海洋油基鉆屑處理用錘磨式熱分離系統(tǒng)的研制*

李斌 王傳鴻 吳坤坤 韓金權(quán) 張貴磊 張忠亮

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部 2. 四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司)

0 引 言

近年來，海上石油勘探開發(fā)業(yè)務(wù)迅速發(fā)展，由此產(chǎn)生的鉆井與完井廢棄物對(duì)環(huán)境的影響越來越嚴(yán)重，特別是對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成無法挽救的后果。含油鉆屑是鉆井與完井過程中被鉆井液包裹及被帶到地面的井內(nèi)巖屑，屬于鉆井污染物中的固體污染物。鉆井中的含油污泥、散失的鉆井液材料(重晶石、膨潤(rùn)土粉和堵漏劑等)、凝固的水泥廢漿，以及其他廢棄物統(tǒng)稱為固體污染物。

2000年3月頒布的《北大西洋和東大西洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)》中指明，向海洋排放的鉆屑含殘留礦物油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要低于1%。我國(guó)《海洋環(huán)境保護(hù)法》第五十一條規(guī)定，海洋石油鉆井船、鉆井平臺(tái)和采油平臺(tái)的含油污水油性混合物必須經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放，鉆井所使用的油基鉆井液和其他有毒復(fù)合鉆井液不得排放入海。目前，海上鉆井廢棄物的處理工藝僅限于排放、回注或運(yùn)回岸上處理，而國(guó)內(nèi)常用于陸地固廢處理的工藝，如固化技術(shù)[1]、生物分解技術(shù)[2]、化學(xué)萃取技術(shù)[3]及燃燒技術(shù)[4]等，由于存在無法回收基礎(chǔ)油、處理時(shí)間長(zhǎng)、占地面積大和存在明火等缺點(diǎn)，無法滿足在海上平臺(tái)的使用要求。

國(guó)外海上油泥處理經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)已比較成熟。其中Thermtech公司最早提出的錘磨式熱分離技術(shù)[5]被廣泛采納，其處理溫度在中低溫度范圍能遏制二噁英的產(chǎn)生[6]，處理后的固相含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)可低于1%，滿足排海要求[7-8]。作為一種物理修復(fù)方法，錘磨式熱分離技術(shù)具有污染物處理范圍廣、處理速率高、設(shè)備可移動(dòng)以及修復(fù)后土壤可再利用等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于揮發(fā)性、半揮發(fā)性及難揮發(fā)性有機(jī)物、揮發(fā)性無機(jī)物的土壤修復(fù)[9]。然而國(guó)內(nèi)對(duì)錘磨式熱分離技術(shù)的研究較晚，研究?jī)?nèi)容多為錘磨機(jī)的綜述性介紹[10-12]。雖然中國(guó)石油大學(xué)、西南石油大學(xué)和川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院等在理論上對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了研究并嘗試研制了工程樣機(jī)，但目前仍未有成熟產(chǎn)品投放市場(chǎng)。為此，中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部和四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司聯(lián)合開發(fā)了錘磨熱分離的核心技術(shù)，研制了新型錘磨式熱分離系統(tǒng)，完善了錘磨熱分離流程，實(shí)現(xiàn)了此項(xiàng)技術(shù)與裝備的國(guó)產(chǎn)化和工業(yè)化應(yīng)用。該系統(tǒng)的研制成功為我國(guó)海洋油氣領(lǐng)域環(huán)保發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 錘磨式熱分離系統(tǒng)技術(shù)分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

錘磨式熱分離系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。錘磨式熱分離系統(tǒng)工作流程包括運(yùn)輸進(jìn)料、錘磨分離、卸料、油水分級(jí)冷凝冷卻以及固相處理等。運(yùn)輸進(jìn)料包含1個(gè)鉆井液攪拌罐和1臺(tái)雙缸液壓活塞泵,錘磨分離包含1臺(tái)錘磨熱分離器和動(dòng)力輸入設(shè)備，卸料由1個(gè)夾套水冷絞龍和1臺(tái)加濕噴淋機(jī)組成,油水分級(jí)冷凝冷卻包含洗滌罐、油冷凝罐、水冷凝罐和三相分離器。

1.2 錘磨分離器

錘磨分離器是系統(tǒng)的核心部件，與常規(guī)的固廢處理器相比，錘磨分離器具有反應(yīng)器內(nèi)溫度均勻，處理過程無明火，鉆屑從進(jìn)入反應(yīng)器到處理結(jié)束需要的時(shí)間短以及反應(yīng)器占地面積小等特點(diǎn)。

圖2是錘磨分離器的三維結(jié)構(gòu)圖。錘磨分離器由轉(zhuǎn)筒及裝有若干錘臂的主軸構(gòu)成，筒體上開有進(jìn)、出料口和蒸汽出口，用以實(shí)現(xiàn)鉆屑的輸入、輸出和氣體的排出。轉(zhuǎn)子由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)將巖屑的較重部分壓向定子的內(nèi)壁。轉(zhuǎn)子使材料床內(nèi)堵顆粒相互之間不斷摩擦，從而產(chǎn)生熱量，使油和水蒸發(fā)。不同于其他錘磨設(shè)備，錘磨分離器的進(jìn)料口開在筒壁上，優(yōu)點(diǎn)是鉆屑進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)能直接與高溫旋轉(zhuǎn)的砂子充分緊密接觸，使含油鉆屑瞬間干燥，從而更容易與罐內(nèi)砂子混合，實(shí)現(xiàn)快速分離。結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)每片轉(zhuǎn)子包含4片錘臂，相鄰轉(zhuǎn)子錘臂交錯(cuò)布局并緊密排列，既消除攪拌過程中顆粒在葉片間距內(nèi)堆積，同時(shí)也增大了顆粒和筒壁的摩擦因數(shù)，這也符合相關(guān)仿真計(jì)算[13]的結(jié)論。錘臂間留出充足的蒸汽通道以方便蒸汽在中心流動(dòng)。在蒸汽出口端設(shè)置掃灰筒，作用是將從蒸汽中沉積的灰攪動(dòng)以防止其堵塞出氣口。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與筒體間的密封采用高溫盤根密封，在軸承外側(cè)采用循環(huán)水冷卻，保證軸承溫度在60 ℃以下。同時(shí)在蒸汽出口端的管壁上纏繞伴熱帶，設(shè)備在開機(jī)前及停機(jī)后通過伴熱帶加熱管道，能減少油蒸汽在管壁冷凝，有效避免冷凝油吸附干灰而堵塞管道。而錘磨轉(zhuǎn)子的頂端和筒體內(nèi)部經(jīng)過碳化鎢堆焊處理，可大大減緩因摩擦而導(dǎo)致反應(yīng)器損壞。

1—進(jìn)料泵;2—錘磨分離機(jī);3—卸料閥;4—水冷絞龍;5—噴淋加濕機(jī);6—洗滌罐;7—油冷凝罐;8—水冷凝罐;9—冷卻水罐;10—三相分離器;11—冷卻風(fēng)機(jī);12—主電機(jī);13—制氮機(jī);14—液壓站。

圖2 錘磨分離器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of hammer grinding separator

1.3 主要參數(shù)

錘磨反應(yīng)器的處理能力為2 t/h,處理溫度為270～330 ℃,工作轉(zhuǎn)速為500～650 r/min，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入功率550 kW，反應(yīng)器筒體直徑1 m、長(zhǎng)度1 m，處理的鉆屑能滿足含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%的排放標(biāo)準(zhǔn)，回收油可用于生產(chǎn)復(fù)配。

2 試驗(yàn)與分析

2019—2020年，中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部與四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司先后分階段進(jìn)行了3次試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖谦@取設(shè)備的實(shí)際處理能力、功率需求、錘磨反應(yīng)器的處理溫度、處理后固相含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)及回收油含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并分析設(shè)備各參數(shù)之間的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)設(shè)備處理的自動(dòng)化。

2.1 系統(tǒng)流程

錘磨式熱分離系統(tǒng)流程如圖3所示。含油鉆屑經(jīng)過振動(dòng)篩過濾較大雜質(zhì)后落入鉆井液罐，通過攪拌軸攪拌后泵入錘磨分離器，錘磨分離器轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，使物料在筒體內(nèi)形成環(huán)形圈層，通過摩擦生熱使物料溫度升高，錘磨分離器內(nèi)的溫度控制在290～310 ℃之間，處理完的固相從錘磨分離器的底端口排出，經(jīng)夾套水冷絞龍降溫、加濕機(jī)除塵降溫除塵后排出。剩下的油、水和蒸汽經(jīng)過油洗滌器將蒸汽中的殘余固相洗滌干凈，然后通過油冷凝罐、水冷凝罐及三項(xiàng)分離器將油和水分別冷卻分離。

圖3 錘磨式熱分離系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of hammer grinding thermal separation system

2.2 廠內(nèi)試驗(yàn)

2019年8月，該錘磨式熱分離系統(tǒng)在四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司進(jìn)行了廠內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。物料選用鄂宜頁1HF井油基鉆屑，檢測(cè)其含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5%，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.8%，累計(jì)處理物料約15 t。工作溫度可穩(wěn)定控制在260～370 ℃，最大處理量不低于2 t/h。處理每噸物料能耗約250 kW(其中熱脫附能耗小于200 kW，輔助系統(tǒng)耗能50～60 kW)。處理后的物料滿足國(guó)家固相含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 廠內(nèi)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 In-plant test site

廠內(nèi)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)以下問題：①油泥密度和黏度較大；②因錘磨分離器運(yùn)行時(shí)的離心作用影響的油泥進(jìn)料比較困難；③蒸汽攜帶的粉塵在洗滌罐中易沉積；④普通熱油泵攜砂能力差，易堵塞循環(huán)熱油泵；⑤停機(jī)后卸料閥內(nèi)殘余物易膨化結(jié)塊，導(dǎo)致無法持續(xù)下料。針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題，分別采取更換液壓活塞泵、優(yōu)化洗滌罐的運(yùn)行流程以及采用氣吹疏導(dǎo)卸料閥內(nèi)粉塵的方法，在一定程度上緩解或解決了相關(guān)問題。

2.3 湛江陸地試驗(yàn)

2020年4月，錘磨式熱分離系統(tǒng)在湛江進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)主要目的是查看設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。試驗(yàn)物料為振動(dòng)篩排出的油基鉆屑、離心機(jī)排出的油基鉆屑和甩干機(jī)排出的鉆屑，三者按照質(zhì)量比6∶3∶1混合而成?；旌衔锏暮唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)加權(quán)計(jì)算17%左右。含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)表示排放的干渣含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)。系統(tǒng)從4月24—29日累計(jì)正常穩(wěn)定運(yùn)行20 h，處理鉆屑量35 t以上，其中4月27日連續(xù)運(yùn)行8 h，處理鉆屑量15 t左右?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)將系統(tǒng)的工作溫度設(shè)定在260～370 ℃之間，均能保持穩(wěn)定運(yùn)行，可通過調(diào)節(jié)處理量和電機(jī)載荷來調(diào)節(jié)溫度，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)溫度波動(dòng)在-5～5 ℃之間?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試最大處理量為3.1 t/h，鉆屑含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%，大幅超出設(shè)計(jì)指標(biāo)的原因是鉆屑含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低(5%左右)。在設(shè)備正常工作的溫度區(qū)間下，處理量均可以達(dá)到2 t/h以上。通過檢測(cè)，干渣含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在0.12%～4.35%之間。作業(yè)過程中調(diào)試工作溫度的范圍比較廣，導(dǎo)致含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)較大。通過調(diào)節(jié)工作溫度就可以控制含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)，故系統(tǒng)在通過第三方尾氣檢測(cè)符合國(guó)家尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能節(jié)能運(yùn)行。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，蒸汽管道易堵塞，循環(huán)熱油泵在溫度80～100 ℃時(shí)已出現(xiàn)無壓力抽吸狀態(tài)。為此，采用伴熱帶加熱管道以防止油蒸汽在管壁冷凝，在油洗滌罐上增加加熱器，開機(jī)前將循環(huán)油的溫度加熱到120 ℃以上，防止罐內(nèi)殘余水分汽化而發(fā)生氣附。

2.4 海上工業(yè)試驗(yàn)

2020年9月初，錘磨式熱分離系統(tǒng)在WZ12-2B平臺(tái)進(jìn)行了隨鉆測(cè)試。該系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行超過1 500 h，處理含油鉆屑量2 000 t以上，處理后含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)能滿足GB 4914—2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》關(guān)于一級(jí)海域排放要求。系統(tǒng)整體運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足作業(yè)要求。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)設(shè)備的智能化程度還不高，需要熟練人員持續(xù)長(zhǎng)期值守，主要原因是針對(duì)不同物料的處理參數(shù)研究不夠，同一套預(yù)定參數(shù)針對(duì)不同的油泥處理需要人為干預(yù)調(diào)整。

因此下一步的研究重點(diǎn)是針對(duì)物料參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,采用數(shù)據(jù)自動(dòng)比對(duì)來調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。海上試驗(yàn)系統(tǒng)布置示意圖如圖5所示。

圖5 海上試驗(yàn)系統(tǒng)布置示意圖Fig.5 Layout of offshore test system

3 結(jié) 論

(1)研制的錘磨式熱分離系統(tǒng)在海上平臺(tái)已成功投入使用，該系統(tǒng)結(jié)束了長(zhǎng)期需要將有機(jī)固廢運(yùn)往陸地的時(shí)代，為海上鉆井平臺(tái)服務(wù)市場(chǎng)提供了重要的技術(shù)支撐。

(2)針對(duì)系統(tǒng)在試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。錘磨式熱分離系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行已超過1 500 h，已累計(jì)處理2 000余t油基鉆屑，設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性得到了充分驗(yàn)證。

(3)錘磨式熱分離系統(tǒng)處理效果好，占地面積小于100 m2，每噸固廢處理耗能在200 kW左右，處理溫度在270～330 ℃之間，安全性高、無明火。處理完的固相完全滿足直接排海要求，油相滿足回用要求，尾氣滿足國(guó)家尾氣排放要求。