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        基于模糊數(shù)學的含油鉆屑處理效果評價研究

        2019-12-05 08:29:42鄭秋生
        天津科技 2019年11期
        關(guān)鍵詞:含油率固液巖屑

        鄭秋生,阮 鋒

        (1.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)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(chǎn)物,如果不經(jīng)處理直接排放將會造成環(huán)境污染,目前含油鉆屑常規(guī)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(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)一些油已經(jīng)滲透進巖屑顆粒內(nèi)部,如采用常規(guī)的清洗工藝,巖屑外層的油容易清洗掉,但巖屑內(nèi)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(nèi)試驗對處理工藝進行模擬,為現(xiàn)場工程化的實際應(yīng)用提供依據(jù)。

        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(shè)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(shù)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(guān)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(xù)進一步處理成本變高。藥劑濃度增加效果會趨優(yōu),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(yīng)增加。

        1.2 試驗設(shè)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(shè)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(xiàn)場直接取得,外觀呈顆粒粘稠狀,經(jīng)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(huán)保要求及清洗后巖屑后續(xù)處理的經(jīng)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(zhì)經(jīng)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(shù)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(xù)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(jié)果進行后續(xù)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(jié)果見表2。

        2.2 隸屬函數(shù)模型[3]

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

        表2 正交試驗結(jié)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(shù)為:

        構(gòu)建的模糊關(guān)系矩陣為:

        2.3 夾角余弦賦權(quán)法確定權(quán)重分配集[4]

        本分析選用夾角余弦賦權(quán)法構(gòu)造各項指標的權(quán)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(guān)于2項評價因素指標矩陣:

        2.3.1 建立2項指標的最優(yōu)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(gòu)造9個方案與*

        U 和U*的相對偏差矩陣

        2.3.3 構(gòu)建2項評價指標的權(quán)重

        2.4 模糊綜合評價值的計算[4]

        2.5 主效應(yīng)分析[1]

        工藝參數(shù)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(jù)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(jié)果分析

        3.1 依據(jù)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(yīng)分析

        由表3得到主要工藝參數(shù)組成的 4個模糊子集Ci為:

        根據(jù)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(yōu)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(fā)現(xiàn)藥劑濃度和清洗時間對整體工藝的影響效應(yīng)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(zhì)、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(nèi)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(jù)模型分析結(jié)果,按照1.4試驗程序進行驗證性試驗,經(jīng)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(xù)的工程化應(yīng)用提供參數(shù)依據(jù),后續(xù)的工程化應(yīng)用過程中將以此為基礎(chǔ),進行放量參數(shù)調(diào)節(jié)。

        5 結(jié) 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(jīng)濟性要求。利用夾角余弦賦權(quán)方法確定權(quán)重,可避免人為主觀因素對各個指標在最終的結(jié)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(jié)果更精確[7]。經(jīng)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(yōu)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(shù)依據(jù)。

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