一种钻屑处置配套的钻井平台改造方法探讨

范永刚，岳明，张启龙，张春芳，齐琳

(1.中海油田服务股份有限公司，天津 300459；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

在渤海油田钻探过程中，经常会遇到需要在农渔业区、毗邻生态保护区进行钻井作业的情况，产生的钻井钻屑对海洋会产生一定的影响。为降低浅海作业过程中的废弃物排放量，部分项目会采取现场减量的工艺，降低污染物的产生量[1-2]。

水基、油基钻井液的使用，钻井速度的增加，钻井工艺水平的不断提高等因素，对固控设备提出了更强的适应性、更大的处理量、更精细的处理等要求。钻井液振动筛是钻井作业中必不可少的设备。钻井过程钻屑的产生是连续不断的，钻屑一旦返出井口，必须尽快转移至合适的容器。针对该难题，本文通过分析钻井过程中钻屑产生的量、钻屑的特点，提出依托现有钻井平台设施改进的方法，实现钻井过程钻屑零排放。

1 负压式振动筛

根据作用原理，负压式振动筛主要分为真空滤带式负压振动筛、文丘里负压振动筛、板式集成化振动筛。振动筛的选择主要受岩屑成分、钻井液成分、钻井平台空间、作业井段效率等多种因素影响。

1.1 真空滤带式负压振动筛技术

真空滤带式负压振动筛的主要代表是挪威Cubility 公司MudCube[3-4]，其结构特点为采用气动高频微振动器为振动源，在筛网下利用负压抽吸增加过筛，链带式卸料。其优点是因振动造成岩屑的二次破碎和混入的有害固相的实际情况较好；缺点是制造成本和运行维护成本太高，且维修工作量大，用户接受难度较大。

在渤海某油田应用过程中，通过采用传统固控和负压振动筛结合的方式，钻井液处理效率得到显著提高，产生的废弃物量减少35%。不同入口含液率(4 种分别为120%、100%、90%、80%)、不同筛布目数(4 种分别为API120、API140、API170、API200)、不同筛布旋转速率(4 种分别为25%、35%、45%、55%)进行测试后发现，密度越大，分离效果越差。而入口含液率较低的情况下，钻屑含液率越高，而更换更低目数的筛布后，液相含固率更高，旋转速度增加也会导致分离效果变差。因此，该振动筛处理效果好，但处理能力差，适合与传统振动筛搭配使用以获得更好的处理效果。

1.2 “文丘里”抽吸振动筛技术

“文丘里”抽吸振动筛技术的结构特点是在常规振动筛上安装文丘里管来产生抽吸的负压振动筛，其将压缩空气作为动力。该装置的缺点是会使泥浆产生一定的水溶现象，且压缩空气的消耗量大，每分钟约4.5 m3，平台现在的配气量不能满足其正常运行。泥浆的水溶现象是由于泥浆中溶入了空气气泡，由于泥浆具有一定的黏度，溶入的气泡在一定时间内不容易自行消除，造成泥浆泵压力不稳定。由于用气量较大而需要额外增加设备，导致占地面积增加。

1.3 高效集成化振动筛技术

海洋平台作业环境要求高效振动筛具有占地面积小、处理量大、具备传统振动筛基本功能的同时应具有减量处理功能等特点[5]，较传统振动筛更适应于环保作业。因此考虑在较大处理量振动筛基础上，将负压真空系统与平动椭圆振动筛的结合体，搭载气液分离装置和快速压紧筛网装置。其功能要求为在高频振动筛分和负压真空的双重作用下进一步提高处理能力；岩屑的含湿量更低，充分降低了泥浆的损耗率。其结构要求为整体式设计，无需备置辅助设备，安装更便捷；无需更大的安装面积，具备维护费用低、运行成本低、节能降耗的特点。

进行高效振动筛关键参数分析时，结合钻井固控振动筛特性及框架筛网布料均匀、安装方便等方面进行分析。进行振动筛结构强度分析时，针对振动筛是一种筛分设备的特点，用于物料的分级处理，从众多物料中选出需要的部分，其主要由两块侧壁、一个底梁、一个后挡板以及4 组弹簧及弹簧支撑座等部件组成。对该对象分析必须建立一个简化的三维有限元模型，这样可以对该模型进行尽快定性分析，更快地把握和了解其力学特性、变形情况以及振动形式。通过关键参数研究，可以确定筛箱的质量、质心、振动倾角、筛箱面积、弹簧参数等主要参数。筛箱尺寸确定后，根据总体布局思路，可确定负压筛其他组件基本尺寸，初步完成整机布局。选择风量260 m³/h、功率2.2 kW 双泵即可满足设计要求。

通过海上实验，单筛最大处理量为3 600 L/min，振幅为5.2 mm，激振强度G为6.6。运行负压装置时，负压单元建议使用负压专用筛网(防堵)，使用的筛网目数为270 目左右。应用于处理水基钻井液时，建议不启动负压装置，当常规筛使用，在零排放或跑浆情况下使用，或者在泥浆工程师的指导下使用。应用油基钻井液时，启动负压装置，钻屑含液量降低18%左右，减量效果明显，经济效益明显。本套高效振动筛具有占地面积不增加、保留所有基本功能、处理量提升、处理效果提升、设备维护成本低等特点，达到了集成化设计初衷。

2 钻屑固液分离技术

海上钻屑经固控系统处置后，一般采用固液分离减量技术进行处理。在渤海油田进行多种形式的固液分离工艺实验，其中叠螺机、压榨机等工艺实验处理效果基本达到所需要求，但实际生产过程中因体积大、效率低无法大规模推广应用。通过分析不同工艺在渤海的实验效果，主要有钻屑初选、高效离心机、甩干机及传输过程减量4 种方式适合海上平台作业环境。

2.1 钻屑初选

干燥分选筛通过筛分单元的筛分、搅拌单元的防沉淀搅拌、输送单元的输送，从而将待处理钻屑处理为液相和固相，通过不同方式排出系统，从而实现钻屑净化分离[6]。具体流程为现场将钻屑送入筛分单元，经过筛分单元处理后，液相落入存储单元中，在搅拌单元的搅拌过程中，使用输送单元送出系统；固相被筛分单元筛出。干燥分选筛是目前行业内钻屑干燥分选最常用的设备之一，具有处理量大、减量效果明显等特点。但由于结构和干燥原理，分选后钻屑含液量降低有限，直接装袋仍有液体析出，影响减量处理质量。由于干燥分选后物料含水率较高，物料收集自动化难以实现，需要吊车长时间配合完成。并且干燥分选过程中，为保证干燥效果，增大振动筛筛网尺寸，致使大量细微固相进入液相，增大了液相处理难度，导致随钻减量难以实现。

2.2 高效离心机

钻井液中有害钻屑成分对钻井液使用寿命影响较大，传统中频离心机效果较差。针对高效离心机固液分离系统设计，对不同钻井液体系高效离心机固液分离对钻井液性能的影响及固相参数对分离效果的影响进行分析。早期离心机控制系统成本相对较高[7]。

通过对离心机运行过程仿真模拟分析，在不同处理介质条件下，进行离心机处理效果1∶1 实验模拟，逐步摸清适合海上钻井液体系的高效离心机，较传统定频中速离心机，在同等占地面积情况下，处理效率大幅提升，处理效果显著，处理后的固相含液率处于较低水平。而自动化控制技术在高效离心机的应用，实现了离心机的自动启停、自动调频等关键功能，大幅减少了泥浆工和钻工的劳动强度。通过高效离心机研制，加深了对离心机结构及功能效果的认识，固控设备升级，自动化程度更高，设备性能稳定，再加上离心机专业化管理，在零排放背景下，固控离心机将发挥更重要的作用，具有较好的推广价值，已逐步取代传统离心机。

2.3 双驱动多功能甩干机

根据海上对水基钻屑及合成基钻屑处置的需求，进行可满足两种工况的甩干机设计。各厂家的传统单驱动甩干机在结构上虽有所不同，但总体上都是采用电机通过皮带传动减速后直接驱动差速器外壳，再通过差速器减速后获得外壳和行星架输出的两个转速，这两个转速形成定比例速比。通过岩屑甩干机内流场特性，岩屑甩干机所处理的钻井液是经过振动筛筛分后的固液混合颗粒团。振动筛的分离效率根据物料性质的不同而不同，一般筛分率为60% ～80%，有的物料甚至可达98%。所以岩屑甩干机的内部流场特性是基于振动筛筛分基础上的高浓度流场。为了更加形象直观地表示出锥篮内部流场情况，运用三维建模软件Solidworks 对其进行三维建模，建立流场模型之前需对转子刮刀进行建模，并与锥体做布尔运算得出最终流场域。研究离心力场中颗粒运动规律的前提是了解其内部流场运动规律，充分认识岩屑甩干机内流场中的速度分布、压力分布以及固液两相运动分布规律，分析甩干机的分离原理、分离效率以及分离效果，以此来改进结构、优化参数是仿真手段所要达到的目的，也是本项目研究意义所在。不同的结构参数、操作参数对应不同的流场分布，本次研究的重点就是通过变参数下的模拟，如转速、差转速、密度、黏度、固相体积分数、转子半锥角以及颗粒粒径大小来模拟流场变化，寻找出分离效率最高、固相含湿量最低的最优参数。

2.4 钻屑传输过程减量装置

本项目的钻屑减量工艺通过设计一种小型化源头减量分离装置，将其安装在振动筛下，在钻屑和泥浆处于分散状态下，利用负压风机产生真空吸附对钻屑和泥浆进行分离，这样可以最大限度地分离浆体，消除螺旋对钻屑的破坏，得到较为干燥的钻屑，实现钻屑源头减量的目的。钻屑旋转真空干燥装置是由机架、带气刀的导流槽、旋转筛及驱动机构等部件组成的一个完整系统，机架用于支撑和固定相关部件，便于整机的组装与转运；导流槽用于均布钻屑，将振动筛截留的钻屑均匀地铺展于旋转筛网的表面，并将大颗粒钻屑及时移出干燥机；旋转筛用于真空抽滤，将钻屑中细小颗粒的污泥通过负压抽吸引流至分离罐；空气刀用于及时清理筛孔中堵塞的污泥，方便下次抽滤操作；驱动装置有两台，一台用于驱动转鼓的旋转，另一台用于驱动导流槽做往复运动。

经现场应用测试，钻屑旋转真空干燥装置满足设计要求，2 套旋转真空干燥装置处理能力不低于10 m3/h，钻屑含水率在75%的情况下减量效果达到50%，装置各组成部分的功能均正常。

3 结语

钻屑减量优先选用在不改变平台设备规模的情况下，升级固控系统，不额外使用钻完井堆场空间。而针对废弃物全回收项目，需要进行深度处理的情况下，就需要根据钻井平台空间和固控设备配置情况，优选合适的处理设备进行处理，原则是减少新增设备的数量和面积，通过合理化搭配，实现随钻处置。而安装到钻井平台的设备要成撬，方便拆装及运输，一般改造时间不超过7 ～10 d，改造后作为临时设备，作业结束后能快速拆除，减少占用钻井平台待机时间，降低成本。

而本文所述工艺具有海上平台改造工作量难度小、不额外占用面积的特点。通过不同分离装置组合，实现钻屑达到相对干燥的状态，达到固废装吨袋、液相重复利用的目的。