謝江浩 徐瑞翔 田相友 馬蒸釗

(1.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司；2.中國石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

隨著石油勘探開發(fā)工作的深入，固廢產(chǎn)生量隨之增加，不僅處理處置費用增加，伴隨著收集轉(zhuǎn)運處置過程中的環(huán)保風(fēng)險也更加突出。在新《固廢法》中，規(guī)定了固體廢物污染環(huán)境防治應(yīng)堅持“源頭減量”。針對固廢的減量化處理是固廢管理的基礎(chǔ)，發(fā)展相對成熟、技術(shù)工藝比較豐富的主要有小孔鉆井、連續(xù)軟管工藝、環(huán)保型鉆井液以及新型固控設(shè)施等[1-3]。傳統(tǒng)的鉆井液固控系統(tǒng)通常是由振動篩、除砂器、除泥器、離心機等組成的三級或四級凈化系統(tǒng)。近年來，隨著第1級減量性能的提高，逐漸出現(xiàn)了“振動篩+離心機”的兩級凈化方案[4-6]。

國內(nèi)外性能優(yōu)越的第1級處理設(shè)備主要有DERRICK HYPERPOOL 4P 振動篩、GX/S雙軌跡振動篩、S610雙層變軌跡振動篩、長框傳輸型振動篩、負(fù)壓振動篩等。雙軌跡振動篩、雙層篩網(wǎng)、加長篩網(wǎng)、負(fù)壓等技術(shù)的目的都是提高篩分效率，保證鉆井過程固控效果。本文主要對現(xiàn)階段國內(nèi)外負(fù)壓振動分離技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進行介紹。

負(fù)壓振動分離技術(shù)是在篩網(wǎng)下方利用真空系統(tǒng)形成負(fù)壓腔室，以壓差和振動的復(fù)合作用分離鉆井液與鉆屑，提高振動篩的處理能力。將負(fù)壓分離技術(shù)應(yīng)用于固相控制系統(tǒng)，一方面可以降低固相含液率，減少回運量；另一方面能夠有效控制鉆井液中固相顆粒的含量，保持鉆井液的密度、濾失性能、黏度等，確保鉆井液達到再利用的要求。

1 國外負(fù)壓振動分離技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 挪威Cubility公司MudCube負(fù)壓振動篩

美國Remteck公司在20世紀(jì)80年代，開發(fā)了MAX系統(tǒng)[7]，如圖1所示，首次將應(yīng)用于采礦的真空過濾原理應(yīng)用于鉆井液固液分離過程，通過過濾帶清除鉆井液中的固相。MAX系統(tǒng)配備了內(nèi)、外兩層濾帶。外層帶是由聚氨酯編制的、具有方形或矩形孔眼的過濾帶，內(nèi)層帶是泄流帶。當(dāng)其運動時，處于真空臺上方的區(qū)段與真空臺構(gòu)成了一個密封區(qū)，鉆井液穿過過濾帶進入負(fù)壓腔室。當(dāng)過濾帶進入過濾作業(yè)區(qū)時，是貼在泄流帶上的。泄流帶由一個動力滾筒驅(qū)動，并依靠兩帶之間的摩擦力，帶動過濾帶同步運行。但在實際生產(chǎn)過程中，由于鉆井液固液分離時液相較多，固相較少，同時受限于真空泵的工作效率，設(shè)備所需要的真空度難以持續(xù)。

圖1 MAX系統(tǒng)原理[7]

2004年，TrondMelhus等提出了真空輸送分離器(VCS)[8]，2009年，第一套MudCube系統(tǒng)被應(yīng)用于挪威大陸架Oseberg現(xiàn)場。在2010年的美國鉆井工程師協(xié)會鉆井液會議上，正式發(fā)布了該系統(tǒng)的相關(guān)試驗資料。2012年正式商業(yè)運作于Marsk Giant。經(jīng)過近10年的研究和試驗，其產(chǎn)品更新?lián)Q代為圖2所示的結(jié)構(gòu)[9-10]。其主要工作原理如圖3所示[11]。

圖2 MudCube工作示意[10]

圖3 MudCube工作原理

相較于傳統(tǒng)的振動篩，MudCube系統(tǒng)采用了完全封閉式系統(tǒng)，設(shè)備在運行過程中，無低頻振動產(chǎn)生的噪聲，能夠有效改善工作環(huán)境。

1.2 SWACO公司SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator

2015年底，SWACO公司推出了SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator，它是在傳統(tǒng)振動篩最后一塊或兩塊篩網(wǎng)下安裝真空負(fù)壓裝置，通過脈動氣流形成一定頻率的真空抽吸效果，從而提高鉆井液的回收量，降低待處理混合液固液分離的難度，有效降低處理后鉆井巖屑固相物料20%～30%的含液量，提高液相回用效率，從而大幅減少鉆井成本，脈沖式負(fù)壓振動篩示意見圖4[12]。

圖4 脈沖式負(fù)壓振動篩示意[12]

在真空泵工作過程中，脈沖性氣流帶動篩網(wǎng)下負(fù)壓吸盤內(nèi)的壓力規(guī)律性變化，既能提高篩分效率，又能降低固相中含液率，脈沖式負(fù)壓振動篩工作原理見圖5。據(jù)統(tǒng)計，與使用普通振動篩相比，應(yīng)用該技術(shù)可以使油基鉆屑含油量從19%降至5.6%[12]。

圖5 脈沖式負(fù)壓振動篩工作原理

2 國內(nèi)負(fù)壓振動篩分離技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)某公司曾引進MudCube振動篩，并在長寧頁巖氣鉆井中進行了試驗，與國內(nèi)優(yōu)秀的振動篩產(chǎn)品相比，其實際使用效果并不具備很大優(yōu)勢。同時，該公司也對MudCube振動篩進行了國產(chǎn)化的試制，但價格太高，遠(yuǎn)超出了國內(nèi)陸上鉆井公司的承受能力，同時，MudCube振動篩部分特殊元件制造困難。到目前為止，還未見有該產(chǎn)品國產(chǎn)化試驗的報道。

西南石油大學(xué)在2000年前后，提出了基于傳統(tǒng)振動篩在篩面下形成負(fù)壓以增大振動篩處理量的構(gòu)想，但并未能形成實際的設(shè)計。2010年以來，針對負(fù)壓振動篩，先后有多家單位申請了相關(guān)專利，如表1所示。

表1 國內(nèi)負(fù)壓振動篩申請專利情況

表1所述專利涉及的結(jié)構(gòu)原理基本相似，均是在傳統(tǒng)振動篩下方安裝負(fù)壓吸盤。需要特別指出的是寶石機械的兩個專利：“一種負(fù)壓鉆井液振動篩”在真空泵與氣液分離器之間設(shè)有真空恒壓閥，使得吸盤真空度恒定，從而大大保證了固液分離效率；“一種串聯(lián)式雙層負(fù)壓振動篩”綜合了DERRICK HYPERPOOL與SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator的優(yōu)點。

在SWACO公司推出SCREEN PULSE Fluid & Cuttings Separator產(chǎn)品后，國內(nèi)多個廠家都宣稱正在開發(fā)負(fù)壓振動篩產(chǎn)品。西南石油大學(xué)和四川寶石機械專用車有限公司合作，在國內(nèi)首先開發(fā)出了負(fù)壓振動篩的樣機。此外，河北冠能石油機械制造有限公司與河北北鉆石油鉆采設(shè)備有限公司先后開發(fā)出各自的真空負(fù)壓振動篩[20-21]。

3 負(fù)壓振動分離技術(shù)比較

盡管脈沖式負(fù)壓振動篩與MudCube兩者都采用了負(fù)壓分離技術(shù)，但其應(yīng)用形式有顯著不同。

1)氣源應(yīng)用不同。脈沖式負(fù)壓振動篩采用的真空泵一般為氣動噴射真空泵，所以氣源主要用于真空泵的驅(qū)動，在生產(chǎn)現(xiàn)場對氣源的穩(wěn)定性要求較高。MudCube采用的是旋片式真空泵，電力驅(qū)動，其氣源應(yīng)用主要是在篩網(wǎng)內(nèi)側(cè)的“吹掃”，防止顆粒物堵塞篩孔降低篩分效率。

2)單顆粒物受力不同。針對兩種負(fù)壓振動篩建立了“單顆?！绷W(xué)模型，對比發(fā)現(xiàn)，摩擦力在脈沖式負(fù)壓振動篩中是阻礙顆粒物運動，但在MudCube中摩擦力是作為顆粒物運動的驅(qū)動力。由于受力模型不同，最終使得顆粒物的運動形式也不相同。脈沖式負(fù)壓振動篩單顆粒受力示意見圖6，MudCube單顆粒受力示意見圖7。

圖6 脈沖式負(fù)壓振動篩單顆粒受力示意

圖7 MudCube單顆粒受力示意

圖6、圖7中，G為固相顆粒重力；FN為固相顆粒對篩面正壓力；f=FN×μ，表示固相顆粒在篩網(wǎng)上所受摩擦力；R為鉆井液對固相顆粒拖拽阻力與真空泵給篩面負(fù)壓力的合力。

3)密封形式不同。MudCube采用的是柔性篩網(wǎng)，由驅(qū)動輪帶動篩網(wǎng)向前運行，篩網(wǎng)與負(fù)壓腔密封偶合件之間是相對運動的，屬于動密封。而脈沖式負(fù)壓振動篩往往是在最后一塊或兩塊篩網(wǎng)下布置了負(fù)壓吸盤，吸盤隨著振動篩上下振動，篩網(wǎng)與吸盤密封偶合件之間是相對靜止的，屬于靜密封。

脈沖式負(fù)壓振動篩密封偶合件見圖8，MudCube密封偶合件分別見圖9。從密封效果看，脈沖式負(fù)壓振動篩的靜密封難度更小、效果更優(yōu)；從處理量看，MudCube由于采用了全篩面負(fù)壓，處理量更大。

圖8 脈沖式負(fù)壓振動篩密封偶合件

圖9 MudCube密封偶合件

綜上所述，可以看出盡管脈沖式負(fù)壓振動篩與MudCube均采用了“負(fù)壓”形式的振動篩，但是由于振動篩形式不同，篩上物的受力不同，使得篩上固相顆粒的速度表達形式不同?？傮w上來看，脈沖式負(fù)壓振動篩相對于傳統(tǒng)振動篩，是通過減小篩上固相顆粒物的運移速率延長其停留時間的方式來加強振動篩的固液分離效率，而MudCube是盡可能將振動篩的“勢能”轉(zhuǎn)化為顆粒物的“動能”，使顆粒物以較高速度撞擊篩面以加強振動篩的固液分離效率。與此同時，在前期現(xiàn)場試驗過程中，無論是MudCube還是脈沖式負(fù)壓振動篩，處理后固相含液率均可穩(wěn)定在40%以下，減量化效果明顯。

4 結(jié)束語

隨著公眾環(huán)保意識的增強，適用“源頭減量”的高效篩分方案將得到更多認(rèn)可。國內(nèi)鉆完井固液分離過程中，負(fù)壓分離技術(shù)的研究起步較晚，目前主要是依靠技術(shù)引進、仿制等手段摸索前進。負(fù)壓分離技術(shù)由于分離效率顯著，在鉆完井廢物處理過程中：一方面可以大幅減少固廢的最終處置量，降低處置成本；另一方面可以實現(xiàn)鉆井液的最大化利用，減少鉆井液補充。因此，負(fù)壓分離振動篩將是未來的一項重要固控分離技術(shù)。對比現(xiàn)有的負(fù)壓分離技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)：①MudCube的處理效果更好，但是依賴純進口，設(shè)備投入較大；②脈沖式負(fù)壓振動篩已實現(xiàn)國產(chǎn)化，機械結(jié)構(gòu)更簡單，易操作，成本較低。