油气田负压振动分离技术发展现状＊

谢江浩 徐瑞翔 田相友 马蒸钊

(1.中海石油环保服务(天津)有限公司；2.中国石油(中国)有限公司天津分公司)

0 引 言

随着石油勘探开发工作的深入，固废产生量随之增加，不仅处理处置费用增加，伴随着收集转运处置过程中的环保风险也更加突出。在新《固废法》中，规定了固体废物污染环境防治应坚持“源头减量”。针对固废的减量化处理是固废管理的基础，发展相对成熟、技术工艺比较丰富的主要有小孔钻井、连续软管工艺、环保型钻井液以及新型固控设施等[1-3]。传统的钻井液固控系统通常是由振动筛、除砂器、除泥器、离心机等组成的三级或四级净化系统。近年来，随着第1级减量性能的提高，逐渐出现了“振动筛+离心机”的两级净化方案[4-6]。

国内外性能优越的第1级处理设备主要有DERRICK HYPERPOOL 4P 振动筛、GX/S双轨迹振动筛、S610双层变轨迹振动筛、长框传输型振动筛、负压振动筛等。双轨迹振动筛、双层筛网、加长筛网、负压等技术的目的都是提高筛分效率，保证钻井过程固控效果。本文主要对现阶段国内外负压振动分离技术的研究及应用现状进行介绍。

负压振动分离技术是在筛网下方利用真空系统形成负压腔室，以压差和振动的复合作用分离钻井液与钻屑，提高振动筛的处理能力。将负压分离技术应用于固相控制系统，一方面可以降低固相含液率，减少回运量；另一方面能够有效控制钻井液中固相颗粒的含量，保持钻井液的密度、滤失性能、黏度等，确保钻井液达到再利用的要求。

1 国外负压振动分离技术的研究现状

1.1 挪威Cubility公司MudCube负压振动筛

美国Remteck公司在20世纪80年代，开发了MAX系统[7]，如图1所示，首次将应用于采矿的真空过滤原理应用于钻井液固液分离过程，通过过滤带清除钻井液中的固相。MAX系统配备了内、外两层滤带。外层带是由聚氨酯编制的、具有方形或矩形孔眼的过滤带，内层带是泄流带。当其运动时，处于真空台上方的区段与真空台构成了一个密封区，钻井液穿过过滤带进入负压腔室。当过滤带进入过滤作业区时，是贴在泄流带上的。泄流带由一个动力滚筒驱动，并依靠两带之间的摩擦力，带动过滤带同步运行。但在实际生产过程中，由于钻井液固液分离时液相较多，固相较少，同时受限于真空泵的工作效率，设备所需要的真空度难以持续。

图1 MAX系统原理[7]

2004年，TrondMelhus等提出了真空输送分离器(VCS)[8]，2009年，第一套MudCube系统被应用于挪威大陆架Oseberg现场。在2010年的美国钻井工程师协会钻井液会议上，正式发布了该系统的相关试验资料。2012年正式商业运作于Marsk Giant。经过近10年的研究和试验，其产品更新换代为图2所示的结构[9-10]。其主要工作原理如图3所示[11]。

图2 MudCube工作示意[10]

图3 MudCube工作原理

相较于传统的振动筛，MudCube系统采用了完全封闭式系统，设备在运行过程中，无低频振动产生的噪声，能够有效改善工作环境。

1.2 SWACO公司SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator

2015年底，SWACO公司推出了SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator，它是在传统振动筛最后一块或两块筛网下安装真空负压装置，通过脉动气流形成一定频率的真空抽吸效果，从而提高钻井液的回收量，降低待处理混合液固液分离的难度，有效降低处理后钻井岩屑固相物料20%～30%的含液量，提高液相回用效率，从而大幅减少钻井成本，脉冲式负压振动筛示意见图4[12]。

图4 脉冲式负压振动筛示意[12]

在真空泵工作过程中，脉冲性气流带动筛网下负压吸盘内的压力规律性变化，既能提高筛分效率，又能降低固相中含液率，脉冲式负压振动筛工作原理见图5。据统计，与使用普通振动筛相比，应用该技术可以使油基钻屑含油量从19%降至5.6%[12]。

图5 脉冲式负压振动筛工作原理

2 国内负压振动筛分离技术的研究现状

国内某公司曾引进MudCube振动筛，并在长宁页岩气钻井中进行了试验，与国内优秀的振动筛产品相比，其实际使用效果并不具备很大优势。同时，该公司也对MudCube振动筛进行了国产化的试制，但价格太高，远超出了国内陆上钻井公司的承受能力，同时，MudCube振动筛部分特殊元件制造困难。到目前为止，还未见有该产品国产化试验的报道。

西南石油大学在2000年前后，提出了基于传统振动筛在筛面下形成负压以增大振动筛处理量的构想，但并未能形成实际的设计。2010年以来，针对负压振动筛，先后有多家单位申请了相关专利，如表1所示。

表1 国内负压振动筛申请专利情况

表1所述专利涉及的结构原理基本相似，均是在传统振动筛下方安装负压吸盘。需要特别指出的是宝石机械的两个专利：“一种负压钻井液振动筛”在真空泵与气液分离器之间设有真空恒压阀，使得吸盘真空度恒定，从而大大保证了固液分离效率；“一种串联式双层负压振动筛”综合了DERRICK HYPERPOOL与SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator的优点。

在SWACO公司推出SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator产品后，国内多个厂家都宣称正在开发负压振动筛产品。西南石油大学和四川宝石机械专用车有限公司合作，在国内首先开发出了负压振动筛的样机。此外，河北冠能石油机械制造有限公司与河北北钻石油钻采设备有限公司先后开发出各自的真空负压振动筛[20-21]。

3 负压振动分离技术比较

尽管脉冲式负压振动筛与MudCube两者都采用了负压分离技术，但其应用形式有显著不同。

1)气源应用不同。脉冲式负压振动筛采用的真空泵一般为气动喷射真空泵，所以气源主要用于真空泵的驱动，在生产现场对气源的稳定性要求较高。MudCube采用的是旋片式真空泵，电力驱动，其气源应用主要是在筛网内侧的“吹扫”，防止颗粒物堵塞筛孔降低筛分效率。

2)单颗粒物受力不同。针对两种负压振动筛建立了“单颗粒”力学模型，对比发现，摩擦力在脉冲式负压振动筛中是阻碍颗粒物运动，但在MudCube中摩擦力是作为颗粒物运动的驱动力。由于受力模型不同，最终使得颗粒物的运动形式也不相同。脉冲式负压振动筛单颗粒受力示意见图6，MudCube单颗粒受力示意见图7。

图6 脉冲式负压振动筛单颗粒受力示意

图7 MudCube单颗粒受力示意

图6、图7中，G为固相颗粒重力；FN为固相颗粒对筛面正压力；f=FN×μ，表示固相颗粒在筛网上所受摩擦力；R为钻井液对固相颗粒拖拽阻力与真空泵给筛面负压力的合力。

3)密封形式不同。MudCube采用的是柔性筛网，由驱动轮带动筛网向前运行，筛网与负压腔密封偶合件之间是相对运动的，属于动密封。而脉冲式负压振动筛往往是在最后一块或两块筛网下布置了负压吸盘，吸盘随着振动筛上下振动，筛网与吸盘密封偶合件之间是相对静止的，属于静密封。

脉冲式负压振动筛密封偶合件见图8，MudCube密封偶合件分别见图9。从密封效果看，脉冲式负压振动筛的静密封难度更小、效果更优；从处理量看，MudCube由于采用了全筛面负压，处理量更大。

图8 脉冲式负压振动筛密封偶合件

图9 MudCube密封偶合件

综上所述，可以看出尽管脉冲式负压振动筛与MudCube均采用了“负压”形式的振动筛，但是由于振动筛形式不同，筛上物的受力不同，使得筛上固相颗粒的速度表达形式不同。总体上来看，脉冲式负压振动筛相对于传统振动筛，是通过减小筛上固相颗粒物的运移速率延长其停留时间的方式来加强振动筛的固液分离效率，而MudCube是尽可能将振动筛的“势能”转化为颗粒物的“动能”，使颗粒物以较高速度撞击筛面以加强振动筛的固液分离效率。与此同时，在前期现场试验过程中，无论是MudCube还是脉冲式负压振动筛，处理后固相含液率均可稳定在40%以下，减量化效果明显。

4 结束语

随着公众环保意识的增强，适用“源头减量”的高效筛分方案将得到更多认可。国内钻完井固液分离过程中，负压分离技术的研究起步较晚，目前主要是依靠技术引进、仿制等手段摸索前进。负压分离技术由于分离效率显著，在钻完井废物处理过程中：一方面可以大幅减少固废的最终处置量，降低处置成本；另一方面可以实现钻井液的最大化利用，减少钻井液补充。因此，负压分离振动筛将是未来的一项重要固控分离技术。对比现有的负压分离技术可以发现：①MudCube的处理效果更好，但是依赖纯进口，设备投入较大；②脉冲式负压振动筛已实现国产化，机械结构更简单，易操作，成本较低。