帶油巖屑隨鉆預(yù)處理裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化

鄭德帥

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 102260)

0 引 言

1 帶油巖屑隨鉆預(yù)處理裝置設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井過程產(chǎn)生的帶油巖屑進(jìn)行隨鉆預(yù)處理的功能，預(yù)處理裝置由螺旋輸送器(3條)、巖屑甩干機(jī)、螺桿泵、變頻高速離心機(jī)、泥漿緩沖罐組成。見圖1。

圖1 帶油巖屑預(yù)處理裝置

1號(hào)螺旋輸送器將常規(guī)固控設(shè)備振動(dòng)篩處理后的巖屑輸送至巖屑甩干機(jī)，巖屑甩干機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，帶油巖屑均勻堆積在甩干機(jī)篩藍(lán)上，而巖屑上的油基鉆井液通過篩藍(lán)上的縫隙被甩出去并收集起來。分離出油基鉆井液的巖屑被刮刀收集至卸料斗[9]，由2號(hào)螺桿輸送器輸送至巖屑箱。甩干機(jī)收集的油基鉆井液中含有大量的微粒固相，不能直接回收利用。螺桿泵將分離出的油基鉆井液泵送至變頻高速離心機(jī)，經(jīng)過離心機(jī)處理，將油基鉆井液中大于2 μm有害固相分離出去[10]，通過3號(hào)螺旋輸送器輸送至巖屑箱；分離出有害固相的油基鉆井液進(jìn)入泥漿緩沖罐，返回泥漿罐中實(shí)現(xiàn)回收利用。

1.2 關(guān)鍵設(shè)備選型

按照隨鉆處理的要求，設(shè)備的處理能力要大于鉆進(jìn)過程中巖屑的產(chǎn)生量。目前油基鉆井液鉆進(jìn)的井眼尺寸基本為215.9 mm[11]，假設(shè)井眼平均擴(kuò)大率為20%，機(jī)械鉆速5～20 m/h[12]，巖屑密度為2.6 g/cm3，經(jīng)計(jì)算每小時(shí)產(chǎn)生的最大巖屑量為2.86 t，國內(nèi)涪陵、威遠(yuǎn)、南川等主要頁巖氣區(qū)塊應(yīng)用的油基鉆井液密度一般在1.4～2.0 g/cm3，根據(jù)高速離心機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)鉆井液密度為2.0 g/cm3時(shí)，其長時(shí)間聯(lián)系處理能力降低為標(biāo)準(zhǔn)處理量(處理液體密度約為1.0 g/cm3)的10%，因此甩干機(jī)、離心機(jī)的連續(xù)處理量不能低于30 t/h。

選擇的甩干機(jī)和離心機(jī)參數(shù)見表1、表2所列。

表1 巖屑甩干機(jī)主要參數(shù)

表2 高速離心機(jī)主要參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化

2.1 運(yùn)行過程出現(xiàn)的問題

帶油巖屑隨鉆預(yù)處理裝置在現(xiàn)場運(yùn)行時(shí)主要問題有兩點(diǎn)。

(1) 甩干機(jī)在甩干巖屑、刮刀在處理巖屑時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量各種粒徑的小巖屑，篩藍(lán)的縫隙一般設(shè)計(jì)為0.2～0.5 mm，經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，篩藍(lán)縫隙被相同粒徑的巖屑堵住，小微粒巖屑逐漸堆積沉淀成致密的濾餅，導(dǎo)致油基鉆井液不能分離出去，卸料斗內(nèi)的巖屑含油量高于10%，達(dá)不到降低含油量的指標(biāo)。

(2) 甩干機(jī)通過高速分離巖屑表面的油基鉆井液時(shí)，部分巖屑在較大的離心力作用下出現(xiàn)破碎，刮刀在收集篩藍(lán)上堆積的巖屑時(shí)也會(huì)破碎一部分巖屑，巖屑破碎會(huì)產(chǎn)生大量不同粒徑的巖屑顆粒，直徑小于篩藍(lán)縫隙寬度的巖屑顆粒將與油基鉆井液一同被收集，因此其固相含量遠(yuǎn)高于一般的油基鉆井液，變頻高速離心機(jī)在處理這種油基鉆井液時(shí)，非常容易堵塞，導(dǎo)致裝置中斷運(yùn)行。

2.2 優(yōu)化措施

針對(duì)甩干機(jī)、離心機(jī)堵塞的技術(shù)難點(diǎn)，目前有風(fēng)刀除塵、進(jìn)液量智能調(diào)控等多種手段，但沒有從根本上解決問題，新增加的結(jié)構(gòu)和功能也有失效的風(fēng)險(xiǎn)。

選用0.4～0.5 mm大縫隙的甩干機(jī)篩藍(lán)，使小顆粒巖屑與油基鉆井液一同分離出去，由于縫隙大被堵塞的可能性降低，即使被相同粒徑的巖屑填充，留下的間隙也足以使微小巖屑通過，避免形成致密濾餅，經(jīng)過計(jì)算分析，得出了甩干機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速是800～900 r/m。

2.3.3 醫(yī)護(hù)工作者職業(yè)認(rèn)同的職稱差異 對(duì)醫(yī)護(hù)工作者職業(yè)認(rèn)同進(jìn)行職稱的方差分析（見表8），結(jié)果表明：不同職稱醫(yī)護(hù)工作者的職業(yè)期望、職業(yè)技能、職業(yè)意志存在顯著性差異，而其他因素不存在顯著性差異；副主任醫(yī)師及以上職稱的醫(yī)護(hù)工作者職業(yè)認(rèn)同程度高于其他醫(yī)護(hù)工作者；護(hù)士職稱越高認(rèn)同程度越低，醫(yī)生職稱越高認(rèn)同程度越高。

研究了高速離心機(jī)轉(zhuǎn)速與分離粒徑的關(guān)系?；趲r屑滑落速度公式，離心機(jī)轉(zhuǎn)速與固相顆粒粒徑的關(guān)系[13]為：

式中：R為離心機(jī)轉(zhuǎn)速半徑，m；v為離心機(jī)容量，m3；Q為進(jìn)液排量，m3/s；vs為固相顆粒的運(yùn)移速度，m/s；F為巖屑顆粒離心機(jī)，N；d為固相顆粒的直徑，mm；ρrc為固相顆粒的密度，g/cm3；ρd為鉆井液的密度，g/cm3；μpv為鉆井液黏度，mPas。

帶入正常鉆進(jìn)時(shí)的參數(shù)，可得以下簡化公式：

圖2 轉(zhuǎn)速-巖屑粒徑分離曲線

巖屑甩干機(jī)選用大縫隙篩藍(lán)后，解決了甩干機(jī)堵塞的問題，但分離出的油基鉆井液固相含量更高，增大了高速離心機(jī)堵塞的概率。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了高速離心機(jī)分時(shí)分速依次處理的技術(shù)思路。

首先設(shè)計(jì)增加一個(gè)鉆井液緩沖罐，離心機(jī)配備2個(gè)獨(dú)立的鉆井液罐。甩干機(jī)分離出的固相含量較高的油基鉆井液首先進(jìn)入1號(hào)罐，1號(hào)罐內(nèi)的泵將油基鉆井液泵入離心機(jī)，此時(shí)離心機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為1 000～1 200 r/min，低速條件下離心機(jī)把大于8 μm的巖屑顆粒分離出去，分離后的油基鉆井液進(jìn)入1號(hào)罐。由于離心機(jī)處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，只能分離大顆粒的固相，因此不會(huì)堵塞。低速處理30 min后1號(hào)罐內(nèi)的油基鉆井液大于8 μm的固相大部分被分離出去；離心機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整至2 500～3 000 r/min，離心機(jī)的出口自動(dòng)轉(zhuǎn)化為2號(hào)罐，由于油基鉆井液已經(jīng)被低速預(yù)處理，固相含量大大降低，因此高速離心機(jī)也不會(huì)出現(xiàn)堵塞的狀態(tài)。2號(hào)罐的油基鉆井液中基本沒有2～8 μm粒徑的固相，達(dá)到重新利用標(biāo)準(zhǔn)，積累達(dá)到一定體積后由2號(hào)罐的泵送入鉆井液循環(huán)體系中，實(shí)現(xiàn)回收利用。根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)料的速度，科對(duì)低速處理、高速處理的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

將帶油巖屑隨鉆預(yù)處理裝置作為一個(gè)整體，通過協(xié)調(diào)優(yōu)化巖屑甩干機(jī)篩藍(lán)間隙、離心機(jī)的分時(shí)分速處理，達(dá)到了整體優(yōu)化的效果。

3 應(yīng)用效果

帶油巖屑隨鉆預(yù)處理裝置在中石化江漢油田進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的效果。在紅星區(qū)塊紅頁1試驗(yàn)井組，共處理巖屑124 t，回收油基鉆井液31.35 m3，處理后的巖屑含油量低于5%，固廢處理量降低15.21%。

圖3 巖屑脫油處理后的干粉末

4 結(jié)論與建議

(1) 設(shè)計(jì)的帶油巖屑處理裝置由巖屑甩干機(jī)和離心機(jī)及其他配套裝置組成，可將鉆井產(chǎn)生的巖屑進(jìn)行隨鉆處理，實(shí)現(xiàn)了回收利用油基鉆井液，降低固體廢棄物排放的效果。

(2) 增大甩干機(jī)篩藍(lán)縫隙，降低甩干機(jī)堵塞概率；采用離心機(jī)分時(shí)分速處理方法，低于處理大顆粒巖屑，高速處理小顆粒巖屑，通過依次處理達(dá)到離心機(jī)持續(xù)無堵塞運(yùn)行的目的，甩干機(jī)和離心機(jī)協(xié)調(diào)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了裝置整體持續(xù)無故障運(yùn)行的效果。

(3) 帶油巖屑隨鉆預(yù)處理裝置在運(yùn)行時(shí)，螺旋輸送器數(shù)量多、長度大，并且兩端需要準(zhǔn)確對(duì)接設(shè)備，使用前要了解井場振動(dòng)篩、氣液分離器等裝置的位置，保證準(zhǔn)確安裝和順利運(yùn)行。