陈金瑞 冯群娣 周 静 田文卫 刘兴振 刘彦良

(濮阳市中原锐实达石油设备有限公司)

0 引 言

随着钻井深度与工艺的发展，我国钻井作业对钻井液循环系统的要求越来越高，尤其是油基钻井液具有良好的流变稳定性能、电稳定性能、润滑性能、抑制性能以及较高的动塑比等优点[1]，石油天然气开发采用油基钻井液作为钻井工程中的钻井液越来越普遍。但油基钻井废弃物固相作为石油天然气开发的重要污染源，单井可产生油基钻井废弃物固相400～800 m3，成为石油天然气开发过程的主要污染源。世界各国都对油基钻井废弃物的排放制定了严格的控制标准，美国联邦政府规定禁止排放油基钻井液，含柴油的钻屑游离油也不允许排放；加拿大政府规定处理后的废弃物中的含油质量分数不得大于2%[2]。目前针对油基钻井废弃物固相的后处理主要是脱干-生物降解、热蒸馏、热裂解、化学清洗、超临界萃取、LRET、水泥窑协同处置技术等不同处理技术[3-10]。以上技术在国内都展开了不同程度的研究与应用，不同的技术各有优缺点，但主要问题仍集中在工艺复杂，能耗高，无法满足后处理量产率的需求。

针对此问题，近年来国外改变思路从源头减少油基钻井废弃物固相的排放。美国Swaco公司与加拿大Vac Screen公司利用文丘里管喷射原理形成真空并加装在原有振动筛上，将油基钻井废弃物固相携带多余的油基钻井液回收利用；挪威Cubility公司研究的新型mudcube设备，将真空及微振动原理用于取代传统振动筛，减少油基钻井废弃物固相的排出[11-13]。但以上新技术一直受到保密限制，国内还处于研究起步阶段。

为此，笔者研制了一种用于油基钻井液真空吸附的设备[14]，该设备突破国外技术障碍，在钻井工程开发中取代常规钻井液振动筛，减少了油基钻井固相废弃物排放量，从源头控制其含水、含油体积分数，减轻了后处理工艺的负担，降低了后续工艺的能耗。

1 技术分析

1.1 结构

真空吸附设备结构如图1所示。钻井液分配器与筛分系统入料口连接在一起，并固定在筛分系统上部，筛分系统一端连接真空排液室并形成密封空间，其中筛分系统两端设置尼龙齿轮，上方为转运拖链，转运拖链上方为筛网，拖链下方为高频气动振动器，并内置于筛分系统中。筛分系统前部的主动尼龙齿轮通过两端轴承安装在主框架前部并连接电动系统上部，被动尼龙齿轮通过两端轴承安装在主框架后部。筛分系统上方为密封型的防飞溅，防飞溅前端为活装结构，通过气动弹簧连接在主框架上，筛网清洁系统固定在筛分系统外部下方。落料清扫系统通过前、后两端轴承固定在主架下部并连接电动系统。真空排液室一端与筛分系统连接，另一接口连接排气系统。电控系统固定在真空排液室上。钻井液分配器、筛分系统、落料清扫系统、真空排液室、排气系统固定在主框架上，主框架前方下部开有落料口。

1—钻井液分配器；2—激振器；3—筛分系统；4—落料清扫系统；5—电动系统；6—框架主体；7—筛网清洁系统；8—电控系统；9—真空排液室；10—排气系统。

1.2 工作原理

井底返上的油基钻井液进入到钻井液分配器，钻井液分配器将油基钻井液均匀地分流入筛分系统中；排气系统产生真空，通过真空排液室将真空力施加到筛分系统中的筛网上；同时筛分系统中的激振器通过外接气源产生高频微振动，使筛网上面的油基钻井液与油基废弃物固相在自身重力产生的惯性力下分离。分离后的油基钻井液在两者的作用下流到真空排液室，再通过真空排液室排出口流入到循环罐中，以再次循环回收利用油基钻井液。分离后的油基钻井废弃物固相随着筛网在电动系统的驱动下转动到落料口处，依靠自重脱落。未脱落的油基钻井废弃物固相在筛网清洁系统的作用下脱离筛网，并落在主框架底部。落料清扫系统在电动系统转动下将脱离筛网的油基钻井废弃物固相清扫至主框架出料口处。电控系统可以调节筛网转运速度及落料清扫系统速度，并控制排气系统的启停。

1.3 主要技术参数

真空吸附设备总功率约为11 kW；处理量为150 m3,外接气源压力为0.6 MPa,激振器空气消耗量为1.5 m3/min,空气刀满负荷空气消耗量为6.5 m3/min,筛分系统转速为10～12 r/min(变频可调)；主机外形尺寸：3 150 mm×2 105 mm×1 645 mm。

2 关键技术

2.1 钻井液分配器

钻井液分配器内部采用溢流堰式结构和锯齿形流道，这使得进料的油基钻井液能够上升到一定高度才能溢流到出料口，再经过锯齿形流道，使得油基钻井液可以均匀地分配到筛分系统中。在钻井液分配器内部设置有钻井液平衡结构，可根据地脚安装情况调节两侧钻井液流入量，防止因地脚倾斜造成钻井液流入筛分系统不均。在钻井液分配器入口设置缓冲结构，避免油基钻井液因流速过快或在惯性的作用下越过溢流堰式结构。

2.2 筛分系统

筛分系统顶部设置有筛网，筛网下方为可转动的拖链，安装在主框架的前后两端轴承上。轴承外置于筛分系统，避免钻井液浸入轴承体。筛分系统内置高频气动振动器，通过振动平衡杠将振动均匀地传递在拖链与筛网本体。筛分系统内部设置收集仓，该收集仓通过真空排液室间接与排气系统连接，使真空吸附力传递到筛网面的油基钻井液，以保证分离后的油基钻井液可以集中导向真空排液室。为保证真空的密封性，在收集仓顶部四周采用聚氨酯块与筛网拖链形成密封空间。为避免油基钻井液通过筛网与拖链之间流入收集仓，在筛网两侧增加闭孔密封条，通过在闭孔密封条正上部增加配重压缩闭孔密封条，使得油基钻井液无法流入收集仓中，从而避免处理前、后的混合物料。

筛分系统工作原理如图2所示。油基钻井液流经筛网表面时，黏附在油基钻井废弃物固相的油基钻井液在上下振动的作用力下脱离分开，并由向下的吸附作用力将油基钻井液透过筛网吸入到筛分系统中。经分离后的油基钻井液进入到筛分系统内部并流入到真空排液室。粒径大于筛网孔的固相被传动到出料口。

图2 筛分系统工作原理

筛分系统采用激振器高频微振动+真空吸附的原理，废弃物固相颗粒基本保持井下返上的形状，在真空吸附力与微振动的作用下尽量避免破坏原颗粒物大小，使得颗粒物的表面积远小于常规振动筛处理后的颗粒物的表面积。

2.3 真空排液室

真空排液室内部设计有水密封结构，使得内部真空与外部大气压隔开。源源不断的油基钻井液通过液体自身重力经过水密封结构排出到出液口。在真空排液室中部设置有过滤器，防止一些油基钻井液随大气吸入排气系统中，顶部设置锥形真空吸盘，将排气系统中的气压范围扩大。

真空排液室的流程如图3所示。向下的箭头为油基钻井液流向，向上的箭头为气体流向，气体与液体在此单元内进行分离。同时在真空吸盘真空吸附力的作用下，一部分有害气体从液体中破碎[15]，并通过排气系统的排气口外接到安全地带。

1—真空吸盘；2—过滤装置；3—水密封结构。

2.4 排气系统

排气系统为该设备的真空源，选择的风机负压与气体流量曲线如图4所示。其中下部红色线条为50 Hz的曲线，上部蓝虚线为60 Hz的曲线。在50 Hz的情况下，当油基钻井液完全覆盖筛分系统筛网时，真空压力可以达到-0.027 MPa，气量为230 m3/h；当筛分系统中无油基钻井液时，真空压力为0，气量最大830 m3/h。该该曲线基本为线性，具体压力与气量随油基钻井液覆盖筛分系统中筛网状况而发生变化。

图4 风机负压与气体流量曲图线

2.5 落料清扫系统

落料清扫系统由16把气刀组成，连接外部空气压缩机，使压缩空气喷射到筛网上。该气刀内大外小，通过将气口急剧收缩，喷射出的压缩空气形成线状，以清除黏附在筛网上的油基钻井废弃物固相。该结构高度可调，根据不同工况调节气刀口与筛网面的距离，使气刀覆盖全筛面。

3 现场应用

该设备与平动椭圆振动筛于2021年9月在四川页岩气某平台进行油基钻井液随钻试验对比。油基钻井废弃物固相在筛面情况如图5所示。

图5 平动椭圆振动筛与真空吸附筛面对比

由图5可知，相同工况下，平动椭圆振动筛与真空吸附设备筛网面处理油基钻井废弃物的区别在于：平动椭圆振动筛筛面上的物料更碎，颗粒更小，流动性较强，携带的油基钻井液更多；而真空吸附设备分离颗粒较大，未经破碎，携带的油基钻井液较少。

钻井深度为5 900 m时，平动椭圆振动筛与真空吸附设备采用200×110目的长方形孔筛网。平动椭圆振动筛处理后的油基钻井废弃物固相(取样50 mL)经蒸馏器检测，含水、含油体积分数如表1所示。

表1 平动椭圆振动筛油基钻井废弃物固相含液量

真空吸附设备处理后油基钻井废弃物固相(取样50 mL)含水、含油如表2所示。

表2 真空吸附设备油基钻井废弃物固含液量

从表1、表2可以得出，平动椭圆振动筛处理后平均含液体积分数42.5%，平均含油体积分数33.14%。真空吸附设备平均含液体积分数33.9%，平均含油体积分数25.7%。真空吸附设备比平动椭圆振动筛含液体积分数低8.6%，含油体积分数低7.44%。

4 结论及建议

(1)研制的真空吸附设备可以有效减少钻井作业中产生的油基钻井液废弃物固相，为二次后处理工艺(如热蒸馏、热裂解等)减轻负担。

(2)应用真空吸附设备能有效增加钻井作业过程中油基钻井液的利用率，避免过多油基钻井液排放到油基钻井液废弃物固相中。

(3)在现场应用中，真空吸附设备可以将一部分有害气体从液体中破碎并排放到安全地带，改善了现场作业环境，减小了安全隐患。

(4)在油基钻井液随钻处理过程中，可考虑将该设备应用于固控系统第一级固液分离中。