帶油巖屑隨鉆預處理裝置設計與優化

鄭德帥

(中國石化石油工程技術研究院，北京 102260)

0 引 言

1 帶油巖屑隨鉆預處理裝置設計

1.1 總體結構

為實現對鉆井過程產生的帶油巖屑進行隨鉆預處理的功能，預處理裝置由螺旋輸送器(3條)、巖屑甩干機、螺桿泵、變頻高速離心機、泥漿緩沖罐組成。見圖1。

圖1 帶油巖屑預處理裝置

1號螺旋輸送器將常規固控設備振動篩處理后的巖屑輸送至巖屑甩干機，巖屑甩干機高速旋轉，在離心力作用下，帶油巖屑均勻堆積在甩干機篩藍上，而巖屑上的油基鉆井液通過篩藍上的縫隙被甩出去并收集起來。分離出油基鉆井液的巖屑被刮刀收集至卸料斗[9]，由2號螺桿輸送器輸送至巖屑箱。甩干機收集的油基鉆井液中含有大量的微粒固相，不能直接回收利用。螺桿泵將分離出的油基鉆井液泵送至變頻高速離心機，經過離心機處理，將油基鉆井液中大于2 μm有害固相分離出去[10]，通過3號螺旋輸送器輸送至巖屑箱；分離出有害固相的油基鉆井液進入泥漿緩沖罐，返回泥漿罐中實現回收利用。

1.2 關鍵設備選型

按照隨鉆處理的要求，設備的處理能力要大于鉆進過程中巖屑的產生量。目前油基鉆井液鉆進的井眼尺寸基本為215.9 mm[11]，假設井眼平均擴大率為20%，機械鉆速5～20 m/h[12]，巖屑密度為2.6 g/cm3，經計算每小時產生的最大巖屑量為2.86 t，國內涪陵、威遠、南川等主要頁巖氣區塊應用的油基鉆井液密度一般在1.4～2.0 g/cm3，根據高速離心機的使用經驗，當鉆井液密度為2.0 g/cm3時，其長時間聯系處理能力降低為標準處理量(處理液體密度約為1.0 g/cm3)的10%，因此甩干機、離心機的連續處理量不能低于30 t/h。

選擇的甩干機和離心機參數見表1、表2所列。

表1 巖屑甩干機主要參數

表2 高速離心機主要參數

2 結構及參數優化

2.1 運行過程出現的問題

帶油巖屑隨鉆預處理裝置在現場運行時主要問題有兩點。

(1) 甩干機在甩干巖屑、刮刀在處理巖屑時都會產生大量各種粒徑的小巖屑，篩藍的縫隙一般設計為0.2～0.5 mm，經過長時間運行，篩藍縫隙被相同粒徑的巖屑堵住，小微粒巖屑逐漸堆積沉淀成致密的濾餅，導致油基鉆井液不能分離出去，卸料斗內的巖屑含油量高于10%，達不到降低含油量的指標。

(2) 甩干機通過高速分離巖屑表面的油基鉆井液時，部分巖屑在較大的離心力作用下出現破碎，刮刀在收集篩藍上堆積的巖屑時也會破碎一部分巖屑，巖屑破碎會產生大量不同粒徑的巖屑顆粒，直徑小于篩藍縫隙寬度的巖屑顆粒將與油基鉆井液一同被收集，因此其固相含量遠高于一般的油基鉆井液，變頻高速離心機在處理這種油基鉆井液時，非常容易堵塞，導致裝置中斷運行。

2.2 優化措施

針對甩干機、離心機堵塞的技術難點，目前有風刀除塵、進液量智能調控等多種手段，但沒有從根本上解決問題，新增加的結構和功能也有失效的風險。

選用0.4～0.5 mm大縫隙的甩干機篩藍，使小顆粒巖屑與油基鉆井液一同分離出去，由于縫隙大被堵塞的可能性降低，即使被相同粒徑的巖屑填充，留下的間隙也足以使微小巖屑通過，避免形成致密濾餅，經過計算分析，得出了甩干機的最佳轉速是800～900 r/m。

2.3.3 醫護工作者職業認同的職稱差異 對醫護工作者職業認同進行職稱的方差分析（見表8），結果表明：不同職稱醫護工作者的職業期望、職業技能、職業意志存在顯著性差異，而其他因素不存在顯著性差異；副主任醫師及以上職稱的醫護工作者職業認同程度高于其他醫護工作者；護士職稱越高認同程度越低，醫生職稱越高認同程度越高。

研究了高速離心機轉速與分離粒徑的關系。基于巖屑滑落速度公式，離心機轉速與固相顆粒粒徑的關系[13]為：

式中：R為離心機轉速半徑，m；v為離心機容量，m3；Q為進液排量，m3/s；vs為固相顆粒的運移速度，m/s；F為巖屑顆粒離心機，N；d為固相顆粒的直徑，mm；ρrc為固相顆粒的密度，g/cm3；ρd為鉆井液的密度，g/cm3；μpv為鉆井液黏度，mPas。

帶入正常鉆進時的參數，可得以下簡化公式：

圖2 轉速-巖屑粒徑分離曲線

巖屑甩干機選用大縫隙篩藍后，解決了甩干機堵塞的問題，但分離出的油基鉆井液固相含量更高，增大了高速離心機堵塞的概率。為了解決這個問題，設計了高速離心機分時分速依次處理的技術思路。

首先設計增加一個鉆井液緩沖罐，離心機配備2個獨立的鉆井液罐。甩干機分離出的固相含量較高的油基鉆井液首先進入1號罐，1號罐內的泵將油基鉆井液泵入離心機，此時離心機轉速調節為1 000～1 200 r/min，低速條件下離心機把大于8 μm的巖屑顆粒分離出去，分離后的油基鉆井液進入1號罐。由于離心機處于低轉速狀態，只能分離大顆粒的固相，因此不會堵塞。低速處理30 min后1號罐內的油基鉆井液大于8 μm的固相大部分被分離出去；離心機轉速調整至2 500～3 000 r/min，離心機的出口自動轉化為2號罐，由于油基鉆井液已經被低速預處理，固相含量大大降低，因此高速離心機也不會出現堵塞的狀態。2號罐的油基鉆井液中基本沒有2～8 μm粒徑的固相，達到重新利用標準，積累達到一定體積后由2號罐的泵送入鉆井液循環體系中，實現回收利用。根據現場進料的速度，科對低速處理、高速處理的時間進行調整。

將帶油巖屑隨鉆預處理裝置作為一個整體，通過協調優化巖屑甩干機篩藍間隙、離心機的分時分速處理，達到了整體優化的效果。

3 應用效果

帶油巖屑隨鉆預處理裝置在中石化江漢油田進行了應用，取得了良好的效果。在紅星區塊紅頁1試驗井組，共處理巖屑124 t，回收油基鉆井液31.35 m3，處理后的巖屑含油量低于5%，固廢處理量降低15.21%。

圖3 巖屑脫油處理后的干粉末

4 結論與建議

(1) 設計的帶油巖屑處理裝置由巖屑甩干機和離心機及其他配套裝置組成，可將鉆井產生的巖屑進行隨鉆處理，實現了回收利用油基鉆井液，降低固體廢棄物排放的效果。

(2) 增大甩干機篩藍縫隙，降低甩干機堵塞概率；采用離心機分時分速處理方法，低于處理大顆粒巖屑，高速處理小顆粒巖屑，通過依次處理達到離心機持續無堵塞運行的目的，甩干機和離心機協調優化，實現了裝置整體持續無故障運行的效果。

(3) 帶油巖屑隨鉆預處理裝置在運行時，螺旋輸送器數量多、長度大，并且兩端需要準確對接設備，使用前要了解井場振動篩、氣液分離器等裝置的位置，保證準確安裝和順利運行。