浅谈分离减量装备研究现状与新设计方案

祁健，王一辛，董宝昌，朱高阳

（1.中海油节能环保服务有限公司；2.天津北海油人力资源咨询服务有限公司，天津 300452；3.上海海洋大学，上海 201306）

海上钻井作业中产生的钻屑和其他碳氢化合物污染废物多年来都在陆地上处理，主要是为了遵守管理海上处置污染物的监管限制。然而，将大量的受碳氢化合物污染的岩屑从海上设施运输到岸上处理设施对该海上作业有相当大的环境和安全影响。同时，渤海作为内陆海和一级海区，对含有油类垃圾的排放是严格禁止的，要求必须取得当地海域主管部门的许可后，才能排放无油垃圾。故为了更好保护渤海的环境，钻井所产生的废弃物将由传统的限制排放转化为对其的回收，但是受制于陆地固废处理厂接收的限制，再加上废料处理成本过高等因素，导致总量回收的难度巨大，因此，海上钻井废料现场减量是当务之急。

本文将结合中海油能源发展股份有限公司的科研课题“负压螺旋减量工艺测试及加工试制”的要求，进行负压螺旋分离减量工艺及设备的相关国内外文献检索与总结，针对渤海油田勘探开发地层特点，对水基钻井液钻屑减量处置装备相关技术进行归纳、编写调研报告。在此基础上提炼出负压螺旋减量新设计结构方案，能够有效降低输送钻屑的含液率，提高钻屑的固液分离效率。

1 渤海油气田不同岩屑及其钻屑简介

1.1 渤海油气田简介

渤海海域油田总勘探面积约5.1 万km2。累计钻井近900 座，石油地质储量50 亿t 以上，以石油为主，其中重质油占已探明油矿的70%以上。

1.2 渤海不同地层钻井岩屑分析

渤海湾是一个新生代内陆裂谷盆地，渤海湾盆地新生代地层发育状况见表1。

表1 渤海湾盆地新生代地层划分及岩性特征表

1.3 渤海水基钻屑混合物宏观特点

水基钻屑化学组成成分见图1。

图1 水基钻屑化学成分(部分)

水基钻屑化学组成主要有二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁和氧化钙，是良好的硅铝质材料。从图2 可以看到，水基钻屑物质结构无微孔结构，呈片状，表面积较小，结构性较差。

图2 水基钻屑扫描电镜图

2 国内外负压螺旋分离减量处理研究现状

由于产生的体积和潜在的环境影响，钻屑是钻井作业的重要废物。目前，国内外钻探垃圾处理方式主要是无害化集中处理与就地减量相结合。就地减量主要采用回收利用技术，也叫随钻处理技术，国内外对最终垃圾进行集中处理的方式不同；垃圾集中处理在国外应用最多的是岩屑回注。渤海的一大特点是平台空间有限，降低废弃物回收处理成本和就地减量处理废弃物是其总体需求。属于内海的渤海地区对排放的要求十分苛刻，废液回收循环便成了减量的不二法门。

2.1 国内外钻井液的分类及应用

国外钻井液通常根据其基础成分分类。它可以广泛地分类为液体、气体和液-气混合物。

2022 年，西南交通大学的研究人员用甲醇/正己烷溶剂萃取分离油基钻屑中的石油污染物。油基钻屑（OBDC）具有高含量的石油污染物，具有很强的致突变、致癌和致畸特性。

2019 年，英国索尔福德大学研究人员提出了一种用于高温应用和水敏性、可分散页岩地层的水基钻井液 。

2.2 螺旋输送机国内外技术现状

螺旋输送机是特定应用领域中最好的输送系统之一，在现代工业中，螺旋输送机通常水平地或以轻微的倾斜使用。螺旋输送机可用于在运输过程中输送和混合或共混一种以上的材料。

无轴螺旋的旋转运动有助于输送和同时混合颗粒材料通过排放区。无轴螺旋输送机抗缠绕性强，由于没有中心轴，在输送容易发生缠绕的物料时不会发生干扰，可以顺利完成输送，这一点有轴螺旋输送机无法做到，如图3 所示。

图3 无轴螺旋输送机

2021 年，印度理工学院的研究人员设计了一种新型的基于螺旋输送机的储油罐底部原油污泥挖掘系统。开发了一种新的数学模型，以帮助设计螺旋输送机，以实现每转最大量的污泥铲取。

2010～2015 年国内的研究现状主要如下。

2010 年，北京科技大学尹忠俊等人对开式水平螺旋输送机中的物料移动速率与其影响因素进行系统分析，给出了开式水平螺旋输送机的基本设计准则，并得出开式水平螺旋输送机的主要构件结构与性能参数的校验方法。

2014 年，河南工业大学的孙庆春对螺旋输送机的螺旋叶片与螺旋轴的刚度优化设计方法进行了相关研究 。

2015 年，太原理工大学的贾朝斌对水平螺旋输送机的参数化设计方法进行了一系列研究，提出了主要的优化参数、约束条件以及优化数学模型。

2.3 负压抽吸技术的国内外研究现状

海洋油气田生产产生钻完井废弃物通过泥浆固控系统进行处理，除去有害固相，回收可用钻井液，形成高效、合理的钻井液固控流程，满足钻井工艺对泥浆回收利用的性能要求，并提高经济性。通过大量文献研究发现，截止目前，海上油田钻屑减量装备中应用到负压抽吸技术的只有振动筛。钻井振动筛是石油钻井固相控制系统中的关键设备，主要是在清除有害固相颗粒的同时，对钻井液进行回收、净化，是回用钻井液的第一级固控设备。为进一步提高传统振动筛的筛分效率，科技工作者提出了一种名为“负压抽吸”的概念，利用负压辅助筛分工作，从而提高效果。

美国Remteck 公司在20 世纪80 年代首次将采矿的真空过滤原理应用于钻井液固液分离过程。

2015 年12 月，美国SWACO 公司推出了新型岩屑处理装置，通过脉冲气流形成真空抽吸的效果，进而提升钻井液回收量，可降低岩屑废弃物固相含液量，提升液相的回用效率。

我国筛分机械的发展始于20 世纪50 年代。国内首台负压振动筛样机由西南石油大学联合四川宝石机械特种车辆股份有限公司研制成功。长江大学的周思柱等对负压钻井振动筛的动力特性进行了分析。大庆油田钻探工程公司的李文亮对钻井泥浆真空抽吸装置进行过相关的研究。钻井泥浆真空抽吸装置由真空污泥泵、空压机、吸管等元件组成，如图4 所示。

图4 钻井泥浆真空抽吸装置

2.4 钻屑减量装备中流体透筛及筛分机理方面的国内外研究现状

目前，在钻屑减量装备中用到筛网的只有振动筛设备，现有针对筛网的研究也是以振动筛为基础。前人对流体在筛网中的流动特性进行了广泛的理论和实验研究。在流体透过筛网的相关理论研究主要集中在3 个方面，即流体透过筛网后的湍流特性、筛网对流体透筛速度的影响以及流体透筛前后的压降变化。

许多学者在筛网压力损失方面做了大量研究工作。Wu 建立了一套实验装置测试了流体透过4 种不同孔隙率的方孔平纹编织筛网的压降特性。Seltsam 将筛网对速度分布的影响通过直通道内的流动来充分体现，将计算的扩压器流动与实验结果进行了比较。Okolo 对低湍流流体透过三维编织筛网的流动进行了计算流体力学模拟，强调了编织筛网降低流体速度的本质，深入的分析了编织筛网的流动现象。Valli 采用lattice-Boltzmann method 的方法模拟了规则筛网和不规则筛网的流体透筛运动，分析了筛网孔隙率和雷诺数对筛网压降的影响。Kolodziei 提出一种试验方案，成功地表征了在编织筛网上观察到的压降。

3 负压螺旋分离减量初步设计方案及创新点

3.1 负压螺旋分离减量初步新设计方案

综合以上国内外文献检索与分析，对此项目负压螺旋分离减量装置提出了新设计方案，简要介绍如下：

（1）通过分析在振动筛中的负压抽吸技术，类比脉冲式负压振动筛中的负压抽吸结构，结合螺旋输送机结构，再类比脉冲式负压振动筛中的筛网结构，现设计一种与钻屑减量装备中与螺旋输送机相配合的负压抽吸设备，旨在螺旋输送机运行过程中通过负压抽吸设备的配合，降低输送的钻屑的含液率。

此项目选用水平无轴螺旋输送机来输送废弃钻屑。该类型螺旋输送机输送量大，且抗缠绕、防堵料，能保证输送物料流畅，即使出现卡阻现象，螺旋体也可以自行弹性释放，极大改善了堵塞情况，其钻屑运动学分析方案简要介绍如下。

运动分解图如图5 所示。

图5 物料速度分解图

具体求解方法如下：

仍然可得：

综上整理可以得到：

具体参数定义详见武汉理工大学王仁标硕士论文《L型螺旋卸船机水平螺旋输送机理研究》。综上，代入数据，求得物料的轴向速度为0.115m/s。

（2）对于输送机，使用海油平台钻井施工中无轴螺旋输送机，整个负压抽吸设备可通过法兰螺栓和每节输送机配合，如图6 所示。

图6 负压抽吸设备与螺旋输送机装配图

（3）单套负压抽吸设备的整体结构主要由3 部分组成：3 个负压短节、管路及其流量控制部分、真空泵，总体结构如图7 所示。整个工作过程为：螺旋输送机开始输送湿钻屑，当钻屑每经过一个负压短节就会通过短节内的滤网在负压力的作用下，被抽走一部分液相；抽取的液相通过管道、真空泵，最后放到收集箱中，以供下一步使用；经过减量后的钻屑由输送机出口排出。

图7 单套负压抽吸设备整体结构图

（4）负压短节为本次设计的关键部件，同时也是研究的创新点。整个负压短节可再分为3 个部分：上壳体、过滤模块、负压仓。上壳体是整个负压短节的支撑框架；负压仓通过管道、真空泵创造负压环境，同时暂存、输送钻屑液相；过滤模块将直接与输送机钻屑接触，通过其下方的负压力将钻屑液相吸走，将固相挡住并由输送机传输走。考虑整个负压短节在使用过程中的工况，所以过滤模块的设计与研究至关重要。

3.2 负压螺旋分离减量新设计方案创新点

此负压螺旋分离减量装置新提出的设计方案创新点可概括为以下3 点：

（1）借鉴脉冲式负压振动筛的抽吸技术及结构。

（2）创新将负压抽吸技术和螺旋输送机相结合，并且可以在螺旋输送机中嵌入多段节点式负压抽吸装置，可以有效实现钻屑的固液分离。

（3）能够实现钻屑物料移动与抽吸液体流量的最佳匹配，提高钻屑的固液分离效率。

4 结语

本文通过负压螺旋分离减量工艺及设备国内外文献检索与分析，可以提炼得出此项目的新设计方案，此方案不同于目前国内外相关技术方案。即在振动筛中的负压抽吸国内外相关技术中，借鉴脉冲式负压振动筛中的负压抽吸结构，结合螺旋输送机输送钻屑的特点，再采取脉冲式负压振动筛中的筛网结构，提出负压螺旋减量新设计结构，即螺旋输送机中嵌入多段节点式负压抽吸装置。此设计方案的特点是可以实现钻屑物料移动与抽吸液体流量的最佳匹配，从而能够有效降低输送钻屑的含液率，提高钻屑的固液分离效率。因此，进行此项目的研究是十分必要的，具有创新性，同时，能够带来一定的社会意义。