海上油基鉆屑錘磨式熱解析處理裝置的工業化應用

摘 要 錘磨式機械加熱方式在處理效果、能耗、處理量方面具有綜合優勢，選定錘磨式熱解析技術作為海上油基鉆屑的處理技術。制定錘磨式熱解析處理裝置的技術路線，提出了裝置工業化應用要求，介紹裝置在加工制造過程中滿足工業化應用的保障措施。裝置陸續開展廠內、出海前陸地、海上平臺3個階段的試驗，成功實現工業化應用。

關鍵詞 海上平臺 油基鉆屑 錘磨式熱解析裝置 現場試驗 工業化應用

中圖分類號 TE52" "文獻標識碼 B" "文章編號 0254?6094（2023）01?0125?04

油基鉆井液具有良好的流變性、高抑制性及高潤滑性等特點，廣泛應用在頁巖氣井、大位移井、深水井、高溫高壓井的作業中[1]。在使用油基鉆井液鉆井的過程中，固相控制系統分離出大量的油基鉆屑，油基鉆屑含有粒徑大小不一的碎屑、礦物油、乳化劑及化學添加劑等物質，成分復雜，屬于HW08類危險廢物[2]。

目前，國內外油基鉆屑處理技術主要有離心分離技術、常溫化學脫附技術、微生物處理技術、焚燒技術以及熱解析技術等[3]。離心分離技術對于粒徑較大的油基鉆屑處理效果較好，但對于離心機分離出的粒徑較小的固相顆粒幾乎無處理能力;常溫化學脫附技術工藝復雜，藥劑使用量大，費用昂貴，且容易造成二次污染;微生物處理技術需要大面積的場地和較長的處理周期，海上平臺無法滿足其要求;焚燒技術處理溫度在1 000 ℃以上，雖然能較徹底地處理油基鉆屑，但是無法回收其中的基礎油，造成資源浪費;熱解析技術是將油基鉆屑加熱到300 ℃左右，將液相氣化，回收其中的基礎油，既能將油基鉆屑含油量處理到排放標準限值之下，又能實現資源化利用[4]。

1 錘磨式熱解析技術

1.1 熱解析技術優勢

1.1.1 無害化處理

油基鉆屑在海上平臺熱解析處理，省去了海上運輸、陸地轉運及儲存等環節，降低了泄漏的風險。熱解析反應過程中產生的廢氣經過尾氣處理系統凈化，污染物檢測數值均低于GB 18484—2001《危險廢物焚燒污染控制標準》中規定的值，最大程度地減少了二次污染。油基鉆屑經過熱解析后，重金屬都富集在干渣中，重金屬形態發生了顯著改變，可交換態含量顯著降低，浸出濃度大幅降低，同時，較低的處理溫度遏制了二噁英等有害物質的生成，處理后的干渣滿足

GB 4914—2008《海洋石油勘探開發污染物濃度限值》各污染要素排放限值要求。

1.1.2 資源化利用

油基鉆屑經過熱解析處理，回收的烴類液相與基礎白油油品指標相近，可作為配制油基鉆井液的基礎油。處理后的鉆屑干渣經回收后，可被加工成各種資源化產品，如鋪路路基材料、免燒陶粒、免燒磚等，液相和固相均實現了資源化利用。

1.1.3 經濟效益最大化

經濟效益最大化主要包含兩個方面：一方面，油基鉆屑在海上平臺實現熱解析處理，省去了船舶租賃費、運輸費及倉儲費等費用，綜合處理成本大幅度降低;另一方面，熱解析處理過程中回收的基礎白油具有較高的經濟價值，可用于配制新的油基鉆井液，降低成本。

1.2 錘磨式熱解析技術的選擇

熱解析技術中加熱方式有電磁加熱、電阻加熱、微波加熱及錘磨式機械加熱等，處理效果、能耗、處理量是評價不同加熱方式的熱解析技術優劣的3項關鍵性指標[5]：

a. 處理效果。油基鉆屑經錘磨式熱解析工藝處理后，含油量一般在1%以下，可以滿足GB 4914—2008《海洋石油勘探開發污染物濃度限值》中一級海域含油量不超過1%的要求。

b. 能耗。熱效率與熱利用率兩項參數決定了油基鉆屑錘磨熱解析處理的能耗，其中熱效率的節能評價值大于88%，熱利用率參考先進節能的電磁熱解析技術，其熱利用率大于95%。錘磨式熱解析技術熱效率高達93.39%，熱利用率高達98.82%，節能降耗優勢明顯[6]。

c. 處理量。這項參數決定了油基鉆屑錘磨熱解析處理的經濟性，根據國外處理數據統計，一般情況下錘磨熱解析機單位功率的處理量大于4.23×10-3 t/（h·kW）[7]。

錘磨式機械加熱相對比其他加熱方式，在處理效果、能耗、處理量3個關鍵性指標方面具有一定的綜合優勢，因此，選定錘磨式熱解析技術作為海上油基鉆屑熱解析處理的技術路線。

2 錘磨式熱解析裝置

2.1 技術路線圖

圖1為錘磨式熱解析裝置的技術路線圖，離心機固相出口的油基鉆屑經過攪拌混合，經過液壓柱塞進料泵，連續泵入到錘式熱相分離器，通過轉動臂與物料的摩擦生熱使物料溫度升高到300 ℃左右，物料經過高溫熱解析的固相從錘式熱相分離器底端出口排出，達標后排海或者回收[8]。錘式熱相分離器產生的油、水、氣、固相粉塵混合蒸汽經氮氣吹掃后進入洗滌器，將混合蒸汽中攜帶的粉塵分離出來，經過洗滌后的油、水、氣混合蒸汽進入油冷凝器。油冷凝器通過冷卻的油液不斷地循環噴淋將混合蒸汽中的大部分重質油冷卻成液態，剩余的水、輕質油、氣體混合蒸汽進入水冷凝器。水冷凝器通過循環的冷卻水使蒸汽徹底冷卻，混合液進入三相分離器完成水、輕質油分離。不能冷凝的氣體（如CO、NO、H2等）進入尾氣處理裝置，經脫硫、堿洗、催化燃燒處理后達標排放。

2.2 錘磨式熱解析裝置的結構

錘磨式熱解析裝置結構主要由動力系統、進料系統、錘磨熱解析系統、卸料系統、氮氣吹掃系統、冷凝系統、分離系統、尾氣處理系統組成。其中：動力系統由電機、變頻器組成;進料系統由攪拌罐、進料泵組成;錘磨熱解析系統主要由錘磨熱相分離器組成;卸料系統由卸料閥、夾套水冷絞龍、加濕絞龍、干渣回收箱組成;氮氣吹掃系統由制氮機、風機組成;冷凝系統由油洗滌器、油冷凝器、水冷凝器、熱油泵、循環泵、換熱器組成;分離系統主要由三相分離器組成，尾氣處理系統由凈化裝置、外排風機組成[9]。

3 工業化應用對模擬試驗的要求

工業化應用對模擬試驗的要求如下：

a. 受限于海上平臺空間，錘磨式熱解析處理裝置占地面積小，方便拆裝和吊裝;

b. 裝置一般安裝在采油/氣平臺開展油基鉆屑處置工作，裝置須滿足平臺防爆要求;

c. 須有緊急停機裝置;

d. 控制系統須具有良好的人機交互功能;

e. 變頻器兼容性強，滿足設備在不同電壓和功率環境下的使用需求;

f. 系統處理能力應滿足作業需求，避免因處理速度慢導致巖屑大量堆積。

4 保障措施

中海油田服務股份有限公司與四機塞瓦石油鉆采設備有限公司聯合開發研制了一套海洋油基鉆屑錘磨式熱解析處理設備，主要由動力撬、進料撬、熱解析分離撬、卸料撬、冷卻撬、存儲撬、儀表撬、變頻驅動房8個撬塊組成。在設備試運轉之前，對各個撬塊進行功能性測試和驗證試驗。具體的保障措施包括：

a. 設備高度集成化制造，安裝完成后占地面積約123.7 m2，可以在大多數海上平臺安裝使用。各撬塊設備外圍有封閉圍擋或者框架保護，確保在惡劣天氣或海況條件下設備吊裝安全。

b. 電機采用危險環境使用的高效隔爆三相異步電動機，采用“Exd”型防爆，標準防爆級別達到Exd IIC T4 Gb，廣泛應用于石化工廠等危險環境場所。

c. 系統設置有一鍵式緊急停機裝置。

d. 控制系統的軟件設計由PLC控制軟件和上位機應用程序兩部分組成，上位機程序通過軟件界面為用戶提供監控接口，實現設備的數據采集、參數設置、信號校準、報警提示、曲線回放及報表輸出等功能。PLC控制軟件通過I/O模塊來實現主電機變頻器、進料系統、卸料系統等外圍電控單元的啟停、調速及故障報警等功能[10]。

e. 采用ABB ACS880單傳型變頻器，該型號變頻器是一種適用于所有領域的全能型低壓交流傳動，輸入電壓三相525～690 V（AC），頻率50～60 Hz，具有良好的兼容性、靈活性和易維護性[11]。

f. 錘磨式熱解析處理裝置設計參數為，運行溫度260～370 ℃，處理量2 t/h，可以滿足鉆井作業需求，處理后干渣含油率不大于1.0%，可滿足中國一級、二級、三級海域排放要求。

5 現場試驗

在加工制造階段，對各個撬塊設備進行功能性測試和試驗驗證，合格后進入總裝階段。總裝完成后，共進行廠內試驗、出海前陸地試驗、海上平臺試驗3個階段的試驗歷程，發現裝置運行中存在的問題，并有針對性地改造升級，提升裝置的適應性和穩定性，裝置試驗歷程中遇到的問題和改進方向詳見表1。

6 結論

6.1 熱解析技術可以實現油基鉆屑的無害化處理、資源化利用和經濟效益最大化，是處理油基鉆屑的最佳方式。錘磨式機械加熱相比其他加熱方式，在處理效果、能耗、處理量3個關鍵性指標上具有一定的綜合優勢，是海上油基鉆屑處理的最佳技術路線。

6.2 錘磨式熱解析裝置在加工制造過程中，滿足設備集成化、撬裝化要求，電氣電機設備滿足油氣環境防爆等級要求，控制系統具有良好的人機交互功能。

6.3 錘磨式熱解析處理裝置在某海上平臺應用中，裝置連續運行超過60 d，累計處理鉆屑約2 000 t，平均處理量30～40 t/d，干渣含油率0.10%～0.90%，達到了工業化應用要求。

6.4 錘磨式熱解析處理裝置需要進一步建立不同組分物料與設備運行參數之間的數據庫，以實現設備根據不同性質物料自動調節運行參數，提高設備的適用性。

參 考 文 獻

[1] 陳海濤.海上油基鉆屑熱脫附裝置研制與應用[J].石油礦場機械，2020，49（6）：79-84.

[2] 陳則良，陳忠，陳喬，等.典型頁巖氣油基鉆屑的組成分析及危害評價[J].環境工程，2017，35（8）：125-129.

[3] 左京杰，張鑫，楊勇.含油鉆屑處理技術現狀及發展趨勢[J].油氣田環境保護，2019，29（6）：11-15;64.

[4] 王志偉.海上油基鉆屑電磁熱脫附參數優化及應用評價[J].油氣田環境保護，2021，31（3）：15-20.

[5] 黃志強，徐子揚，權銀虎，等.錘磨熱解析處理油基鉆井液鉆屑的效果評價[J].天然氣工業，2018，38（8）：83-90.

[6] 張穎.提高導熱油爐熱效率的方法研究[J].河南化工，2017，34（5）：35-37.

[7] ORMELOH J.Thermomechanical cuttings cleaner?qualification for offshore treatment of oil contaminated cuttings on the Norwegian Continental Shelf and Martin Linge case study[D].Stavanger：University of Stavanger，2014.

[8] 李興華.錘磨機固液分離特性實驗研究[D].北京：中國石油大學（北京），2019.

[9] 李斌，王傳鴻，吳坤坤，等.海洋油基鉆屑處理用錘磨式熱分離系統的研制[J].石油機械，2021，49（9）：79-84.

[10] 李斌，吳坤坤，李磊，等.油基泥漿處理裝置自動控制系統設計[J].自動化與儀器儀表，2021（12）：90-92;96.

[11] 王朝兵，司占強，宋俊嶺.ABB ACS880變頻器工作原理及故障分析[J].冶金設備，2018（S1）：87-88.

（收稿日期：2022-03-27，修回日期：2023-01-06）

基金項目：中海石油（中國）有限公司深圳分公司科研項目（ZY?2021?SZ?05）。

作者簡介：王志偉（1989-），工程師，從事海上油氣田開發中固體廢棄物處理技術研究工作，wangzhiwei0517@163.com。

引用本文：王志偉，李波，鄧成輝，等.海上油基鉆屑錘磨式熱解析處理裝置的工業化應用[J].化工機械，2023，50（1）：125-128.