快速移運(yùn)石油鉆機(jī)零排放系統(tǒng)技術(shù)分析

呂拴明，徐煒華，張　輝，高智超，李浩強(qiáng)

(1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安710065；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002)①

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快速移運(yùn)石油鉆機(jī)零排放系統(tǒng)技術(shù)分析

呂拴明1，2，徐煒華2，張輝2，高智超1，2，李浩強(qiáng)2

(1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安710065；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002)①

摘要：為了滿足移運(yùn)石油鉆機(jī)在整個(gè)鉆井過(guò)程中的排放要求，使得廢油、廢泥漿等不對(duì)鉆井區(qū)域造成污染，在快速移運(yùn)石油鉆機(jī)上增加了零排放系統(tǒng)(即排放物回收系統(tǒng))。介紹了零排放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、布局、工作流程和回收方法。在鉆臺(tái)區(qū)域、泥漿罐區(qū)、泵組區(qū)、動(dòng)力區(qū)4個(gè)區(qū)域分別設(shè)置了污水(油)回收裝置，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備漏油、管線泄露或泥漿溢出時(shí)，通過(guò)接油盤(pán)、隔板、管道等將污物收集到回收罐內(nèi)，進(jìn)行集中處理或回收再用。油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用表明，該系統(tǒng)工作可靠，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的“零排放”要求，提高了現(xiàn)場(chǎng)排放物的回收效率，滿足快速移運(yùn)鉆機(jī)的高效率作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：鉆機(jī)；零排放；技術(shù)分析

隨著全球石油需求量不斷增加，環(huán)境污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻。為了使石油鉆機(jī)在使用過(guò)程中既快速高效地進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，又滿足對(duì)環(huán)境排放的要求[1-2]，在石油鉆機(jī)中設(shè)置零排放系統(tǒng)就成為用戶選擇石油鉆井設(shè)備的一個(gè)新要求?？焖僖七\(yùn)石油鉆機(jī)在提高鉆井效率方面發(fā)揮了重要作用，特別是在沙漠地區(qū)尤為顯著，工作環(huán)境溫度可達(dá)0～55 ℃，移運(yùn)最高速度可達(dá)8 km/h。針對(duì)用戶在鉆機(jī)排放污染物和移運(yùn)速度方面的特殊要求，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司于2009年開(kāi)始研制應(yīng)用于快速移運(yùn)石油鉆機(jī)的零排放系統(tǒng)(即污物回收系統(tǒng))，該系統(tǒng)可以確保鉆機(jī)在高效作業(yè)過(guò)程中不對(duì)環(huán)境排放任何污染物，將泄漏的污水(油)等液體進(jìn)行回收、統(tǒng)一處理。經(jīng)過(guò)10 多a的努力，已經(jīng)為國(guó)外用戶提供了16套配有零排放系統(tǒng)的快速移運(yùn)石油鉆機(jī)。

1技術(shù)方案及分析

1.1鉆機(jī)零排放系統(tǒng)技術(shù)要求

設(shè)計(jì)鉆機(jī)零排放該系統(tǒng)的目的是在石油鉆機(jī)的作業(yè)過(guò)程中對(duì)有可能向環(huán)境排放污染物的地方設(shè)置專用的污染物回收系統(tǒng)，根據(jù)石油鉆機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)與布局，對(duì)不同的污染物進(jìn)行分類，回收后集中處理。因此，需對(duì)鉆機(jī)的鉆井作業(yè)區(qū)域進(jìn)行全方位分析，對(duì)于分散在鉆井現(xiàn)場(chǎng)的污染源進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計(jì)專用的導(dǎo)流、回收管線和回收罐體，同時(shí)滿足鉆機(jī)的快速移運(yùn)要求，確保作業(yè)效率不受影響。

1.2零排放系統(tǒng)簡(jiǎn)介及布局

根據(jù)鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)與布局，結(jié)合鉆機(jī)各個(gè)部分的模塊功能[3]，將該系統(tǒng)劃分為4個(gè)部分，即鉆臺(tái)區(qū)域、泥漿罐區(qū)、泵組區(qū)、動(dòng)力區(qū)，如圖1所示。

1)鉆臺(tái)區(qū)。鉆臺(tái)區(qū)是鉆井作業(yè)的重要場(chǎng)所，作業(yè)高度9 150 mm，其排放要求的控制區(qū)域?yàn)榻g車(chē)前方到立根臺(tái)之間，左右兩側(cè)寬度為立根臺(tái)上可以擺放鉆桿的寬度，需實(shí)現(xiàn)在鉆井過(guò)程中將鉆桿泄漏的泥漿排放在有效的控制區(qū)域內(nèi)，泄漏的泥漿可經(jīng)過(guò)導(dǎo)流槽流入回收罐內(nèi)。

2)泥漿罐區(qū)。即固控系統(tǒng)區(qū)域，由1個(gè)振動(dòng)篩罐、1個(gè)吸入罐、4個(gè)儲(chǔ)備罐及1個(gè)混合罐按順序連接組成，分別安裝在不同的移動(dòng)拖撬上。拖撬高度2 500 mm，罐體之間的管線可實(shí)現(xiàn)快速安裝與拆卸。在固控區(qū)，由于設(shè)備維修、損壞或拆裝管路等造成的泥漿流出，對(duì)其進(jìn)行集中收集。

3)泵組區(qū)域。由2臺(tái)F-1600型泥漿泵組組成。泵組并列安裝在移運(yùn)拖撬上，實(shí)現(xiàn)整體移動(dòng)，拖撬工作高度為650 mm。泥漿泵在更換缸套或零件損壞時(shí)可導(dǎo)致殘留在腔體內(nèi)部泥漿、油污流出，同時(shí)泥漿泵吸入管線和排出管路在移運(yùn)拆裝時(shí)也有泥漿泄漏，需設(shè)計(jì)專用的泥漿回收裝置進(jìn)行回收。

4)動(dòng)力區(qū)。主要由4臺(tái)CAT3512B型柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，整體安裝在一個(gè)移運(yùn)拖撬上，拖撬高度3 900 mm，與發(fā)電機(jī)房拖撬相鄰，后端與80 m3柴油罐連接。柴油發(fā)電機(jī)在使用過(guò)程中有潤(rùn)滑機(jī)油和冷卻液的泄漏或更換、以及清洗設(shè)備所產(chǎn)生的油污，需要將污物通過(guò)回收管線導(dǎo)入到放置在地面的污物箱內(nèi)。

1—鉆臺(tái)面；2—泥漿回流管；3—污物收集罐；

1.3零排放系統(tǒng)的工作流程

1.3.1鉆臺(tái)區(qū)系統(tǒng)流程

在鉆井過(guò)程中上、卸鉆桿流出的泥漿或沖洗臺(tái)面的污水泄漏在鉆臺(tái)工作區(qū)域，泄漏的泥漿從鉆臺(tái)面鋪臺(tái)之間的縫隙處和鋪臺(tái)上的網(wǎng)格處向下流動(dòng)，流入臺(tái)面下方設(shè)置的泥漿導(dǎo)流槽。導(dǎo)流槽下方設(shè)置有鋪臺(tái)泥漿回流管，導(dǎo)流槽向鋪臺(tái)泥漿回流管方向傾斜，增加液體流動(dòng)速度，如圖2所示。泥漿經(jīng)過(guò)回流管流入絞車(chē)梁、轉(zhuǎn)盤(pán)梁和立根臺(tái)上設(shè)置的泥漿回收槽，泥漿回收槽通過(guò)泥漿回流管與污物收集罐連通，將泥漿導(dǎo)入污物收集罐，完成鉆臺(tái)區(qū)的污物回收過(guò)程。鉆臺(tái)面污物排放流程如圖3。

1—鋪臺(tái)Ⅰ；2—圓鋼；3—鋪臺(tái)Ⅱ；4—導(dǎo)流槽；

圖3　鉆臺(tái)區(qū)污物排放流程

1.3.2泥漿罐區(qū)系統(tǒng)流程

為了使殘留在泥漿罐體的泥漿在鉆機(jī)搬家前全部流出，罐底采用三角形分塊式傾斜設(shè)計(jì)，用10 mm的鋼板焊接，統(tǒng)一向排出口傾斜[4]，傾斜角度1°，排出口安裝蝶閥控制排放，罐體所排出的泥漿流入放置在地面的回收管線，匯集一處進(jìn)行回收處理。

1.3.3泵組區(qū)流程

為了回收泥漿泵組區(qū)泄漏的泥漿，在泥漿泵液力端液缸下方安裝泥漿收集盒。液力端泄漏的泥漿可在拆卸泥漿泵閥蓋時(shí)直接排入，泥漿收集盒底部設(shè)有可排出液體的管線。對(duì)于泥漿泵的機(jī)油排放回收，是在泥漿泵的油箱下部設(shè)置帶有可關(guān)閉閥門(mén)的管線進(jìn)行回收；泥漿泵吸入管線內(nèi)的液體回收是在吸入管線正下方開(kāi)孔，安裝帶有可關(guān)閉閥門(mén)的污物收集管線，在回收時(shí)直接打開(kāi)排污閥門(mén)，液體自動(dòng)流入污物收集盒，如圖4所示。

1—泥漿泵；2—泵組拖撬；3—污物收集管線；4—污物收集盒。

1.3.4動(dòng)力區(qū)系統(tǒng)流程

動(dòng)力區(qū)主要考慮4臺(tái)CAT柴油發(fā)電機(jī)組和2套80 m3柴油罐的泄漏污染問(wèn)題。對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)，考慮柴油發(fā)電機(jī)組的潤(rùn)滑機(jī)油和冷卻液回收，需要排放冷卻液或潤(rùn)滑機(jī)油時(shí)可分別打開(kāi)冷卻液和柴油機(jī)潤(rùn)滑油排放口，液體流入發(fā)電機(jī)底座內(nèi)的導(dǎo)流盒，在導(dǎo)流盒底部分別設(shè)置導(dǎo)流軟管，軟管與設(shè)置在拖撬上的污物回流管相連，4臺(tái)機(jī)組的冷卻液匯集流入由方鋼管制作的污物回流管中，隨端頭的排出管線流入污物收集箱，完成液體回收。

柴油罐要考慮日用柴油在加注和輸送中的泄漏和污染，在柴油罐的管線連接處下方(罐體底座)設(shè)置具有回收液體作用的槽體，工作中泄漏的油污(水)可直接流入，同時(shí)在槽體下方設(shè)置控制管線回收油污(水)，如圖5所示。其他具有污染可能的設(shè)備可采用與柴油罐相同的回收方式進(jìn)行回收，例如液壓站底部、液壓操作箱底部、液壓管線連接處和高壓管匯閥組連接處的泄露等。

1—底座；2—球閥；3—扣壓膠管；4—污物回收盒。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1鉆臺(tái)區(qū)回收系統(tǒng)

根據(jù)鉆臺(tái)區(qū)泥漿流出的體積，泥漿導(dǎo)流管采用?140 mm×5 mm的無(wú)縫鋼管，固定在轉(zhuǎn)盤(pán)梁下方，安裝時(shí)帶有1°的傾斜角以加快液體流動(dòng)。端頭采用1502型焊接由壬，一端與泥漿導(dǎo)流管焊接，另一端與扣壓式橡膠軟管的接頭焊接，泥漿隨橡膠軟管進(jìn)入泥漿回收罐內(nèi)部，罐體可根據(jù)需要擺放在地面或固定在底座本體上，如圖6所示。

1—底座轉(zhuǎn)盤(pán)梁；2—安全鏈；3—泥漿回流管；

2.2污物收集罐技術(shù)分析

2.2.1罐體容積

污物收集罐采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照7 000 m鉆井深度，使用?114 mm鉆桿所泄漏出的泥漿體積的考慮，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算泄漏在鋪臺(tái)的泥漿量，同時(shí)考慮作業(yè)過(guò)程中需要沖洗鉆臺(tái)面，確定罐體容積16 m3。

2.2.2罐體墻板結(jié)構(gòu)

如圖7所示，墻板采用厚度為8 mm的鋼板，壓制成瓦楞板結(jié)構(gòu)，連接處采用全熔透焊接，保證了罐體的強(qiáng)度。

圖7　罐體墻板結(jié)構(gòu)

2.2.3罐體底座結(jié)構(gòu)

罐體底座采用三根Q345B型H鋼作為主梁，用相同材質(zhì)的6根縱梁組成底座主體，縱梁尺寸比主梁小。底座兩端采用兩根直徑為?114 mm的無(wú)縫鋼管作為吊裝管。如圖8。為了滿足鉆機(jī)移運(yùn)要求，底座采用雙耳板連接可固定在鉆機(jī)底座的一側(cè)。為了防止污物回收后重力增加對(duì)罐體的損傷，在污物罐遠(yuǎn)離底座側(cè)設(shè)有可伸縮調(diào)節(jié)的Tr60×9絲杠作為輔助支撐。按照罐內(nèi)混合污水密度1.2 g/cm3考慮，在充滿污物的狀態(tài)下最大質(zhì)量為19.2 t。經(jīng)過(guò)計(jì)算，該結(jié)構(gòu)在承載滿罐液體的載荷時(shí)滿足強(qiáng)度要求。

1—液位計(jì)；2—墻板；3—底座；4—爬梯；5砂泵。

2.2.4傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

污物罐需在污物收集后使用電動(dòng)離心泵排出污物，估算液體傳輸所需揚(yáng)程，取泵的排出口壓力為0.2 MPa，流量為50 m3/h，再考慮單級(jí)離心泵泥漿傳輸?shù)乃p失、容積損失和機(jī)械損失，泵的總效率取0.85～0.90[5]，并保證一定的余量，選擇傳輸泵電機(jī)的軸功率為5.5 kW，配用電機(jī)功率為11 kW，在頻率為60 Hz的電源下額定轉(zhuǎn)速1 760 r/min，型號(hào)為SB2×3J-10的砂泵。最終確定傳輸泵的清水揚(yáng)程22 m，流量55 m3/h，葉輪名義直徑?330 mm。

2.3動(dòng)力區(qū)分析

動(dòng)力區(qū)的污物收集需要考慮污物收集箱罐體體積，按每1臺(tái)CAT3512B型柴油發(fā)電機(jī)組加注冷卻液體積432 L 和潤(rùn)滑機(jī)油的體積318 L，每臺(tái)7 000 m鉆機(jī)配備4臺(tái)柴油機(jī)組為準(zhǔn)，設(shè)置2套污物收集箱，每1臺(tái)污物收集箱的體積設(shè)定2 m3，收集箱的結(jié)構(gòu)可參照污物收集罐的結(jié)構(gòu)。

3廠內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1廠內(nèi)試驗(yàn)

在廠內(nèi)的模擬鉆機(jī)上配套零排放系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。在罐體內(nèi)加清水進(jìn)行24 h密封性試驗(yàn)。整個(gè)系統(tǒng)在鉆機(jī)整體組裝后模擬作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了功能試驗(yàn)。采用在技術(shù)要求區(qū)域噴淋清水的方法，持續(xù)時(shí)間5 min，結(jié)束后檢測(cè)回收系統(tǒng)有無(wú)泄漏。結(jié)果表明，零排放回收系統(tǒng)工作良好，水流順暢，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)泄漏，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求?？偟膩?lái)看，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，方便人員操作，滿足鉆機(jī)移運(yùn)技術(shù)要求，通過(guò)了外方監(jiān)造人員的驗(yàn)收。

3.2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

據(jù)油田用戶反饋，現(xiàn)已有16套鉆機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了作業(yè)，在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜工況和惡劣環(huán)境下，該系統(tǒng)已經(jīng)參與完成了鉆機(jī)的鉆井作業(yè)、移運(yùn)、拆裝、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程，在整個(gè)使用過(guò)程中無(wú)污物泄漏，滿足快速移運(yùn)石油鉆機(jī)的技術(shù)要求，移運(yùn)效率高，零排放技術(shù)可靠，達(dá)到了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的HSE規(guī)范要求。

4結(jié)論

1)研制的鉆機(jī)零排放系統(tǒng)首次在快速移運(yùn)石油鉆機(jī)中應(yīng)用，既滿足快速移運(yùn)石油鉆機(jī)的高效率作業(yè)要求，又實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的清潔化生產(chǎn)。

2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)布局合理，工作流程簡(jiǎn)單易懂，使用狀態(tài)可靠，可在惡劣工況中保持良好的工作狀態(tài)，滿足零排放要求，符合HSE規(guī)范。

3)鉆機(jī)零排放系統(tǒng)的應(yīng)用為以后石油鉆機(jī)在清潔化設(shè)計(jì)制造方面提供了重要的參考方案。

4)目前只有國(guó)外鉆機(jī)提出了零排放的技術(shù)要求，伴隨著油氣開(kāi)采對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的日益提高，零排放技術(shù)將在國(guó)內(nèi)鉆機(jī)設(shè)計(jì)中作為一項(xiàng)重要的技術(shù)要求被廣泛應(yīng)用。

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Technical Analysis in Zero Discharge System of Fast Moving Drilling Rig

LYU Shuanming1，2，XU Weihua2，ZHANG Hui2，GAO Zhichao1，2，LI Haoqiang2

(1.CollegeofMechanicalEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China；2.CNPCBaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China)

Abstract：In order to meet the requirements of the fast moving drilling rig discharge in the drilling process，such as waste oil，waste mud，for no pollution caused in the drilling area，the zero discharge system (emission recovery system) was set up on the fast moving drilling rig.The paper introduces the structure，layout，working process and recycling method of zero discharge system.In the four areas：drilling floor area，solid control area，mud pump unit area，power supply area，the system setting water (oil) recovery unit，when the equipment emission oil (water)，or when pipeline leaking，or when the mud spill，the system use oil pan，separators，diversion pipes to collection the oil (water) into the recycle tank for centralized processing or recycled.From the application of the oil field，it shows that the system has high reliability，the design of “zero discharge” has achieved，the efficiency of emission recovery has been raised，the requirements of the fast moving drilling rig has been satisfied.

Keywords：drilling rig；zero discharge system；technical analysis

中圖分類號(hào)：TE922

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.004

作者簡(jiǎn)介：呂拴明(1982-)，男，陜西扶風(fēng)人，工程師，碩士研究生，2006年畢業(yè)于西安石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，從事石油鉆采設(shè)備的設(shè)計(jì)制造工作，E-mail：lvshuanming@126.com。

收稿日期：①2015-09-30

文章編號(hào)：1001-3482(2016)02-0016-05