摘要：在鉆井過(guò)程中返排的巖屑需要按照國(guó)家法律法規(guī)要求進(jìn)行處理。早期使用甩干機(jī)或干燥篩處理巖屑，減少巖屑的含油率，滿足排海要求，或運(yùn)回陸地處理。近些年采用熱解析方式處理鉆井巖屑，但存在環(huán)保要求不達(dá)標(biāo)、設(shè)備本質(zhì)不滿足海洋平臺(tái)防爆要求等問(wèn)題。研制了海洋平臺(tái)巖屑回注造漿系統(tǒng)。介紹了該設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)、工作原理、控制系統(tǒng)及主要技術(shù)參數(shù)。針對(duì)破碎機(jī)、研磨泵的主要易失效部件做了有限元分析。試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)滿足環(huán)保要求，也滿足經(jīng)濟(jì)性要求，可在惡劣環(huán)境作業(yè)，適用于海洋平臺(tái)油基鉆井液巖屑的回注處理。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái); 巖屑回注; 破碎機(jī); 研磨泵

中圖分類號(hào)：TE951? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.005

Abstract：During the drilling process， the returned drilling cuttings need to be treated according to the requirements of national laws and regulations. In the early stage， a dryer or drying screen is used to reduce the oil content of drilling cuttings to meet the requirements for discharging into the sea， or transport them back to land treatment. In recent years， thermal analysis is also used to treat drilling cuttings， but the environmental requirements are not up to standard， and the equipment does not meet the explosion-proof requirements of offshore platforms. A slurry-making system for rock cuttings reinjection on an offshore platform was developed. The overall structure， working principle， control system and main technical parameters of the equipment were introduced. The finite element analysis was made for the main failure components of the crusher and grinding pump. The test and field application results show that the technology meets the requirements of environmental protection and the economy. It can be used in harsh environments and is suitable for the reinjection of cuttings from offshore platform oil-based drilling fluid.

Key words：offshore platform; reinjection of rock cuttings; crusher; grinding pump

在傳統(tǒng)鉆井和完井作業(yè)中， 沒(méi)有對(duì)鉆井巖屑進(jìn)行很好的處理， 大量鉆井廢棄物隨地排放， 所含有害化學(xué)物質(zhì)對(duì)自然界造成嚴(yán)重污染［1-2］。鉆井廢棄物已被列入國(guó)家《危險(xiǎn)廢棄物名錄》中HW08類危險(xiǎn)廢棄物［3］。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，巖屑處理成為各大油田急需解決的難題［4］。目前，陸地及海洋油田采用的鉆井廢棄物處理方法主要有直接排放、集中環(huán)保處理、循環(huán)回收再利用、化學(xué)處理、生物處理、焚燒、填埋、固化處理、回注、熱解析等。海洋油田油基廢棄物的處理難度更大，通過(guò)對(duì)國(guó)外海上鉆井廢棄物各種處理方法比較以及工程案例分析， 將廢棄物研磨成細(xì)小顆粒并高壓回注到地層內(nèi)的方式是海上油田處理鉆井巖屑的有效手段， 不僅成本低， 還可以實(shí)現(xiàn)廢棄物零排放［5-6］。

巖屑回注（CRI）技術(shù)［7］是將研磨成細(xì)小顆粒的巖屑與液體（水、化學(xué)添加劑）以及稠化劑配制成懸浮液，并注入到地層中［8-9］，其懸浮液由巖屑、水、添加劑、鉆井液及交聯(lián)劑等混合而成［10］。該技術(shù)是20世紀(jì)80年代開始研究，在美國(guó)阿拉斯加的普拉德霍灣油田得到首次應(yīng)用，并獲得成功。英國(guó)石油公司首次進(jìn)行套管環(huán)空回注試驗(yàn)，并取得技術(shù)突破［11］。國(guó)內(nèi)于2011在蓬萊19-3油田首次采用巖屑回注技術(shù)，并取得成功［4］。巖屑回注的重要工序是巖屑的研磨、造漿。本文研究了相關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方式，可以保障巖屑回注的順利進(jìn)行。通過(guò)分析核心部件，可很大程度提高設(shè)備的使用壽命。

1 巖屑回注造漿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

巖屑回注造漿系統(tǒng)主要由研磨罐、漿液調(diào)配罐、破碎機(jī)、研磨泵、傳輸泵、篩分系統(tǒng)、攪拌器、加藥裝置、管匯系統(tǒng)、框架及控制系統(tǒng)等幾大部分組成，如圖1所示。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和全自動(dòng)控制，可將鉆井巖屑破碎、研磨、篩分，與添加劑等進(jìn)行調(diào)配，并回注到地層［9，12］。

2 工藝原理

巖屑回注造漿系統(tǒng)的工藝流程如圖2所示。從固控系統(tǒng)收集到的巖屑被輸送至粗磨橇，通過(guò)攪拌器將粗磨罐內(nèi)海水與巖屑混合，使巖屑不沉降，并使用研磨泵進(jìn)行液體循環(huán)。研磨一段時(shí)間后，通過(guò)閥門切換，將研磨后的液體泵送至篩分系統(tǒng)，由振動(dòng)篩進(jìn)行篩分。篩分出的大顆粒固相再次進(jìn)入粗磨罐繼續(xù)研磨、循環(huán)，篩分出的液相進(jìn)入細(xì)磨罐。海水與巖屑混合后，可以用破碎機(jī)輔助研磨泵進(jìn)行巖屑破碎。當(dāng)大顆粒巖屑較多時(shí)，研磨泵將混合后液體泵至破碎機(jī)進(jìn)行破碎，破碎后的固相進(jìn)入粗磨罐繼續(xù)研磨、循環(huán)。細(xì)磨罐對(duì)粗磨罐來(lái)料繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)研磨，內(nèi)設(shè)攪拌器防止巖屑沉積。當(dāng)漿液密度檢測(cè)合格后，將漿液泵送至漿液調(diào)配罐。漿液調(diào)配罐內(nèi)的攪拌器可防止?jié){液內(nèi)固相沉降。從外部向罐內(nèi)添加交聯(lián)劑，攪拌均勻，檢測(cè)密度及黏度滿足要求后，使用傳輸泵將漿液供給回注泵，或回注泵自吸漿液。上述流程由控制系統(tǒng)完成操作，實(shí)現(xiàn)巖屑造漿［11］。

3 控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)需要控制好回注漿體密度、黏度、靜切力等流變參數(shù)，以便輸出穩(wěn)定合格的回注漿液。該系統(tǒng)參照以下參數(shù)作為控制基準(zhǔn)［13］：固相含量為15%～30%，固相顆粒粒徑不大于300 μm。漿液的表觀黏度為30～160 mPa·s，隨剪切速率呈階段分布。

控制系統(tǒng)由固相研磨子系統(tǒng)、膠黏配比子系統(tǒng)和成品配漿子系統(tǒng)3部分組成。為保證漿體有較好的流變性和巖屑懸浮能力，回注漿體應(yīng)攜帶合理含量的巖屑顆粒，且需要注入稠化劑來(lái)調(diào)整，因此，3個(gè)子系統(tǒng)之間相互影響、相互制約，這3個(gè)子系統(tǒng)在整個(gè)造漿自動(dòng)控制系統(tǒng)中的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

圖3中，在預(yù)設(shè)目標(biāo)黏度和密度范圍之后，PLC系統(tǒng)自檢。自檢通過(guò)后，會(huì)啟動(dòng)固相研磨子系統(tǒng)和膠黏配比子系統(tǒng)，分別配制符合預(yù)設(shè)參數(shù)的巖屑基液和膠黏基液。當(dāng)這2個(gè)子系統(tǒng)完成工作后，控制系統(tǒng)進(jìn)入成品配漿子系統(tǒng)。當(dāng)巖屑黏度與密度均符合預(yù)設(shè)參數(shù)時(shí)，單次控制循環(huán)流程結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)行下次循環(huán)流程。

3.1 固相研磨子系統(tǒng)

固相研磨子系統(tǒng)包括巖屑基液密度參數(shù)預(yù)設(shè)、修正流程以及研磨穩(wěn)定運(yùn)行流程，如圖4所示。該系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的巖屑基液密度值，初始化設(shè)定進(jìn)水泵速率、進(jìn)料泵速率、研磨泵負(fù)載率和速率以及破碎機(jī)負(fù)載率和速率。在完成電氣檢測(cè)后啟動(dòng)各部件，開始修正流程。系統(tǒng)采集研磨循環(huán)管匯上密度計(jì)輸出的基液密度數(shù)據(jù)，與進(jìn)水泵速率、進(jìn)料泵速率一起建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)進(jìn)水泵速率和進(jìn)料泵速率進(jìn)行快速修正。修正過(guò)程中，研磨泵負(fù)載率和速率以及破碎機(jī)負(fù)載率和速率等設(shè)定參數(shù)保持不變，可手動(dòng)調(diào)節(jié)子系統(tǒng)密度控制PID算法的控制系數(shù)Kp，Ki，Kd，解決修正周期長(zhǎng)、輸出不穩(wěn)定和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能不足的問(wèn)題。

3.2 膠黏配比子系統(tǒng)

膠黏配比子系統(tǒng)包括膠黏基液黏度參數(shù)預(yù)設(shè)、修正流程以及配比穩(wěn)定運(yùn)行流程，如圖5所示。該系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的膠黏基液黏度值，初始化設(shè)定進(jìn)水泵速率、干添泵速率、藥劑罐攪拌器個(gè)數(shù)及攪拌速率和溶脹時(shí)間，啟動(dòng)進(jìn)水泵、干添泵和攪拌器，開始修正流程。系統(tǒng)采集循環(huán)管匯上黏度計(jì)輸出的膠黏基液黏度值，與進(jìn)水泵速率、干添泵速率一起建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)進(jìn)水泵速率和干添泵速率進(jìn)行快速修正。

3.3 成品配漿子系統(tǒng)

成品配漿子系統(tǒng)包括成品巖屑漿液密度值、黏度值參數(shù)預(yù)設(shè)、修正流程以及配漿穩(wěn)定運(yùn)行流程，如圖6所示。該系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的成品巖屑漿液密度值和黏度值，初始化設(shè)定巖屑基液輸出研磨泵的輸出速率、膠黏基液輸出離心泵的輸出速率以及漿液調(diào)配罐攪拌器攪拌速率，啟動(dòng)上述各泵和攪拌器，開始修正流程。巖屑基液密度在固相研磨子系統(tǒng)中按密度值上限配制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，巖屑基液與膠黏基液混合后，在達(dá)到通用回注需求的黏度值時(shí)，密度值會(huì)下降，但下降值并不明顯，因此，在成品配漿過(guò)程中，成品配漿子系統(tǒng)將保持巖屑基液輸出研磨泵的輸出速率不變，只對(duì)膠黏基液輸出離心泵的輸出速率進(jìn)行修正。

該系統(tǒng)采集漿液調(diào)配罐循環(huán)管匯上黏度計(jì)輸出的實(shí)時(shí)黏度，與膠黏基液輸出離心泵的輸出速率一起搭建數(shù)學(xué)模型，對(duì)膠黏基液輸出離心泵的輸出速率進(jìn)行快速修正。

4 主要技術(shù)參數(shù)

巖屑回注造漿系統(tǒng)共分成3個(gè)撬塊，分別為粗磨橇、細(xì)磨橇、漿液調(diào)配橇，外形尺寸分別為：3 500 mm×2 438 mm×3 350 mm、3 500 mm×2 438 mm×3 350mm、6 500 mm×2 438 mm×3 350 mm。

最大巖屑處理能量為12 m3/h；漿液固體顆粒粒徑 ≤300 μm；成品漿液密度為1.4～1.6 g/cm3。

5 主要特點(diǎn)

1） 具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)場(chǎng)性好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

2） 核心部件采用耐磨工藝，有效提高設(shè)備使用壽命。

3） 切換管匯閥門，可滿足多種作業(yè)需求。

4） 配置各節(jié)點(diǎn)探測(cè)傳感器，有效分析及控制設(shè)備運(yùn)行。

5） 控制邏輯冗余設(shè)計(jì)，確保設(shè)備的安全可靠性和操作簡(jiǎn)單化。

6 關(guān)鍵部件分析

6.1 破碎機(jī)

破碎機(jī)采用錘式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、破碎比大，適用物料多。但是，大顆粒物料對(duì)錘臂的沖擊較大，其失效部件主要集中在轉(zhuǎn)臂上。破碎機(jī)模型和轉(zhuǎn)臂仿真模型如圖7所示。

對(duì)轉(zhuǎn)臂仿真模型采用有限元分析，其材料屬性為Q690，對(duì)其中心的六面形孔采用固定約束，在兩端頂部的擋板處施加240 N·m的轉(zhuǎn)矩，采用高品質(zhì)網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小為8.37 mm，網(wǎng)格單元總數(shù)9 956，轉(zhuǎn)臂仿真模型網(wǎng)格劃分如圖8所示。

破碎機(jī)轉(zhuǎn)臂的仿真分析結(jié)果如圖9所示。

在圖9a的應(yīng)力云圖中，轉(zhuǎn)臂根部的應(yīng)力值最大，特別是中間固定盤與轉(zhuǎn)臂連接處應(yīng)力達(dá)到3.25 MPa的最大值，該值小于屈服應(yīng)力。圖9b的位移云圖中，轉(zhuǎn)臂頂部的位移值最大，其最大位移值為0.049 mm，位移值在可接受范圍內(nèi)。圖9c的應(yīng)變?cè)茍D中，轉(zhuǎn)臂根部的應(yīng)變值最大，其最大應(yīng)變與最大應(yīng)力相對(duì)應(yīng)，該應(yīng)變值可接受。

通過(guò)有限元分析，應(yīng)力、位移及應(yīng)變?cè)诳山邮芊秶鷥?nèi)，但轉(zhuǎn)臂與中間固定盤的結(jié)合處改為大圓角的圓弧過(guò)渡會(huì)更合理，也可通過(guò)增加轉(zhuǎn)臂厚度來(lái)加強(qiáng)，但需要考慮整體重力及能耗等因素。因轉(zhuǎn)臂頂部錘板的尺寸較小，對(duì)轉(zhuǎn)臂的受力影響不大。轉(zhuǎn)臂運(yùn)行中會(huì)與巖屑顆粒發(fā)生高速撞擊，在轉(zhuǎn)臂、錘板的受沖擊面采用了焊接硬質(zhì)合金的工藝，進(jìn)一步改善破碎機(jī)轉(zhuǎn)臂的性能及壽命。

6.2 研磨泵

研磨泵是基于離心泵開發(fā)的，考慮離心泵實(shí)體結(jié)構(gòu)，基于DPM模型模擬流場(chǎng)中的離散相，對(duì)離心泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析中同時(shí)考慮流體和巖屑2種介質(zhì)，同時(shí)考慮轉(zhuǎn)動(dòng)速度，得到巖屑顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和對(duì)葉片的沖蝕磨損規(guī)律。

6.2.1 仿真模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)泵殼、葉輪、泵軸、吸入排出口的幾何關(guān)系建立離心泵水力仿真模型，入口、出口、葉片編號(hào)如圖10所示。

根據(jù)仿真模型總體尺寸對(duì)水力模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)用四面體單元，網(wǎng)格數(shù)量為944 416，流場(chǎng)網(wǎng)格模型如圖11所示。

6.2.2 邊界條件

材料數(shù)據(jù)如表1所示。

參數(shù)邊界條件設(shè)置：排量2.5 m3/min，采用速度入口；出口0.3 MPa，采用壓力出口；葉輪轉(zhuǎn)速1 480 r/min；液體和巖屑體積比為10∶1.5。為模擬葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置滑移邊界，模型網(wǎng)格交界面如圖12所示。

為實(shí)現(xiàn)巖屑沖蝕效果，采用DPM離散項(xiàng)模型，選擇沖蝕/堆積物理模型；計(jì)算時(shí)壁面考慮離散項(xiàng)反射參數(shù)影響，同時(shí)考慮重力加速度；流動(dòng)模型采用RNG k-e模型；采用壓力基求解器，使用SIMPLE算法，為提高計(jì)算精度選用二階迎風(fēng)格式。

6.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖13為速度矢量圖。截取離心泵橫向截面，觀察截面處速度分布，靠近葉片后緣處的流速最高。沿葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向，序號(hào)1～3葉片的周邊最大流速逐漸增加，高速區(qū)域變大，最高流速25.1 m/s；序號(hào)4～6葉片處流速降低，高速區(qū)域減少，序號(hào)6葉片處流速最低，距離出口最近的序號(hào)1葉片后緣處有漩渦產(chǎn)生。

圖14 為流體對(duì)葉片壁面作用的剪切應(yīng)力圖，序號(hào)6葉片后緣附近區(qū)域承受的壁面剪切力最大，為1 290 Pa。

圖15為巖屑及流體對(duì)葉輪的沖蝕磨損率。從圖15中可以看出，沖蝕嚴(yán)重的部位主要集中在葉片前緣，葉片的工作面和背面受沖蝕影響較輕。6個(gè)葉片前緣受到?jīng)_蝕作用影響不同，序號(hào)1葉片前緣沖蝕面積最小，主要集中在葉片前緣根部，序號(hào)1～6葉片前緣磨損面積逐漸增大，序號(hào)6葉片前緣頂部與輪緣過(guò)渡區(qū)域沖蝕最為嚴(yán)重。

粗顆粒大多與葉片前緣相撞，故質(zhì)量大的顆粒會(huì)對(duì)葉片進(jìn)口部位產(chǎn)生嚴(yán)重撞擊磨損，粒徑增大，在葉片工作面進(jìn)口處形成點(diǎn)狀的沖擊式磨損。細(xì)顆粒易在工作面出口處集中磨損葉片，造成葉片后緣部分的快速磨蝕破壞，粒徑減小，在葉片工作面靠近出口處形成條狀的擦傷式磨損。顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磨損率影響顯著，對(duì)磨損形態(tài)和位置沒(méi)有影響。轉(zhuǎn)速增高會(huì)加大葉片壓力面的磨損。

針對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果可優(yōu)化設(shè)備流程，先經(jīng)過(guò)破碎機(jī)將粗顆粒細(xì)化，降低葉片前部的磨損，同時(shí)在易磨損面焊接硬質(zhì)合金顆粒，增強(qiáng)抗研磨性能，延長(zhǎng)葉片壽命，并優(yōu)化了研磨泵的轉(zhuǎn)速，使其在最合理的范圍運(yùn)行。

7 試驗(yàn)結(jié)果

巖屑回注造漿系統(tǒng)于2022-０6在江漢采油廠下屬潛江市后湖水基泥漿處理站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。江漢采油廠所屬井產(chǎn)生的鉆井水基巖屑運(yùn)回處理站，再將巖屑提取供給巖屑回注造漿系統(tǒng)進(jìn)行處理。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，共處理成品漿液1 140 m3，密度1.33～1.36 g/cm3，黏度42 mPa·s，成品漿液中巖屑的粒徑≤300 μm。

對(duì)研磨泵做了葉輪和蝸殼的厚度磨損測(cè)量，并測(cè)量了葉輪外徑尺寸。試驗(yàn)中研磨泵1和研磨泵4為常開，主要測(cè)試這2個(gè)泵并記錄數(shù)據(jù)。葉輪厚度及外徑尺寸變化如表2所示。

研磨泵蝸殼厚度磨損量如圖16所示。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)證明，設(shè)備整體性能滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定可靠，關(guān)鍵部件性能及使用壽命超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

8 結(jié)語(yǔ)

介紹了海洋平臺(tái)現(xiàn)有鉆井廢棄物處理方法及不足。設(shè)計(jì)制造了巖屑回注造漿系統(tǒng)。該裝置具備自動(dòng)化控制、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)。

巖屑回注的關(guān)鍵在巖屑的造漿，通過(guò)巖屑的循環(huán)破碎、研磨及篩分，并由控制系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，保障了造漿漿體的密度、黏度、靜切力等流變參數(shù)的可靠，使巖屑回注順利進(jìn)行。造漿系統(tǒng)的核心部件為破碎機(jī)、研磨泵。通過(guò)主要部件失效的有限元分析，對(duì)破碎機(jī)、研磨泵主要失效部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，保障了造漿系統(tǒng)的使用壽命?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置滿足油基巖屑環(huán)保處理要求。

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