基于模糊數學的含油鉆屑處理效果評價研究

鄭秋生，阮 鋒

(1.中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司 天津300457；2.中國海洋石油國際公司 北京100027)

含油巖屑作為鉆井過程中的產物，如果不經處理直接排放將會造成環境污染，目前含油鉆屑常規處理方法有鉆屑熱解、焚燒、回注地層、熱清洗等。本研究中的含油巖屑不是新鮮巖屑，存放時間較長，通過微觀結構觀察發現一些油已經滲透進巖屑顆粒內部，如采用常規的清洗工藝，巖屑外層的油容易清洗掉，但巖屑內部滲透進的油將會導致巖屑整體的含油率不達標。因此通過室內試驗對處理工藝進行模擬，為現場工程化的實際應用提供依據。

含油鉆屑清洗過程中巖屑固液比、攪拌時間、藥劑濃度、加熱溫度等因素都影響最終的清洗效果；通過采用正交設計試驗方法，能在同樣試驗工作量情況下獲得更多的信息；由于除了處理后巖屑含油率這一指標外，處理后的含液率也是一個需要控制的指標。為確保綜合處理指標的合理性，采用模糊數學方法，得到了各因素水平的最佳搭配[1]。

1 巖屑清洗試驗研究

1.1 巖屑清洗影響因素分析

巖屑固液比、攪拌時間、藥劑濃度、加熱溫度等因素是影響最終清洗效果的關鍵因素。巖屑固液比越小，水量越大，在工程實施過程中，沖擊水的流量越大、流速越高對巖屑的沖擊效果越好；另一方面，含水率越高的情況下巖屑的分散性越好，可以提高水油界面接觸的機會，對巖屑表層含油的清洗效果越好。但是巖屑含水率太高將會導致整體處理效率降低，延長處理時間，相對增加處理成本。攪拌時間越長，對巖屑切割得越充分，滲透進巖屑中的油越容易清洗干凈。但攪拌時間長將會降低處理效率，切割的顆粒越細小，將會導致離心分離后含水率上升，巖屑總體重量變大，后續進一步處理成本變高。藥劑濃度增加效果會趨優，但將會增加整體的運維成本。加熱溫度趨高，整體的清洗效果會越好，但溫度過高會增加能耗，處理成本相應增加。

1.2 試驗設計

試驗選取巖屑固液比、攪拌時間、藥劑濃度、加熱溫度作為4項評價因素，通過預試驗確定每個評價因素的水平范圍，每個因素選取具備代表性的3個水平值。采用L9(34)正交表，正交設計方案見表1。

表1 因素水平表Tab.1 Factor level table

1.3 處理效果測試

試驗選用的含油巖屑由現場直接取得，外觀呈顆粒粘稠狀，經測試其含水率 27%、含油率 12%、含固率61%。

對項目工程實施過程中的環保要求及清洗后巖屑后續處理的經濟性要求進行綜合考量，選取處理后巖屑含油量和含水率2個指標作為評價指標。

含油率測試：采用索氏提取-分光光度法測定含油率[2]。

處理后含水率測試：采用國家標準水-油混合體系含水率的測定方法；剩余的雜質經過濾、洗滌、烘干、靜置，稱重得含水率。

1.4 試驗程序

①用電子秤稱取100g巖屑。②將巖屑放入燒杯中，依表2所列參數按照比例放入清水及化學藥劑，將燒杯放置在恒溫水浴鍋中，使用攪拌機連續對巖屑進行切割攪拌，達到時間要求后加入一定的絮凝劑混合攪拌并進行離心分離。③取離心后固相測定含油、含液率。④重復進行②、③步驟，共進行 9次試驗。④取得試驗結果進行后續的分析。

2 模糊綜合評價模型的建立

2.1 指標集和對象集

以含油率指標Y1和含水率指標Y2建立評價指標集U＝{Y1，Y2}。評價對象及實驗結果見表2。

2.2 隸屬函數模型[3]

建立評價指標集 U對評價集 V的隸屬函數，隸屬數rmn在 0～1之間(m＝1，2；n＝1，2，…，9)。

表2 正交試驗結果Tab.2 Result of orthogonal experiment

含油率和含水率屬于偏小型指標，隸屬函數為：

構建的模糊關系矩陣為：

2.3 夾角余弦賦權法確定權重分配集[4]

本分析選用夾角余弦賦權法構造各項指標的權重。

對于表2所列9個實驗方案的集合：

可以得到9個方案關于2項評價因素指標矩陣：

2.3.1 建立2項指標的最優方案*U和最劣方案U*

其中I1、I2、I3分別為效益性、成本型、適度性指標。含油率、含液率均屬于成本型指標。

2.3.2 構造9個方案與*

U 和U*的相對偏差矩陣

2.3.3 構建2項評價指標的權重

2.4 模糊綜合評價值的計算[4]

2.5 主效應分析[1]

工藝參數組成的因素為Ci，其論域為Xi，則有：Xi={Cij}。將因素Ci在各水平 j上Cij的模糊綜合評價值之和歸一化，得到該因素水平對模糊綜合評價值的影響程度代表Cij屬于模糊集合Ci的程度，它也是定義在論域Xi上的，故可將表示為Xi上的模糊子集，則有：

根據最大隸屬度原則，確定各因素對綜合評價的影響程度。

3 模型試驗結果分析

3.1 依據前面的計算原理可得

表3 正交試驗指標隸屬度、模糊綜合評價值Tab.3 Orthogonal experiment index membership and fuzzy comprehensive evaluation value

3.2 主效應分析

由表3得到主要工藝參數組成的 4個模糊子集Ci為：

根據最大隸屬度原則可知，各因素的影響程度分別為：

C1= 0.3665，C2= 0.3802，C3= 0.3809，C4=0.3516，表明各因素對模糊綜合評價值的影響順序為C3＞ C2＞ C1＞ C4，即：藥劑濃度＞清洗時間＞巖屑固液比＞清洗溫度。最優的工藝條件為：巖屑固液比1∶5，清洗時間 30min，藥劑濃度 30mg/L，清洗溫度60℃。

通過分析，發現藥劑濃度和清洗時間對整體工藝的影響效應幾乎相等，是 2個主要的影響因素。藥劑在其中起到的作用是改變界面性質、降低界面張力，使油滴離開巖屑表面[5-6]；清洗時間越長、巖屑破碎的顆粒越細小，藥劑和清水對巖屑內部油的清洗分離越徹底，處理后的含油率越低。

4 驗證性試驗

依據模型分析結果，按照1.4試驗程序進行驗證性試驗，經測試分析處理的巖屑含油率為 1.98%，含液率 20.2%；除油率達到 83.5%。本實驗研究為后續的工程化應用提供參數依據，后續的工程化應用過程中將以此為基礎，進行放量參數調節。

5 結 論

含油巖屑清洗效果受多個因素的影響，每種因素對最終的處理效果均有正向和負向的影響，需要在各種因素之間求取平衡，確保在達到處理效果的同時兼顧到經濟性要求。利用夾角余弦賦權方法確定權重，可避免人為主觀因素對各個指標在最終的結果中所占比重影響，其大小得到更客觀精確的表征，從而使所得出的結果更精確[7]。經過理論分析得出各試驗因素影響程度依次為：藥劑濃度＞清洗時間＞巖屑固液比＞清洗溫度。綜合評定較優的因素組合為：巖屑固液比 1∶5，清洗時間 30min，藥劑濃度 30mg/L，清洗溫度 60℃。通過試驗驗證分析巖屑除油率達到83.5%。處理后巖屑的含油率為 1.98%，含液率20.2%，滿足進入后道工序處理的要求。該試驗研究為含油鉆屑的工程化處理提供了工藝參數依據。