鉆屑密閉正壓輸送系統處理量影響因素試驗分析

吳坤坤，李 斌，張 明，張貴磊

（中海油田服務股份有限公司，北京 100114）

0 引言

近年來，隨著油氣開發逐漸走進深海，海洋油氣田開發越來越多的采用油基/合成基鉆井液鉆井。但是，油基體系鉆井會產生大量的油基鉆屑，油基鉆屑含有柴油（白油）、多環芳烴、多種主乳輔乳等有機化合物，成分復雜、污染因子多、污染負荷大，會對當地水質、動植物等生態環境產生危害[1]。根據國家環保要求，海上鉆井產生的油基鉆屑需要可靠地運送到陸地進行處理，這對輸送方式提出了很高的要求。為了解決上述問題，中海油服油化事業部EPS（Environmental Protection Solutions）技術所開發了一套鉆屑密閉正壓輸送系統設備DWB（Drilling Waste Blower），并通過大量的現場試驗，明確了影響處理量的主要因素，為后續系統的改進提供理論支持。

1 設備組成

鉆屑密閉正壓輸送系統采用正壓氣力輸送方式輸送鉆井巖屑，鉆屑在輸送過程中保持在密閉環境下流動，與外界環境零接觸，避免了跑冒滴漏等各種對環境的污染風險[2]。鉆屑密閉正壓輸送系統設備包括錐形漏斗、振動電機、進料閥、輸送腔、出料閥、壓縮空氣管線、電氣控制系統等，設備整體成撬，體積小，運輸方便[3]。設備具體組成如圖1 所示。

圖1 鉆屑密閉正壓輸送系統設備

2 現場試驗

設備研發成功后，為了解鉆屑密閉正壓輸送系統設備的性能，設計了現場試驗，通過輸送不同介質（油基鉆屑、水基鉆屑）進行實況模擬，探索設備最優參數設置（根據介質的特性如比重、黏度，依靠設備自身能力實現處理量最大、設備穩定性以及管線無堵塞連續輸送等），積累設備操作經驗，并為后續設備改進與系列化研制提供數據基礎。

2.1 試驗方案

為了更好地驗證設備的真實性能，設計了兩種工況的試驗方案，主要由物料緩沖罐、螺旋輸送器、DWB 設備及輸料管線（5 英寸，即12.7 cm）等組成（表1、圖2）。

表1 試驗設計方案

圖2 鉆屑密閉正壓輸送系統設備測試方案

為了更好地測試設備對常見不同密度巖屑的輸送效果，本次試驗選取4 種流體進行測試，分別為1.39 sg（比重）的油基泥漿、1.6 sg 的鉆屑（甩干機處理后）、1.84 sg 的油基鉆屑（離心機處理后）、2.11 sg 的油基鉆屑。

測試設備主要有DWB、柴油空氣壓縮機、螺旋輸送機、真空泵、固井水柜、巖屑分配架、管線托架平臺、設備支架、柴油罐等，具體參數見表2。

表2 試驗所用設備清單

2.2 試驗內容

鉆屑密閉正壓輸送系統設備DWB 的試驗工況是模擬南海九號的實際工況，考慮到獲取鉆屑的簡便性，項目組將試驗場地選擇在湛江溝尾，場地為10 m×80 m。試驗內容如下：

（1）通過改變DWB 計時器參數，空轉設備或者輸送淡水的方式，輔助說明書理解設備計時器的含義、DWB 機械結構、工作原理，了解DWB 各個計時器設置對于輸送量的影響。

（2）測試影響設備處理量的因素。主要試驗因素有輸送管線長度、介質、脈沖設置、工作氣壓、緩沖罐、環境溫度、助吹等，由于變量較多，采用逐步比較的方式來測試這些因素對處理量的影響。

（3）試驗設備電氣故障應急方案為手動操作。

（4）試驗設備疏堵方法。在試驗過程中遇到試驗設備堵塞情況時，通過手動操作或助吹的方式快速加大設備及管道內氣壓。另外，在介質中加入泥漿來稀釋鉆屑，可以實現設備的快速疏通。

2.3 試驗結果

通過大量的試驗及數據分析，掌握了影響鉆屑密閉正壓輸送系統設備DWB 處理量的各因素及影響水平。

2.3.1 計時器對處理量的影響

鉆屑密閉正壓輸送系統設備DWB 共設置了5 個可調整計時器，分別為振動電機運行計時器、進料閥開啟計時器、循環周期計時器、脈沖周期計時器、脈沖延遲計時器。其中振動電機運行計時器與進料閥開啟計時器的作用是保證進料漏斗的鉆屑能完全進入到輸送罐內，循環周期計時器是確保最小運轉周期，在作業過程中，這3 個計時器的設置對物料處理量影響很小。

脈沖周期計時器與脈沖延遲計時器的設置，需要適應不同的工況條件，是鉆屑能否順利輸送的關鍵因素。這兩個參數能使分布在罐體四周的脈沖氣嘴，采用間歇式吹氣，吹氣—停止—吹氣—停止：①輔助下料的作用；②具有清理罐內壁的作用；③有浮動鉆屑，防止其大面積聚團的作用。脈沖氣與輸送氣相互配合使鉆屑在噴嘴處形成脈沖量。

通過試驗得出結論如下：若（脈沖延遲、脈沖周期）設置為（X，Y），可以解釋為，吹氣（Y-X-1）s，停止（X+1）s，如此循環數個周期，直到罐內壓力達到1 bar（0.1 MPa）。鉆屑在輸送管道中的流動狀態是決定鉆屑能否順利輸送的關鍵因素，而流動性能是脈沖氣與輸送氣的共同作用的結果，分別以延遲計時器、脈沖周期計時器為設置變量，試驗統計結果如圖4和圖5 所示。

圖3 脈沖周期與脈沖延遲關系

圖4 以延遲計時器為變量的處理量隨脈沖設置變化曲線

圖5 以脈沖周期計時器為變量的處理量隨脈沖設置變化曲線

試驗結果表明：對于不同的工況與鉆屑，應設置不同的脈沖參數，以提高設備處理量；通過測試，當鉆屑密度為1.8 g/cm3時，最優脈沖設置為（16，7），處理量為18 t/h；當鉆屑密度為1.6 g/cm3時，最優脈沖設置為（13，3），處理量達到28 t/h。

2.3.2 緩沖氣瓶對處理量的影響

在空壓機與鉆屑密閉正壓輸送系統設備DWB之間增加一個1 m3的緩沖氣瓶，觀察緩沖氣瓶對處理量的影響，試驗結果如圖6 所示。

圖6 有無緩沖氣瓶對處理量的影響

試驗結果表明：在空壓機與鉆屑密閉正壓輸送系統設備DWB 之間增加緩沖氣瓶，可以保證瞬時用氣量，同時降低不同時刻用氣量變化引起的壓力波動，在一定程度上可以提高系統單位時間處理量。

2.3.3 供氣壓力對處理量的影響

利用空壓機為DWB 設備提供3 種不同的輸送用氣壓力，記錄輸送量隨供氣壓力變化的情況，結果如圖7 所示。

圖7 不同供氣壓力下的輸送量變化曲線

試驗結果表明，在保證氣量的前提下，供氣壓力變化對處理量的影響很小，可以忽略。

2.3.4 助吹對處理量的影響

為了試驗在管線增加助吹是否更加利于鉆屑輸送，在DWB設備物料出口處增加一段助吹管線，試驗結果如圖8 所示。

圖8 助吹對輸送量的影響分析

試驗結果分析表明，助吹雖然可以在一定程度上增大管道內輸送氣量，但在補氣作用下，會造成管道內的壓力不能快速降低到1 bar，從而提升鉆屑密閉正壓輸送系統設備DWB 的單循環周期，使處理量降低。

2.3.5 鉆屑溫度對處理量的影響

分別在20 ℃和30 ℃條件下，試驗密度分別為1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、1.8 g/cm3的鉆井巖屑的輸送量，試驗結果如圖9所示。

圖9 鉆屑溫度對處理量的影響分析

試驗結果表明，隨著溫度的升高，鉆屑的黏度減小、流動性越來越好，輸送量隨之增大。在后續的實際工作中，對于黏度較高的油基鉆屑，可以適當提高輸送溫度，確保鉆屑的順利輸送。

2.3.6 管線工況及介質對處理量的影響

分別試驗設計方案中兩種工況下，連續時段內不同密度的油基鉆屑和水基鉆屑的輸送量的變化，試驗結果如圖10所示。

圖10 不同管線工況和介質下處理量變化

試驗結果表明，管線結構越簡單、輸送距離越短，單次循環時間越短、處理量越高；鉆屑在管道內的流化性能與鉆屑的黏度、密度等很多性質相關，黏度低、密度小的鉆屑更易于輸送。通過試驗證明，甩干機處理過的干鉆屑與密度大于2.0 g/cm3的鉆屑，DWB 輸送困難。

3 總結

鉆屑密閉正壓輸送技術是目前最先進鉆井廢棄物環保輸送技術，在世界海洋石油范圍內得到了大量應用，實踐表明其實用性、環保性、經濟性和技術可靠性完全能夠滿足海洋石油鉆井廢棄物轉運的要求。上述DWM 項目組研發了一套鉆屑密閉正壓輸送系統設備，自動化程度高，并通過大量的試驗和數據分析，總結了計時器、儲氣罐、供氣壓力、助吹、鉆屑溫度、管線工況及介質特性對處理量的影響，為后續產品改進和系列化產品開發提供技術支持。

鉆井廢棄物密閉傳輸是中國海洋石油EPS 業務發展道路上必不可少的一步，鉆屑密閉正壓輸送系統設備研制成功，能夠完善油化事業部廢棄物業務設備配置，豐富業務配置技術方案，提升業務專業技術水平，降低生產成本，為我國海洋石油工業的可持續發展貢獻力量。