陳金瑞 馮群娣 周 靜 田文衛(wèi) 劉興振 劉彥良

(濮陽市中原銳實(shí)達(dá)石油設(shè)備有限公司)

0 引 言

隨著鉆井深度與工藝的發(fā)展，我國鉆井作業(yè)對鉆井液循環(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塑比等優(yōu)點(diǎn)[1]，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 m3，成為石油天然氣開發(fā)過程的主要污染源。世界各國都對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，將真空及微振動原理用于取代傳統(tǒng)振動篩，減少油基鉆井廢棄物固相的排出[11-13]。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[14]，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振動器，并內(nèi)置于篩分系統(tǒng)中。篩分系統(tǒng)前部的主動尼龍齒輪通過兩端軸承安裝在主框架前部并連接電動系統(tǒng)上部，被動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—鉆井液分配器；2—激振器；3—篩分系統(tǒng)；4—落料清掃系統(tǒng)；5—電動系統(tǒng)；6—框架主體；7—篩網(wǎng)清潔系統(tǒng)；8—電控系統(tǒng)；9—真空排液室；10—排氣系統(tǒng)。

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，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)在電動系統(tǒng)的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動到落料口處，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)在電動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動下將脫離篩網(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11 kW；處理量為150 m3,外接氣源壓力為0.6 MPa,激振器空氣消耗量為1.5 m3/min,空氣刀滿負(fù)荷空氣消耗量為6.5 m3/min,篩分系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為10～12 r/min(變頻可調(diào))；主機(jī)外形尺寸：3 150 mm×2 105 mm×1 645 mm。

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)置高頻氣動振動器，通過振動平衡杠將振動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)孔的固相被傳動到出料口。

圖2 篩分系統(tǒng)工作原理

篩分系統(tǒng)采用激振器高頻微振動+真空吸附的原理，廢棄物固相顆?；颈３志路瞪系男螤睿谡婵瘴搅εc微振動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。

1—真空吸盤；2—過濾裝置；3—水密封結(jié)構(gòu)。

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50 Hz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230 m3/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 m3/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。

圖4 風(fēng)機(jī)負(fù)壓與氣體流量曲圖線

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)場應(yīng)用

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

圖5 平動橢圓振動篩與真空吸附篩面對比

由圖5可知，相同工況下，平動橢圓振動篩與真空吸附設(shè)備篩網(wǎng)面處理油基鉆井廢棄物的區(qū)別在于：平動橢圓振動篩篩面上的物料更碎，顆粒更小，流動性較強(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)，平動橢圓振動篩與真空吸附設(shè)備采用200×110目的長方形孔篩網(wǎng)。平動橢圓振動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，含水、含油體積分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 平動橢圓振動篩油基鉆井廢棄物固相含液量

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

表2 真空吸附設(shè)備油基鉆井廢棄物固含液量

從表1、表2可以得出，平動橢圓振動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)備比平動橢圓振動篩含液體積分?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)第一級固液分離中。