人工井场岩屑集收系统的优化改进

石 健，李文艳，宋庆义

（渤海卡麦龙流体控制设备（天津）有限公司，天津 300450）

0 引言

滩海区域石油储量高，人工井场面积小多为丛式井作业，近年来随着科技发展与应用，勘探领域的飞速拓展，滩海人工井场技术发展迅速。丛式井作业时岩屑处理系统与传统装置相比有较大的区别，该项目适合滩海人工井场钻井使用，市场应用前景广阔，效益突出。

下面将对现有技术和现场实际应用进行对比、分析，寻找技术漏洞和设计缺陷，并分析产生原因、制定相应的整改措施，使岩屑集收技术逐步系统、完善。

1 人工井场岩屑集收系统

人工井场钻井作业一般为丛式井作业，需要对岩屑等废弃物进行处理，以免造成对周边区域环境的污染，所以就需要设计合理、使用方便、清污快捷的岩屑集收系统。

岩屑集收系统一般分为三部分：一是岩屑的收集部分，即从产生岩屑的各个环节收集并输送到处理部分；二是岩屑的处理部分，即将收集来的岩屑进行筛分、回收和脱干等作业，以达到排放和运输的标准；三是岩屑的运输部分，即用密封良好的机动车将岩屑运输到指定地点进行掩埋或进行下一步处理。

2 岩屑的收集

岩屑的收集主要是通过各种方法将从泥浆中排出的岩屑统一收集起来，并汇集到相应的地方，方便下一步的处理。例如，从井口排出的泥浆通过泥浆渡槽排放到泥浆分配器中，再通过泥浆分配器将泥浆分配给每台振动筛，振动筛处理后排出的岩屑通过挡砂槽和排砂槽汇集到排砂池中或汇集到螺旋推进器中，输送到指定地点并进行下一步处理。现在主要推荐使用螺旋推进器或皮带机将岩屑输送到指定地点，这样可以减少对环境的污染。另外，也可以将除砂器、除泥器、离心机排出的岩屑输送到螺旋推进器中，在各个仓的清砂门处也安装螺旋推进器或皮带机，可以将清罐时废弃泥浆和沉积物从罐与罐中间输送出来，减少了人工清砂的不便，而且清砂迅速快捷，为井队清罐、搬家等节省了大量的人力和时间。

但是这样还不能将岩屑完全处理干净，往往会从各个连接处或螺旋推进器连接处漏出岩屑，为保障岩屑的完全运输，可以将岩屑的收集设置成完全封闭式结构，将挡砂板、排砂槽设置成封闭式结构。例如，可以做成漏斗式排砂槽，直接接到螺旋推进器中，也可以在漏斗中接根水管线并设有喷头，这样不仅可以保证岩屑的顺利排出、不会造成岩屑堵塞，还可以避免清污这道程序，迅速地将岩屑汇集到指定地点。

现在丛式井作业非常普遍，当钻井移动时为了避免固控系统等辅助设施不动的情况下，井场会使用高架导流槽，将井口中出来的泥浆通过高架导流槽将泥浆输送到振动筛中，在导流槽中由于泥浆含岩屑比较多，井场会使用皮带机来辅助泥浆的流动，使泥浆不会堆积在导流槽中。

3 岩屑的处理

岩屑的处理主要是指将收集来的岩屑进行筛分、回收和脱干等作业，以达到排放和运输的标准。

下面就现场的实际应用做简单介绍。现场实际上是将收集来的岩屑通过螺旋推进器将岩屑输送到振动筛（干式振动筛）中进行二次处理，因为岩屑中还含有部分泥浆，如果直接排放会相应地造成部分泥浆的损失，因此将岩屑进行二次处理是非常必要的，可以减少泥浆的浪费。经过干式振动筛处理后排出的泥浆可以通过螺旋推进器或砂泵等装置重新注入到泥浆循环系统，排出的岩屑就是比较纯的岩屑，但是还会含有部分水分，给运输或者排放造成不便，因此这部分岩屑还需经过垂直离心机进行一次脱干处理。处理后的岩屑就可以用岩屑车运输或直接掩埋，不会污染环境。另外，还可以在垂直离心机前再增加一台高速离心机，再次从岩屑中分离出一部分有效的泥浆，这样就大大减少了泥浆的浪费，节约了生产成本。

岩屑的处理方式有很多种，下面以辽河70D 的高架岩屑罐为例，介绍一种高架岩屑罐的处理方法。

3.1 设计方案

（1）振动筛、除砂器、除泥器、离心机分别高位安装无轴螺旋推进器，地面安装清罐用螺旋推进器。

（2）干式振动筛、垂直离心机（甩干机）等二次处理设备直接安装在岩屑收集罐上。

（3）岩屑收集罐为方形罐，容积约16.5 m3，底部安装清砂门。

3.2 设计计算

（1）岩屑最大日产量。以12.1"（307.34 mm）钻头，日进尺1000 m 计算，井眼体积为86 m3，产生岩屑体积按1.5 倍计算，岩屑量为129 m3/t，平均5.375 129 m3/h。

（2）设备输送能力（表1）。

表1 设备输送能力

（3）岩屑储存能力。岩屑收集罐最大容积16.5 m3，混凝土输送泵料斗容积0.5 m3，岩屑系统总容积17 m3，有效容积按0.8计算为13.6 m3。

3.3 流程说明

（1）处理后的岩屑分别落入螺旋输送机中，由螺旋输送机输送到混凝土泵，再由混凝土泵将岩屑输送到干式振动筛或垂直离心机中。

（2）除砂器、除泥器、离心机产生的岩屑原则上不稀释，若需稀释则要采用泥浆稀释，避免泥浆污染。

（3）经二次处理后，岩屑直接落入岩屑收集罐等待外运。

（4）二次处理产生的泥浆落入泥浆收集罐，经脱干离心机处理后可由泥浆导管输送至主振动筛参加泥浆循环或排入污水罐。

（5）岩屑收集罐为锥形罐，底部安装闸板阀（可用电动），用于控制排污口等待岩屑装车。

（6）混凝土泵共两台，其中一台备用。

（7）振动筛、除砂器、除泥器、离心机岩屑输送器为无轴螺旋推进器，清罐螺旋推进器为普通螺旋推进器。

3.4 岩屑罐强度计算

3.4.1 组成

岩屑罐总共由四部分组成，分别为岩屑罐底架、岩屑罐、罐上设备及遮阳棚。

岩屑罐底架由160 mm×160 mm×8 mm 的无缝方管组焊而成，岩屑罐由δ6 mm 钢板组焊而成，外层为160 mm×160 mm×8 mm 的无缝方管组焊的框架。岩屑罐底架与岩屑罐之间采用定位销和螺栓的固定方式。罐面上布有两台干式振动筛、一台垂直离心机和一台高速离心机。罐面上方还布有遮阳棚，遮阳棚的支撑固定在罐面周围的走道上。

岩屑罐总体与地面连接采用的是与预埋件连接，可以是螺栓连接，也可以是与预埋件直接焊接，为了增强其稳定性，在岩屑罐底架四周加上地面斜支撑（现场加）。

3.4.2 抗压强度计算

岩屑罐所选用的材料均为Q235 钢材，其抗压强度σb为235 MPa。

以连接处最小截面积为计算点，则160 mm×160 mm×8 mm 的无缝方管的垂直截面积ΔS=S1-S2=0.16×0.16-0.1522=0.002 496 m2，屈服压力Fb=σb×ΔS=235×106×0.002 496 m2=586 560 N。

空罐时，岩屑系统的总重为18.6×103kg，岩屑罐内最多装16.5 m3的岩屑，岩屑的比重约等于砂石的比重，取值为3，则岩屑的重量G岩屑=av=3×16.5=49 500 kg。

当满载时，岩屑罐的重量为18 600+49 500=68 100 kg，G=mg=68 100×10=681 000 N。

岩屑罐有4 个支撑，每个支撑受的力为F=G/4=170 250 N<586 560 N（屈服强度），安全系数A=Fb/F=586 560/170 250≈3.45。

所以，岩屑罐在满载岩屑时可以满足屈服强度。

3.4.3 抗风强度计算

岩屑罐所选用的材料均为Q235 钢材，其抗弯强度σa为215 MPa。以岩屑罐侧面最大截面积为计算点，系统总高9.8 m，最宽处为5.2 m，则S=1/3×9.8×5.2=17 m2。

设当风速为51 m/s（16 级风）时，所受的压强P=0.062 5×v2=0.062 5×512=163 Pa，压力F=PS=163×17=2771 N。

当风吹最大截面时，其侧面构成一个四边形，四边形下边两点为固定点、上边为活动点，上方的方管只承受抗压强度，其抗压力为586 560 N，远远大于2771 N。所以只需考虑方管之间的焊接强度，均为角焊缝且焊缝大于7 mm，符合其强度要求。

在岩屑罐支撑之间均焊有斜支撑，增强了起其整体强度。另外在地面增加斜支撑，焊接在岩屑罐底架上，可以提高岩屑罐的稳定性。所以，岩屑罐设计完全可以承受16 级风。

因此，这种高架岩屑罐的设计是合理的，可以满足岩屑回收处理的需求。

4 岩屑的运输

岩屑的运输是指用密封良好的机动车将岩屑运输到指定地点进行掩埋或进行下一步处理。经过处理的岩屑，在检测达到排放标准后方可通过岩屑车将被运输到指定地点进行掩埋，或者进行下一步处理、改作他用。

5 结论

现在石油勘探行业已经到达了一个转折期，面临从粗放型向精耕细作型转变，在交通状况良好的地方发现大型的陆上油气田已经越来越困难，所以，从陆地到海上、从平地到山区、从平原到丛林再到戈壁沙漠，成了勘探行业的主要发展方向，丛式井作业将得到广泛应用。

人工井场岩屑集收系统在丛式井作业中发挥着重要作用，随着滩海油田区块的发展，它将得到了更为广泛的普及。随着钻井技术的发展，人工井场岩屑集收系统也会推动钻井系统新的一次革命，成为钻机丛式井作业重要的保障。