油基钻屑三相离心机研制与应用

2018-03-29，

石油矿场机械 2018年2期

，

(东北石油大学，黑龙江大庆 163000)①

在页岩气开发中，水平井钻井是以页岩气为主的非常规天然气开发的关键技术之一，水平段钻井大都采用油基钻井液。油基钻井液具有抗高温、抗盐钙侵蚀、有助于井壁稳定、润滑性好、对油气层损害小的特点[1]，使得在页岩气开采过程中得到大规模使用。但钻井产生的油基钻屑及其废液有较高毒性，油基钻屑的无害化处理技术的研究亟需进行。经过2 a多的努力，开发了油基钻屑复合清洗工艺技术，其核心设备为三相离心机。

三相离心机是用于液-液-固三相悬浮液分离的卧螺式离心机，主要用于互不相溶的两相液体和固体混合物的分离，这两相液体通常情况下是油和水[2]。采用复合清洗工艺调质后的油基钻屑会形成互不相容的三相，即矿物油、废水和钻屑。矿物油回收后，可再次用于油基钻屑的配制；废水回用，用于工艺流程中油基钻屑的调质处理；分离出的钻屑固相可满足相关环保要求，集中处理。整套工艺流程中，三相离心机的性能是保证油基钻屑能否达标处理的关键。

1 结构及主要参数

油基钻屑三相离心机整机结构包括底座、转鼓、螺旋输送器、壳体、控制系统、电机、差速器和液压系统，如图1所示。

1—底座；2—转鼓；3—螺旋输送器；4—壳体； 5—控制系统； 6—电机；7—差速器；8—液压系统。

转鼓的结构和参数决定了离心机的性能和分离效果，螺旋输送器是利用螺旋与转鼓间的转速差将沉降在转鼓壁的沉渣输送到转鼓的排渣口排出。差速器是离心机上不可缺少的最精密又最复杂的核心部件，其作用是使螺旋与转鼓之间形成一个微小的转速差。差速器有机械式、液压式和电磁式等传动型式，为满足高固相含量物料的需要，采用液压差速器，以提高螺旋输送器的推料转矩。液压站用于为液压差速器提供动力；控制系统为主机和液压系统提供电气控制，另外，还要控制进料泵的启停及进液量调节。

主要技术参数：

转鼓直径 450 mm

转鼓最高转速 3500 r/min

最大分离因数 3084

长径比 4.2

差转速 1～20 r/min

处理量(油基钻屑) 2～5 m3/h

液池深度 192～220 mm

2 工作原理

三相离心机的工作原理如图2所示。

1—螺旋推进器；2—转鼓； 3—重液通道； 4—环形空间；5—撇液管； 6—轻液通道；7—溢流堰。

被分离的三相物料通过加料管连续进入螺旋输送器的加料仓，悬浮液经螺旋进料口迅速进入转鼓内，利用悬浮液中固-液-液三相的密度差，在离心力场作用下，固相颗粒迅速沉降在转鼓内壁形成沉渣，由于转鼓和螺旋之间存在一定的转速差，沉积在转鼓内壁上的物料由螺旋将沉渣推到转鼓小端的出渣口而排出机外，被澄清的分离液由于液-液相的密度差在螺旋叶片通道被分离成两层，将轻、重液相分开，在转鼓大端设置有轻、重液相出口，重液相经重液通道进入环状空间由撇液管排出。轻液相经溢流堰进入轻液通道靠离心力排出。这样就实现了固-液-液三相的分离。

3 关键技术

采用油基钻屑复合清洗工艺调质后形成的三相混合物，具有固相含量高、物性多变等特点，三相分离难度很大，常规结构的三相离心机不能满足环保要求。因此研制了2种高效分离结构，大幅提高了离心机的效能。

3.1 转鼓液面调节装置

由于三相离心机转鼓结构较为复杂，现有三相离心机的液池深度为固定式，无法向两相离心机一样进行调节，也就无法根据物料的特性，改变排出固相的含液量，使得三相离心机的应用受到一定的限制。因此，研制了转鼓液面调节装置，实现了转鼓液面的无级调节。

该装置包括转鼓端盖、液面调节盘体、锁紧螺母、排液管等，如图3所示。

1—转鼓端盖；2—液面调节盘体；3—锁紧螺母；4—排液管；5—螺纹孔；6—槽；7—转鼓；8—转鼓内腔；9—重质液相口；10—圆形空间。

转鼓端盖和液面调节盘配合安装，并形成圆形空间；液面调节盘的盘体上有若干斜向的重质液相出口和若干斜向的螺纹孔，螺纹孔内安装排液管，排液管外端安装锁紧螺母。工作时，离心机转鼓的高速旋转，使得轻、重质液相分层，外侧的重质液相通过调节盘体上的重质液相口进入转鼓端盖与液面调节盘之间的圆形空间，由撇液泵排出；内侧的轻质液相通过排液管排出；排液管可通过螺纹调节插入深度，从而调节转鼓内的液面高度，当排液管插入螺纹孔较深时，转鼓内的液面高度就越大，反之就越小。调节完成后，上紧锁紧螺母锁定排液管，防止排液管松动或脱落，实现了改变固相含液量，提高离心机功效的目的。

3.2 溢流实时调节机构

由于油基钻屑和废液中的含油量并不是一个固定值，差异很大。在含油量较高时，需要增大油相的排量，同时减小水相的排量；反之亦然。采用溢流实时调节机构可不停机实时调节油、水的排量，达到提高油相分离质量的目的。

溢流实时调节机构包括进液管、调节杆、调节座、固定管、固定盘、撇液轮、支撑盘、支撑套、大圆盘等，如图4所示。

1—进液管；2—调节杆；3—调节座；4—固定管；5—固定盘；6—撇液轮；7—支撑盘；8—调节盘；9—螺旋叶片；10—台阶孔；>11—螺钉；12—支撑套；13—环形空间；14—排液孔；15—紧定螺钉；16—弧形通道；17—偏心小圆盘；18—大圆盘；19—长槽。

撇液轮及相连接的零部件安装在离心机转鼓内部，调节杆及相连部件安装在离心机外部。工作时，离心机内高速旋转的液体通过撇液轮的弧形通道，进入撇液轮中部，再通过螺旋叶片进入固定管与进液管之间的环形空间，最后由排液孔排出。需要调节时，无需停机，直接扳动调节杆，通过调节座、进液管带动调节盘旋转，调节盘上的偏心小圆盘可带动撇液轮伸缩，从而实时调节离心机转鼓内液池的深度，改变离心机的处理效果。实现了在不停机情况下，实时改变离心机工作特性的目的。

4 现场应用

油基钻屑三相离心分离机研制完成后，在中石化西南局永页2HF井进行了现场试验。该井三开水平段采用油基钻井液钻进。

4.1 工艺流程

根据油基钻屑复合清洗工艺的要求，油基钻屑化学清洗工艺流程如图5所示，使用螺杆泵将油基钻屑由收集罐输送到调质反应器内，同时在反应器内加入清洗剂、助洗剂、絮凝剂及水，进行充分的搅拌和反应，反应完成后，由一台螺杆泵将反应后的混合物料输送到三相离心机内。三相离心机将物料分成固相、油相和水相三部分。固相作为废渣，由螺旋输送机排出；油相进入存储罐；水相进入污水罐，待重复使用。

图5 油基钻屑处理工艺流程

4.2 试验结果

对三相离心机分离出的固相和油相进行取样及检测，检测结果如表1～2。由于水相重复使用时对水质无要求，因此未取样。

5 结论

现场应用及检测结果表明，经处理的废渣总石油烃含量为0.833%～1.196%，远低于危险废弃物2%的要求，便于后续的集中处理；油相含水量1.68%～1.76%，可直接用于油基钻井液的配制，大幅节约钻井成本。该技术对国内其它产能示范区的页岩油气勘探开发过程中的油基钻屑及废液的环保治理及安全处置具有较好的借鉴及示范引领作用。