基于模糊数学的含油钻屑处理效果评价研究

郑秋生，阮 锋

(1.中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司 天津300457；2.中国海洋石油国际公司 北京100027)

含油岩屑作为钻井过程中的产物，如果不经处理直接排放将会造成环境污染，目前含油钻屑常规处理方法有钻屑热解、焚烧、回注地层、热清洗等。本研究中的含油岩屑不是新鲜岩屑，存放时间较长，通过微观结构观察发现一些油已经渗透进岩屑颗粒内部，如采用常规的清洗工艺，岩屑外层的油容易清洗掉，但岩屑内部渗透进的油将会导致岩屑整体的含油率不达标。因此通过室内试验对处理工艺进行模拟，为现场工程化的实际应用提供依据。

含油钻屑清洗过程中岩屑固液比、搅拌时间、药剂浓度、加热温度等因素都影响最终的清洗效果；通过采用正交设计试验方法，能在同样试验工作量情况下获得更多的信息；由于除了处理后岩屑含油率这一指标外，处理后的含液率也是一个需要控制的指标。为确保综合处理指标的合理性，采用模糊数学方法，得到了各因素水平的最佳搭配[1]。

1 岩屑清洗试验研究

1.1 岩屑清洗影响因素分析

岩屑固液比、搅拌时间、药剂浓度、加热温度等因素是影响最终清洗效果的关键因素。岩屑固液比越小，水量越大，在工程实施过程中，冲击水的流量越大、流速越高对岩屑的冲击效果越好；另一方面，含水率越高的情况下岩屑的分散性越好，可以提高水油界面接触的机会，对岩屑表层含油的清洗效果越好。但是岩屑含水率太高将会导致整体处理效率降低，延长处理时间，相对增加处理成本。搅拌时间越长，对岩屑切割得越充分，渗透进岩屑中的油越容易清洗干净。但搅拌时间长将会降低处理效率，切割的颗粒越细小，将会导致离心分离后含水率上升，岩屑总体重量变大，后续进一步处理成本变高。药剂浓度增加效果会趋优，但将会增加整体的运维成本。加热温度趋高，整体的清洗效果会越好，但温度过高会增加能耗，处理成本相应增加。

1.2 试验设计

试验选取岩屑固液比、搅拌时间、药剂浓度、加热温度作为4项评价因素，通过预试验确定每个评价因素的水平范围，每个因素选取具备代表性的3个水平值。采用L9(34)正交表，正交设计方案见表1。

表1 因素水平表Tab.1 Factor level table

1.3 处理效果测试

试验选用的含油岩屑由现场直接取得，外观呈颗粒粘稠状，经测试其含水率 27%、含油率 12%、含固率61%。

对项目工程实施过程中的环保要求及清洗后岩屑后续处理的经济性要求进行综合考量，选取处理后岩屑含油量和含水率2个指标作为评价指标。

含油率测试：采用索氏提取-分光光度法测定含油率[2]。

处理后含水率测试：采用国家标准水-油混合体系含水率的测定方法；剩余的杂质经过滤、洗涤、烘干、静置，称重得含水率。

1.4 试验程序

①用电子秤称取100g岩屑。②将岩屑放入烧杯中，依表2所列参数按照比例放入清水及化学药剂，将烧杯放置在恒温水浴锅中，使用搅拌机连续对岩屑进行切割搅拌，达到时间要求后加入一定的絮凝剂混合搅拌并进行离心分离。③取离心后固相测定含油、含液率。④重复进行②、③步骤，共进行 9次试验。④取得试验结果进行后续的分析。

2 模糊综合评价模型的建立

2.1 指标集和对象集

以含油率指标Y1和含水率指标Y2建立评价指标集U＝{Y1，Y2}。评价对象及实验结果见表2。

2.2 隶属函数模型[3]

建立评价指标集 U对评价集 V的隶属函数，隶属数rmn在 0～1之间(m＝1，2；n＝1，2，…，9)。

表2 正交试验结果Tab.2 Result of orthogonal experiment

含油率和含水率属于偏小型指标，隶属函数为：

构建的模糊关系矩阵为：

2.3 夹角余弦赋权法确定权重分配集[4]

本分析选用夹角余弦赋权法构造各项指标的权重。

对于表2所列9个实验方案的集合：

可以得到9个方案关于2项评价因素指标矩阵：

2.3.1 建立2项指标的最优方案*U和最劣方案U*

其中I1、I2、I3分别为效益性、成本型、适度性指标。含油率、含液率均属于成本型指标。

2.3.2 构造9个方案与*

U 和U*的相对偏差矩阵

2.3.3 构建2项评价指标的权重

2.4 模糊综合评价值的计算[4]

2.5 主效应分析[1]

工艺参数组成的因素为Ci，其论域为Xi，则有：Xi={Cij}。将因素Ci在各水平 j上Cij的模糊综合评价值之和归一化，得到该因素水平对模糊综合评价值的影响程度代表Cij属于模糊集合Ci的程度，它也是定义在论域Xi上的，故可将表示为Xi上的模糊子集，则有：

根据最大隶属度原则，确定各因素对综合评价的影响程度。

3 模型试验结果分析

3.1 依据前面的计算原理可得

表3 正交试验指标隶属度、模糊综合评价值Tab.3 Orthogonal experiment index membership and fuzzy comprehensive evaluation value

3.2 主效应分析

由表3得到主要工艺参数组成的 4个模糊子集Ci为：

根据最大隶属度原则可知，各因素的影响程度分别为：

C1= 0.3665，C2= 0.3802，C3= 0.3809，C4=0.3516，表明各因素对模糊综合评价值的影响顺序为C3＞ C2＞ C1＞ C4，即：药剂浓度＞清洗时间＞岩屑固液比＞清洗温度。最优的工艺条件为：岩屑固液比1∶5，清洗时间 30min，药剂浓度 30mg/L，清洗温度60℃。

通过分析，发现药剂浓度和清洗时间对整体工艺的影响效应几乎相等，是 2个主要的影响因素。药剂在其中起到的作用是改变界面性质、降低界面张力，使油滴离开岩屑表面[5-6]；清洗时间越长、岩屑破碎的颗粒越细小，药剂和清水对岩屑内部油的清洗分离越彻底，处理后的含油率越低。

4 验证性试验

依据模型分析结果，按照1.4试验程序进行验证性试验，经测试分析处理的岩屑含油率为 1.98%，含液率 20.2%；除油率达到 83.5%。本实验研究为后续的工程化应用提供参数依据，后续的工程化应用过程中将以此为基础，进行放量参数调节。

5 结 论

含油岩屑清洗效果受多个因素的影响，每种因素对最终的处理效果均有正向和负向的影响，需要在各种因素之间求取平衡，确保在达到处理效果的同时兼顾到经济性要求。利用夹角余弦赋权方法确定权重，可避免人为主观因素对各个指标在最终的结果中所占比重影响，其大小得到更客观精确的表征，从而使所得出的结果更精确[7]。经过理论分析得出各试验因素影响程度依次为：药剂浓度＞清洗时间＞岩屑固液比＞清洗温度。综合评定较优的因素组合为：岩屑固液比 1∶5，清洗时间 30min，药剂浓度 30mg/L，清洗温度 60℃。通过试验验证分析岩屑除油率达到83.5%。处理后岩屑的含油率为 1.98%，含液率20.2%，满足进入后道工序处理的要求。该试验研究为含油钻屑的工程化处理提供了工艺参数依据。