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(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163000)①

在頁巖氣開發(fā)中，水平井鉆井是以頁巖氣為主的非常規(guī)天然氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，水平段鉆井大都采用油基鉆井液。油基鉆井液具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕、有助于井壁穩(wěn)定、潤滑性好、對油氣層損害小的特點[1]，使得在頁巖氣開采過程中得到大規(guī)模使用。但鉆井產(chǎn)生的油基鉆屑及其廢液有較高毒性，油基鉆屑的無害化處理技術(shù)的研究亟需進行。經(jīng)過2 a多的努力，開發(fā)了油基鉆屑復(fù)合清洗工藝技術(shù)，其核心設(shè)備為三相離心機。

三相離心機是用于液-液-固三相懸浮液分離的臥螺式離心機，主要用于互不相溶的兩相液體和固體混合物的分離，這兩相液體通常情況下是油和水[2]。采用復(fù)合清洗工藝調(diào)質(zhì)后的油基鉆屑會形成互不相容的三相，即礦物油、廢水和鉆屑。礦物油回收后，可再次用于油基鉆屑的配制；廢水回用，用于工藝流程中油基鉆屑的調(diào)質(zhì)處理；分離出的鉆屑固相可滿足相關(guān)環(huán)保要求，集中處理。整套工藝流程中，三相離心機的性能是保證油基鉆屑能否達標處理的關(guān)鍵。

1 結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

油基鉆屑三相離心機整機結(jié)構(gòu)包括底座、轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器、殼體、控制系統(tǒng)、電機、差速器和液壓系統(tǒng)，如圖1所示。

1—底座；2—轉(zhuǎn)鼓；3—螺旋輸送器；4—殼體； 5—控制系統(tǒng)； 6—電機；7—差速器；8—液壓系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定了離心機的性能和分離效果，螺旋輸送器是利用螺旋與轉(zhuǎn)鼓間的轉(zhuǎn)速差將沉降在轉(zhuǎn)鼓壁的沉渣輸送到轉(zhuǎn)鼓的排渣口排出。差速器是離心機上不可缺少的最精密又最復(fù)雜的核心部件，其作用是使螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間形成一個微小的轉(zhuǎn)速差。差速器有機械式、液壓式和電磁式等傳動型式，為滿足高固相含量物料的需要，采用液壓差速器，以提高螺旋輸送器的推料轉(zhuǎn)矩。液壓站用于為液壓差速器提供動力；控制系統(tǒng)為主機和液壓系統(tǒng)提供電氣控制，另外，還要控制進料泵的啟停及進液量調(diào)節(jié)。

主要技術(shù)參數(shù)：

轉(zhuǎn)鼓直徑 450 mm

轉(zhuǎn)鼓最高轉(zhuǎn)速 3500 r/min

最大分離因數(shù) 3084

長徑比 4.2

差轉(zhuǎn)速 1～20 r/min

處理量(油基鉆屑) 2～5 m3/h

液池深度 192～220 mm

2 工作原理

三相離心機的工作原理如圖2所示。

1—螺旋推進器；2—轉(zhuǎn)鼓； 3—重液通道； 4—環(huán)形空間；5—撇液管； 6—輕液通道；7—溢流堰。

被分離的三相物料通過加料管連續(xù)進入螺旋輸送器的加料倉，懸浮液經(jīng)螺旋進料口迅速進入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，利用懸浮液中固-液-液三相的密度差，在離心力場作用下，固相顆粒迅速沉降在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁形成沉渣，由于轉(zhuǎn)鼓和螺旋之間存在一定的轉(zhuǎn)速差，沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的物料由螺旋將沉渣推到轉(zhuǎn)鼓小端的出渣口而排出機外，被澄清的分離液由于液-液相的密度差在螺旋葉片通道被分離成兩層，將輕、重液相分開，在轉(zhuǎn)鼓大端設(shè)置有輕、重液相出口，重液相經(jīng)重液通道進入環(huán)狀空間由撇液管排出。輕液相經(jīng)溢流堰進入輕液通道靠離心力排出。這樣就實現(xiàn)了固-液-液三相的分離。

3 關(guān)鍵技術(shù)

采用油基鉆屑復(fù)合清洗工藝調(diào)質(zhì)后形成的三相混合物，具有固相含量高、物性多變等特點，三相分離難度很大，常規(guī)結(jié)構(gòu)的三相離心機不能滿足環(huán)保要求。因此研制了2種高效分離結(jié)構(gòu)，大幅提高了離心機的效能。

3.1 轉(zhuǎn)鼓液面調(diào)節(jié)裝置

由于三相離心機轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，現(xiàn)有三相離心機的液池深度為固定式，無法向兩相離心機一樣進行調(diào)節(jié)，也就無法根據(jù)物料的特性，改變排出固相的含液量，使得三相離心機的應(yīng)用受到一定的限制。因此，研制了轉(zhuǎn)鼓液面調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)鼓液面的無級調(diào)節(jié)。

該裝置包括轉(zhuǎn)鼓端蓋、液面調(diào)節(jié)盤體、鎖緊螺母、排液管等，如圖3所示。

1—轉(zhuǎn)鼓端蓋；2—液面調(diào)節(jié)盤體；3—鎖緊螺母；4—排液管；5—螺紋孔；6—槽；7—轉(zhuǎn)鼓；8—轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔；9—重質(zhì)液相口；10—圓形空間。

轉(zhuǎn)鼓端蓋和液面調(diào)節(jié)盤配合安裝，并形成圓形空間；液面調(diào)節(jié)盤的盤體上有若干斜向的重質(zhì)液相出口和若干斜向的螺紋孔，螺紋孔內(nèi)安裝排液管，排液管外端安裝鎖緊螺母。工作時，離心機轉(zhuǎn)鼓的高速旋轉(zhuǎn)，使得輕、重質(zhì)液相分層，外側(cè)的重質(zhì)液相通過調(diào)節(jié)盤體上的重質(zhì)液相口進入轉(zhuǎn)鼓端蓋與液面調(diào)節(jié)盤之間的圓形空間，由撇液泵排出；內(nèi)側(cè)的輕質(zhì)液相通過排液管排出；排液管可通過螺紋調(diào)節(jié)插入深度，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液面高度，當排液管插入螺紋孔較深時，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液面高度就越大，反之就越小。調(diào)節(jié)完成后，上緊鎖緊螺母鎖定排液管，防止排液管松動或脫落，實現(xiàn)了改變固相含液量，提高離心機功效的目的。

3.2 溢流實時調(diào)節(jié)機構(gòu)

由于油基鉆屑和廢液中的含油量并不是一個固定值，差異很大。在含油量較高時，需要增大油相的排量，同時減小水相的排量；反之亦然。采用溢流實時調(diào)節(jié)機構(gòu)可不停機實時調(diào)節(jié)油、水的排量，達到提高油相分離質(zhì)量的目的。

溢流實時調(diào)節(jié)機構(gòu)包括進液管、調(diào)節(jié)桿、調(diào)節(jié)座、固定管、固定盤、撇液輪、支撐盤、支撐套、大圓盤等，如圖4所示。

1—進液管；2—調(diào)節(jié)桿；3—調(diào)節(jié)座；4—固定管；5—固定盤；6—撇液輪；7—支撐盤；8—調(diào)節(jié)盤；9—螺旋葉片；10—臺階孔；>11—螺釘；12—支撐套；13—環(huán)形空間；14—排液孔；15—緊定螺釘；16—弧形通道；17—偏心小圓盤；18—大圓盤；19—長槽。

撇液輪及相連接的零部件安裝在離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，調(diào)節(jié)桿及相連部件安裝在離心機外部。工作時，離心機內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的液體通過撇液輪的弧形通道，進入撇液輪中部，再通過螺旋葉片進入固定管與進液管之間的環(huán)形空間，最后由排液孔排出。需要調(diào)節(jié)時，無需停機，直接扳動調(diào)節(jié)桿，通過調(diào)節(jié)座、進液管帶動調(diào)節(jié)盤旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)盤上的偏心小圓盤可帶動撇液輪伸縮，從而實時調(diào)節(jié)離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液池的深度，改變離心機的處理效果。實現(xiàn)了在不停機情況下，實時改變離心機工作特性的目的。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

油基鉆屑三相離心分離機研制完成后，在中石化西南局永頁2HF井進行了現(xiàn)場試驗。該井三開水平段采用油基鉆井液鉆進。

4.1 工藝流程

根據(jù)油基鉆屑復(fù)合清洗工藝的要求，油基鉆屑化學(xué)清洗工藝流程如圖5所示，使用螺桿泵將油基鉆屑由收集罐輸送到調(diào)質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)，同時在反應(yīng)器內(nèi)加入清洗劑、助洗劑、絮凝劑及水，進行充分的攪拌和反應(yīng)，反應(yīng)完成后，由一臺螺桿泵將反應(yīng)后的混合物料輸送到三相離心機內(nèi)。三相離心機將物料分成固相、油相和水相三部分。固相作為廢渣，由螺旋輸送機排出；油相進入存儲罐；水相進入污水罐，待重復(fù)使用。

圖5 油基鉆屑處理工藝流程

4.2 試驗結(jié)果

對三相離心機分離出的固相和油相進行取樣及檢測，檢測結(jié)果如表1～2。由于水相重復(fù)使用時對水質(zhì)無要求，因此未取樣。

5 結(jié)論

現(xiàn)場應(yīng)用及檢測結(jié)果表明，經(jīng)處理的廢渣總石油烴含量為0.833%～1.196%，遠低于危險廢棄物2%的要求，便于后續(xù)的集中處理；油相含水量1.68%～1.76%，可直接用于油基鉆井液的配制，大幅節(jié)約鉆井成本。該技術(shù)對國內(nèi)其它產(chǎn)能示范區(qū)的頁巖油氣勘探開發(fā)過程中的油基鉆屑及廢液的環(huán)保治理及安全處置具有較好的借鑒及示范引領(lǐng)作用。

表1 固相檢測結(jié)果

表2 油相檢測結(jié)果

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