钻屑密闭正压输送系统处理量影响因素试验分析

吴坤坤，李 斌，张 明，张贵磊

（中海油田服务股份有限公司，北京 100114）

0 引言

近年来，随着油气开发逐渐走进深海，海洋油气田开发越来越多的采用油基/合成基钻井液钻井。但是，油基体系钻井会产生大量的油基钻屑，油基钻屑含有柴油（白油）、多环芳烃、多种主乳辅乳等有机化合物，成分复杂、污染因子多、污染负荷大，会对当地水质、动植物等生态环境产生危害[1]。根据国家环保要求，海上钻井产生的油基钻屑需要可靠地运送到陆地进行处理，这对输送方式提出了很高的要求。为了解决上述问题，中海油服油化事业部EPS（Environmental Protection Solutions）技术所开发了一套钻屑密闭正压输送系统设备DWB（Drilling Waste Blower），并通过大量的现场试验，明确了影响处理量的主要因素，为后续系统的改进提供理论支持。

1 设备组成

钻屑密闭正压输送系统采用正压气力输送方式输送钻井岩屑，钻屑在输送过程中保持在密闭环境下流动，与外界环境零接触，避免了跑冒滴漏等各种对环境的污染风险[2]。钻屑密闭正压输送系统设备包括锥形漏斗、振动电机、进料阀、输送腔、出料阀、压缩空气管线、电气控制系统等，设备整体成撬，体积小，运输方便[3]。设备具体组成如图1 所示。

图1 钻屑密闭正压输送系统设备

2 现场试验

设备研发成功后，为了解钻屑密闭正压输送系统设备的性能，设计了现场试验，通过输送不同介质（油基钻屑、水基钻屑）进行实况模拟，探索设备最优参数设置（根据介质的特性如比重、黏度，依靠设备自身能力实现处理量最大、设备稳定性以及管线无堵塞连续输送等），积累设备操作经验，并为后续设备改进与系列化研制提供数据基础。

2.1 试验方案

为了更好地验证设备的真实性能，设计了两种工况的试验方案，主要由物料缓冲罐、螺旋输送器、DWB 设备及输料管线（5 英寸，即12.7 cm）等组成（表1、图2）。

表1 试验设计方案

图2 钻屑密闭正压输送系统设备测试方案

为了更好地测试设备对常见不同密度岩屑的输送效果，本次试验选取4 种流体进行测试，分别为1.39 sg（比重）的油基泥浆、1.6 sg 的钻屑（甩干机处理后）、1.84 sg 的油基钻屑（离心机处理后）、2.11 sg 的油基钻屑。

测试设备主要有DWB、柴油空气压缩机、螺旋输送机、真空泵、固井水柜、岩屑分配架、管线托架平台、设备支架、柴油罐等，具体参数见表2。

表2 试验所用设备清单

2.2 试验内容

钻屑密闭正压输送系统设备DWB 的试验工况是模拟南海九号的实际工况，考虑到获取钻屑的简便性，项目组将试验场地选择在湛江沟尾，场地为10 m×80 m。试验内容如下：

（1）通过改变DWB 计时器参数，空转设备或者输送淡水的方式，辅助说明书理解设备计时器的含义、DWB 机械结构、工作原理，了解DWB 各个计时器设置对于输送量的影响。

（2）测试影响设备处理量的因素。主要试验因素有输送管线长度、介质、脉冲设置、工作气压、缓冲罐、环境温度、助吹等，由于变量较多，采用逐步比较的方式来测试这些因素对处理量的影响。

（3）试验设备电气故障应急方案为手动操作。

（4）试验设备疏堵方法。在试验过程中遇到试验设备堵塞情况时，通过手动操作或助吹的方式快速加大设备及管道内气压。另外，在介质中加入泥浆来稀释钻屑，可以实现设备的快速疏通。

2.3 试验结果

通过大量的试验及数据分析，掌握了影响钻屑密闭正压输送系统设备DWB 处理量的各因素及影响水平。

2.3.1 计时器对处理量的影响

钻屑密闭正压输送系统设备DWB 共设置了5 个可调整计时器，分别为振动电机运行计时器、进料阀开启计时器、循环周期计时器、脉冲周期计时器、脉冲延迟计时器。其中振动电机运行计时器与进料阀开启计时器的作用是保证进料漏斗的钻屑能完全进入到输送罐内，循环周期计时器是确保最小运转周期，在作业过程中，这3 个计时器的设置对物料处理量影响很小。

脉冲周期计时器与脉冲延迟计时器的设置，需要适应不同的工况条件，是钻屑能否顺利输送的关键因素。这两个参数能使分布在罐体四周的脉冲气嘴，采用间歇式吹气，吹气—停止—吹气—停止：①辅助下料的作用；②具有清理罐内壁的作用；③有浮动钻屑，防止其大面积聚团的作用。脉冲气与输送气相互配合使钻屑在喷嘴处形成脉冲量。

通过试验得出结论如下：若（脉冲延迟、脉冲周期）设置为（X，Y），可以解释为，吹气（Y-X-1）s，停止（X+1）s，如此循环数个周期，直到罐内压力达到1 bar（0.1 MPa）。钻屑在输送管道中的流动状态是决定钻屑能否顺利输送的关键因素，而流动性能是脉冲气与输送气的共同作用的结果，分别以延迟计时器、脉冲周期计时器为设置变量，试验统计结果如图4和图5 所示。

图3 脉冲周期与脉冲延迟关系

图4 以延迟计时器为变量的处理量随脉冲设置变化曲线

图5 以脉冲周期计时器为变量的处理量随脉冲设置变化曲线

试验结果表明：对于不同的工况与钻屑，应设置不同的脉冲参数，以提高设备处理量；通过测试，当钻屑密度为1.8 g/cm3时，最优脉冲设置为（16，7），处理量为18 t/h；当钻屑密度为1.6 g/cm3时，最优脉冲设置为（13，3），处理量达到28 t/h。

2.3.2 缓冲气瓶对处理量的影响

在空压机与钻屑密闭正压输送系统设备DWB之间增加一个1 m3的缓冲气瓶，观察缓冲气瓶对处理量的影响，试验结果如图6 所示。

图6 有无缓冲气瓶对处理量的影响

试验结果表明：在空压机与钻屑密闭正压输送系统设备DWB 之间增加缓冲气瓶，可以保证瞬时用气量，同时降低不同时刻用气量变化引起的压力波动，在一定程度上可以提高系统单位时间处理量。

2.3.3 供气压力对处理量的影响

利用空压机为DWB 设备提供3 种不同的输送用气压力，记录输送量随供气压力变化的情况，结果如图7 所示。

图7 不同供气压力下的输送量变化曲线

试验结果表明，在保证气量的前提下，供气压力变化对处理量的影响很小，可以忽略。

2.3.4 助吹对处理量的影响

为了试验在管线增加助吹是否更加利于钻屑输送，在DWB设备物料出口处增加一段助吹管线，试验结果如图8 所示。

图8 助吹对输送量的影响分析

试验结果分析表明，助吹虽然可以在一定程度上增大管道内输送气量，但在补气作用下，会造成管道内的压力不能快速降低到1 bar，从而提升钻屑密闭正压输送系统设备DWB 的单循环周期，使处理量降低。

2.3.5 钻屑温度对处理量的影响

分别在20 ℃和30 ℃条件下，试验密度分别为1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、1.8 g/cm3的钻井岩屑的输送量，试验结果如图9所示。

图9 钻屑温度对处理量的影响分析

试验结果表明，随着温度的升高，钻屑的黏度减小、流动性越来越好，输送量随之增大。在后续的实际工作中，对于黏度较高的油基钻屑，可以适当提高输送温度，确保钻屑的顺利输送。

2.3.6 管线工况及介质对处理量的影响

分别试验设计方案中两种工况下，连续时段内不同密度的油基钻屑和水基钻屑的输送量的变化，试验结果如图10所示。

图10 不同管线工况和介质下处理量变化

试验结果表明，管线结构越简单、输送距离越短，单次循环时间越短、处理量越高；钻屑在管道内的流化性能与钻屑的黏度、密度等很多性质相关，黏度低、密度小的钻屑更易于输送。通过试验证明，甩干机处理过的干钻屑与密度大于2.0 g/cm3的钻屑，DWB 输送困难。

3 总结

钻屑密闭正压输送技术是目前最先进钻井废弃物环保输送技术，在世界海洋石油范围内得到了大量应用，实践表明其实用性、环保性、经济性和技术可靠性完全能够满足海洋石油钻井废弃物转运的要求。上述DWM 项目组研发了一套钻屑密闭正压输送系统设备，自动化程度高，并通过大量的试验和数据分析，总结了计时器、储气罐、供气压力、助吹、钻屑温度、管线工况及介质特性对处理量的影响，为后续产品改进和系列化产品开发提供技术支持。

钻井废弃物密闭传输是中国海洋石油EPS 业务发展道路上必不可少的一步，钻屑密闭正压输送系统设备研制成功，能够完善油化事业部废弃物业务设备配置，丰富业务配置技术方案，提升业务专业技术水平，降低生产成本，为我国海洋石油工业的可持续发展贡献力量。