基于模糊數(shù)學(xué)的含油鉆屑處理效果評價研究

鄭秋生，阮 鋒

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司 天津300457；2.中國海洋石油國際公司 北京100027)

含油巖屑作為鉆井過程中的產(chǎn)物，如果不經(jīng)處理直接排放將會造成環(huán)境污染，目前含油鉆屑常規(guī)處理方法有鉆屑熱解、焚燒、回注地層、熱清洗等。本研究中的含油巖屑不是新鮮巖屑，存放時間較長，通過微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)一些油已經(jīng)滲透進(jìn)巖屑顆粒內(nèi)部，如采用常規(guī)的清洗工藝，巖屑外層的油容易清洗掉，但巖屑內(nèi)部滲透進(jìn)的油將會導(dǎo)致巖屑整體的含油率不達(dá)標(biāo)。因此通過室內(nèi)試驗對處理工藝進(jìn)行模擬，為現(xiàn)場工程化的實際應(yīng)用提供依據(jù)。

含油鉆屑清洗過程中巖屑固液比、攪拌時間、藥劑濃度、加熱溫度等因素都影響最終的清洗效果；通過采用正交設(shè)計試驗方法，能在同樣試驗工作量情況下獲得更多的信息；由于除了處理后巖屑含油率這一指標(biāo)外，處理后的含液率也是一個需要控制的指標(biāo)。為確保綜合處理指標(biāo)的合理性，采用模糊數(shù)學(xué)方法，得到了各因素水平的最佳搭配[1]。

1 巖屑清洗試驗研究

1.1 巖屑清洗影響因素分析

巖屑固液比、攪拌時間、藥劑濃度、加熱溫度等因素是影響最終清洗效果的關(guān)鍵因素。巖屑固液比越小，水量越大，在工程實施過程中，沖擊水的流量越大、流速越高對巖屑的沖擊效果越好；另一方面，含水率越高的情況下巖屑的分散性越好，可以提高水油界面接觸的機(jī)會，對巖屑表層含油的清洗效果越好。但是巖屑含水率太高將會導(dǎo)致整體處理效率降低，延長處理時間，相對增加處理成本。攪拌時間越長，對巖屑切割得越充分，滲透進(jìn)巖屑中的油越容易清洗干凈。但攪拌時間長將會降低處理效率，切割的顆粒越細(xì)小，將會導(dǎo)致離心分離后含水率上升，巖屑總體重量變大，后續(xù)進(jìn)一步處理成本變高。藥劑濃度增加效果會趨優(yōu)，但將會增加整體的運維成本。加熱溫度趨高，整體的清洗效果會越好，但溫度過高會增加能耗，處理成本相應(yīng)增加。

1.2 試驗設(shè)計

試驗選取巖屑固液比、攪拌時間、藥劑濃度、加熱溫度作為4項評價因素，通過預(yù)試驗確定每個評價因素的水平范圍，每個因素選取具備代表性的3個水平值。采用L9(34)正交表，正交設(shè)計方案見表1。

表1 因素水平表Tab.1 Factor level table

1.3 處理效果測試

試驗選用的含油巖屑由現(xiàn)場直接取得，外觀呈顆粒粘稠狀，經(jīng)測試其含水率 27%、含油率 12%、含固率61%。

對項目工程實施過程中的環(huán)保要求及清洗后巖屑后續(xù)處理的經(jīng)濟(jì)性要求進(jìn)行綜合考量，選取處理后巖屑含油量和含水率2個指標(biāo)作為評價指標(biāo)。

含油率測試：采用索氏提取-分光光度法測定含油率[2]。

處理后含水率測試：采用國家標(biāo)準(zhǔn)水-油混合體系含水率的測定方法；剩余的雜質(zhì)經(jīng)過濾、洗滌、烘干、靜置，稱重得含水率。

1.4 試驗程序

①用電子秤稱取100g巖屑。②將巖屑放入燒杯中，依表2所列參數(shù)按照比例放入清水及化學(xué)藥劑，將燒杯放置在恒溫水浴鍋中，使用攪拌機(jī)連續(xù)對巖屑進(jìn)行切割攪拌，達(dá)到時間要求后加入一定的絮凝劑混合攪拌并進(jìn)行離心分離。③取離心后固相測定含油、含液率。④重復(fù)進(jìn)行②、③步驟，共進(jìn)行 9次試驗。④取得試驗結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的分析。

2 模糊綜合評價模型的建立

2.1 指標(biāo)集和對象集

以含油率指標(biāo)Y1和含水率指標(biāo)Y2建立評價指標(biāo)集U＝{Y1，Y2}。評價對象及實驗結(jié)果見表2。

2.2 隸屬函數(shù)模型[3]

建立評價指標(biāo)集 U對評價集 V的隸屬函數(shù)，隸屬數(shù)rmn在 0～1之間(m＝1，2；n＝1，2，…，9)。

表2 正交試驗結(jié)果Tab.2 Result of orthogonal experiment

含油率和含水率屬于偏小型指標(biāo)，隸屬函數(shù)為：

構(gòu)建的模糊關(guān)系矩陣為：

2.3 夾角余弦賦權(quán)法確定權(quán)重分配集[4]

本分析選用夾角余弦賦權(quán)法構(gòu)造各項指標(biāo)的權(quán)重。

對于表2所列9個實驗方案的集合：

可以得到9個方案關(guān)于2項評價因素指標(biāo)矩陣：

2.3.1 建立2項指標(biāo)的最優(yōu)方案*U和最劣方案U*

其中I1、I2、I3分別為效益性、成本型、適度性指標(biāo)。含油率、含液率均屬于成本型指標(biāo)。

2.3.2 構(gòu)造9個方案與*

U 和U*的相對偏差矩陣

2.3.3 構(gòu)建2項評價指標(biāo)的權(quán)重

2.4 模糊綜合評價值的計算[4]

2.5 主效應(yīng)分析[1]

工藝參數(shù)組成的因素為Ci，其論域為Xi，則有：Xi={Cij}。將因素Ci在各水平 j上Cij的模糊綜合評價值之和歸一化，得到該因素水平對模糊綜合評價值的影響程度代表Cij屬于模糊集合Ci的程度，它也是定義在論域Xi上的，故可將表示為Xi上的模糊子集，則有：

根據(jù)最大隸屬度原則，確定各因素對綜合評價的影響程度。

3 模型試驗結(jié)果分析

3.1 依據(jù)前面的計算原理可得

表3 正交試驗指標(biāo)隸屬度、模糊綜合評價值Tab.3 Orthogonal experiment index membership and fuzzy comprehensive evaluation value

3.2 主效應(yīng)分析

由表3得到主要工藝參數(shù)組成的 4個模糊子集Ci為：

根據(jù)最大隸屬度原則可知，各因素的影響程度分別為：

C1= 0.3665，C2= 0.3802，C3= 0.3809，C4=0.3516，表明各因素對模糊綜合評價值的影響順序為C3＞ C2＞ C1＞ C4，即：藥劑濃度＞清洗時間＞巖屑固液比＞清洗溫度。最優(yōu)的工藝條件為：巖屑固液比1∶5，清洗時間 30min，藥劑濃度 30mg/L，清洗溫度60℃。

通過分析，發(fā)現(xiàn)藥劑濃度和清洗時間對整體工藝的影響效應(yīng)幾乎相等，是 2個主要的影響因素。藥劑在其中起到的作用是改變界面性質(zhì)、降低界面張力，使油滴離開巖屑表面[5-6]；清洗時間越長、巖屑破碎的顆粒越細(xì)小，藥劑和清水對巖屑內(nèi)部油的清洗分離越徹底，處理后的含油率越低。

4 驗證性試驗

依據(jù)模型分析結(jié)果，按照1.4試驗程序進(jìn)行驗證性試驗，經(jīng)測試分析處理的巖屑含油率為 1.98%，含液率 20.2%；除油率達(dá)到 83.5%。本實驗研究為后續(xù)的工程化應(yīng)用提供參數(shù)依據(jù)，后續(xù)的工程化應(yīng)用過程中將以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行放量參數(shù)調(diào)節(jié)。

5 結(jié) 論

含油巖屑清洗效果受多個因素的影響，每種因素對最終的處理效果均有正向和負(fù)向的影響，需要在各種因素之間求取平衡，確保在達(dá)到處理效果的同時兼顧到經(jīng)濟(jì)性要求。利用夾角余弦賦權(quán)方法確定權(quán)重，可避免人為主觀因素對各個指標(biāo)在最終的結(jié)果中所占比重影響，其大小得到更客觀精確的表征，從而使所得出的結(jié)果更精確[7]。經(jīng)過理論分析得出各試驗因素影響程度依次為：藥劑濃度＞清洗時間＞巖屑固液比＞清洗溫度。綜合評定較優(yōu)的因素組合為：巖屑固液比 1∶5，清洗時間 30min，藥劑濃度 30mg/L，清洗溫度 60℃。通過試驗驗證分析巖屑除油率達(dá)到83.5%。處理后巖屑的含油率為 1.98%，含液率20.2%，滿足進(jìn)入后道工序處理的要求。該試驗研究為含油鉆屑的工程化處理提供了工藝參數(shù)依據(jù)。