組成[9]。

3 工業(yè)化應(yīng)用對(duì)模擬試驗(yàn)的要求

工業(yè)化應(yīng)用對(duì)模擬試驗(yàn)的要求如下：

a. 受限于海上平臺(tái)空間，錘磨式熱解析處理裝置占地面積小，方便拆裝和吊裝;

b. 裝置一般安裝在采油/氣平臺(tái)開展油基鉆屑處置工作，裝置須滿足平臺(tái)防爆要求;

c. 須有緊急停機(jī)裝置;

d. 控制系統(tǒng)須具有良好的人機(jī)交互功能;

e. 變頻器兼容性強(qiáng)，滿足設(shè)備在不同電壓和功率環(huán)境下的使用需求;

f. 系統(tǒng)處理能力應(yīng)滿足作業(yè)需求，避免因處理速度慢導(dǎo)致巖屑大量堆積。

4 保障措施

中海油田服務(wù)股份有限公司與四機(jī)塞瓦石油鉆采設(shè)備有限公司聯(lián)合開發(fā)研制了一套海洋油基鉆屑錘磨式熱解析處理設(shè)備，主要由動(dòng)力撬、進(jìn)料撬、熱解析分離撬、卸料撬、冷卻撬、存儲(chǔ)撬、儀表撬、變頻驅(qū)動(dòng)房8個(gè)撬塊組成。在設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)之前，對(duì)各個(gè)撬塊進(jìn)行功能性測(cè)試和驗(yàn)證試驗(yàn)。具體的保障措施包括：

a. 設(shè)備高度集成化制造，安裝完成后占地面積約123.7 m2，可以在大多數(shù)海上平臺(tái)安裝使用。各撬塊設(shè)備外圍有封閉圍擋或者框架保護(hù)，確保在惡劣天氣或海況條件下設(shè)備吊裝安全。

b. 電機(jī)采用危險(xiǎn)環(huán)境使用的高效隔爆三相異步電動(dòng)機(jī)，采用“Exd”型防爆，標(biāo)準(zhǔn)防爆級(jí)別達(dá)到Exd IIC T4 Gb，廣泛應(yīng)用于石化工廠等危險(xiǎn)環(huán)境場(chǎng)所。

c. 系統(tǒng)設(shè)置有一鍵式緊急停機(jī)裝置。

d. 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由PLC控制軟件和上位機(jī)應(yīng)用程序兩部分組成，上位機(jī)程序通過軟件界面為用戶提供監(jiān)控接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、信號(hào)校準(zhǔn)、報(bào)警提示、曲線回放及報(bào)表輸出等功能。PLC控制軟件通過I/O模塊來實(shí)現(xiàn)主電機(jī)變頻器、進(jìn)料系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)等外圍電控單元的啟停、調(diào)速及故障報(bào)警等功能[10]。

e. 采用ABB ACS880單傳型變頻器，該型號(hào)變頻器是一種適用于所有領(lǐng)域的全能型低壓交流傳動(dòng)，輸入電壓三相525～690 V（AC），頻率50～60 Hz，具有良好的兼容性、靈活性和易維護(hù)性[11]。

f. 錘磨式熱解析處理裝置設(shè)計(jì)參數(shù)為，運(yùn)行溫度260～370 ℃，處理量2 t/h，可以滿足鉆井作業(yè)需求，處理后干渣含油率不大于1.0%，可滿足中國(guó)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)海域排放要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在加工制造階段，對(duì)各個(gè)撬塊設(shè)備進(jìn)行功能性測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證，合格后進(jìn)入總裝階段?？傃b完成后，共進(jìn)行廠內(nèi)試驗(yàn)、出海前陸地試驗(yàn)、海上平臺(tái)試驗(yàn)3個(gè)階段的試驗(yàn)歷程，發(fā)現(xiàn)裝置運(yùn)行中存在的問題，并有針對(duì)性地改造升級(jí)，提升裝置的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，裝置試驗(yàn)歷程中遇到的問題和改進(jìn)方向詳見表1。

6 結(jié)論

6.1 熱解析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)油基鉆屑的無害化處理、資源化利用和經(jīng)濟(jì)效益最大化，是處理油基鉆屑的最佳方式。錘磨式機(jī)械加熱相比其他加熱方式，在處理效果、能耗、處理量3個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)上具有一定的綜合優(yōu)勢(shì)，是海上油基鉆屑處理的最佳技術(shù)路線。

6.2 錘磨式熱解析裝置在加工制造過程中，滿足設(shè)備集成化、撬裝化要求，電氣電機(jī)設(shè)備滿足油氣環(huán)境防爆等級(jí)要求，控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互功能。

6.3 錘磨式熱解析處理裝置在某海上平臺(tái)應(yīng)用中，裝置連續(xù)運(yùn)行超過60 d，累計(jì)處理鉆屑約2 000 t，平均處理量30～40 t/d，干渣含油率0.10%～0.90%，達(dá)到了工業(yè)化應(yīng)用要求。

6.4 錘磨式熱解析處理裝置需要進(jìn)一步建立不同組分物料與設(shè)備運(yùn)行參數(shù)之間的數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備根據(jù)不同性質(zhì)物料自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，提高設(shè)備的適用性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳海濤.海上油基鉆屑熱脫附裝置研制與應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2020，49（6）：79-84.

[2] 陳則良，陳忠，陳喬，等.典型頁巖氣油基鉆屑的組成分析及危害評(píng)價(jià)[J].環(huán)境工程，2017，35（8）：125-129.

[3] 左京杰，張?chǎng)?，楊?含油鉆屑處理技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2019，29（6）：11-15;64.

[4] 王志偉.海上油基鉆屑電磁熱脫附參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用評(píng)價(jià)[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2021，31（3）：15-20.

[5] 黃志強(qiáng)，徐子揚(yáng)，權(quán)銀虎，等.錘磨熱解析處理油基鉆井液鉆屑的效果評(píng)價(jià)[J].天然氣工業(yè)，2018，38（8）：83-90.

[6] 張穎.提高導(dǎo)熱油爐熱效率的方法研究[J].河南化工，2017，34（5）：35-37.

[7] ORMELOH J.Thermomechanical cuttings cleaner?qualification for offshore treatment of oil contaminated cuttings on the Norwegian Continental Shelf and Martin Linge case study[D].Stavanger：University of Stavanger，2014.

[8] 李興華.錘磨機(jī)固液分離特性實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)（北京），2019.

[9] 李斌，王傳鴻，吳坤坤，等.海洋油基鉆屑處理用錘磨式熱分離系統(tǒng)的研制[J].石油機(jī)械，2021，49（9）：79-84.

[10] 李斌，吳坤坤，李磊，等.油基泥漿處理裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2021（12）：90-92;96.

[11] 王朝兵，司占強(qiáng)，宋俊嶺.ABB ACS880變頻器工作原理及故障分析[J].冶金設(shè)備，2018（S1）：87-88.

（收稿日期：2022-03-27，修回日期：2023-01-06）

基金項(xiàng)目：中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司科研項(xiàng)目（ZY?2021?SZ?05）。

作者簡(jiǎn)介：王志偉（1989-），工程師，從事海上油氣田開發(fā)中固體廢棄物處理技術(shù)研究工作，wangzhiwei0517@163.com。

引用本文：王志偉，李波，鄧成輝，等.海上油基鉆屑錘磨式熱解析處理裝置的工業(yè)化應(yīng)用[J].化工機(jī)械，2023，50（1）：125-128.