真空吸附設備在油基鉆井液處理中的應用研究*

陳金瑞 馮群娣 周 靜 田文衛 劉興振 劉彥良

(濮陽市中原銳實達石油設備有限公司)

0 引 言

隨著鉆井深度與工藝的發展，我國鉆井作業對鉆井液循環系統的要求越來越高，尤其是油基鉆井液具有良好的流變穩定性能、電穩定性能、潤滑性能、抑制性能以及較高的動塑比等優點[1]，石油天然氣開發采用油基鉆井液作為鉆井工程中的鉆井液越來越普遍。但油基鉆井廢棄物固相作為石油天然氣開發的重要污染源，單井可產生油基鉆井廢棄物固相400～800 m3，成為石油天然氣開發過程的主要污染源。世界各國都對油基鉆井廢棄物的排放制定了嚴格的控制標準，美國聯邦政府規定禁止排放油基鉆井液，含柴油的鉆屑游離油也不允許排放；加拿大政府規定處理后的廢棄物中的含油質量分數不得大于2%[2]。目前針對油基鉆井廢棄物固相的后處理主要是脫干-生物降解、熱蒸餾、熱裂解、化學清洗、超臨界萃取、LRET、水泥窯協同處置技術等不同處理技術[3-10]。以上技術在國內都展開了不同程度的研究與應用，不同的技術各有優缺點，但主要問題仍集中在工藝復雜，能耗高，無法滿足后處理量產率的需求。

針對此問題，近年來國外改變思路從源頭減少油基鉆井廢棄物固相的排放。美國Swaco公司與加拿大Vac Screen公司利用文丘里管噴射原理形成真空并加裝在原有振動篩上，將油基鉆井廢棄物固相攜帶多余的油基鉆井液回收利用；挪威Cubility公司研究的新型mudcube設備，將真空及微振動原理用于取代傳統振動篩，減少油基鉆井廢棄物固相的排出[11-13]。但以上新技術一直受到保密限制，國內還處于研究起步階段。

為此，筆者研制了一種用于油基鉆井液真空吸附的設備[14]，該設備突破國外技術障礙，在鉆井工程開發中取代常規鉆井液振動篩，減少了油基鉆井固相廢棄物排放量，從源頭控制其含水、含油體積分數，減輕了后處理工藝的負擔，降低了后續工藝的能耗。

1 技術分析

1.1 結構

真空吸附設備結構如圖1所示。鉆井液分配器與篩分系統入料口連接在一起，并固定在篩分系統上部，篩分系統一端連接真空排液室并形成密封空間，其中篩分系統兩端設置尼龍齒輪，上方為轉運拖鏈，轉運拖鏈上方為篩網，拖鏈下方為高頻氣動振動器，并內置于篩分系統中。篩分系統前部的主動尼龍齒輪通過兩端軸承安裝在主框架前部并連接電動系統上部，被動尼龍齒輪通過兩端軸承安裝在主框架后部。篩分系統上方為密封型的防飛濺，防飛濺前端為活裝結構，通過氣動彈簧連接在主框架上，篩網清潔系統固定在篩分系統外部下方。落料清掃系統通過前、后兩端軸承固定在主架下部并連接電動系統。真空排液室一端與篩分系統連接，另一接口連接排氣系統。電控系統固定在真空排液室上。鉆井液分配器、篩分系統、落料清掃系統、真空排液室、排氣系統固定在主框架上，主框架前方下部開有落料口。

1—鉆井液分配器；2—激振器；3—篩分系統；4—落料清掃系統；5—電動系統；6—框架主體；7—篩網清潔系統；8—電控系統；9—真空排液室；10—排氣系統。

1.2 工作原理

井底返上的油基鉆井液進入到鉆井液分配器，鉆井液分配器將油基鉆井液均勻地分流入篩分系統中；排氣系統產生真空，通過真空排液室將真空力施加到篩分系統中的篩網上；同時篩分系統中的激振器通過外接氣源產生高頻微振動，使篩網上面的油基鉆井液與油基廢棄物固相在自身重力產生的慣性力下分離。分離后的油基鉆井液在兩者的作用下流到真空排液室，再通過真空排液室排出口流入到循環罐中，以再次循環回收利用油基鉆井液。分離后的油基鉆井廢棄物固相隨著篩網在電動系統的驅動下轉動到落料口處，依靠自重脫落。未脫落的油基鉆井廢棄物固相在篩網清潔系統的作用下脫離篩網，并落在主框架底部。落料清掃系統在電動系統轉動下將脫離篩網的油基鉆井廢棄物固相清掃至主框架出料口處。電控系統可以調節篩網轉運速度及落料清掃系統速度，并控制排氣系統的啟停。

1.3 主要技術參數

真空吸附設備總功率約為11 kW；處理量為150 m3,外接氣源壓力為0.6 MPa,激振器空氣消耗量為1.5 m3/min,空氣刀滿負荷空氣消耗量為6.5 m3/min,篩分系統轉速為10～12 r/min(變頻可調)；主機外形尺寸：3 150 mm×2 105 mm×1 645 mm。

2 關鍵技術

2.1 鉆井液分配器

鉆井液分配器內部采用溢流堰式結構和鋸齒形流道，這使得進料的油基鉆井液能夠上升到一定高度才能溢流到出料口，再經過鋸齒形流道，使得油基鉆井液可以均勻地分配到篩分系統中。在鉆井液分配器內部設置有鉆井液平衡結構，可根據地腳安裝情況調節兩側鉆井液流入量，防止因地腳傾斜造成鉆井液流入篩分系統不均。在鉆井液分配器入口設置緩沖結構，避免油基鉆井液因流速過快或在慣性的作用下越過溢流堰式結構。

2.2 篩分系統

篩分系統頂部設置有篩網，篩網下方為可轉動的拖鏈，安裝在主框架的前后兩端軸承上。軸承外置于篩分系統，避免鉆井液浸入軸承體。篩分系統內置高頻氣動振動器，通過振動平衡杠將振動均勻地傳遞在拖鏈與篩網本體。篩分系統內部設置收集倉，該收集倉通過真空排液室間接與排氣系統連接，使真空吸附力傳遞到篩網面的油基鉆井液，以保證分離后的油基鉆井液可以集中導向真空排液室。為保證真空的密封性，在收集倉頂部四周采用聚氨酯塊與篩網拖鏈形成密封空間。為避免油基鉆井液通過篩網與拖鏈之間流入收集倉，在篩網兩側增加閉孔密封條，通過在閉孔密封條正上部增加配重壓縮閉孔密封條，使得油基鉆井液無法流入收集倉中，從而避免處理前、后的混合物料。

篩分系統工作原理如圖2所示。油基鉆井液流經篩網表面時，黏附在油基鉆井廢棄物固相的油基鉆井液在上下振動的作用力下脫離分開，并由向下的吸附作用力將油基鉆井液透過篩網吸入到篩分系統中。經分離后的油基鉆井液進入到篩分系統內部并流入到真空排液室。粒徑大于篩網孔的固相被傳動到出料口。

圖2 篩分系統工作原理

篩分系統采用激振器高頻微振動+真空吸附的原理，廢棄物固相顆粒基本保持井下返上的形狀，在真空吸附力與微振動的作用下盡量避免破壞原顆粒物大小，使得顆粒物的表面積遠小于常規振動篩處理后的顆粒物的表面積。

2.3 真空排液室

真空排液室內部設計有水密封結構，使得內部真空與外部大氣壓隔開。源源不斷的油基鉆井液通過液體自身重力經過水密封結構排出到出液口。在真空排液室中部設置有過濾器，防止一些油基鉆井液隨大氣吸入排氣系統中，頂部設置錐形真空吸盤，將排氣系統中的氣壓范圍擴大。

真空排液室的流程如圖3所示。向下的箭頭為油基鉆井液流向，向上的箭頭為氣體流向，氣體與液體在此單元內進行分離。同時在真空吸盤真空吸附力的作用下，一部分有害氣體從液體中破碎[15]，并通過排氣系統的排氣口外接到安全地帶。

1—真空吸盤；2—過濾裝置；3—水密封結構。

2.4 排氣系統

排氣系統為該設備的真空源，選擇的風機負壓與氣體流量曲線如圖4所示。其中下部紅色線條為50 Hz的曲線，上部藍虛線為60 Hz的曲線。在50 Hz的情況下，當油基鉆井液完全覆蓋篩分系統篩網時，真空壓力可以達到-0.027 MPa，氣量為230 m3/h；當篩分系統中無油基鉆井液時，真空壓力為0，氣量最大830 m3/h。該該曲線基本為線性，具體壓力與氣量隨油基鉆井液覆蓋篩分系統中篩網狀況而發生變化。

圖4 風機負壓與氣體流量曲圖線

2.5 落料清掃系統

落料清掃系統由16把氣刀組成，連接外部空氣壓縮機，使壓縮空氣噴射到篩網上。該氣刀內大外小，通過將氣口急劇收縮，噴射出的壓縮空氣形成線狀，以清除黏附在篩網上的油基鉆井廢棄物固相。該結構高度可調，根據不同工況調節氣刀口與篩網面的距離，使氣刀覆蓋全篩面。

3 現場應用

該設備與平動橢圓振動篩于2021年9月在四川頁巖氣某平臺進行油基鉆井液隨鉆試驗對比。油基鉆井廢棄物固相在篩面情況如圖5所示。

圖5 平動橢圓振動篩與真空吸附篩面對比

由圖5可知，相同工況下，平動橢圓振動篩與真空吸附設備篩網面處理油基鉆井廢棄物的區別在于：平動橢圓振動篩篩面上的物料更碎，顆粒更小，流動性較強，攜帶的油基鉆井液更多；而真空吸附設備分離顆粒較大，未經破碎，攜帶的油基鉆井液較少。

鉆井深度為5 900 m時，平動橢圓振動篩與真空吸附設備采用200×110目的長方形孔篩網。平動橢圓振動篩處理后的油基鉆井廢棄物固相(取樣50 mL)經蒸餾器檢測，含水、含油體積分數如表1所示。

表1 平動橢圓振動篩油基鉆井廢棄物固相含液量

真空吸附設備處理后油基鉆井廢棄物固相(取樣50 mL)含水、含油如表2所示。

表2 真空吸附設備油基鉆井廢棄物固含液量

從表1、表2可以得出，平動橢圓振動篩處理后平均含液體積分數42.5%，平均含油體積分數33.14%。真空吸附設備平均含液體積分數33.9%，平均含油體積分數25.7%。真空吸附設備比平動橢圓振動篩含液體積分數低8.6%，含油體積分數低7.44%。

4 結論及建議

(1)研制的真空吸附設備可以有效減少鉆井作業中產生的油基鉆井液廢棄物固相，為二次后處理工藝(如熱蒸餾、熱裂解等)減輕負擔。

(2)應用真空吸附設備能有效增加鉆井作業過程中油基鉆井液的利用率，避免過多油基鉆井液排放到油基鉆井液廢棄物固相中。

(3)在現場應用中，真空吸附設備可以將一部分有害氣體從液體中破碎并排放到安全地帶，改善了現場作業環境，減小了安全隱患。

(4)在油基鉆井液隨鉆處理過程中，可考慮將該設備應用于固控系統第一級固液分離中。