CRI-8型海洋平臺巖屑回注造漿系統設計

摘要：在鉆井過程中返排的巖屑需要按照國家法律法規要求進行處理。早期使用甩干機或干燥篩處理巖屑，減少巖屑的含油率，滿足排海要求，或運回陸地處理。近些年采用熱解析方式處理鉆井巖屑，但存在環保要求不達標、設備本質不滿足海洋平臺防爆要求等問題。研制了海洋平臺巖屑回注造漿系統。介紹了該設備的總體結構、工作原理、控制系統及主要技術參數。針對破碎機、研磨泵的主要易失效部件做了有限元分析。試驗及現場應用結果表明，該技術滿足環保要求，也滿足經濟性要求，可在惡劣環境作業，適用于海洋平臺油基鉆井液巖屑的回注處理。

關鍵詞：海洋平臺; 巖屑回注; 破碎機; 研磨泵

中圖分類號：TE951? ?文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.005

Abstract：During the drilling process， the returned drilling cuttings need to be treated according to the requirements of national laws and regulations. In the early stage， a dryer or drying screen is used to reduce the oil content of drilling cuttings to meet the requirements for discharging into the sea， or transport them back to land treatment. In recent years， thermal analysis is also used to treat drilling cuttings， but the environmental requirements are not up to standard， and the equipment does not meet the explosion-proof requirements of offshore platforms. A slurry-making system for rock cuttings reinjection on an offshore platform was developed. The overall structure， working principle， control system and main technical parameters of the equipment were introduced. The finite element analysis was made for the main failure components of the crusher and grinding pump. The test and field application results show that the technology meets the requirements of environmental protection and the economy. It can be used in harsh environments and is suitable for the reinjection of cuttings from offshore platform oil-based drilling fluid.

Key words：offshore platform; reinjection of rock cuttings; crusher; grinding pump

在傳統鉆井和完井作業中， 沒有對鉆井巖屑進行很好的處理， 大量鉆井廢棄物隨地排放， 所含有害化學物質對自然界造成嚴重污染［1-2］。鉆井廢棄物已被列入國家《危險廢棄物名錄》中HW08類危險廢棄物［3］。隨著環保意識的增強和環保標準的提高，巖屑處理成為各大油田急需解決的難題［4］。目前，陸地及海洋油田采用的鉆井廢棄物處理方法主要有直接排放、集中環保處理、循環回收再利用、化學處理、生物處理、焚燒、填埋、固化處理、回注、熱解析等。海洋油田油基廢棄物的處理難度更大，通過對國外海上鉆井廢棄物各種處理方法比較以及工程案例分析， 將廢棄物研磨成細小顆粒并高壓回注到地層內的方式是海上油田處理鉆井巖屑的有效手段， 不僅成本低， 還可以實現廢棄物零排放［5-6］。

巖屑回注（CRI）技術［7］是將研磨成細小顆粒的巖屑與液體（水、化學添加劑）以及稠化劑配制成懸浮液，并注入到地層中［8-9］，其懸浮液由巖屑、水、添加劑、鉆井液及交聯劑等混合而成［10］。該技術是20世紀80年代開始研究，在美國阿拉斯加的普拉德霍灣油田得到首次應用，并獲得成功。英國石油公司首次進行套管環空回注試驗，并取得技術突破［11］。國內于2011在蓬萊19-3油田首次采用巖屑回注技術，并取得成功［4］。巖屑回注的重要工序是巖屑的研磨、造漿。本文研究了相關設備的結構、工作原理、控制方式，可以保障巖屑回注的順利進行。通過分析核心部件，可很大程度提高設備的使用壽命。

1 巖屑回注造漿系統的結構組成

巖屑回注造漿系統主要由研磨罐、漿液調配罐、破碎機、研磨泵、傳輸泵、篩分系統、攪拌器、加藥裝置、管匯系統、框架及控制系統等幾大部分組成，如圖1所示。該系統能夠實現手動和全自動控制，可將鉆井巖屑破碎、研磨、篩分，與添加劑等進行調配，并回注到地層［9，12］。

2 工藝原理

巖屑回注造漿系統的工藝流程如圖2所示。從固控系統收集到的巖屑被輸送至粗磨橇，通過攪拌器將粗磨罐內海水與巖屑混合，使巖屑不沉降，并使用研磨泵進行液體循環。研磨一段時間后，通過閥門切換，將研磨后的液體泵送至篩分系統，由振動篩進行篩分。篩分出的大顆粒固相再次進入粗磨罐繼續研磨、循環，篩分出的液相進入細磨罐。海水與巖屑混合后，可以用破碎機輔助研磨泵進行巖屑破碎。當大顆粒巖屑較多時，研磨泵將混合后液體泵至破碎機進行破碎，破碎后的固相進入粗磨罐繼續研磨、循環。細磨罐對粗磨罐來料繼續進行循環研磨，內設攪拌器防止巖屑沉積。當漿液密度檢測合格后，將漿液泵送至漿液調配罐。漿液調配罐內的攪拌器可防止漿液內固相沉降。從外部向罐內添加交聯劑，攪拌均勻，檢測密度及黏度滿足要求后，使用傳輸泵將漿液供給回注泵，或回注泵自吸漿液。上述流程由控制系統完成操作，實現巖屑造漿［11］。

3 控制系統原理

控制系統需要控制好回注漿體密度、黏度、靜切力等流變參數，以便輸出穩定合格的回注漿液。該系統參照以下參數作為控制基準［13］：固相含量為15%～30%，固相顆粒粒徑不大于300 μm。漿液的表觀黏度為30～160 mPa·s，隨剪切速率呈階段分布。

控制系統由固相研磨子系統、膠黏配比子系統和成品配漿子系統3部分組成。為保證漿體有較好的流變性和巖屑懸浮能力，回注漿體應攜帶合理含量的巖屑顆粒，且需要注入稠化劑來調整，因此，3個子系統之間相互影響、相互制約，這3個子系統在整個造漿自動控制系統中的邏輯結構關系如圖3所示。

圖3中，在預設目標黏度和密度范圍之后，PLC系統自檢。自檢通過后，會啟動固相研磨子系統和膠黏配比子系統，分別配制符合預設參數的巖屑基液和膠黏基液。當這2個子系統完成工作后，控制系統進入成品配漿子系統。當巖屑黏度與密度均符合預設參數時，單次控制循環流程結束，系統進行下次循環流程。

3.1 固相研磨子系統

固相研磨子系統包括巖屑基液密度參數預設、修正流程以及研磨穩定運行流程，如圖4所示。該系統根據預設的巖屑基液密度值，初始化設定進水泵速率、進料泵速率、研磨泵負載率和速率以及破碎機負載率和速率。在完成電氣檢測后啟動各部件，開始修正流程。系統采集研磨循環管匯上密度計輸出的基液密度數據，與進水泵速率、進料泵速率一起建立數學模型，對進水泵速率和進料泵速率進行快速修正。修正過程中，研磨泵負載率和速率以及破碎機負載率和速率等設定參數保持不變，可手動調節子系統密度控制PID算法的控制系數Kp，Ki，Kd，解決修正周期長、輸出不穩定和系統動態性能不足的問題。

3.2 膠黏配比子系統

膠黏配比子系統包括膠黏基液黏度參數預設、修正流程以及配比穩定運行流程，如圖5所示。該系統根據預設的膠黏基液黏度值，初始化設定進水泵速率、干添泵速率、藥劑罐攪拌器個數及攪拌速率和溶脹時間，啟動進水泵、干添泵和攪拌器，開始修正流程。系統采集循環管匯上黏度計輸出的膠黏基液黏度值，與進水泵速率、干添泵速率一起建立數學模型，對進水泵速率和干添泵速率進行快速修正。

3.3 成品配漿子系統

成品配漿子系統包括成品巖屑漿液密度值、黏度值參數預設、修正流程以及配漿穩定運行流程，如圖6所示。該系統根據預設的成品巖屑漿液密度值和黏度值，初始化設定巖屑基液輸出研磨泵的輸出速率、膠黏基液輸出離心泵的輸出速率以及漿液調配罐攪拌器攪拌速率，啟動上述各泵和攪拌器，開始修正流程。巖屑基液密度在固相研磨子系統中按密度值上限配制。根據實驗室測試結果，巖屑基液與膠黏基液混合后，在達到通用回注需求的黏度值時，密度值會下降，但下降值并不明顯，因此，在成品配漿過程中，成品配漿子系統將保持巖屑基液輸出研磨泵的輸出速率不變，只對膠黏基液輸出離心泵的輸出速率進行修正。

該系統采集漿液調配罐循環管匯上黏度計輸出的實時黏度，與膠黏基液輸出離心泵的輸出速率一起搭建數學模型，對膠黏基液輸出離心泵的輸出速率進行快速修正。

4 主要技術參數

巖屑回注造漿系統共分成3個撬塊，分別為粗磨橇、細磨橇、漿液調配橇，外形尺寸分別為：3 500 mm×2 438 mm×3 350 mm、3 500 mm×2 438 mm×3 350mm、6 500 mm×2 438 mm×3 350 mm。

最大巖屑處理能量為12 m3/h；漿液固體顆粒粒徑 ≤300 μm；成品漿液密度為1.4～1.6 g/cm3。

5 主要特點

1） 具有結構緊湊、轉場性好、操作方便等優點。

2） 核心部件采用耐磨工藝，有效提高設備使用壽命。

3） 切換管匯閥門，可滿足多種作業需求。

4） 配置各節點探測傳感器，有效分析及控制設備運行。

5） 控制邏輯冗余設計，確保設備的安全可靠性和操作簡單化。

6 關鍵部件分析

6.1 破碎機

破碎機采用錘式結構，其結構簡單、破碎比大，適用物料多。但是，大顆粒物料對錘臂的沖擊較大，其失效部件主要集中在轉臂上。破碎機模型和轉臂仿真模型如圖7所示。

對轉臂仿真模型采用有限元分析，其材料屬性為Q690，對其中心的六面形孔采用固定約束，在兩端頂部的擋板處施加240 N·m的轉矩，采用高品質網格，網格單元大小為8.37 mm，網格單元總數9 956，轉臂仿真模型網格劃分如圖8所示。

破碎機轉臂的仿真分析結果如圖9所示。

在圖9a的應力云圖中，轉臂根部的應力值最大，特別是中間固定盤與轉臂連接處應力達到3.25 MPa的最大值，該值小于屈服應力。圖9b的位移云圖中，轉臂頂部的位移值最大，其最大位移值為0.049 mm，位移值在可接受范圍內。圖9c的應變云圖中，轉臂根部的應變值最大，其最大應變與最大應力相對應，該應變值可接受。

通過有限元分析，應力、位移及應變在可接受范圍內，但轉臂與中間固定盤的結合處改為大圓角的圓弧過渡會更合理，也可通過增加轉臂厚度來加強，但需要考慮整體重力及能耗等因素。因轉臂頂部錘板的尺寸較小，對轉臂的受力影響不大。轉臂運行中會與巖屑顆粒發生高速撞擊，在轉臂、錘板的受沖擊面采用了焊接硬質合金的工藝，進一步改善破碎機轉臂的性能及壽命。

6.2 研磨泵

研磨泵是基于離心泵開發的，考慮離心泵實體結構，基于DPM模型模擬流場中的離散相，對離心泵內流場進行數值模擬，分析中同時考慮流體和巖屑2種介質，同時考慮轉動速度，得到巖屑顆粒運動軌跡和對葉片的沖蝕磨損規律。

6.2.1 仿真模型及網格劃分

根據泵殼、葉輪、泵軸、吸入排出口的幾何關系建立離心泵水力仿真模型，入口、出口、葉片編號如圖10所示。

根據仿真模型總體尺寸對水力模型進行網格劃分，應用四面體單元，網格數量為944 416，流場網格模型如圖11所示。

6.2.2 邊界條件

材料數據如表1所示。

參數邊界條件設置：排量2.5 m3/min，采用速度入口；出口0.3 MPa，采用壓力出口；葉輪轉速1 480 r/min；液體和巖屑體積比為10∶1.5。為模擬葉輪轉動，設置滑移邊界，模型網格交界面如圖12所示。

為實現巖屑沖蝕效果，采用DPM離散項模型，選擇沖蝕/堆積物理模型；計算時壁面考慮離散項反射參數影響，同時考慮重力加速度；流動模型采用RNG k-e模型；采用壓力基求解器，使用SIMPLE算法，為提高計算精度選用二階迎風格式。

6.2.3 計算結果分析

圖13為速度矢量圖。截取離心泵橫向截面，觀察截面處速度分布，靠近葉片后緣處的流速最高。沿葉輪轉動方向，序號1～3葉片的周邊最大流速逐漸增加，高速區域變大，最高流速25.1 m/s；序號4～6葉片處流速降低，高速區域減少，序號6葉片處流速最低，距離出口最近的序號1葉片后緣處有漩渦產生。

圖14 為流體對葉片壁面作用的剪切應力圖，序號6葉片后緣附近區域承受的壁面剪切力最大，為1 290 Pa。

圖15為巖屑及流體對葉輪的沖蝕磨損率。從圖15中可以看出，沖蝕嚴重的部位主要集中在葉片前緣，葉片的工作面和背面受沖蝕影響較輕。6個葉片前緣受到沖蝕作用影響不同，序號1葉片前緣沖蝕面積最小，主要集中在葉片前緣根部，序號1～6葉片前緣磨損面積逐漸增大，序號6葉片前緣頂部與輪緣過渡區域沖蝕最為嚴重。

粗顆粒大多與葉片前緣相撞，故質量大的顆粒會對葉片進口部位產生嚴重撞擊磨損，粒徑增大，在葉片工作面進口處形成點狀的沖擊式磨損。細顆粒易在工作面出口處集中磨損葉片，造成葉片后緣部分的快速磨蝕破壞，粒徑減小，在葉片工作面靠近出口處形成條狀的擦傷式磨損。顆粒質量分數對磨損率影響顯著，對磨損形態和位置沒有影響。轉速增高會加大葉片壓力面的磨損。

針對仿真計算結果可優化設備流程，先經過破碎機將粗顆粒細化，降低葉片前部的磨損，同時在易磨損面焊接硬質合金顆粒，增強抗研磨性能，延長葉片壽命，并優化了研磨泵的轉速，使其在最合理的范圍運行。

7 試驗結果

巖屑回注造漿系統于2022-０6在江漢采油廠下屬潛江市后湖水基泥漿處理站進行現場應用。江漢采油廠所屬井產生的鉆井水基巖屑運回處理站，再將巖屑提取供給巖屑回注造漿系統進行處理。現場作業中，共處理成品漿液1 140 m3，密度1.33～1.36 g/cm3，黏度42 mPa·s，成品漿液中巖屑的粒徑≤300 μm。

對研磨泵做了葉輪和蝸殼的厚度磨損測量，并測量了葉輪外徑尺寸。試驗中研磨泵1和研磨泵4為常開，主要測試這2個泵并記錄數據。葉輪厚度及外徑尺寸變化如表2所示。

研磨泵蝸殼厚度磨損量如圖16所示。

現場作業證明，設備整體性能滿足設計參數要求，長時間運行穩定可靠，關鍵部件性能及使用壽命超過設計指標。

8 結語

介紹了海洋平臺現有鉆井廢棄物處理方法及不足。設計制造了巖屑回注造漿系統。該裝置具備自動化控制、使用壽命長、環保等級高等優點。

巖屑回注的關鍵在巖屑的造漿，通過巖屑的循環破碎、研磨及篩分，并由控制系統進行精確控制，保障了造漿漿體的密度、黏度、靜切力等流變參數的可靠，使巖屑回注順利進行。造漿系統的核心部件為破碎機、研磨泵。通過主要部件失效的有限元分析，對破碎機、研磨泵主要失效部件進行了優化設計及結構加強，保障了造漿系統的使用壽命。現場試驗應用結果表明，該裝置滿足油基巖屑環保處理要求。

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