海洋模塊鉆機散料粉塵回收裝置設計與實施

何玉茍，何德磊，詹 超，杜 昆，鄭文杰

（中海油田服務股份有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

固井水泥、重晶石和膨潤土等散料是石油鉆井固井作業和泥漿調配必須用到的重要材料，鉆機通過散料吹灰系統來實現散料的存儲、輸送和加料配漿作業，散料輸送的動力為經過壓力調定的壓縮空氣。散料吹灰作業前，需對散料罐和工藝管道進行預充壓，根據散料的特性需求，往散料罐內吹灰加料和吹灰作業完成后都要將罐內空置部分所含帶有散料粉塵的壓縮空氣通過系統放空管道途徑上部組塊至平臺底層甲板弦外距離海平面約8 m 的位置排海。這些帶有水泥粉塵、重晶石粉塵或膨潤土粉塵的壓縮空氣在放空時會在放空管道的末端迅速散開隨風吹散入海，部分水泥粉塵會不斷堆積在平臺樁腿上并結塊，對平臺樁腿的管理帶來嚴重影響。近年來，對海洋環境保護的要求被提升到更高的層次，如果有一套粉塵回收裝置在散料吹灰系統排空管道排海前進行凈化處理和粉塵回收，既可以在很大程度上減小散料粉塵對平臺樁腿的危害，又可以減少散料材料的浪費且有利于保護海洋環境。

1 海洋模塊鉆機散料吹灰系統使用現狀

1.1 海洋模塊鉆機散料吹灰系統簡介

海洋模塊鉆機散料吹灰系統主要由水泥罐、重晶石罐、膨潤土罐、緩沖罐、配套的儀表、散料稱重裝置及吹灰管道和閥門等組成，另外還有一個安裝在模塊鉆機DSM 散料倉用于加料配漿的緩沖罐和一個位于固井泵撬內的加料緩沖罐。罐裝散料主要以固井用的水泥、重晶石和膨潤土為主，重晶石和膨潤土是重要的鉆井液調配材料。7000 m 模塊鉆機一般配備5 個45 m3的散料罐分別用于裝水泥、重晶石和膨潤土，另有2 個3 m3的緩沖罐。散料吹灰系統所有壓力容器和壓力管道的設計壓力為950 kPa（G），吹灰時所用壓縮空氣壓力一般通過調壓閥調節設定在400 kPa（G）左右，通過閥門和工藝管道控制，用壓縮空氣攜帶散料實現將散料從供應船輸送至鉆機散料罐，也可以進行鉆井液泥漿調配的加料、送料、配漿等工作，在有需要的情況下，還可以進行相同性質罐組之間的倒罐等作業。

1.2 存在的問題

放空管道排出的水泥等散料的粉塵經過較長時間的結塊和堆積，塊狀物會影響平臺樁腿監測系統工作，同時也影響平臺樁腿表面防腐層和外觀；而且有時候還會造成放空管道末端堵塞。部分平臺想了多種辦法對堆積在平臺樁腿上的水泥塊狀物進行清理，但效果都不明顯，且作業安全風險較高。為了保護海洋環境、降低對平臺樁腿管理的影響、減少清理粉塵結塊高風險作業、盡量避免材料浪費和放空管道堵塞，亟待加裝粉塵回收裝置在散料吹灰系統排空管道排海前進行凈化處理和粉塵回收。

2 海洋模塊鉆機散料粉塵回收裝置設計

水泥、重晶石、膨潤土的物理特性是海洋模塊鉆機散料粉塵回收工藝流程設計和工藝設備配套設計時考慮的重要因素。水泥罐、重晶石和膨潤土罐整撬長約19.2 m，寬約4.2 m，本身占用主甲板面積較大，且撬座高度約8.3 m，由于平臺上部頂層主甲板空余位置很少，附近沒有太多剩余空間用來安裝更多大型設備，因此要設計、安裝粉塵回收裝置，還必須結合現有平臺主甲板的設備布置情況、粉塵回收裝置的外形和尺寸、安裝施工可行性等進行綜合考慮。粉塵回收裝置本身的外形和尺寸在滿足工藝要求的情況下應盡可能小。

由于水泥罐可以互用，重晶石罐和膨潤土罐在沒有介質的情況下可以互用，平臺散料吹灰在設計上3 個水泥罐和固井泵撬的緩沖罐是一組工藝管道流程，重晶石、膨潤土罐和散料倉緩沖罐是一組工藝管道流程。為了避免水泥粉塵、重晶石和膨潤土粉塵混合而導致模塊鉆機粉塵回收和處理工藝的復雜性，結合不同散料的物理特性，水泥粉塵與重晶石、膨潤土粉塵必須考慮分別回收。考慮模塊鉆機DSM 散料倉緩沖罐距離重晶石、膨潤土灰罐較遠，應考慮設置3 套不同處理能力和處理特性的粉塵回收裝置。裝置A 用于處理重晶石、膨潤土罐排出的粉塵，裝置B 用于處理水泥罐和固井泵橇緩沖罐排出的粉塵，裝置C 用于處理散料間緩沖罐排出的粉塵。

2.1 散料粉塵回收工藝流程設計

根據模塊鉆機現有的散料罐撬和緩沖罐的布置、工藝流程和管道接口，結合處理量要求，對3 套粉塵回收工藝流程分別進行設計：

（1）流程A：水泥罐及固井撬內緩沖罐粉塵回收工藝流程。3個水泥罐的放空管線與固井泵撬的放空管線匯合后進入粉塵回收裝置，經過處理后，凈化后的氣體途經組塊排海，回收的水泥灰粉輸送到任一未裝滿的水泥灰罐，或吹回供應船。A 工藝流程如圖1 所示。

圖1 A 工藝流程

（2）流程B：重晶石、膨潤土罐粉塵回收工藝流程。兩個重晶石、膨潤土罐的放空管線匯合后進入粉塵回收裝置，經過處理后，凈化后的氣體途經組塊排海，回收的重晶石、膨潤土灰粉輸送到重晶石、膨潤土罐，或吹回供應船。B 工藝流程如圖2 所示。

圖2 B 工藝流程

（3）流程C：散料間緩沖罐粉塵回收工藝流程。緩沖罐放空管線進入粉塵回收裝置，經過處理后，凈化后的氣體通過組塊排海，回收的粉塵輸送到重晶石、膨潤土罐或人工投料到混合漏斗。該工藝流程處理的粉塵介質為重晶石或膨潤土，其設計與重晶石、膨潤土粉塵回收工藝流程基本一致，只是處理量相對較小，在設備布置和后續的工藝設備配套設計方面有所差別。

2.2 散料粉塵回收工藝設備配套設計

2.2.1 粉塵回收工藝設備原理設計

模塊鉆機散料粉塵回收工藝設備需滿足處理量的要求并實現3 個功能，即除塵、清灰和回收。現有的礦山、化工等行業用到的除塵器[1]主要采用機械式除塵、過濾式除塵、磁力除塵等除塵方式，由于模塊鉆機散料系統吹灰作業時壓縮空氣流量最大為1200 m3/h，對粉塵回收裝置的處理量要求最大要達到1500 m3/h，結合水泥和膨潤土受潮后會結塊的物理特性，模塊鉆機考慮采用機械擋板除塵與布袋過濾除塵[2]的組合方式，布袋濾芯材質選用滌綸針刺氈或聚氨酯覆膜。清灰可采用簡單易操作的低壓脈沖壓縮空氣清灰方式，粉塵回收則設計料位控制系統并通過壓縮空氣將粉塵吹回平臺對應散料罐，或吹入獨立回收罐以運回陸地散料工作站處理。

粉塵回收工藝設備原理如圖3 所示，工藝設備的設計以回收罐為基礎，罐體底部設計為錐形以便粉塵回收。罐內設計有機械除塵擋板、除塵布袋、脈沖清灰和料位控制儀，同時設計調壓閥、安全閥、壓力表、維修人孔和一些管道、其他閥門等附件。專門配有一個操作及顯示控制箱，料位控制儀可實時監測回收罐內散料粉塵堆積的高度，其監測數據信號接入控制箱。控制系統選擇采用西門子S7-200 PLC 控制單元，實現除塵、清灰和回收閥門（電動蝶閥）的開關操作和控制，同時具備料位顯示、壓力顯示、高料位聲光報警等功能。控制箱采用316 不銹鋼制作，防護等級IP56，安裝在防爆區域，防爆等級滿足I 區防爆要求。

圖3 粉塵回收工藝設備原理

粉塵回收工作原理如下：

（1）除塵：含塵氣體通過N1 進氣口進入回收罐，首先經過擋板碰撞濾除結塊的粉塵，然后再經過除塵布袋的過濾，粉塵被濾袋阻擋、下落，沉積到錐體。凈化后的氣體，透過除塵布袋，除塵后經出氣口N3 排出。

（2）清灰：隨著除塵過程的不斷進行，濾袋外表面的粉塵不斷增多，系統阻力同步升高，及時徹底的將其清除是保證除塵器正常運行的關鍵。脈沖清灰[3]是一種利用脈沖氣體進行清灰的結構簡單、清灰效果好、便于控制的清灰方式。壓縮空氣經脈沖閥和控制裝置轉換為脈沖氣體，經吹管進入噴嘴，同時誘發周圍空氣成為瞬時膨脹爆發氣體，反向將濾袋表面的粉塵除掉，整個過程實現自動化。

（3）回收：收集罐配有相應的加壓吹灰系統，罐內布置有料位計，當粉塵達到一定料位后，利用空氣管線把粉塵吹回灰罐。

優點：機械擋板除塵與布袋過濾式除塵的組合[4]方式，可依次除掉結塊的水泥、膨潤土塊狀物，避免塊狀物在壓縮空氣的吹送下造成布袋損壞，既有利于提升過濾布袋的除塵效果，又有利于延長過濾布袋的使用壽命[5]。

2.2.2 粉塵回收工藝設備選型分析

經過調研陸地散料工作站作業數據，每輸送1000 m3散料產生粉塵約1.4 m3，根據水泥、重晶石、膨潤土的密度特性，結合模塊鉆機散料系統水泥罐、重晶石罐、膨潤土罐和緩沖罐的數量、容積和吹灰系統工況進行計算，設計A、B、C 三套散料粉塵回收工藝設備，這些套散料粉塵回收工藝設備有共同點也有些差異。具體參數要求見表1。

表1 工藝設備參數

注：工作氣管道入口和脈沖反吹氣管道入口均設有調壓閥，操作壓力可根據實際除塵效果進行調節。

3 海洋模塊鉆機散料粉塵回收裝置實施應用

3.1 實施前的調研

以南海東部某固定平臺7000 m 模塊鉆機為例，該鉆機散料吹灰系統配備3 個45 m3的水泥罐，1 個45 m3重晶石罐、1 個45 m3的膨潤土罐和2 個3 m3的緩沖罐，屬于南海東部最常見的配置。經過現場調研，對平臺甲板可利用空間、現有吹灰系統的設備布置、工藝管道接口、壓縮空氣系統的供應情況和海上吊裝作業施工資源進行詳細的了解和分析，結合粉塵回收工藝流程和設備的要求，對該模塊鉆機散料粉塵回收裝置了工藝流程設計和設備配套設計，并對設備布置圖、管道連接圖進行設計并提出材料單。

3.2 實施和應用

按照設計圖進行設備制造和安裝后，對粉塵回收工藝流程設備進行調試和應用。分別測試除塵、脈沖清灰、粉塵回收等功能試驗，試驗表明，該裝置運行可靠、操作簡單。經過粉塵回收裝置的過濾除塵后，可以目測放空管線排出的氣體有明顯的改善，實測排出口顆粒物濃度約20 mg/m3，在很大程度上減少了粉塵排放和對平臺樁腿的危害。吹灰及放空作業期間，通過聽聲音可以判斷出，伴有結塊的水泥粉塵能夠最先被機械擋板擋下，說明設計機械擋板除塵和布袋過濾除塵這種組合式除塵的方式是非常有優勢的。實踐證明，在脈沖反吹進氣管道入口設計調壓閥非常有必要，在處理不同散料和不同受潮程度的散料粉塵時，需要對脈沖反氣壓進行適當調節，以達到更好的除塵效果。粉塵回收則和正常的散料吹送方式一樣，可以根據需要將回收的粉塵吹回相應的散料罐進行回收利用，或吹至專用的回收罐送回陸地處理。

4 結論

通過對現有海洋模塊鉆機散料吹灰系統的介紹和存在問題分析，根據平臺甲板設備布置情況和空間，結合模塊鉆機現有的散料罐撬和緩沖罐的布置情況，對3 套粉塵回收工藝流程和工藝設備配套進行設計和實施，實現模塊鉆機散料粉塵回收和過濾排放，既能減小散料粉塵對平臺樁腿的危害、減少散料材料的浪費，又有利于保護海洋環境。經過使用和驗證，粉塵回收裝置除塵效果好，滿足設計要求，且成本低、操作和維護簡單，建議在現有和后續新建模塊鉆機上進行推廣。