淺談分離減量裝備研究現(xiàn)狀與新設(shè)計(jì)方案

祁健，王一辛，董寶昌，朱高陽(yáng)

（1.中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司；2.天津北海油人力資源咨詢服務(wù)有限公司，天津 300452；3.上海海洋大學(xué)，上海 201306）

海上鉆井作業(yè)中產(chǎn)生的鉆屑和其他碳?xì)浠衔镂廴緩U物多年來(lái)都在陸地上處理，主要是為了遵守管理海上處置污染物的監(jiān)管限制。然而，將大量的受碳?xì)浠衔镂廴镜膸r屑從海上設(shè)施運(yùn)輸?shù)桨渡咸幚碓O(shè)施對(duì)該海上作業(yè)有相當(dāng)大的環(huán)境和安全影響。同時(shí)，渤海作為內(nèi)陸海和一級(jí)海區(qū)，對(duì)含有油類垃圾的排放是嚴(yán)格禁止的，要求必須取得當(dāng)?shù)睾Ｓ蛑鞴懿块T的許可后，才能排放無(wú)油垃圾。故為了更好保護(hù)渤海的環(huán)境，鉆井所產(chǎn)生的廢棄物將由傳統(tǒng)的限制排放轉(zhuǎn)化為對(duì)其的回收，但是受制于陸地固廢處理廠接收的限制，再加上廢料處理成本過(guò)高等因素，導(dǎo)致總量回收的難度巨大，因此，海上鉆井廢料現(xiàn)場(chǎng)減量是當(dāng)務(wù)之急。

本文將結(jié)合中海油能源發(fā)展股份有限公司的科研課題“負(fù)壓螺旋減量工藝測(cè)試及加工試制”的要求，進(jìn)行負(fù)壓螺旋分離減量工藝及設(shè)備的相關(guān)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)檢索與總結(jié)，針對(duì)渤海油田勘探開發(fā)地層特點(diǎn)，對(duì)水基鉆井液鉆屑減量處置裝備相關(guān)技術(shù)進(jìn)行歸納、編寫調(diào)研報(bào)告。在此基礎(chǔ)上提煉出負(fù)壓螺旋減量新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案，能夠有效降低輸送鉆屑的含液率，提高鉆屑的固液分離效率。

1 渤海油氣田不同巖屑及其鉆屑簡(jiǎn)介

1.1 渤海油氣田簡(jiǎn)介

渤海海域油田總勘探面積約5.1 萬(wàn)km2。累計(jì)鉆井近900 座，石油地質(zhì)儲(chǔ)量50 億t 以上，以石油為主，其中重質(zhì)油占已探明油礦的70%以上。

1.2 渤海不同地層鉆井巖屑分析

渤海灣是一個(gè)新生代內(nèi)陸裂谷盆地，渤海灣盆地新生代地層發(fā)育狀況見表1。

表1 渤海灣盆地新生代地層劃分及巖性特征表

1.3 渤海水基鉆屑混合物宏觀特點(diǎn)

水基鉆屑化學(xué)組成成分見圖1。

圖1 水基鉆屑化學(xué)成分(部分)

水基鉆屑化學(xué)組成主要有二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵和氧化鈣，是良好的硅鋁質(zhì)材料。從圖2 可以看到，水基鉆屑物質(zhì)結(jié)構(gòu)無(wú)微孔結(jié)構(gòu)，呈片狀，表面積較小，結(jié)構(gòu)性較差。

圖2 水基鉆屑掃描電鏡圖

2 國(guó)內(nèi)外負(fù)壓螺旋分離減量處理研究現(xiàn)狀

由于產(chǎn)生的體積和潛在的環(huán)境影響，鉆屑是鉆井作業(yè)的重要廢物。目前，國(guó)內(nèi)外鉆探垃圾處理方式主要是無(wú)害化集中處理與就地減量相結(jié)合。就地減量主要采用回收利用技術(shù)，也叫隨鉆處理技術(shù)，國(guó)內(nèi)外對(duì)最終垃圾進(jìn)行集中處理的方式不同；垃圾集中處理在國(guó)外應(yīng)用最多的是巖屑回注。渤海的一大特點(diǎn)是平臺(tái)空間有限，降低廢棄物回收處理成本和就地減量處理廢棄物是其總體需求。屬于內(nèi)海的渤海地區(qū)對(duì)排放的要求十分苛刻，廢液回收循環(huán)便成了減量的不二法門。

2.1 國(guó)內(nèi)外鉆井液的分類及應(yīng)用

國(guó)外鉆井液通常根據(jù)其基礎(chǔ)成分分類。它可以廣泛地分類為液體、氣體和液-氣混合物。

2022 年，西南交通大學(xué)的研究人員用甲醇/正己烷溶劑萃取分離油基鉆屑中的石油污染物。油基鉆屑（OBDC）具有高含量的石油污染物，具有很強(qiáng)的致突變、致癌和致畸特性。

2019 年，英國(guó)索爾福德大學(xué)研究人員提出了一種用于高溫應(yīng)用和水敏性、可分散頁(yè)巖地層的水基鉆井液 。

2.2 螺旋輸送機(jī)國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

螺旋輸送機(jī)是特定應(yīng)用領(lǐng)域中最好的輸送系統(tǒng)之一，在現(xiàn)代工業(yè)中，螺旋輸送機(jī)通常水平地或以輕微的傾斜使用。螺旋輸送機(jī)可用于在運(yùn)輸過(guò)程中輸送和混合或共混一種以上的材料。

無(wú)軸螺旋的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有助于輸送和同時(shí)混合顆粒材料通過(guò)排放區(qū)。無(wú)軸螺旋輸送機(jī)抗纏繞性強(qiáng)，由于沒(méi)有中心軸，在輸送容易發(fā)生纏繞的物料時(shí)不會(huì)發(fā)生干擾，可以順利完成輸送，這一點(diǎn)有軸螺旋輸送機(jī)無(wú)法做到，如圖3 所示。

圖3 無(wú)軸螺旋輸送機(jī)

2021 年，印度理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種新型的基于螺旋輸送機(jī)的儲(chǔ)油罐底部原油污泥挖掘系統(tǒng)。開發(fā)了一種新的數(shù)學(xué)模型，以幫助設(shè)計(jì)螺旋輸送機(jī)，以實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)最大量的污泥鏟取。

2010～2015 年國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀主要如下。

2010 年，北京科技大學(xué)尹忠俊等人對(duì)開式水平螺旋輸送機(jī)中的物料移動(dòng)速率與其影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，給出了開式水平螺旋輸送機(jī)的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并得出開式水平螺旋輸送機(jī)的主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)的校驗(yàn)方法。

2014 年，河南工業(yè)大學(xué)的孫慶春對(duì)螺旋輸送機(jī)的螺旋葉片與螺旋軸的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相關(guān)研究 。

2015 年，太原理工大學(xué)的賈朝斌對(duì)水平螺旋輸送機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一系列研究，提出了主要的優(yōu)化參數(shù)、約束條件以及優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

2.3 負(fù)壓抽吸技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

海洋油氣田生產(chǎn)產(chǎn)生鉆完井廢棄物通過(guò)泥漿固控系統(tǒng)進(jìn)行處理，除去有害固相，回收可用鉆井液，形成高效、合理的鉆井液固控流程，滿足鉆井工藝對(duì)泥漿回收利用的性能要求，并提高經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)大量文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，截止目前，海上油田鉆屑減量裝備中應(yīng)用到負(fù)壓抽吸技術(shù)的只有振動(dòng)篩。鉆井振動(dòng)篩是石油鉆井固相控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，主要是在清除有害固相顆粒的同時(shí)，對(duì)鉆井液進(jìn)行回收、凈化，是回用鉆井液的第一級(jí)固控設(shè)備。為進(jìn)一步提高傳統(tǒng)振動(dòng)篩的篩分效率，科技工作者提出了一種名為“負(fù)壓抽吸”的概念，利用負(fù)壓輔助篩分工作，從而提高效果。

美國(guó)Remteck 公司在20 世紀(jì)80 年代首次將采礦的真空過(guò)濾原理應(yīng)用于鉆井液固液分離過(guò)程。

2015 年12 月，美國(guó)SWACO 公司推出了新型巖屑處理裝置，通過(guò)脈沖氣流形成真空抽吸的效果，進(jìn)而提升鉆井液回收量，可降低巖屑廢棄物固相含液量，提升液相的回用效率。

我國(guó)篩分機(jī)械的發(fā)展始于20 世紀(jì)50 年代。國(guó)內(nèi)首臺(tái)負(fù)壓振動(dòng)篩樣機(jī)由西南石油大學(xué)聯(lián)合四川寶石機(jī)械特種車輛股份有限公司研制成功。長(zhǎng)江大學(xué)的周思柱等對(duì)負(fù)壓鉆井振動(dòng)篩的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析。大慶油田鉆探工程公司的李文亮對(duì)鉆井泥漿真空抽吸裝置進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究。鉆井泥漿真空抽吸裝置由真空污泥泵、空壓機(jī)、吸管等元件組成，如圖4 所示。

圖4 鉆井泥漿真空抽吸裝置

2.4 鉆屑減量裝備中流體透篩及篩分機(jī)理方面的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，在鉆屑減量裝備中用到篩網(wǎng)的只有振動(dòng)篩設(shè)備，現(xiàn)有針對(duì)篩網(wǎng)的研究也是以振動(dòng)篩為基礎(chǔ)。前人對(duì)流體在篩網(wǎng)中的流動(dòng)特性進(jìn)行了廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)研究。在流體透過(guò)篩網(wǎng)的相關(guān)理論研究主要集中在3 個(gè)方面，即流體透過(guò)篩網(wǎng)后的湍流特性、篩網(wǎng)對(duì)流體透篩速度的影響以及流體透篩前后的壓降變化。

許多學(xué)者在篩網(wǎng)壓力損失方面做了大量研究工作。Wu 建立了一套實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試了流體透過(guò)4 種不同孔隙率的方孔平紋編織篩網(wǎng)的壓降特性。Seltsam 將篩網(wǎng)對(duì)速度分布的影響通過(guò)直通道內(nèi)的流動(dòng)來(lái)充分體現(xiàn)，將計(jì)算的擴(kuò)壓器流動(dòng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。Okolo 對(duì)低湍流流體透過(guò)三維編織篩網(wǎng)的流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)模擬，強(qiáng)調(diào)了編織篩網(wǎng)降低流體速度的本質(zhì)，深入的分析了編織篩網(wǎng)的流動(dòng)現(xiàn)象。Valli 采用lattice-Boltzmann method 的方法模擬了規(guī)則篩網(wǎng)和不規(guī)則篩網(wǎng)的流體透篩運(yùn)動(dòng)，分析了篩網(wǎng)孔隙率和雷諾數(shù)對(duì)篩網(wǎng)壓降的影響。Kolodziei 提出一種試驗(yàn)方案，成功地表征了在編織篩網(wǎng)上觀察到的壓降。

3 負(fù)壓螺旋分離減量初步設(shè)計(jì)方案及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 負(fù)壓螺旋分離減量初步新設(shè)計(jì)方案

綜合以上國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)檢索與分析，對(duì)此項(xiàng)目負(fù)壓螺旋分離減量裝置提出了新設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)要介紹如下：

（1）通過(guò)分析在振動(dòng)篩中的負(fù)壓抽吸技術(shù)，類比脈沖式負(fù)壓振動(dòng)篩中的負(fù)壓抽吸結(jié)構(gòu)，結(jié)合螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，再類比脈沖式負(fù)壓振動(dòng)篩中的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種與鉆屑減量裝備中與螺旋輸送機(jī)相配合的負(fù)壓抽吸設(shè)備，旨在螺旋輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)負(fù)壓抽吸設(shè)備的配合，降低輸送的鉆屑的含液率。

此項(xiàng)目選用水平無(wú)軸螺旋輸送機(jī)來(lái)輸送廢棄鉆屑。該類型螺旋輸送機(jī)輸送量大，且抗纏繞、防堵料，能保證輸送物料流暢，即使出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，螺旋體也可以自行彈性釋放，極大改善了堵塞情況，其鉆屑運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方案簡(jiǎn)要介紹如下。

運(yùn)動(dòng)分解圖如圖5 所示。

圖5 物料速度分解圖

具體求解方法如下：

仍然可得：

綜上整理可以得到：

具體參數(shù)定義詳見武漢理工大學(xué)王仁標(biāo)碩士論文《L型螺旋卸船機(jī)水平螺旋輸送機(jī)理研究》。綜上，代入數(shù)據(jù)，求得物料的軸向速度為0.115m/s。

（2）對(duì)于輸送機(jī)，使用海油平臺(tái)鉆井施工中無(wú)軸螺旋輸送機(jī)，整個(gè)負(fù)壓抽吸設(shè)備可通過(guò)法蘭螺栓和每節(jié)輸送機(jī)配合，如圖6 所示。

圖6 負(fù)壓抽吸設(shè)備與螺旋輸送機(jī)裝配圖

（3）單套負(fù)壓抽吸設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)主要由3 部分組成：3 個(gè)負(fù)壓短節(jié)、管路及其流量控制部分、真空泵，總體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。整個(gè)工作過(guò)程為：螺旋輸送機(jī)開始輸送濕鉆屑，當(dāng)鉆屑每經(jīng)過(guò)一個(gè)負(fù)壓短節(jié)就會(huì)通過(guò)短節(jié)內(nèi)的濾網(wǎng)在負(fù)壓力的作用下，被抽走一部分液相；抽取的液相通過(guò)管道、真空泵，最后放到收集箱中，以供下一步使用；經(jīng)過(guò)減量后的鉆屑由輸送機(jī)出口排出。

圖7 單套負(fù)壓抽吸設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖

（4）負(fù)壓短節(jié)為本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件，同時(shí)也是研究的創(chuàng)新點(diǎn)。整個(gè)負(fù)壓短節(jié)可再分為3 個(gè)部分：上殼體、過(guò)濾模塊、負(fù)壓倉(cāng)。上殼體是整個(gè)負(fù)壓短節(jié)的支撐框架；負(fù)壓倉(cāng)通過(guò)管道、真空泵創(chuàng)造負(fù)壓環(huán)境，同時(shí)暫存、輸送鉆屑液相；過(guò)濾模塊將直接與輸送機(jī)鉆屑接觸，通過(guò)其下方的負(fù)壓力將鉆屑液相吸走，將固相擋住并由輸送機(jī)傳輸走。考慮整個(gè)負(fù)壓短節(jié)在使用過(guò)程中的工況，所以過(guò)濾模塊的設(shè)計(jì)與研究至關(guān)重要。

3.2 負(fù)壓螺旋分離減量新設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新點(diǎn)

此負(fù)壓螺旋分離減量裝置新提出的設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新點(diǎn)可概括為以下3 點(diǎn)：

（1）借鑒脈沖式負(fù)壓振動(dòng)篩的抽吸技術(shù)及結(jié)構(gòu)。

（2）創(chuàng)新將負(fù)壓抽吸技術(shù)和螺旋輸送機(jī)相結(jié)合，并且可以在螺旋輸送機(jī)中嵌入多段節(jié)點(diǎn)式負(fù)壓抽吸裝置，可以有效實(shí)現(xiàn)鉆屑的固液分離。

（3）能夠?qū)崿F(xiàn)鉆屑物料移動(dòng)與抽吸液體流量的最佳匹配，提高鉆屑的固液分離效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)負(fù)壓螺旋分離減量工藝及設(shè)備國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)檢索與分析，可以提煉得出此項(xiàng)目的新設(shè)計(jì)方案，此方案不同于目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)方案。即在振動(dòng)篩中的負(fù)壓抽吸國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)中，借鑒脈沖式負(fù)壓振動(dòng)篩中的負(fù)壓抽吸結(jié)構(gòu)，結(jié)合螺旋輸送機(jī)輸送鉆屑的特點(diǎn)，再采取脈沖式負(fù)壓振動(dòng)篩中的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出負(fù)壓螺旋減量新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，即螺旋輸送機(jī)中嵌入多段節(jié)點(diǎn)式負(fù)壓抽吸裝置。此設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)鉆屑物料移動(dòng)與抽吸液體流量的最佳匹配，從而能夠有效降低輸送鉆屑的含液率，提高鉆屑的固液分離效率。因此，進(jìn)行此項(xiàng)目的研究是十分必要的，具有創(chuàng)新性，同時(shí)，能夠帶來(lái)一定的社會(huì)意義。