渤海海上油氣田水基鉆/完井廢棄物密閉遠距離傳輸技術(shù)

單軍鋒 任憲剛 姚競爭 閆學濤

（1.中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)分公司；2.哈爾濱工程大學煙臺研究院）

渤海海上油氣田是我國海上最大的原油生產(chǎn)基地， 在我國海上常規(guī)油氣田開發(fā)中占比很大。 海上鉆井對環(huán)境的污染主要體現(xiàn)在鉆屑污染、廢棄泥漿、廢水、噪聲及棄置鉆井平臺等方面。 據(jù)不完全統(tǒng)計，中海油渤海海上油氣田每年預計總鉆屑量將達到數(shù)萬方［1］。 這些廢棄物的存在對環(huán)境帶來了巨大威脅。 因此，我國頒布的《海洋環(huán)境保護法》和《海洋石油勘探開發(fā)環(huán)境保護管理條例》 對海上鉆井廢棄物排海做出了規(guī)定，杜絕有害鉆井污染物棄置入海［2］。

鉆屑的海上處理難題主要體現(xiàn)在鉆屑的傳輸和處理上。 針對鉆屑的傳輸難題，渤海上使用的傳輸技術(shù)有軟管泵輸送、濕噴鉆屑及負壓氣力等輸送方法。 但是現(xiàn)有的輸送技術(shù)均為非密閉遠距離傳輸技術(shù)，傳輸過程中容易發(fā)生泄漏，造成海水污染。 想要實現(xiàn)渤海鉆完井廢棄物的“零排放”，密閉遠距離傳輸技術(shù)的應用勢在必行。 密閉遠距離傳輸技術(shù)可以在鉆屑遠距離傳輸?shù)耐瑫r，保證傳輸過程中不發(fā)生側(cè)漏，避免對平臺甲板和海水造成污染，保障了廢棄物處理過程的綠色環(huán)保［3］。 目前國內(nèi)陸地比較流行的密閉遠距離傳輸技術(shù)為泥漿不落地技術(shù)。 針對渤海海域的特殊性和一些海上作業(yè)的限制，筆者將討論幾種適合于渤海海上油氣田的密閉傳輸系統(tǒng)。

1 現(xiàn)有海上油氣田水基鉆/完井廢棄物傳輸技術(shù)

鉆屑的傳輸是海上鉆井必須面臨的一大難題。 科學有效的海上鉆屑傳輸系統(tǒng)可以提升工作效率，降低運輸成本，促進海洋有序鉆井的經(jīng)濟效益和社會效益。 不同海域的鉆屑性質(zhì)是有區(qū)別的，渤海鉆井廢棄物具有流體性質(zhì)，可根據(jù)其流體的特性選擇一些傳輸系統(tǒng)以保證傳輸效果。

目前， 海上鉆屑遠距離傳輸技術(shù)主要有4種：軟管泵輸送；濕噴鉆屑；負壓氣力輸送；正壓氣力輸送。

1.1 軟管泵輸送

海上平臺鉆井廢棄物經(jīng)振動篩處理后，鉆屑進入鉆屑池。 軟管泵連接鉆屑池和儲存泵，通過增加泵內(nèi)壓力輸送流體。 軟管泵主要分為動力泵和容積式泵， 動力泵利用葉片旋轉(zhuǎn)推動漿體流動，把產(chǎn)生的動能變?yōu)閴毫δ埽瑢@屑壓出室；容積式泵利用空間容積的變化規(guī)律，使產(chǎn)生的能量具有周期性，并把能量傳給漿體，增加其壓力，并使?jié){體流出。

軟管泵輸送技術(shù)的優(yōu)勢是： 無機械密封，有較強的自吸能力，可以自行清理；沒有安裝泵閥，不會出現(xiàn)輸送時泄漏、氣阻的問題，工作現(xiàn)場干凈；結(jié)構(gòu)簡單，可用于多個工作場合與多種傳輸物質(zhì)；每個泵頭可以連接數(shù)個軟管，同時傳輸多種物質(zhì)。

其劣勢是：泵的使用壽命由軟管的彈性決定，可能會縮短裝置的使用壽命； 泵會按照脈沖式的工作方式工作，導致軟管與泵體產(chǎn)生振動。

1.2 濕噴鉆屑

濕噴鉆屑技術(shù)使用兩個上下排列的罐體，上罐負責攪拌，下罐負責噴射，用于傳送已經(jīng)固液分離的鉆屑。 為便于傳輸，加入旋風氣流干燥器把鉆屑從周圍的濾網(wǎng)分離出去減輕傳輸?shù)膲毫Α?/p>

該技術(shù)的優(yōu)勢是：傳輸結(jié)構(gòu)簡單，投資成本少，線路布置靈活，不會給輸送帶來阻礙；使用的部件較少，便于操作，且可以使用自動化技術(shù)，管理員的管理工作量較少。

其劣勢是：傳輸鉆屑粘性大，需要經(jīng)常清罐；占地空間大， 狹小的海上平臺上在空間布置上不能滿足設(shè)備的布置要求； 最大的弊端在于現(xiàn)有國產(chǎn)設(shè)備傳輸距離短，遠達不到遠距離傳輸?shù)囊蟆?/p>

1.3 負壓氣力輸送

氣固混合物輸入旋風除塵器進行第一級氣固分離，被分離出來的直徑較大的固體顆粒儲存在中間儲料罐內(nèi)，空氣和細小顆粒被輸入布袋除塵器內(nèi)進行第二級氣固分離。 經(jīng)過一級氣固分離后的混合物通過布袋除塵器時，細小顆粒被濾袋阻隔在袋壁上，通過壓縮空氣對布袋脈沖，將布袋壁上的細小顆粒抖落到中間儲料罐內(nèi)。

負壓氣力輸送技術(shù)的優(yōu)勢是適合傳輸膏狀鉆屑。 其劣勢是：該技術(shù)是利用真空與大氣壓之間的壓差所形成的氣流輸送，因目前真空設(shè)備真空度有限，故適合短距離輸送；氣力輸送動能消耗大，輸送風速高，易產(chǎn)生管道磨損。

1.4 正壓氣力輸送

正壓氣力輸送系統(tǒng)由上下放置通過圓頂閥連接的兩個儲料罐組成， 上罐儲料和下罐送料。供料器轉(zhuǎn)子由齒輪箱或電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，供料器側(cè)壁開口通入壓縮氣體，將鉆屑吹入輸送管道中。

該技術(shù)的優(yōu)勢是： 通過閥門的開啟閉合，實現(xiàn)物料的連續(xù)輸送， 增加了平臺上的可利用空間，減少了系統(tǒng)的運行成本，同負壓氣力輸送相比，正壓氣力輸送系統(tǒng)除了可大幅增加輸送距離外，因氣源設(shè)置在系統(tǒng)的首端，對空氣凈化程度要求較低；在正壓作用下，外界物料不易進入管道；管路上不嚴密的漏氣對工作影響不大，且可根據(jù)漏氣處噴射出來的灰塵發(fā)現(xiàn)漏氣部位。

其劣勢是： 適用于傳輸高粘度的非牛頓流體，在管道中輸送時鉆屑易粘附管道內(nèi)壁，阻力較大，只適合短距離膏狀鉆屑傳輸；氣力輸送動能消耗大，輸送風速高，易產(chǎn)生管道磨損。

2 現(xiàn)有海上油氣田水基鉆/完井廢棄物密閉遠距離傳輸技術(shù)

2.1 TWMA 空氣傳輸系統(tǒng)

英國鉆井廢棄物處理服務(wù)公司TWMA 開發(fā)了一套先進的廢棄物處理技術(shù)，由Efficient C 收集和分配系統(tǒng)、空氣傳輸系統(tǒng)（Air Transfer System）、TCC RotoMill 電 機 組 成。 此 技 術(shù) 已 在Maersk 石油北海道公司的石油勘探開采過程中應用，大幅降低了運輸風險和對環(huán)境的污染［4］。

TWMA 空氣傳輸系統(tǒng)可以從鉆機預裝罐中取出和轉(zhuǎn)運鉆屑， 除了從預裝罐中移出鉆屑外，空氣傳輸系統(tǒng)還可用作備用系統(tǒng)，以便在需要時從源頭收集鉆屑并用電機傳輸送至岸上。

TWMA 空氣傳輸系統(tǒng)包含垂直和水平方式，系統(tǒng)能夠從10 m 深的儲存罐中收集巖屑， 并沿100 m 的水平段無縫密閉傳輸； 垂直傳輸使其能從鉆機預裝罐的最大深度處安全有效地轉(zhuǎn)運鉆屑。

在實際傳輸過程中，已成功從預裝罐轉(zhuǎn)運了大約1 154 t 的鉆屑， 并經(jīng)由TWMA 的TCC RotoMill（950 kW）電機傳輸至特定地點處理，平均處理速度為5.14 t/h，最大可達6.51 t/h。

2.2 ECCT 氣動密閉傳輸裝置

ECCT 系統(tǒng)是一種正壓氣動鉆屑密閉傳輸裝置，由密封罐體、鉆屑進料斗、排氣管、壓縮空氣輸送管及鉆屑輸送管等組成。 物料在管路中由壓縮空氣進行輸送，傳輸壓力可達200～500 kPa，在系統(tǒng)內(nèi)可安裝分流閥控制物料的配送， 結(jié)構(gòu)簡單，管線布置要求低、不受平臺空間限制。

在ECCT 的密封罐體頂部設(shè)置有進料口和第1 閥門，底部設(shè)置出料口和第2 閥門，罐體上部連接排氣管與第3 閥門，罐體接有壓縮空氣輸送管，向罐內(nèi)輸送壓縮空氣。ECCT 既能儲存也能轉(zhuǎn)移，且傳輸由氣壓正壓力傳輸，物料不會被壓縮。 其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ECCT 氣動傳輸裝置結(jié)構(gòu)示意圖

ECCT 氣動密閉傳輸裝置采用重2 t、尺寸規(guī)格為2 m×1.6 m×2.55 m 的ECCT 鉆屑收集輸送泵，其輸送量可達35 t/h，水平傳輸距離達100 m，而垂直傳輸距離可為10～30 m。 從振動篩返出的鉆屑通過螺旋輸送器或排沙槽直接落入輸送泵中，利用ECCT 氣動傳輸裝置可將收集的鉆屑輸送到暫存罐泵或暫存箱內(nèi)，待運輸船將暫存罐內(nèi)存儲的鉆屑使用壓縮空氣吹送至運輸船的鉆屑存儲設(shè)備，再由運輸船將鉆屑運走。 運輸船到達目的地后，也可以使用壓縮空氣將鉆屑吹送至岸上暫存罐進行后期鉆屑處理。

ECCT 輸送裝置工作平穩(wěn)、 對平臺的空間要求不高， 廣泛應用于鉆完井廢棄物的輸送中，但在鉆屑含水量較低時管線抖動幅度較大，管線出口的鉆屑能夠自然落下，在鉆屑含水量較高時管線的抖動幅度較小。

2.3 液壓柱塞泵遠距離密閉傳輸裝置

液壓柱塞泵能夠從鉆屑箱內(nèi)將鉆屑轉(zhuǎn)移至泵體的進料斗中，經(jīng)過多次連續(xù)進料測試，采用直徑為76.2 mm 的鋼管，使用卡箍連接，傳輸距離最遠可達150 m， 實際傳輸量可達8～26 m3/h，且80%管內(nèi)徑可以通過大顆粒鉆屑， 效率高、占地小、能耗低且自動化程度高，連接軟管更有利于殘余廢料清洗。 其結(jié)構(gòu)如圖2 所示［4］。

圖2 液壓柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖

液壓系統(tǒng)有兩個主油缸，當其中一個主油缸活塞桿相連的輸送活塞回縮產(chǎn)生自吸作用，料斗中的物料在大氣壓力和攪拌葉片的推動作用下由滑閥吸入口被吸入輸送缸。 此時另一主油缸在油壓的作用下，推動主油缸的活塞桿伸出并同時推動活塞壓出輸送缸中的物料，通過滑閥輸送口Y 形管進入輸送管。

根據(jù)現(xiàn)場試驗和理論計算，該傳輸方法能夠在很大程度上實現(xiàn)廢棄物的減重處理，使得最終需要通過運輸船進行運輸?shù)你@屑重量最小、體積最小，完全符合環(huán)保規(guī)定，能夠為海上鉆井平臺的廢棄物傳輸提供新思路。

3 適用于渤海油氣田水基鉆/完井廢棄物密閉遠距離傳輸方案

經(jīng)過現(xiàn)場測試和對TWMA 空氣傳輸系統(tǒng)、ECCT 氣動密閉傳輸裝置、 液壓柱塞泵遠距離密閉傳輸裝置的分析，最終確定采用液壓柱塞泵進行廢棄物的密閉遠距離傳輸。 液壓柱塞泵能夠?qū)⑽锪线\輸?shù)絻蓚€主要管系中，一部分物料通過封閉管系輸送到平臺上的暫存罐，由運輸船傳輸至碼頭處理； 另一部分物料由液壓柱塞泵加壓后，由閥門控制排量，結(jié)合軟、硬管輸送到運輸船上進行集中處理。本平臺鉆/完井廢棄物密閉傳輸遠距離傳輸技術(shù)路線如圖3 所示。

鉆/完井廢棄物從液壓柱塞泵的料斗傳輸至暫存罐時，采用硬管傳輸，管線的抗壓能力強、摩擦阻力小，保證了廢棄物傳輸?shù)耐〞常挥珊Ｉ掀脚_的暫存罐向運輸船輸送廢棄物時，采用軟管連接，這種連接方式在不易發(fā)生堵塞的同時對空間要求較低， 操作靈活， 使傳輸?shù)淖畲缶嚯x更遠。軟、硬管結(jié)合的傳輸連接方式，保證廢棄物的傳輸過程全部在密閉空間中進行，防止了物料的泄漏和管路的堵塞，發(fā)生堵塞時可向管路中注入壓縮空氣進行疏通， 傳輸距離比一般傳輸方式更遠，最遠可達150 m［5］。

4 結(jié)束語

針對廢棄物在渤海海域的密閉遠距離傳輸，液壓柱塞泵加壓傳輸效果較好。 液壓柱塞式密閉遠距離傳輸系統(tǒng)，將一部分物料加壓傳輸至暫存罐內(nèi)，經(jīng)軟管傳輸至運輸船上，后運輸至岸上集中處理；另一部分物料加壓后經(jīng)硬、軟管傳輸至運輸船上，后運至岸上集中處理。

海上鉆井平臺在廢棄物密閉遠距離傳輸時使用液壓柱塞泵給壓推動，顯著增加了傳輸量和傳輸距離；管線布置時，軟、硬管相結(jié)合，對平臺的空間布置要求較低； 并在管路中連接彎頭，在傳輸不暢時注入壓縮空氣，解決了傳輸過程中物料泄漏和管路堵塞等問題；安置暫存罐臨時放置物料，結(jié)合軟、硬管由運輸船進行遠距離傳輸，其傳輸距離可達100～150 m， 傳輸高度可達為10～30 m，輸送量可達35 t/h（8～26 m3/h）。整個處理過程中無需排放廢液廢渣，不會對渤海海域造成污染，實現(xiàn)了海上作業(yè)平臺的“零排放”，對今后海上鉆/完井平臺的“零排放”具有可借鑒意義。