祁健，王一辛，董寶昌，朱高陽

（1.中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司；2.天津北海油人力資源咨詢服務(wù)有限公司，天津 300452；3.上海海洋大學(xué)，上海 201306）

海上鉆井作業(yè)中產(chǎn)生的鉆屑和其他碳?xì)浠衔镂廴緩U物多年來都在陸地上處理，主要是為了遵守管理海上處置污染物的監(jiān)管限制。然而，將大量的受碳?xì)浠衔镂廴镜膸r屑從海上設(shè)施運(yùn)輸?shù)桨渡咸幚碓O(shè)施對該海上作業(yè)有相當(dāng)大的環(huán)境和安全影響。同時(shí)，渤海作為內(nèi)陸海和一級海區(qū)，對含有油類垃圾的排放是嚴(yán)格禁止的，要求必須取得當(dāng)?shù)睾Ｓ蛑鞴懿块T的許可后，才能排放無油垃圾。故為了更好保護(hù)渤海的環(huán)境，鉆井所產(chǎn)生的廢棄物將由傳統(tǒng)的限制排放轉(zhuǎn)化為對其的回收，但是受制于陸地固廢處理廠接收的限制，再加上廢料處理成本過高等因素，導(dǎo)致總量回收的難度巨大，因此，海上鉆井廢料現(xiàn)場減量是當(dāng)務(wù)之急。

本文將結(jié)合中海油能源發(fā)展股份有限公司的科研課題“負(fù)壓螺旋減量工藝測試及加工試制”的要求，進(jìn)行負(fù)壓螺旋分離減量工藝及設(shè)備的相關(guān)國內(nèi)外文獻(xiàn)檢索與總結(jié)，針對渤海油田勘探開發(fā)地層特點(diǎn)，對水基鉆井液鉆屑減量處置裝備相關(guān)技術(shù)進(jìn)行歸納、編寫調(diào)研報(bào)告。在此基礎(chǔ)上提煉出負(fù)壓螺旋減量新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案，能夠有效降低輸送鉆屑的含液率，提高鉆屑的固液分離效率。

1 渤海油氣田不同巖屑及其鉆屑簡介

1.1 渤海油氣田簡介

渤海海域油田總勘探面積約5.1 萬km2。累計(jì)鉆井近900 座，石油地質(zhì)儲量50 億t 以上，以石油為主，其中重質(zhì)油占已探明油礦的70%以上。

1.2 渤海不同地層鉆井巖屑分析

渤海灣是一個(gè)新生代內(nèi)陸裂谷盆地，渤海灣盆地新生代地層發(fā)育狀況見表1。

表1 渤海灣盆地新生代地層劃分及巖性特征表

1.3 渤海水基鉆屑混合物宏觀特點(diǎn)

水基鉆屑化學(xué)組成成分見圖1。

圖1 水基鉆屑化學(xué)成分(部分)

水基鉆屑化學(xué)組成主要有二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵和氧化鈣，是良好的硅鋁質(zhì)材料。從圖2 可以看到，水基鉆屑物質(zhì)結(jié)構(gòu)無微孔結(jié)構(gòu)，呈片狀，表面積較小，結(jié)構(gòu)性較差。

圖2 水基鉆屑掃描電鏡圖

2 國內(nèi)外負(fù)壓螺旋分離減量處理研究現(xiàn)狀

由于產(chǎn)生的體積和潛在的環(huán)境影響，鉆屑是鉆井作業(yè)的重要廢物。目前，國內(nèi)外鉆探垃圾處理方式主要是無害化集中處理與就地減量相結(jié)合。就地減量主要采用回收利用技術(shù)，也叫隨鉆處理技術(shù)，國內(nèi)外對最終垃圾進(jìn)行集中處理的方式不同；垃圾集中處理在國外應(yīng)用最多的是巖屑回注。渤海的一大特點(diǎn)是平臺空間有限，降低廢棄物回收處理成本和就地減量處理廢棄物是其總體需求。屬于內(nèi)海的渤海地區(qū)對排放的要求十分苛刻，廢液回收循環(huán)便成了減量的不二法門。

2.1 國內(nèi)外鉆井液的分類及應(yīng)用

國外鉆井液通常根據(jù)其基礎(chǔ)成分分類。它可以廣泛地分類為液體、氣體和液-氣混合物。

2022 年，西南交通大學(xué)的研究人員用甲醇/正己烷溶劑萃取分離油基鉆屑中的石油污染物。油基鉆屑（OBDC）具有高含量的石油污染物，具有很強(qiáng)的致突變、致癌和致畸特性。

2019 年，英國索爾福德大學(xué)研究人員提出了一種用于高溫應(yīng)用和水敏性、可分散頁巖地層的水基鉆井液 。

2.2 螺旋輸送機(jī)國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

螺旋輸送機(jī)是特定應(yīng)用領(lǐng)域中最好的輸送系統(tǒng)之一，在現(xiàn)代工業(yè)中，螺旋輸送機(jī)通常水平地或以輕微的傾斜使用。螺旋輸送機(jī)可用于在運(yùn)輸過程中輸送和混合或共混一種以上的材料。

無軸螺旋的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動有助于輸送和同時(shí)混合顆粒材料通過排放區(qū)。無軸螺旋輸送機(jī)抗纏繞性強(qiáng)，由于沒有中心軸，在輸送容易發(fā)生纏繞的物料時(shí)不會發(fā)生干擾，可以順利完成輸送，這一點(diǎn)有軸螺旋輸送機(jī)無法做到，如圖3 所示。

圖3 無軸螺旋輸送機(jī)

2021 年，印度理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種新型的基于螺旋輸送機(jī)的儲油罐底部原油污泥挖掘系統(tǒng)。開發(fā)了一種新的數(shù)學(xué)模型，以幫助設(shè)計(jì)螺旋輸送機(jī)，以實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)最大量的污泥鏟取。

2010～2015 年國內(nèi)的研究現(xiàn)狀主要如下。

2010 年，北京科技大學(xué)尹忠俊等人對開式水平螺旋輸送機(jī)中的物料移動速率與其影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，給出了開式水平螺旋輸送機(jī)的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并得出開式水平螺旋輸送機(jī)的主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)的校驗(yàn)方法。

2014 年，河南工業(yè)大學(xué)的孫慶春對螺旋輸送機(jī)的螺旋葉片與螺旋軸的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相關(guān)研究 。

2015 年，太原理工大學(xué)的賈朝斌對水平螺旋輸送機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一系列研究，提出了主要的優(yōu)化參數(shù)、約束條件以及優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

2.3 負(fù)壓抽吸技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

海洋油氣田生產(chǎn)產(chǎn)生鉆完井廢棄物通過泥漿固控系統(tǒng)進(jìn)行處理，除去有害固相，回收可用鉆井液，形成高效、合理的鉆井液固控流程，滿足鉆井工藝對泥漿回收利用的性能要求，并提高經(jīng)濟(jì)性。通過大量文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，截止目前，海上油田鉆屑減量裝備中應(yīng)用到負(fù)壓抽吸技術(shù)的只有振動篩。鉆井振動篩是石油鉆井固相控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，主要是在清除有害固相顆粒的同時(shí)，對鉆井液進(jìn)行回收、凈化，是回用鉆井液的第一級固控設(shè)備。為進(jìn)一步提高傳統(tǒng)振動篩的篩分效率，科技工作者提出了一種名為“負(fù)壓抽吸”的概念，利用負(fù)壓輔助篩分工作，從而提高效果。

美國Remteck 公司在20 世紀(jì)80 年代首次將采礦的真空過濾原理應(yīng)用于鉆井液固液分離過程。

2015 年12 月，美國SWACO 公司推出了新型巖屑處理裝置，通過脈沖氣流形成真空抽吸的效果，進(jìn)而提升鉆井液回收量，可降低巖屑廢棄物固相含液量，提升液相的回用效率。

我國篩分機(jī)械的發(fā)展始于20 世紀(jì)50 年代。國內(nèi)首臺負(fù)壓振動篩樣機(jī)由西南石油大學(xué)聯(lián)合四川寶石機(jī)械特種車輛股份有限公司研制成功。長江大學(xué)的周思柱等對負(fù)壓鉆井振動篩的動力特性進(jìn)行了分析。大慶油田鉆探工程公司的李文亮對鉆井泥漿真空抽吸裝置進(jìn)行過相關(guān)的研究。鉆井泥漿真空抽吸裝置由真空污泥泵、空壓機(jī)、吸管等元件組成，如圖4 所示。

圖4 鉆井泥漿真空抽吸裝置

2.4 鉆屑減量裝備中流體透篩及篩分機(jī)理方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，在鉆屑減量裝備中用到篩網(wǎng)的只有振動篩設(shè)備，現(xiàn)有針對篩網(wǎng)的研究也是以振動篩為基礎(chǔ)。前人對流體在篩網(wǎng)中的流動特性進(jìn)行了廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)研究。在流體透過篩網(wǎng)的相關(guān)理論研究主要集中在3 個(gè)方面，即流體透過篩網(wǎng)后的湍流特性、篩網(wǎng)對流體透篩速度的影響以及流體透篩前后的壓降變化。

許多學(xué)者在篩網(wǎng)壓力損失方面做了大量研究工作。Wu 建立了一套實(shí)驗(yàn)裝置測試了流體透過4 種不同孔隙率的方孔平紋編織篩網(wǎng)的壓降特性。Seltsam 將篩網(wǎng)對速度分布的影響通過直通道內(nèi)的流動來充分體現(xiàn)，將計(jì)算的擴(kuò)壓器流動與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。Okolo 對低湍流流體透過三維編織篩網(wǎng)的流動進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)模擬，強(qiáng)調(diào)了編織篩網(wǎng)降低流體速度的本質(zhì)，深入的分析了編織篩網(wǎng)的流動現(xiàn)象。Valli 采用lattice-Boltzmann method 的方法模擬了規(guī)則篩網(wǎng)和不規(guī)則篩網(wǎng)的流體透篩運(yùn)動，分析了篩網(wǎng)孔隙率和雷諾數(shù)對篩網(wǎng)壓降的影響。Kolodziei 提出一種試驗(yàn)方案，成功地表征了在編織篩網(wǎng)上觀察到的壓降。

3 負(fù)壓螺旋分離減量初步設(shè)計(jì)方案及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 負(fù)壓螺旋分離減量初步新設(shè)計(jì)方案

綜合以上國內(nèi)外文獻(xiàn)檢索與分析，對此項(xiàng)目負(fù)壓螺旋分離減量裝置提出了新設(shè)計(jì)方案，簡要介紹如下：

（1）通過分析在振動篩中的負(fù)壓抽吸技術(shù)，類比脈沖式負(fù)壓振動篩中的負(fù)壓抽吸結(jié)構(gòu)，結(jié)合螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，再類比脈沖式負(fù)壓振動篩中的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種與鉆屑減量裝備中與螺旋輸送機(jī)相配合的負(fù)壓抽吸設(shè)備，旨在螺旋輸送機(jī)運(yùn)行過程中通過負(fù)壓抽吸設(shè)備的配合，降低輸送的鉆屑的含液率。

此項(xiàng)目選用水平無軸螺旋輸送機(jī)來輸送廢棄鉆屑。該類型螺旋輸送機(jī)輸送量大，且抗纏繞、防堵料，能保證輸送物料流暢，即使出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，螺旋體也可以自行彈性釋放，極大改善了堵塞情況，其鉆屑運(yùn)動學(xué)分析方案簡要介紹如下。

運(yùn)動分解圖如圖5 所示。

圖5 物料速度分解圖

具體求解方法如下：

仍然可得：

綜上整理可以得到：

具體參數(shù)定義詳見武漢理工大學(xué)王仁標(biāo)碩士論文《L型螺旋卸船機(jī)水平螺旋輸送機(jī)理研究》。綜上，代入數(shù)據(jù)，求得物料的軸向速度為0.115m/s。

（2）對于輸送機(jī)，使用海油平臺鉆井施工中無軸螺旋輸送機(jī)，整個(gè)負(fù)壓抽吸設(shè)備可通過法蘭螺栓和每節(jié)輸送機(jī)配合，如圖6 所示。

圖6 負(fù)壓抽吸設(shè)備與螺旋輸送機(jī)裝配圖

（3）單套負(fù)壓抽吸設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)主要由3 部分組成：3 個(gè)負(fù)壓短節(jié)、管路及其流量控制部分、真空泵，總體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。整個(gè)工作過程為：螺旋輸送機(jī)開始輸送濕鉆屑，當(dāng)鉆屑每經(jīng)過一個(gè)負(fù)壓短節(jié)就會通過短節(jié)內(nèi)的濾網(wǎng)在負(fù)壓力的作用下，被抽走一部分液相；抽取的液相通過管道、真空泵，最后放到收集箱中，以供下一步使用；經(jīng)過減量后的鉆屑由輸送機(jī)出口排出。

圖7 單套負(fù)壓抽吸設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖

（4）負(fù)壓短節(jié)為本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件，同時(shí)也是研究的創(chuàng)新點(diǎn)。整個(gè)負(fù)壓短節(jié)可再分為3 個(gè)部分：上殼體、過濾模塊、負(fù)壓倉。上殼體是整個(gè)負(fù)壓短節(jié)的支撐框架；負(fù)壓倉通過管道、真空泵創(chuàng)造負(fù)壓環(huán)境，同時(shí)暫存、輸送鉆屑液相；過濾模塊將直接與輸送機(jī)鉆屑接觸，通過其下方的負(fù)壓力將鉆屑液相吸走，將固相擋住并由輸送機(jī)傳輸走?？紤]整個(gè)負(fù)壓短節(jié)在使用過程中的工況，所以過濾模塊的設(shè)計(jì)與研究至關(guān)重要。

3.2 負(fù)壓螺旋分離減量新設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新點(diǎn)

此負(fù)壓螺旋分離減量裝置新提出的設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新點(diǎn)可概括為以下3 點(diǎn)：

（1）借鑒脈沖式負(fù)壓振動篩的抽吸技術(shù)及結(jié)構(gòu)。

（2）創(chuàng)新將負(fù)壓抽吸技術(shù)和螺旋輸送機(jī)相結(jié)合，并且可以在螺旋輸送機(jī)中嵌入多段節(jié)點(diǎn)式負(fù)壓抽吸裝置，可以有效實(shí)現(xiàn)鉆屑的固液分離。

（3）能夠?qū)崿F(xiàn)鉆屑物料移動與抽吸液體流量的最佳匹配，提高鉆屑的固液分離效率。

4 結(jié)語

本文通過負(fù)壓螺旋分離減量工藝及設(shè)備國內(nèi)外文獻(xiàn)檢索與分析，可以提煉得出此項(xiàng)目的新設(shè)計(jì)方案，此方案不同于目前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)方案。即在振動篩中的負(fù)壓抽吸國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)中，借鑒脈沖式負(fù)壓振動篩中的負(fù)壓抽吸結(jié)構(gòu)，結(jié)合螺旋輸送機(jī)輸送鉆屑的特點(diǎn)，再采取脈沖式負(fù)壓振動篩中的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出負(fù)壓螺旋減量新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，即螺旋輸送機(jī)中嵌入多段節(jié)點(diǎn)式負(fù)壓抽吸裝置。此設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)鉆屑物料移動與抽吸液體流量的最佳匹配，從而能夠有效降低輸送鉆屑的含液率，提高鉆屑的固液分離效率。因此，進(jìn)行此項(xiàng)目的研究是十分必要的，具有創(chuàng)新性，同時(shí)，能夠帶來一定的社會意義。