油氣田負(fù)壓振動分離技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀＊

謝江浩 徐瑞翔 田相友 馬蒸釗

(1.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司；2.中國石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

隨著石油勘探開發(fā)工作的深入，固廢產(chǎn)生量隨之增加，不僅處理處置費(fèi)用增加，伴隨著收集轉(zhuǎn)運(yùn)處置過程中的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)也更加突出。在新《固廢法》中，規(guī)定了固體廢物污染環(huán)境防治應(yīng)堅(jiān)持“源頭減量”。針對固廢的減量化處理是固廢管理的基礎(chǔ)，發(fā)展相對成熟、技術(shù)工藝比較豐富的主要有小孔鉆井、連續(xù)軟管工藝、環(huán)保型鉆井液以及新型固控設(shè)施等[1-3]。傳統(tǒng)的鉆井液固控系統(tǒng)通常是由振動篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)等組成的三級或四級凈化系統(tǒng)。近年來，隨著第1級減量性能的提高，逐漸出現(xiàn)了“振動篩+離心機(jī)”的兩級凈化方案[4-6]。

國內(nèi)外性能優(yōu)越的第1級處理設(shè)備主要有DERRICK HYPERPOOL 4P 振動篩、GX/S雙軌跡振動篩、S610雙層變軌跡振動篩、長框傳輸型振動篩、負(fù)壓振動篩等。雙軌跡振動篩、雙層篩網(wǎng)、加長篩網(wǎng)、負(fù)壓等技術(shù)的目的都是提高篩分效率，保證鉆井過程固控效果。本文主要對現(xiàn)階段國內(nèi)外負(fù)壓振動分離技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

負(fù)壓振動分離技術(shù)是在篩網(wǎng)下方利用真空系統(tǒng)形成負(fù)壓腔室，以壓差和振動的復(fù)合作用分離鉆井液與鉆屑，提高振動篩的處理能力。將負(fù)壓分離技術(shù)應(yīng)用于固相控制系統(tǒng)，一方面可以降低固相含液率，減少回運(yùn)量；另一方面能夠有效控制鉆井液中固相顆粒的含量，保持鉆井液的密度、濾失性能、黏度等，確保鉆井液達(dá)到再利用的要求。

1 國外負(fù)壓振動分離技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 挪威Cubility公司MudCube負(fù)壓振動篩

美國Remteck公司在20世紀(jì)80年代，開發(fā)了MAX系統(tǒng)[7]，如圖1所示，首次將應(yīng)用于采礦的真空過濾原理應(yīng)用于鉆井液固液分離過程，通過過濾帶清除鉆井液中的固相。MAX系統(tǒng)配備了內(nèi)、外兩層濾帶。外層帶是由聚氨酯編制的、具有方形或矩形孔眼的過濾帶，內(nèi)層帶是泄流帶。當(dāng)其運(yùn)動時(shí)，處于真空臺上方的區(qū)段與真空臺構(gòu)成了一個(gè)密封區(qū)，鉆井液穿過過濾帶進(jìn)入負(fù)壓腔室。當(dāng)過濾帶進(jìn)入過濾作業(yè)區(qū)時(shí)，是貼在泄流帶上的。泄流帶由一個(gè)動力滾筒驅(qū)動，并依靠兩帶之間的摩擦力，帶動過濾帶同步運(yùn)行。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于鉆井液固液分離時(shí)液相較多，固相較少，同時(shí)受限于真空泵的工作效率，設(shè)備所需要的真空度難以持續(xù)。

圖1 MAX系統(tǒng)原理[7]

2004年，TrondMelhus等提出了真空輸送分離器(VCS)[8]，2009年，第一套MudCube系統(tǒng)被應(yīng)用于挪威大陸架Oseberg現(xiàn)場。在2010年的美國鉆井工程師協(xié)會鉆井液會議上，正式發(fā)布了該系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)資料。2012年正式商業(yè)運(yùn)作于Marsk Giant。經(jīng)過近10年的研究和試驗(yàn)，其產(chǎn)品更新?lián)Q代為圖2所示的結(jié)構(gòu)[9-10]。其主要工作原理如圖3所示[11]。

圖2 MudCube工作示意[10]

圖3 MudCube工作原理

相較于傳統(tǒng)的振動篩，MudCube系統(tǒng)采用了完全封閉式系統(tǒng)，設(shè)備在運(yùn)行過程中，無低頻振動產(chǎn)生的噪聲，能夠有效改善工作環(huán)境。

1.2 SWACO公司SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator

2015年底，SWACO公司推出了SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator，它是在傳統(tǒng)振動篩最后一塊或兩塊篩網(wǎng)下安裝真空負(fù)壓裝置，通過脈動氣流形成一定頻率的真空抽吸效果，從而提高鉆井液的回收量，降低待處理混合液固液分離的難度，有效降低處理后鉆井巖屑固相物料20%～30%的含液量，提高液相回用效率，從而大幅減少鉆井成本，脈沖式負(fù)壓振動篩示意見圖4[12]。

圖4 脈沖式負(fù)壓振動篩示意[12]

在真空泵工作過程中，脈沖性氣流帶動篩網(wǎng)下負(fù)壓吸盤內(nèi)的壓力規(guī)律性變化，既能提高篩分效率，又能降低固相中含液率，脈沖式負(fù)壓振動篩工作原理見圖5。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與使用普通振動篩相比，應(yīng)用該技術(shù)可以使油基鉆屑含油量從19%降至5.6%[12]。

圖5 脈沖式負(fù)壓振動篩工作原理

2 國內(nèi)負(fù)壓振動篩分離技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)某公司曾引進(jìn)MudCube振動篩，并在長寧頁巖氣鉆井中進(jìn)行了試驗(yàn)，與國內(nèi)優(yōu)秀的振動篩產(chǎn)品相比，其實(shí)際使用效果并不具備很大優(yōu)勢。同時(shí)，該公司也對MudCube振動篩進(jìn)行了國產(chǎn)化的試制，但價(jià)格太高，遠(yuǎn)超出了國內(nèi)陸上鉆井公司的承受能力，同時(shí)，MudCube振動篩部分特殊元件制造困難。到目前為止，還未見有該產(chǎn)品國產(chǎn)化試驗(yàn)的報(bào)道。

西南石油大學(xué)在2000年前后，提出了基于傳統(tǒng)振動篩在篩面下形成負(fù)壓以增大振動篩處理量的構(gòu)想，但并未能形成實(shí)際的設(shè)計(jì)。2010年以來，針對負(fù)壓振動篩，先后有多家單位申請了相關(guān)專利，如表1所示。

表1 國內(nèi)負(fù)壓振動篩申請專利情況

表1所述專利涉及的結(jié)構(gòu)原理基本相似，均是在傳統(tǒng)振動篩下方安裝負(fù)壓吸盤。需要特別指出的是寶石機(jī)械的兩個(gè)專利：“一種負(fù)壓鉆井液振動篩”在真空泵與氣液分離器之間設(shè)有真空恒壓閥，使得吸盤真空度恒定，從而大大保證了固液分離效率；“一種串聯(lián)式雙層負(fù)壓振動篩”綜合了DERRICK HYPERPOOL與SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator的優(yōu)點(diǎn)。

在SWACO公司推出SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator產(chǎn)品后，國內(nèi)多個(gè)廠家都宣稱正在開發(fā)負(fù)壓振動篩產(chǎn)品。西南石油大學(xué)和四川寶石機(jī)械專用車有限公司合作，在國內(nèi)首先開發(fā)出了負(fù)壓振動篩的樣機(jī)。此外，河北冠能石油機(jī)械制造有限公司與河北北鉆石油鉆采設(shè)備有限公司先后開發(fā)出各自的真空負(fù)壓振動篩[20-21]。

3 負(fù)壓振動分離技術(shù)比較

盡管脈沖式負(fù)壓振動篩與MudCube兩者都采用了負(fù)壓分離技術(shù)，但其應(yīng)用形式有顯著不同。

1)氣源應(yīng)用不同。脈沖式負(fù)壓振動篩采用的真空泵一般為氣動噴射真空泵，所以氣源主要用于真空泵的驅(qū)動，在生產(chǎn)現(xiàn)場對氣源的穩(wěn)定性要求較高。MudCube采用的是旋片式真空泵，電力驅(qū)動，其氣源應(yīng)用主要是在篩網(wǎng)內(nèi)側(cè)的“吹掃”，防止顆粒物堵塞篩孔降低篩分效率。

2)單顆粒物受力不同。針對兩種負(fù)壓振動篩建立了“單顆?！绷W(xué)模型，對比發(fā)現(xiàn)，摩擦力在脈沖式負(fù)壓振動篩中是阻礙顆粒物運(yùn)動，但在MudCube中摩擦力是作為顆粒物運(yùn)動的驅(qū)動力。由于受力模型不同，最終使得顆粒物的運(yùn)動形式也不相同。脈沖式負(fù)壓振動篩單顆粒受力示意見圖6，MudCube單顆粒受力示意見圖7。

圖6 脈沖式負(fù)壓振動篩單顆粒受力示意

圖7 MudCube單顆粒受力示意

圖6、圖7中，G為固相顆粒重力；FN為固相顆粒對篩面正壓力；f=FN×μ，表示固相顆粒在篩網(wǎng)上所受摩擦力；R為鉆井液對固相顆粒拖拽阻力與真空泵給篩面負(fù)壓力的合力。

3)密封形式不同。MudCube采用的是柔性篩網(wǎng)，由驅(qū)動輪帶動篩網(wǎng)向前運(yùn)行，篩網(wǎng)與負(fù)壓腔密封偶合件之間是相對運(yùn)動的，屬于動密封。而脈沖式負(fù)壓振動篩往往是在最后一塊或兩塊篩網(wǎng)下布置了負(fù)壓吸盤，吸盤隨著振動篩上下振動，篩網(wǎng)與吸盤密封偶合件之間是相對靜止的，屬于靜密封。

脈沖式負(fù)壓振動篩密封偶合件見圖8，MudCube密封偶合件分別見圖9。從密封效果看，脈沖式負(fù)壓振動篩的靜密封難度更小、效果更優(yōu)；從處理量看，MudCube由于采用了全篩面負(fù)壓，處理量更大。

圖8 脈沖式負(fù)壓振動篩密封偶合件

圖9 MudCube密封偶合件

綜上所述，可以看出盡管脈沖式負(fù)壓振動篩與MudCube均采用了“負(fù)壓”形式的振動篩，但是由于振動篩形式不同，篩上物的受力不同，使得篩上固相顆粒的速度表達(dá)形式不同?？傮w上來看，脈沖式負(fù)壓振動篩相對于傳統(tǒng)振動篩，是通過減小篩上固相顆粒物的運(yùn)移速率延長其停留時(shí)間的方式來加強(qiáng)振動篩的固液分離效率，而MudCube是盡可能將振動篩的“勢能”轉(zhuǎn)化為顆粒物的“動能”，使顆粒物以較高速度撞擊篩面以加強(qiáng)振動篩的固液分離效率。與此同時(shí)，在前期現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，無論是MudCube還是脈沖式負(fù)壓振動篩，處理后固相含液率均可穩(wěn)定在40%以下，減量化效果明顯。

4 結(jié)束語

隨著公眾環(huán)保意識的增強(qiáng)，適用“源頭減量”的高效篩分方案將得到更多認(rèn)可。國內(nèi)鉆完井固液分離過程中，負(fù)壓分離技術(shù)的研究起步較晚，目前主要是依靠技術(shù)引進(jìn)、仿制等手段摸索前進(jìn)。負(fù)壓分離技術(shù)由于分離效率顯著，在鉆完井廢物處理過程中：一方面可以大幅減少固廢的最終處置量，降低處置成本；另一方面可以實(shí)現(xiàn)鉆井液的最大化利用，減少鉆井液補(bǔ)充。因此，負(fù)壓分離振動篩將是未來的一項(xiàng)重要固控分離技術(shù)。對比現(xiàn)有的負(fù)壓分離技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)：①M(fèi)udCube的處理效果更好，但是依賴純進(jìn)口，設(shè)備投入較大；②脈沖式負(fù)壓振動篩已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單，易操作，成本較低。