海洋油基鉆屑處理用錘磨式熱分離系統的研制*

李斌 王傳鴻 吳坤坤 韓金權 張貴磊 張忠亮

(1.中海油田服務股份有限公司油田化學事業部 2. 四機賽瓦石油鉆采設備有限公司)

0 引 言

近年來，海上石油勘探開發業務迅速發展，由此產生的鉆井與完井廢棄物對環境的影響越來越嚴重，特別是對海洋生態環境造成無法挽救的后果。含油鉆屑是鉆井與完井過程中被鉆井液包裹及被帶到地面的井內巖屑，屬于鉆井污染物中的固體污染物。鉆井中的含油污泥、散失的鉆井液材料(重晶石、膨潤土粉和堵漏劑等)、凝固的水泥廢漿，以及其他廢棄物統稱為固體污染物。

2000年3月頒布的《北大西洋和東大西洋環境保護委員會標準》中指明，向海洋排放的鉆屑含殘留礦物油的質量分數要低于1%。我國《海洋環境保護法》第五十一條規定，海洋石油鉆井船、鉆井平臺和采油平臺的含油污水油性混合物必須經處理達標后排放，鉆井所使用的油基鉆井液和其他有毒復合鉆井液不得排放入海。目前，海上鉆井廢棄物的處理工藝僅限于排放、回注或運回岸上處理，而國內常用于陸地固廢處理的工藝，如固化技術[1]、生物分解技術[2]、化學萃取技術[3]及燃燒技術[4]等，由于存在無法回收基礎油、處理時間長、占地面積大和存在明火等缺點，無法滿足在海上平臺的使用要求。

國外海上油泥處理經驗豐富，技術已比較成熟。其中Thermtech公司最早提出的錘磨式熱分離技術[5]被廣泛采納，其處理溫度在中低溫度范圍能遏制二噁英的產生[6]，處理后的固相含油質量分數可低于1%，滿足排海要求[7-8]。作為一種物理修復方法，錘磨式熱分離技術具有污染物處理范圍廣、處理速率高、設備可移動以及修復后土壤可再利用等優點，特別適用于揮發性、半揮發性及難揮發性有機物、揮發性無機物的土壤修復[9]。然而國內對錘磨式熱分離技術的研究較晚，研究內容多為錘磨機的綜述性介紹[10-12]。雖然中國石油大學、西南石油大學和川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院等在理論上對該技術進行了研究并嘗試研制了工程樣機，但目前仍未有成熟產品投放市場。為此，中海油田服務股份有限公司油田化學事業部和四機賽瓦石油鉆采設備有限公司聯合開發了錘磨熱分離的核心技術，研制了新型錘磨式熱分離系統，完善了錘磨熱分離流程，實現了此項技術與裝備的國產化和工業化應用。該系統的研制成功為我國海洋油氣領域環保發展提供了強有力的技術支撐。

1 錘磨式熱分離系統技術分析

1.1 系統結構

錘磨式熱分離系統總體設計方案如圖1所示。錘磨式熱分離系統工作流程包括運輸進料、錘磨分離、卸料、油水分級冷凝冷卻以及固相處理等。運輸進料包含1個鉆井液攪拌罐和1臺雙缸液壓活塞泵,錘磨分離包含1臺錘磨熱分離器和動力輸入設備，卸料由1個夾套水冷絞龍和1臺加濕噴淋機組成,油水分級冷凝冷卻包含洗滌罐、油冷凝罐、水冷凝罐和三相分離器。

1.2 錘磨分離器

錘磨分離器是系統的核心部件，與常規的固廢處理器相比，錘磨分離器具有反應器內溫度均勻，處理過程無明火，鉆屑從進入反應器到處理結束需要的時間短以及反應器占地面積小等特點。

圖2是錘磨分離器的三維結構圖。錘磨分離器由轉筒及裝有若干錘臂的主軸構成，筒體上開有進、出料口和蒸汽出口，用以實現鉆屑的輸入、輸出和氣體的排出。轉子由電動機拖動高速旋轉，旋轉將巖屑的較重部分壓向定子的內壁。轉子使材料床內堵顆粒相互之間不斷摩擦，從而產生熱量，使油和水蒸發。不同于其他錘磨設備，錘磨分離器的進料口開在筒壁上，優點是鉆屑進入反應器時能直接與高溫旋轉的砂子充分緊密接觸，使含油鉆屑瞬間干燥，從而更容易與罐內砂子混合，實現快速分離。結構上設計每片轉子包含4片錘臂，相鄰轉子錘臂交錯布局并緊密排列，既消除攪拌過程中顆粒在葉片間距內堆積，同時也增大了顆粒和筒壁的摩擦因數，這也符合相關仿真計算[13]的結論。錘臂間留出充足的蒸汽通道以方便蒸汽在中心流動。在蒸汽出口端設置掃灰筒，作用是將從蒸汽中沉積的灰攪動以防止其堵塞出氣口。轉子系統與筒體間的密封采用高溫盤根密封，在軸承外側采用循環水冷卻，保證軸承溫度在60 ℃以下。同時在蒸汽出口端的管壁上纏繞伴熱帶，設備在開機前及停機后通過伴熱帶加熱管道，能減少油蒸汽在管壁冷凝，有效避免冷凝油吸附干灰而堵塞管道。而錘磨轉子的頂端和筒體內部經過碳化鎢堆焊處理，可大大減緩因摩擦而導致反應器損壞。

1—進料泵;2—錘磨分離機;3—卸料閥;4—水冷絞龍;5—噴淋加濕機;6—洗滌罐;7—油冷凝罐;8—水冷凝罐;9—冷卻水罐;10—三相分離器;11—冷卻風機;12—主電機;13—制氮機;14—液壓站。

圖2 錘磨分離器結構圖Fig.2 Structure of hammer grinding separator

1.3 主要參數

錘磨反應器的處理能力為2 t/h,處理溫度為270～330 ℃,工作轉速為500～650 r/min，驅動電機輸入功率550 kW，反應器筒體直徑1 m、長度1 m，處理的鉆屑能滿足含油質量分數低于1%的排放標準，回收油可用于生產復配。

2 試驗與分析

2019—2020年，中海油田服務股份有限公司油田化學事業部與四機賽瓦石油鉆采設備有限公司先后分階段進行了3次試驗。試驗目的是獲取設備的實際處理能力、功率需求、錘磨反應器的處理溫度、處理后固相含油質量分數及回收油含固質量分數，并分析設備各參數之間的相互關系，實現設備處理的自動化。

2.1 系統流程

錘磨式熱分離系統流程如圖3所示。含油鉆屑經過振動篩過濾較大雜質后落入鉆井液罐，通過攪拌軸攪拌后泵入錘磨分離器，錘磨分離器轉子高速旋轉，使物料在筒體內形成環形圈層，通過摩擦生熱使物料溫度升高，錘磨分離器內的溫度控制在290～310 ℃之間，處理完的固相從錘磨分離器的底端口排出，經夾套水冷絞龍降溫、加濕機除塵降溫除塵后排出。剩下的油、水和蒸汽經過油洗滌器將蒸汽中的殘余固相洗滌干凈，然后通過油冷凝罐、水冷凝罐及三項分離器將油和水分別冷卻分離。

圖3 錘磨式熱分離系統流程圖Fig.3 Flow chart of hammer grinding thermal separation system

2.2 廠內試驗

2019年8月，該錘磨式熱分離系統在四機賽瓦石油鉆采設備有限公司進行了廠內試驗，試驗現場如圖4所示。物料選用鄂宜頁1HF井油基鉆屑，檢測其含油質量分數為17.5%，含水質量分數為9.8%，累計處理物料約15 t。工作溫度可穩定控制在260～370 ℃，最大處理量不低于2 t/h。處理每噸物料能耗約250 kW(其中熱脫附能耗小于200 kW，輔助系統耗能50～60 kW)。處理后的物料滿足國家固相含油質量分數的排放標準。

圖4 廠內試驗現場Fig.4 In-plant test site

廠內試驗中發現以下問題：①油泥密度和黏度較大；②因錘磨分離器運行時的離心作用影響的油泥進料比較困難；③蒸汽攜帶的粉塵在洗滌罐中易沉積；④普通熱油泵攜砂能力差，易堵塞循環熱油泵；⑤停機后卸料閥內殘余物易膨化結塊，導致無法持續下料。針對發現的問題，分別采取更換液壓活塞泵、優化洗滌罐的運行流程以及采用氣吹疏導卸料閥內粉塵的方法，在一定程度上緩解或解決了相關問題。

2.3 湛江陸地試驗

2020年4月，錘磨式熱分離系統在湛江進行了工業試驗，試驗主要目的是查看設備連續運行時的穩定性。試驗物料為振動篩排出的油基鉆屑、離心機排出的油基鉆屑和甩干機排出的鉆屑，三者按照質量比6∶3∶1混合而成?；旌衔锏暮唾|量分數加權計算17%左右。含油質量分數指標表示排放的干渣含油質量分數。系統從4月24—29日累計正常穩定運行20 h，處理鉆屑量35 t以上，其中4月27日連續運行8 h，處理鉆屑量15 t左右?，F場測試時將系統的工作溫度設定在260～370 ℃之間，均能保持穩定運行，可通過調節處理量和電機載荷來調節溫度，穩定運行時溫度波動在-5～5 ℃之間?，F場測試最大處理量為3.1 t/h，鉆屑含油質量分數為15%～20%，大幅超出設計指標的原因是鉆屑含水質量分數偏低(5%左右)。在設備正常工作的溫度區間下，處理量均可以達到2 t/h以上。通過檢測，干渣含油質量分數范圍在0.12%～4.35%之間。作業過程中調試工作溫度的范圍比較廣，導致含油質量分數波動較大。通過調節工作溫度就可以控制含油質量分數，故系統在通過第三方尾氣檢測符合國家尾氣排放標準的基礎上，應盡可能節能運行。

試驗中發現，蒸汽管道易堵塞，循環熱油泵在溫度80～100 ℃時已出現無壓力抽吸狀態。為此，采用伴熱帶加熱管道以防止油蒸汽在管壁冷凝，在油洗滌罐上增加加熱器，開機前將循環油的溫度加熱到120 ℃以上，防止罐內殘余水分汽化而發生氣附。

2.4 海上工業試驗

2020年9月初，錘磨式熱分離系統在WZ12-2B平臺進行了隨鉆測試。該系統累計運行超過1 500 h，處理含油鉆屑量2 000 t以上，處理后含油質量分數能滿足GB 4914—2008《海洋石油勘探開發污染物排放濃度限值》關于一級海域排放要求。系統整體運轉情況良好，各項指標均滿足作業要求。試驗中發現設備的智能化程度還不高，需要熟練人員持續長期值守，主要原因是針對不同物料的處理參數研究不夠，同一套預定參數針對不同的油泥處理需要人為干預調整。

因此下一步的研究重點是針對物料參數和設備運行參數建立基礎數據庫,采用數據自動比對來調節設備運行參數。海上試驗系統布置示意圖如圖5所示。

圖5 海上試驗系統布置示意圖Fig.5 Layout of offshore test system

3 結 論

(1)研制的錘磨式熱分離系統在海上平臺已成功投入使用，該系統結束了長期需要將有機固廢運往陸地的時代，為海上鉆井平臺服務市場提供了重要的技術支撐。

(2)針對系統在試驗中出現的問題提出了相應的改進措施。錘磨式熱分離系統累計運行已超過1 500 h，已累計處理2 000余t油基鉆屑，設備的穩定性和可靠性得到了充分驗證。

(3)錘磨式熱分離系統處理效果好，占地面積小于100 m2，每噸固廢處理耗能在200 kW左右，處理溫度在270～330 ℃之間，安全性高、無明火。處理完的固相完全滿足直接排海要求，油相滿足回用要求，尾氣滿足國家尾氣排放要求。