履帶式負壓振動篩在海洋平臺鉆井廢棄物處置中的應用*

張羽臣，林家昱**，謝濤，岳明，竇蓬，謝江浩

[1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459；2. 中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司，天津 300459]

隨著海上環保形勢的日益嚴峻，中國海洋石油集團有限公司提出了“渤海油田環保升級三年行動計劃”，以期實現生產污水零排放。海上鉆井作業會產生大量廢棄鉆井液，將其運回陸地處理，運輸成本及陸地處置成本較高。海上鉆井廢棄物固液分離處置裝置可使液相與固相廢棄物有效分離，液相循環利用，固相運回陸地處置，使得資源能夠得到有效的回收利用，同時降低廢棄物處置成本[1-2]。

海上常用的固液分離裝置主要有振動篩、離心機、除砂器及除泥器，常用振動篩作為一級固控處理設備，離心機、除砂器及除泥器作為二級固控設備。目前，隨著環保要求的日益嚴格，部分油田為達到“零排放”目標，采用絮凝壓濾一體機作為二級固液分離裝置，但需要配合絮凝劑一起使用。渤海油田上部地層平原組、明化鎮組，多為軟泥巖，常規振動篩存在堵塞篩布、跑冒泥漿、巖屑含水量過高等問題[3-4]。為了更好地分離鉆井液的液相與固相，去除巖屑，因此通過分析傳統振動篩的跑漿原因，針對性提出改進措施。將改進的負壓振動篩進行了現場應用，并與傳統振動篩、離心機的效果進行對比，取得了較好的應用效果。

1 鉆屑含液量高原因分析

傳統振動篩在海上油田中應用較為普遍[5-9]，但存在部分井段跑漿的問題，巖屑與泥漿分離不徹底，造成跑漿的原因包括振動篩激振力不足，泥漿過篩性差(黏度大，非均質)，巖屑特性(泥巖易粘滯成團狀)，振動篩角度調整不正確、篩布選用不合理以及篩面堵塞，其中篩面堵塞是造成巖屑與泥漿分離不徹底最主要的原因。篩面堵塞包括表面堵塞和孔眼堵塞，相應的堵塞原因、應對措施及解決思路具體如表1所示。

表1 篩面堵塞類型及應對措施

通過對篩面堵塞以往應對措施的調研及分析[10]，針對直線式振動篩及履帶式振動篩結構特點，對鉆井液泥漿進行了受力分析，結果見圖1和圖2。

圖1 直線式振動篩泥漿受力

圖2 履帶式傳輸振動篩泥漿受力

由圖1～圖2可見：與直線式振動篩相比，履帶式負壓振動篩不存在篩面傾角，因此，解決篩面表面的堵塞問題，可通過增加分力F來克服顆粒物與泥漿黏滯力，進而增加過篩動力。對于孔眼堵塞，則可以增加一個反向的力，進行反向清洗孔眼。

2 撬裝履帶式負壓振動篩裝置

2.1 負壓分離技術介紹

傳統的振動篩主要依靠慣性力進行篩分工作，為了提高篩分效率，科技工作者提出引入“負壓力”概念。目前將“負壓力”成功應用于返回泥漿固控系統有2種形式：一種是Cubility公司的履帶式負壓振動篩，一種是MI-SWACO公司的直線振動的負壓分離設備。經過傳統振動篩方案對比分析后，發現履帶式負壓振動篩具有更大的應用前景[11]。

相較傳統振動篩方案，履帶式負壓振動篩用于處理鉆井液廢棄物時，能夠增強油井控制，減小污染環境風險。鉆屑傳輸系統采用真空原理和輸送帶，不會有油霧排放，且無低頻振動產生的噪音，能夠有效改善工作環境。

2.2 履帶式負壓振動篩撬裝結構

依據渤海油田海上平臺的調研情況，結合設備的自身情況，完成了履帶式負壓振動篩的撬裝結構的設計，其布局如圖3所示。履帶式負壓振動篩撬裝結構主要有負壓振動篩、泥漿罐、真空泵、泥漿篩、真空攪拌器、電氣控制柜，離心泵等，其中負壓振動篩長6.8 m，寬4 m，高3.5 m，巖屑輸送泵及其管線、巖屑箱、螺旋輸送機不包括在內；撬裝系統泥漿罐容積約16 m3；罐體上布置履帶式負壓振動泵、泥漿攪拌器、電氣控制柜，離心泵安裝在撬底座右方，巖屑輸送泵位于撬的前方，巖屑箱在撬的左方，螺旋輸送機位于負壓振動篩固相出口處與巖屑箱進料口對齊；在撬底座上，形成具有收集、傳輸、分離和控制的一套自動分離控制系統，并裝有自動化遠程控制操作面板，可通過局域網實現可視化監控和遠程操作，通過集成智能化極大提高了巖屑減量化處理人員的工作效率；此外，對負壓振動篩氣刀裝置進行了改進，在單一的法向氣刀基礎上，在其兩側各增加一個側向氣刀(圖4)，通過多方位對篩布吹氣，能夠有效緩解篩布堵塞的問題。

圖3 履帶式負壓分離系統總體布局示意

圖4 履帶式負壓振動篩三維結構示意

改進后的履帶式負壓振動篩具體工作流程如下：

1)鉆井固控系統處理之后的固液混合物通過螺旋輸送機進入巖屑輸送泵進料口，巖屑輸送泵通過高壓內襯鋼絲軟管將固液混合物送入負壓振動篩進料口。

2)固液混合物經負壓振動篩處理之后，液體從出口進入泥漿罐，固體從出口進入螺旋輸送機，由螺旋輸送機將固體輸送進入巖屑箱。

3)氣刀打開，將篩布孔內堵塞的巖屑粒吹落。

4)泥漿罐內液體經離心泵抽出后，進入鉆井固控系統再次循環利用。

3 履帶式負壓振動篩實際應用

3.1 處理工藝流程

履帶式負壓振動篩在完成陸上調試運行后運至海上平臺，被安裝在海洋石油194鉆井平臺，隨后該設備隨同海洋石油194拖航至秦皇島32-6油田某平臺，作為其作業支持平臺，參與鉆井過程中巖屑減量化工作。其工藝流程如圖5所示。

圖5 試驗工藝流程示意

振動篩固相出口的巖屑經負壓振動篩進一步的固液分離，固相進巖屑箱由拖輪運回陸地處理，液相進入緩沖罐，再泵送至沉砂池，可作為鉆井液循環使用。負壓振動篩在平臺可作為一級固控設備使用，也可作為二級固控設備使用。若作為一級固控設備使用則無需經過3臺普通振蕩篩處理(圖5中虛框部分)直接進行螺旋輸送，見流程①；若作為二級固控設備使用，井口返回泥漿先經過3臺普通振動篩，再經過螺旋輸送，由巖屑泵抽送至二級固控設備負壓振動篩進一步固液分離(圖5中虛框部分)，見流程②。篩布速率是影響負壓振動篩固液分離的重要指標，通過改變負壓振蕩篩速率旋鈕研究篩布速率與分離效果的關系，最大速率可認為100%。在固液分離的過程中，離心機從沉砂池中抽取鉆井液，分離其中的泥沙，作為二級固控設備。

3.2 不同篩布速率下泥漿含液率的變化

對經過履帶式負壓振動篩前后的泥漿進行檢測，數據檢測分為入口含液率檢測、出口固相含液率檢測、入口泥漿性能檢測及出口濾清液性能檢測等4個部分，其中含液率k通過烘烤后稱重計算獲得。

式中，Q1為烘烤前總質量，kg；Q2為烘烤后總質量，kg。

篩布速率分別取履帶滿載旋轉速率的25%、35%、45%和55%進行試驗，試驗初期將設備直接接入一級固控系統，井口返出巖屑不經傳統振動篩，直接由螺旋輸送機送至負壓振動篩后返出巖屑，在負壓振動篩入口與出口進行了2次取樣，結果如圖6、圖7所示。

圖6 初次入口與出口含液率比較

圖7 第二次入口與出口含液率比較

由圖6和圖7可見：初次取樣入口泥漿含液率在720%～778%，出口泥漿含液率基本上為40%；二次取樣入口泥漿含液率在210%～485%，出口泥漿含液率在40%左右，且出口泥漿含液率均隨篩布速率的增大而增大。負壓振動篩進口和出口的鉆井液含液率對比顯示井口返回泥漿含液不穩定，在200%～780%波動較大；經過負壓振動篩處理后的固相含液率基本上為40%，效果穩定；隨著篩布速率的增加，處理后的泥漿含液率逐漸增大。

3.3 不同方式處理結果

在保持開次、旋轉速率、取樣時間相同的情況下，對傳統振動篩、離心機、負壓振動篩的排出固相分別進行取樣并分析，試驗中負壓振動篩篩目在保持單一變量的情況下先后更換為API120目和API180目。結果見圖8及圖9。

圖8 不同取樣位置與時間含液率比較(API120)

圖9 不同取樣位置與時間含液率比較(API180)

由圖8和圖9可見：與傳統固控減量化設備固相含液率高達80%以上相比，負壓振動篩的減量程度大，處理效果更穩定，含液率基本上在40%左右；另外API120目負壓振動篩比API180目負壓振動篩處理效果更好，但是采用過小篩布目數的篩布會影響鉆井液固控處理質量。

3.4 進一步試驗

在海上試驗過程中，為了進一步檢驗設備處理能力，將上述3.2與3.3節中試驗流程進行改變，不將負壓振動篩作為一級固控設備使用，而是將井口返出泥漿經3臺傳統振動篩后由負壓振動篩進行二級固控減量化處理，并對其處理固相進行了采樣分析，結果如圖10所示。

圖10 負壓振動篩作為一級與二級固控效果比較

由圖10可見：負壓振動篩無論作為一級或二級固控減量化裝備，處理后的固相含液率均可降至40%，進一步證明該設備的穩定性；同時也可見負壓振動篩作為二級深度減量化裝備，其處理效果更優，即便處理含液率大幅降低的巖屑，負壓振動篩仍具有相當穩定的深度脫水能力，處理后巖屑含液率可降至35%。

3.5 全井段處理效果

對整個鉆井周期內的履帶式負壓振動篩處理效果取樣后進行縱向分析，結果見圖11。

圖11 全井段負壓振動篩處理效果比較

由圖11可見：不同鉆井階段，巖層、泥漿體系均不相同，因此井口返回泥漿含液率波動較大；一開與三開鉆井期間井口返回泥漿的含液率高于二開期間的含液率；負壓振動篩在全井段中，排出固相含液率基本在40%左右；在一開與三開過程中，負壓振動篩脫水效果更明顯，脫水效果也相對較穩定；在二開期間1 400～2 200 m井口返回泥漿的含液率明顯比排出固相含液率高。結合現場運行，主要是因為二開期間平臺真空泵故障，無氣源壓力，導致氣刀裝置不能正常工作，使得在二開鉆進期間在2 300～2 650 m存在跑漿現象，導致出口固相含液率較高，通過對比可以發現改進的裝置能有效解決泥漿篩孔堵塞難題，提高履帶式負壓振動篩固液分離效果。綜合分析一開、二開及三開情況，履帶式負壓振動篩基本具備了現場隨鉆處理能力。

4 結論

1)適用于海洋平臺的履帶式負壓振動篩撬裝結構具有集收集、傳輸、分離和控制功能于一體的自動分離控制系統，通過自動化遠程控制操作面板可實現可視化監控和遠程操作，極大提高了巖屑減量化處理人員的工作效率。

2)改進的氣刀裝置能夠清潔傳送帶，有效解決泥漿篩孔堵塞難題，提高固液分離效果，同時履帶式負壓振動篩不需要離心機、干燥機等設備的輔助作用，有助于降低巖屑處理成本。

3)在實際處理水基泥漿時，履帶式負壓振動篩無論作為一級固控還是二級固控減量裝備，分離后的鉆屑含液率均可以降低至40%；作為二級減量化裝備，深度處理效果更好，處理后含液率降至35%。篩布旋轉速率較低時，分離效果較好。

4)相較于傳統振動篩、離心機設備，履帶式負壓振動篩的減量程度大，處理效果更穩定，含液率基本上在40%左右，且API120目負壓振動篩比API180目負壓振動篩處理效果更好，通過整體鉆進情況看，履帶式負壓振動篩基本具備了現場隨鉆處理能力。