履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩在海洋平臺(tái)鉆井廢棄物處置中的應(yīng)用*

張羽臣，林家昱**，謝濤，岳明，竇蓬，謝江浩

[1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300459]

隨著海上環(huán)保形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司提出了“渤海油田環(huán)保升級(jí)三年行動(dòng)計(jì)劃”，以期實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)污水零排放。海上鉆井作業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量廢棄鉆井液，將其運(yùn)回陸地處理，運(yùn)輸成本及陸地處置成本較高。海上鉆井廢棄物固液分離處置裝置可使液相與固相廢棄物有效分離，液相循環(huán)利用，固相運(yùn)回陸地處置，使得資源能夠得到有效的回收利用，同時(shí)降低廢棄物處置成本[1-2]。

海上常用的固液分離裝置主要有振動(dòng)篩、離心機(jī)、除砂器及除泥器，常用振動(dòng)篩作為一級(jí)固控處理設(shè)備，離心機(jī)、除砂器及除泥器作為二級(jí)固控設(shè)備。目前，隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，部分油田為達(dá)到“零排放”目標(biāo)，采用絮凝壓濾一體機(jī)作為二級(jí)固液分離裝置，但需要配合絮凝劑一起使用。渤海油田上部地層平原組、明化鎮(zhèn)組，多為軟泥巖，常規(guī)振動(dòng)篩存在堵塞篩布、跑冒泥漿、巖屑含水量過(guò)高等問(wèn)題[3-4]。為了更好地分離鉆井液的液相與固相，去除巖屑，因此通過(guò)分析傳統(tǒng)振動(dòng)篩的跑漿原因，針對(duì)性提出改進(jìn)措施。將改進(jìn)的負(fù)壓振動(dòng)篩進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并與傳統(tǒng)振動(dòng)篩、離心機(jī)的效果進(jìn)行對(duì)比，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 鉆屑含液量高原因分析

傳統(tǒng)振動(dòng)篩在海上油田中應(yīng)用較為普遍[5-9]，但存在部分井段跑漿的問(wèn)題，巖屑與泥漿分離不徹底，造成跑漿的原因包括振動(dòng)篩激振力不足，泥漿過(guò)篩性差(黏度大，非均質(zhì))，巖屑特性(泥巖易粘滯成團(tuán)狀)，振動(dòng)篩角度調(diào)整不正確、篩布選用不合理以及篩面堵塞，其中篩面堵塞是造成巖屑與泥漿分離不徹底最主要的原因。篩面堵塞包括表面堵塞和孔眼堵塞，相應(yīng)的堵塞原因、應(yīng)對(duì)措施及解決思路具體如表1所示。

表1 篩面堵塞類型及應(yīng)對(duì)措施

通過(guò)對(duì)篩面堵塞以往應(yīng)對(duì)措施的調(diào)研及分析[10]，針對(duì)直線式振動(dòng)篩及履帶式振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)鉆井液泥漿進(jìn)行了受力分析，結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 直線式振動(dòng)篩泥漿受力

圖2 履帶式傳輸振動(dòng)篩泥漿受力

由圖1～圖2可見(jiàn)：與直線式振動(dòng)篩相比，履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩不存在篩面傾角，因此，解決篩面表面的堵塞問(wèn)題，可通過(guò)增加分力F來(lái)克服顆粒物與泥漿黏滯力，進(jìn)而增加過(guò)篩動(dòng)力。對(duì)于孔眼堵塞，則可以增加一個(gè)反向的力，進(jìn)行反向清洗孔眼。

2 撬裝履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩裝置

2.1 負(fù)壓分離技術(shù)介紹

傳統(tǒng)的振動(dòng)篩主要依靠慣性力進(jìn)行篩分工作，為了提高篩分效率，科技工作者提出引入“負(fù)壓力”概念。目前將“負(fù)壓力”成功應(yīng)用于返回泥漿固控系統(tǒng)有2種形式：一種是Cubility公司的履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩，一種是MI-SWACO公司的直線振動(dòng)的負(fù)壓分離設(shè)備。經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)振動(dòng)篩方案對(duì)比分析后，發(fā)現(xiàn)履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩具有更大的應(yīng)用前景[11]。

相較傳統(tǒng)振動(dòng)篩方案，履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩用于處理鉆井液廢棄物時(shí)，能夠增強(qiáng)油井控制，減小污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。鉆屑傳輸系統(tǒng)采用真空原理和輸送帶，不會(huì)有油霧排放，且無(wú)低頻振動(dòng)產(chǎn)生的噪音，能夠有效改善工作環(huán)境。

2.2 履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩撬裝結(jié)構(gòu)

依據(jù)渤海油田海上平臺(tái)的調(diào)研情況，結(jié)合設(shè)備的自身情況，完成了履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩的撬裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其布局如圖3所示。履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩撬裝結(jié)構(gòu)主要有負(fù)壓振動(dòng)篩、泥漿罐、真空泵、泥漿篩、真空攪拌器、電氣控制柜，離心泵等，其中負(fù)壓振動(dòng)篩長(zhǎng)6.8 m，寬4 m，高3.5 m，巖屑輸送泵及其管線、巖屑箱、螺旋輸送機(jī)不包括在內(nèi)；撬裝系統(tǒng)泥漿罐容積約16 m3；罐體上布置履帶式負(fù)壓振動(dòng)泵、泥漿攪拌器、電氣控制柜，離心泵安裝在撬底座右方，巖屑輸送泵位于撬的前方，巖屑箱在撬的左方，螺旋輸送機(jī)位于負(fù)壓振動(dòng)篩固相出口處與巖屑箱進(jìn)料口對(duì)齊；在撬底座上，形成具有收集、傳輸、分離和控制的一套自動(dòng)分離控制系統(tǒng)，并裝有自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制操作面板，可通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作，通過(guò)集成智能化極大提高了巖屑減量化處理人員的工作效率；此外，對(duì)負(fù)壓振動(dòng)篩氣刀裝置進(jìn)行了改進(jìn)，在單一的法向氣刀基礎(chǔ)上，在其兩側(cè)各增加一個(gè)側(cè)向氣刀(圖4)，通過(guò)多方位對(duì)篩布吹氣，能夠有效緩解篩布堵塞的問(wèn)題。

圖3 履帶式負(fù)壓分離系統(tǒng)總體布局示意

圖4 履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩三維結(jié)構(gòu)示意

改進(jìn)后的履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩具體工作流程如下：

1)鉆井固控系統(tǒng)處理之后的固液混合物通過(guò)螺旋輸送機(jī)進(jìn)入巖屑輸送泵進(jìn)料口，巖屑輸送泵通過(guò)高壓內(nèi)襯鋼絲軟管將固液混合物送入負(fù)壓振動(dòng)篩進(jìn)料口。

2)固液混合物經(jīng)負(fù)壓振動(dòng)篩處理之后，液體從出口進(jìn)入泥漿罐，固體從出口進(jìn)入螺旋輸送機(jī)，由螺旋輸送機(jī)將固體輸送進(jìn)入巖屑箱。

3)氣刀打開(kāi)，將篩布孔內(nèi)堵塞的巖屑粒吹落。

4)泥漿罐內(nèi)液體經(jīng)離心泵抽出后，進(jìn)入鉆井固控系統(tǒng)再次循環(huán)利用。

3 履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩實(shí)際應(yīng)用

3.1 處理工藝流程

履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩在完成陸上調(diào)試運(yùn)行后運(yùn)至海上平臺(tái)，被安裝在海洋石油194鉆井平臺(tái)，隨后該設(shè)備隨同海洋石油194拖航至秦皇島32-6油田某平臺(tái)，作為其作業(yè)支持平臺(tái)，參與鉆井過(guò)程中巖屑減量化工作。其工藝流程如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)工藝流程示意

振動(dòng)篩固相出口的巖屑經(jīng)負(fù)壓振動(dòng)篩進(jìn)一步的固液分離，固相進(jìn)巖屑箱由拖輪運(yùn)回陸地處理，液相進(jìn)入緩沖罐，再泵送至沉砂池，可作為鉆井液循環(huán)使用。負(fù)壓振動(dòng)篩在平臺(tái)可作為一級(jí)固控設(shè)備使用，也可作為二級(jí)固控設(shè)備使用。若作為一級(jí)固控設(shè)備使用則無(wú)需經(jīng)過(guò)3臺(tái)普通振蕩篩處理(圖5中虛框部分)直接進(jìn)行螺旋輸送，見(jiàn)流程①；若作為二級(jí)固控設(shè)備使用，井口返回泥漿先經(jīng)過(guò)3臺(tái)普通振動(dòng)篩，再經(jīng)過(guò)螺旋輸送，由巖屑泵抽送至二級(jí)固控設(shè)備負(fù)壓振動(dòng)篩進(jìn)一步固液分離(圖5中虛框部分)，見(jiàn)流程②。篩布速率是影響負(fù)壓振動(dòng)篩固液分離的重要指標(biāo)，通過(guò)改變負(fù)壓振蕩篩速率旋鈕研究篩布速率與分離效果的關(guān)系，最大速率可認(rèn)為100%。在固液分離的過(guò)程中，離心機(jī)從沉砂池中抽取鉆井液，分離其中的泥沙，作為二級(jí)固控設(shè)備。

3.2 不同篩布速率下泥漿含液率的變化

對(duì)經(jīng)過(guò)履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩前后的泥漿進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)檢測(cè)分為入口含液率檢測(cè)、出口固相含液率檢測(cè)、入口泥漿性能檢測(cè)及出口濾清液性能檢測(cè)等4個(gè)部分，其中含液率k通過(guò)烘烤后稱重計(jì)算獲得。

式中，Q1為烘烤前總質(zhì)量，kg；Q2為烘烤后總質(zhì)量，kg。

篩布速率分別取履帶滿載旋轉(zhuǎn)速率的25%、35%、45%和55%進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)初期將設(shè)備直接接入一級(jí)固控系統(tǒng)，井口返出巖屑不經(jīng)傳統(tǒng)振動(dòng)篩，直接由螺旋輸送機(jī)送至負(fù)壓振動(dòng)篩后返出巖屑，在負(fù)壓振動(dòng)篩入口與出口進(jìn)行了2次取樣，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 初次入口與出口含液率比較

圖7 第二次入口與出口含液率比較

由圖6和圖7可見(jiàn)：初次取樣入口泥漿含液率在720%～778%，出口泥漿含液率基本上為40%；二次取樣入口泥漿含液率在210%～485%，出口泥漿含液率在40%左右，且出口泥漿含液率均隨篩布速率的增大而增大。負(fù)壓振動(dòng)篩進(jìn)口和出口的鉆井液含液率對(duì)比顯示井口返回泥漿含液不穩(wěn)定，在200%～780%波動(dòng)較大；經(jīng)過(guò)負(fù)壓振動(dòng)篩處理后的固相含液率基本上為40%，效果穩(wěn)定；隨著篩布速率的增加，處理后的泥漿含液率逐漸增大。

3.3 不同方式處理結(jié)果

在保持開(kāi)次、旋轉(zhuǎn)速率、取樣時(shí)間相同的情況下，對(duì)傳統(tǒng)振動(dòng)篩、離心機(jī)、負(fù)壓振動(dòng)篩的排出固相分別進(jìn)行取樣并分析，試驗(yàn)中負(fù)壓振動(dòng)篩篩目在保持單一變量的情況下先后更換為API120目和API180目。結(jié)果見(jiàn)圖8及圖9。

圖8 不同取樣位置與時(shí)間含液率比較(API120)

圖9 不同取樣位置與時(shí)間含液率比較(API180)

由圖8和圖9可見(jiàn)：與傳統(tǒng)固控減量化設(shè)備固相含液率高達(dá)80%以上相比，負(fù)壓振動(dòng)篩的減量程度大，處理效果更穩(wěn)定，含液率基本上在40%左右；另外API120目負(fù)壓振動(dòng)篩比API180目負(fù)壓振動(dòng)篩處理效果更好，但是采用過(guò)小篩布目數(shù)的篩布會(huì)影響鉆井液固控處理質(zhì)量。

3.4 進(jìn)一步試驗(yàn)

在海上試驗(yàn)過(guò)程中，為了進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)備處理能力，將上述3.2與3.3節(jié)中試驗(yàn)流程進(jìn)行改變，不將負(fù)壓振動(dòng)篩作為一級(jí)固控設(shè)備使用，而是將井口返出泥漿經(jīng)3臺(tái)傳統(tǒng)振動(dòng)篩后由負(fù)壓振動(dòng)篩進(jìn)行二級(jí)固控減量化處理，并對(duì)其處理固相進(jìn)行了采樣分析，結(jié)果如圖10所示。

圖10 負(fù)壓振動(dòng)篩作為一級(jí)與二級(jí)固控效果比較

由圖10可見(jiàn)：負(fù)壓振動(dòng)篩無(wú)論作為一級(jí)或二級(jí)固控減量化裝備，處理后的固相含液率均可降至40%，進(jìn)一步證明該設(shè)備的穩(wěn)定性；同時(shí)也可見(jiàn)負(fù)壓振動(dòng)篩作為二級(jí)深度減量化裝備，其處理效果更優(yōu)，即便處理含液率大幅降低的巖屑，負(fù)壓振動(dòng)篩仍具有相當(dāng)穩(wěn)定的深度脫水能力，處理后巖屑含液率可降至35%。

3.5 全井段處理效果

對(duì)整個(gè)鉆井周期內(nèi)的履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩處理效果取樣后進(jìn)行縱向分析，結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 全井段負(fù)壓振動(dòng)篩處理效果比較

由圖11可見(jiàn)：不同鉆井階段，巖層、泥漿體系均不相同，因此井口返回泥漿含液率波動(dòng)較大；一開(kāi)與三開(kāi)鉆井期間井口返回泥漿的含液率高于二開(kāi)期間的含液率；負(fù)壓振動(dòng)篩在全井段中，排出固相含液率基本在40%左右；在一開(kāi)與三開(kāi)過(guò)程中，負(fù)壓振動(dòng)篩脫水效果更明顯，脫水效果也相對(duì)較穩(wěn)定；在二開(kāi)期間1 400～2 200 m井口返回泥漿的含液率明顯比排出固相含液率高。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，主要是因?yàn)槎_(kāi)期間平臺(tái)真空泵故障，無(wú)氣源壓力，導(dǎo)致氣刀裝置不能正常工作，使得在二開(kāi)鉆進(jìn)期間在2 300～2 650 m存在跑漿現(xiàn)象，導(dǎo)致出口固相含液率較高，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的裝置能有效解決泥漿篩孔堵塞難題，提高履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩固液分離效果。綜合分析一開(kāi)、二開(kāi)及三開(kāi)情況，履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩基本具備了現(xiàn)場(chǎng)隨鉆處理能力。

4 結(jié)論

1)適用于海洋平臺(tái)的履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩撬裝結(jié)構(gòu)具有集收集、傳輸、分離和控制功能于一體的自動(dòng)分離控制系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制操作面板可實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作，極大提高了巖屑減量化處理人員的工作效率。

2)改進(jìn)的氣刀裝置能夠清潔傳送帶，有效解決泥漿篩孔堵塞難題，提高固液分離效果，同時(shí)履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩不需要離心機(jī)、干燥機(jī)等設(shè)備的輔助作用，有助于降低巖屑處理成本。

3)在實(shí)際處理水基泥漿時(shí)，履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩無(wú)論作為一級(jí)固控還是二級(jí)固控減量裝備，分離后的鉆屑含液率均可以降低至40%；作為二級(jí)減量化裝備，深度處理效果更好，處理后含液率降至35%。篩布旋轉(zhuǎn)速率較低時(shí)，分離效果較好。

4)相較于傳統(tǒng)振動(dòng)篩、離心機(jī)設(shè)備，履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩的減量程度大，處理效果更穩(wěn)定，含液率基本上在40%左右，且API120目負(fù)壓振動(dòng)篩比API180目負(fù)壓振動(dòng)篩處理效果更好，通過(guò)整體鉆進(jìn)情況看，履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩基本具備了現(xiàn)場(chǎng)隨鉆處理能力。