海洋平臺鉆井鉆屑存儲輸送裝置的設計與分析

吳坤坤，石大磊，張 明，高 翔

（1.中海油田服務股份有限公司，天津300480；2.四機賽瓦石油鉆采設備有限公司，荊州434000）

現代工業社會導致油氣儲量迅速遞減，陸地油氣資源已日趨枯竭，隨著海洋油氣資源的大力開發，海上石油鉆井規模也在不斷擴大，由此產生的廢棄鉆井液對海洋生態環境的污染不可忽視[1]。鉆井鉆屑屬于石油鉆井污染中的固體廢物污染，是廢棄鉆井完井液固液分離后產生的對石油鉆井無用的固相。鉆屑中含有大量的有機物和有毒重金屬，直接排放會嚴重污染海洋環境。在處理海洋鉆井的廢棄物時，第一步首先要對鉆井廢液進行固液分離，它是減少輸送量、提高循環利用率和解決環境污染問題的前提。在海上鉆井作業中，清除鉆屑是一項費事和花費不菲的工作，也是油井設計和鉆井施工中的關鍵環節。

當今社會對于海洋污染問題越來越重視，各國對海洋環境保護也日趨嚴格。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規定向海洋排放鉆屑的殘留礦物油的含量要低于1%。自2009年5月1日起，我國開始實行新的《海洋石油勘探開發污染物排放濃度限值》標準，與我國自1985年實行的《海洋石油開發工業含油污水排放標準》相比，新標準對海洋石油勘探開發污染物排放濃度限制越發嚴格，基本上接近“零”排放標準[2]。

目前國內外鉆井鉆屑處理技術主要分為3 大類：巖屑脫干法、巖屑熱分餾法和巖屑回注法。這些方法會受到場地、環境的影響，并不能應用在所有井場，需要存儲輸送設備作為補充[3]。國內外常用的存儲輸送技術有螺旋絞龍輸送、軟管泵輸送、正壓氣力輸送、負壓氣力輸送等，國外Clyde Materials Handling 公司研制了一種新型CleanCut 閉式鉆屑清除系統，NOV 公司研制的BRANDT FREEFLOW系統，SUPAVAC 公司的Slurry Management Systems都可用于鉆屑的輸送，但是鉆屑的存儲及運輸功能不夠，多用于物料輸送，國內還沒有用于專門輸送鉆屑的裝置，存儲及運輸的巖屑箱也體積較小。為了解決現有方式的不足，確保更環保高效的巖屑存儲、運輸及輸送，研制了鉆井鉆屑存儲輸送裝置，并通過試驗驗證了設備的可靠性。

1 鉆井鉆屑存儲輸送裝置設計

1.1 設備組成及工作原理

該海洋平臺鉆井鉆屑存儲輸送裝置主要由存儲罐體、管匯系統、輸送氣路、控制氣路、螺旋輸送、滑塊系統、出料系統、液壓系統、橇架及防碰架、控制系統等幾部分組成，能夠獨立全自動運行，將廢棄的鉆井鉆屑進行存儲，方便運輸到其他地方，并能自行將鉆井鉆屑輸送至指定位置[4]。海洋平臺鉆井鉆屑存儲輸送裝置的結構組成如圖1所示。

圖1 鉆井鉆屑存儲輸送裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling cuttings storage and conveying device

設備的工作原理為：將外部輸送管線與設備連接好，打開存儲罐體頂部的呼吸閥門，外部設備將鉆井鉆屑輸送進入本設備，存儲罐體存儲鉆屑，可將整個設備作為儲罐存儲及運輸。當設備運輸到目的地后，接好排出口的排出管線和外接氣源，打開滑塊系統，滑塊系統可以將管體底部的鉆屑推送至螺旋輸送的輸送槽內，打開出料系統的排出閥、輸送氣源和罐體頂部的供料氣源，啟動螺旋輸送進行送料，設備通過氣力輸送方式將鉆屑柔性輸送到指定位置。

1.2 液壓系統的設計

設備的主要執行部件采用液壓系統驅動，采用中高壓液壓系統，系統壓力在20 MPa，而系統的總動力大小主要由以下兩部分負載確定，考慮機械和液壓的效率后，確定所需功率大小，由功率大小選取對應功率等級的電機來驅動液壓系統。

1.2.1 滑塊系統受力計算

由于罐體底部是平面結構，不利于物料進入螺旋輸送的輸送槽內，采用滑塊在罐體底部做往復運動，將物料推送至輸送槽內，由液壓系統提供動力驅動油缸來推動滑塊工作[5]。滑塊的運動中，滑塊與罐體底板接觸，產生摩擦力，滑塊的端面在移動過程中，會受到罐體內物料的阻力，由這兩個力的大小來選擇油缸的規格型號。滑塊示意圖如圖2所示。

圖2 滑塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of slider

鉆屑存儲輸送裝置的底部推板的摩擦力為

式中：p為壓強；ρ 為物料密度，ρ=2 t/m3=2000 kg/m3；g為重力加速度，取g=9.8；H為罐內物料高度，H=2.3 m。

式中：FN1為正壓力，FN1=F1；μ 為動摩擦因數，鐵與鐵摩擦μ=1。

各種規格的鉆井鉆屑表面摩擦系數參考如表1所示，參考用泥漿濕潤的工況，需滿足所有可能物料的輸送要求，即選取最高摩擦系數進行計算。花崗巖與鋼材的摩擦系數按μ2=0.57 計算，花崗巖與花崗巖摩擦系數按μ3=0.52 計算。

表1 巖石表面摩擦系數Tab.1 Friction coefficient of rock surface

側面（滑塊側面的受力）的推拉力F2，滑塊側面推動物料移動，物料與罐體底板產生摩擦力F磨2，物料與物料相對滑動產生摩擦力F磨3，公式為

式中：FN2，FN3為正壓力，FN2=FN3=F1

1.2.2 無軸螺旋輸送功率計算

無軸螺旋用于將平底罐體底部的物料輸送至出料系統，出料系統使用壓縮空氣將物料輸送出去，由液壓馬達驅動減速機來使無軸螺旋工作。螺旋輸送機功率計算的公式如下：

式中：P為總功率；P1為空載運行功率；P2為物料輸送消耗功率；P3為傾斜輸送功率。

式中：D為螺旋直徑（m）；L為輸送長度（m）。

式中：Q為輸送量（t/h）；L為輸送長度（m）；λ 為輸送阻力系數。

式中：Q為輸送量（t/h）；H為傾斜提升高度（m）。

在設備輸入參數確定好后，基本參數就可設計完成，其取值為：D=295 mm，L=2.5 m，Q=25 t/h，H=0 m。

系數λ 是對每種輸送物料所特有的，通常λ 值在2～4 之間，根據國標JB/T7679-2008 的推薦λ 值，選取花崗石的λ 值，λ=3.4。

上述計算功率為實際使用功率，采用1∶4.25 的減速機后，驅動部件的功率如下：

1.3 輸送系統的設計

出料部分采用雙噴射器設計，兩個噴射器的機械結構一致，采用一大一小，噴射器的中間為物料通道，四周為壓縮空氣的通道，此結構可充分利用壓縮空氣的動力，而物料始終沿著直線輸送，不會損失輸送動能，其結構如圖3所示。

圖3 噴射器結構示意圖Fig.3 Structural diagram of ejector

設計過程中，輸送罐有效容積V容=7.5 m3，輸送時間按經驗取t=22 min，輸送管道選用5″管道，不考慮罐體頂部推送物料到出料口的壓縮空氣的損失量。

輸送能力GLL為

式中：rL為物料比重，rL=2000 kg/m3；t為輸送時間，按實際輸送時間取值。

空氣消耗量GL為

式中：GLL為系統輸送能力（kg/h）；N為重量混合比，輸送功率大的重質物料時，混合比一般在5～25，根據經驗取26；y為空氣的比重，取1.2 kg/m3。

輸送速度V為

式中：α 為系數，根據經驗取α=12；ρL為物料比重（t/m3），對于壓送式系統，代以物料真實比重，ρL=2 t/m3；B為系數，B=（2～5）×10-5；LZ為輸送管道折算長度，取180 m。

2 強度及安全性分析

2.1 罐體強度受力分析

存儲罐體用于鉆井鉆屑的存儲，裝滿物料后可運輸到其它地方，罐體采用壓力容器標準進行設計，在進行物料氣力輸送時作為輸送系統的輸送罐使用[6]。

結構基本參數：該撬架主要承力部件均采用Q345R 材料焊接，該材料屈服強度為345 MPa，拉伸強度為450～630 MPa，根據“DNV-OS-E101”的相關規定，在計算校核撬架強度時材料受到的最大應力不能超過材料屈服強度的0.85 倍，即最大許可應力不能超過293.25 MPa。

有限元中主要計算參數設置：材料密度為7870 kg/m3；彈性模量（EX）為2.12E11 Pa；泊松比（PRXY）為0.31；加速度為g=10 N/kg。

有限元建模：通過三維軟件SOLIDWORKS 建立承壓罐體的完整模型，然后將模型導入有限元分析軟件中進行計算，有限元模型如圖4所示。

圖4 框架有限元建模示意圖Fig.4 Schematic diagram of frame finite element modeling

有限元設置約束和加載：在底部施加固定約束；設備空載時，施加設備自重，重力加速度g=10 m/s2；罐體滿載時，介質質量：π×1.12×1.63×2000×1.5=18600 kg，通過靜水壓力的方式施加，截面示意圖如圖5所示。罐體內部最大空氣壓力110 psi，施加整個罐體內表面的壓力載荷：110×0.007×1.5=1.155 MPa。整體加載載荷如圖6所示。

圖5 靜水壓力截面示意圖Fig.5 Schematic diagram of hydrostatic pressure section

圖6 整體載荷示意圖Fig.6 Schematic diagram of overall load

計算結果及結論分析：通過有限元計算撬架應力云圖如圖7所示，框架變形云圖如圖8所示。

圖7 框架應力云圖Fig.7 Cloud diagram of frame stress

圖8 框架變形云圖Fig.8 Cloud diagram of frame deformation

從上述結果中可以得到：考慮動載系數1.5 時，豎直工況撬架所受到的最大應力為251.06 MPa，最大受力點在罐體側面的加強筋處，最大應力不超過293.25 MPa；最大變形為2.20 mm，變形值相對較小，因此框架強度滿足要求。

2.2 安全性分析

存儲罐體在卸料過程中采用壓縮空氣作為動力，在操作過程中可能出現超壓情況，罐體頂部使用安全閥進行超壓泄放[7]。罐體采用的安全閥通徑為DN25，在下述安全性分析中，安全閥的通徑不得小于分析結果值。分析過程中，參考了GB150.1-2011《壓力容器—第1 部分：通用要求》的計算公式及設定條件。

2.2.1 氣體的泄放面積計算

下述公式適用于單一相氣體介質通過泄放裝置時泄放面積的計算，公式為

式中：Ws為氣體儲罐的安全泄放量（kg/h）；C為氣體特性系數，查GB150.1-2011 的表B.4，由表B.4 選取C=356；K為泄放裝置的泄放系數，由安全閥廠家提供，一般K=0.75；Pf為泄放裝置的泄放壓力，按容器設計壓力取值，Pf=0.7586 MPa；Z為氣體的壓縮系數，對于空氣，Z=1.0；Tf為泄放裝置泄放溫度，按泄放溫度為50 ℃計算，Tf=50 ℃=323.15 K；M為氣體的摩爾質量，由GB150-2011 的表B.6 選取，M=28.97。

2.2.2 氣體儲罐安全泄放量的計算

氣體儲罐的安全泄放量按下式計算：

式中：ρ 為泄放條件（設定溫度與設定壓力）下的介質密度 （kg/m3）；ν 為容器進氣管內的流速（m/s）；d為容器進氣管內直徑（mm）。

壓縮空氣密度計算如下：

式中：ρ 為壓縮空氣密度。

式中：Q為空壓機的進氣排量，Q=21 m3/min；d為設計的進氣管內徑，d=50 mm。則：

2.2.3 泄放裝置通徑計算

泄放裝置通徑的計算公式為

泄放裝置通徑d1為

通過上述計算，安全閥通徑滿足DN20 即可，安全考慮，安全閥通徑通徑需大于驗證值，即安全閥通徑選取DN25 滿足安全要求。

3 結語

本文提出了一種鉆井平臺鉆屑存儲、運輸及輸送的方法，設計制造了一套海洋平臺鉆井鉆屑存儲輸送裝置。該裝置具備鉆屑存儲量大、運輸方便、輸送效率高、自動化控制和環保等級高等優點。針對存儲罐體內物料的輸送，對液壓系統和物料輸送參數給出了計算方法和相應計算公式，為系統功率匹配、氣源消耗等主要參數設計提供參考。對鉆井鉆屑存儲輸送裝置的重點結構進行了受力分析，并對罐體安全性進行了分析，分析研究的內容對于該類裝置的設計具有指導意義。