一種鉆屑處置配套的鉆井平臺改造方法探討

范永剛，岳明，張啟龍，張春芳，齊琳

(1.中海油田服務股份有限公司，天津 300459；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

在渤海油田鉆探過程中，經常會遇到需要在農漁業區、毗鄰生態保護區進行鉆井作業的情況，產生的鉆井鉆屑對海洋會產生一定的影響。為降低淺海作業過程中的廢棄物排放量，部分項目會采取現場減量的工藝，降低污染物的產生量[1-2]。

水基、油基鉆井液的使用，鉆井速度的增加，鉆井工藝水平的不斷提高等因素，對固控設備提出了更強的適應性、更大的處理量、更精細的處理等要求。鉆井液振動篩是鉆井作業中必不可少的設備。鉆井過程鉆屑的產生是連續不斷的，鉆屑一旦返出井口，必須盡快轉移至合適的容器。針對該難題，本文通過分析鉆井過程中鉆屑產生的量、鉆屑的特點，提出依托現有鉆井平臺設施改進的方法，實現鉆井過程鉆屑零排放。

1 負壓式振動篩

根據作用原理，負壓式振動篩主要分為真空濾帶式負壓振動篩、文丘里負壓振動篩、板式集成化振動篩。振動篩的選擇主要受巖屑成分、鉆井液成分、鉆井平臺空間、作業井段效率等多種因素影響。

1.1 真空濾帶式負壓振動篩技術

真空濾帶式負壓振動篩的主要代表是挪威Cubility 公司MudCube[3-4]，其結構特點為采用氣動高頻微振動器為振動源，在篩網下利用負壓抽吸增加過篩，鏈帶式卸料。其優點是因振動造成巖屑的二次破碎和混入的有害固相的實際情況較好；缺點是制造成本和運行維護成本太高，且維修工作量大，用戶接受難度較大。

在渤海某油田應用過程中，通過采用傳統固控和負壓振動篩結合的方式，鉆井液處理效率得到顯著提高，產生的廢棄物量減少35%。不同入口含液率(4 種分別為120%、100%、90%、80%)、不同篩布目數(4 種分別為API120、API140、API170、API200)、不同篩布旋轉速率(4 種分別為25%、35%、45%、55%)進行測試后發現，密度越大，分離效果越差。而入口含液率較低的情況下，鉆屑含液率越高，而更換更低目數的篩布后，液相含固率更高，旋轉速度增加也會導致分離效果變差。因此，該振動篩處理效果好，但處理能力差，適合與傳統振動篩搭配使用以獲得更好的處理效果。

1.2 “文丘里”抽吸振動篩技術

“文丘里”抽吸振動篩技術的結構特點是在常規振動篩上安裝文丘里管來產生抽吸的負壓振動篩，其將壓縮空氣作為動力。該裝置的缺點是會使泥漿產生一定的水溶現象，且壓縮空氣的消耗量大，每分鐘約4.5 m3，平臺現在的配氣量不能滿足其正常運行。泥漿的水溶現象是由于泥漿中溶入了空氣氣泡，由于泥漿具有一定的黏度，溶入的氣泡在一定時間內不容易自行消除，造成泥漿泵壓力不穩定。由于用氣量較大而需要額外增加設備，導致占地面積增加。

1.3 高效集成化振動篩技術

海洋平臺作業環境要求高效振動篩具有占地面積小、處理量大、具備傳統振動篩基本功能的同時應具有減量處理功能等特點[5]，較傳統振動篩更適應于環保作業。因此考慮在較大處理量振動篩基礎上，將負壓真空系統與平動橢圓振動篩的結合體，搭載氣液分離裝置和快速壓緊篩網裝置。其功能要求為在高頻振動篩分和負壓真空的雙重作用下進一步提高處理能力；巖屑的含濕量更低，充分降低了泥漿的損耗率。其結構要求為整體式設計，無需備置輔助設備，安裝更便捷；無需更大的安裝面積，具備維護費用低、運行成本低、節能降耗的特點。

進行高效振動篩關鍵參數分析時，結合鉆井固控振動篩特性及框架篩網布料均勻、安裝方便等方面進行分析。進行振動篩結構強度分析時，針對振動篩是一種篩分設備的特點，用于物料的分級處理，從眾多物料中選出需要的部分，其主要由兩塊側壁、一個底梁、一個后擋板以及4 組彈簧及彈簧支撐座等部件組成。對該對象分析必須建立一個簡化的三維有限元模型，這樣可以對該模型進行盡快定性分析，更快地把握和了解其力學特性、變形情況以及振動形式。通過關鍵參數研究，可以確定篩箱的質量、質心、振動傾角、篩箱面積、彈簧參數等主要參數。篩箱尺寸確定后，根據總體布局思路，可確定負壓篩其他組件基本尺寸，初步完成整機布局。選擇風量260 m3/h、功率2.2 kW 雙泵即可滿足設計要求。

通過海上實驗，單篩最大處理量為3 600 L/min，振幅為5.2 mm，激振強度G為6.6。運行負壓裝置時，負壓單元建議使用負壓專用篩網(防堵)，使用的篩網目數為270 目左右。應用于處理水基鉆井液時，建議不啟動負壓裝置，當常規篩使用，在零排放或跑漿情況下使用，或者在泥漿工程師的指導下使用。應用油基鉆井液時，啟動負壓裝置，鉆屑含液量降低18%左右，減量效果明顯，經濟效益明顯。本套高效振動篩具有占地面積不增加、保留所有基本功能、處理量提升、處理效果提升、設備維護成本低等特點，達到了集成化設計初衷。

2 鉆屑固液分離技術

海上鉆屑經固控系統處置后，一般采用固液分離減量技術進行處理。在渤海油田進行多種形式的固液分離工藝實驗，其中疊螺機、壓榨機等工藝實驗處理效果基本達到所需要求，但實際生產過程中因體積大、效率低無法大規模推廣應用。通過分析不同工藝在渤海的實驗效果，主要有鉆屑初選、高效離心機、甩干機及傳輸過程減量4 種方式適合海上平臺作業環境。

2.1 鉆屑初選

干燥分選篩通過篩分單元的篩分、攪拌單元的防沉淀攪拌、輸送單元的輸送，從而將待處理鉆屑處理為液相和固相，通過不同方式排出系統，從而實現鉆屑凈化分離[6]。具體流程為現場將鉆屑送入篩分單元，經過篩分單元處理后，液相落入存儲單元中，在攪拌單元的攪拌過程中，使用輸送單元送出系統；固相被篩分單元篩出。干燥分選篩是目前行業內鉆屑干燥分選最常用的設備之一，具有處理量大、減量效果明顯等特點。但由于結構和干燥原理，分選后鉆屑含液量降低有限，直接裝袋仍有液體析出，影響減量處理質量。由于干燥分選后物料含水率較高，物料收集自動化難以實現，需要吊車長時間配合完成。并且干燥分選過程中，為保證干燥效果，增大振動篩篩網尺寸，致使大量細微固相進入液相，增大了液相處理難度，導致隨鉆減量難以實現。

2.2 高效離心機

鉆井液中有害鉆屑成分對鉆井液使用壽命影響較大，傳統中頻離心機效果較差。針對高效離心機固液分離系統設計，對不同鉆井液體系高效離心機固液分離對鉆井液性能的影響及固相參數對分離效果的影響進行分析。早期離心機控制系統成本相對較高[7]。

通過對離心機運行過程仿真模擬分析，在不同處理介質條件下，進行離心機處理效果1∶1 實驗模擬，逐步摸清適合海上鉆井液體系的高效離心機，較傳統定頻中速離心機，在同等占地面積情況下，處理效率大幅提升，處理效果顯著，處理后的固相含液率處于較低水平。而自動化控制技術在高效離心機的應用，實現了離心機的自動啟停、自動調頻等關鍵功能，大幅減少了泥漿工和鉆工的勞動強度。通過高效離心機研制，加深了對離心機結構及功能效果的認識，固控設備升級，自動化程度更高，設備性能穩定，再加上離心機專業化管理，在零排放背景下，固控離心機將發揮更重要的作用，具有較好的推廣價值，已逐步取代傳統離心機。

2.3 雙驅動多功能甩干機

根據海上對水基鉆屑及合成基鉆屑處置的需求，進行可滿足兩種工況的甩干機設計。各廠家的傳統單驅動甩干機在結構上雖有所不同，但總體上都是采用電機通過皮帶傳動減速后直接驅動差速器外殼，再通過差速器減速后獲得外殼和行星架輸出的兩個轉速，這兩個轉速形成定比例速比。通過巖屑甩干機內流場特性，巖屑甩干機所處理的鉆井液是經過振動篩篩分后的固液混合顆粒團。振動篩的分離效率根據物料性質的不同而不同，一般篩分率為60% ～80%，有的物料甚至可達98%。所以巖屑甩干機的內部流場特性是基于振動篩篩分基礎上的高濃度流場。為了更加形象直觀地表示出錐籃內部流場情況，運用三維建模軟件Solidworks 對其進行三維建模，建立流場模型之前需對轉子刮刀進行建模，并與錐體做布爾運算得出最終流場域。研究離心力場中顆粒運動規律的前提是了解其內部流場運動規律，充分認識巖屑甩干機內流場中的速度分布、壓力分布以及固液兩相運動分布規律，分析甩干機的分離原理、分離效率以及分離效果，以此來改進結構、優化參數是仿真手段所要達到的目的，也是本項目研究意義所在。不同的結構參數、操作參數對應不同的流場分布，本次研究的重點就是通過變參數下的模擬，如轉速、差轉速、密度、黏度、固相體積分數、轉子半錐角以及顆粒粒徑大小來模擬流場變化，尋找出分離效率最高、固相含濕量最低的最優參數。

2.4 鉆屑傳輸過程減量裝置

本項目的鉆屑減量工藝通過設計一種小型化源頭減量分離裝置，將其安裝在振動篩下，在鉆屑和泥漿處于分散狀態下，利用負壓風機產生真空吸附對鉆屑和泥漿進行分離，這樣可以最大限度地分離漿體，消除螺旋對鉆屑的破壞，得到較為干燥的鉆屑，實現鉆屑源頭減量的目的。鉆屑旋轉真空干燥裝置是由機架、帶氣刀的導流槽、旋轉篩及驅動機構等部件組成的一個完整系統，機架用于支撐和固定相關部件，便于整機的組裝與轉運；導流槽用于均布鉆屑，將振動篩截留的鉆屑均勻地鋪展于旋轉篩網的表面，并將大顆粒鉆屑及時移出干燥機；旋轉篩用于真空抽濾，將鉆屑中細小顆粒的污泥通過負壓抽吸引流至分離罐；空氣刀用于及時清理篩孔中堵塞的污泥，方便下次抽濾操作；驅動裝置有兩臺，一臺用于驅動轉鼓的旋轉，另一臺用于驅動導流槽做往復運動。

經現場應用測試，鉆屑旋轉真空干燥裝置滿足設計要求，2 套旋轉真空干燥裝置處理能力不低于10 m3/h，鉆屑含水率在75%的情況下減量效果達到50%，裝置各組成部分的功能均正常。

3 結語

鉆屑減量優先選用在不改變平臺設備規模的情況下，升級固控系統，不額外使用鉆完井堆場空間。而針對廢棄物全回收項目，需要進行深度處理的情況下，就需要根據鉆井平臺空間和固控設備配置情況，優選合適的處理設備進行處理，原則是減少新增設備的數量和面積，通過合理化搭配，實現隨鉆處置。而安裝到鉆井平臺的設備要成撬，方便拆裝及運輸，一般改造時間不超過7 ～10 d，改造后作為臨時設備，作業結束后能快速拆除，減少占用鉆井平臺待機時間，降低成本。

而本文所述工藝具有海上平臺改造工作量難度小、不額外占用面積的特點。通過不同分離裝置組合，實現鉆屑達到相對干燥的狀態，達到固廢裝噸袋、液相重復利用的目的。