呂拴明，徐煒華，張　輝，高智超，李浩強

(1.西安石油大學 機械工程學院，西安710065；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002)①

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快速移運石油鉆機零排放系統(tǒng)技術(shù)分析

呂拴明1，2，徐煒華2，張輝2，高智超1，2，李浩強2

(1.西安石油大學 機械工程學院，西安710065；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002)①

摘要：為了滿足移運石油鉆機在整個鉆井過程中的排放要求，使得廢油、廢泥漿等不對鉆井區(qū)域造成污染，在快速移運石油鉆機上增加了零排放系統(tǒng)(即排放物回收系統(tǒng))。介紹了零排放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、布局、工作流程和回收方法。在鉆臺區(qū)域、泥漿罐區(qū)、泵組區(qū)、動力區(qū)4個區(qū)域分別設(shè)置了污水(油)回收裝置，當出現(xiàn)設(shè)備漏油、管線泄露或泥漿溢出時，通過接油盤、隔板、管道等將污物收集到回收罐內(nèi)，進行集中處理或回收再用。油田現(xiàn)場的應用表明，該系統(tǒng)工作可靠，實現(xiàn)了設(shè)計的“零排放”要求，提高了現(xiàn)場排放物的回收效率，滿足快速移運鉆機的高效率作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：鉆機；零排放；技術(shù)分析

隨著全球石油需求量不斷增加，環(huán)境污染形勢日益嚴峻。為了使石油鉆機在使用過程中既快速高效地進行生產(chǎn)作業(yè)，又滿足對環(huán)境排放的要求[1-2]，在石油鉆機中設(shè)置零排放系統(tǒng)就成為用戶選擇石油鉆井設(shè)備的一個新要求?？焖僖七\石油鉆機在提高鉆井效率方面發(fā)揮了重要作用，特別是在沙漠地區(qū)尤為顯著，工作環(huán)境溫度可達0～55 ℃，移運最高速度可達8 km/h。針對用戶在鉆機排放污染物和移運速度方面的特殊要求，寶雞石油機械有限責任公司于2009年開始研制應用于快速移運石油鉆機的零排放系統(tǒng)(即污物回收系統(tǒng))，該系統(tǒng)可以確保鉆機在高效作業(yè)過程中不對環(huán)境排放任何污染物，將泄漏的污水(油)等液體進行回收、統(tǒng)一處理。經(jīng)過10 多a的努力，已經(jīng)為國外用戶提供了16套配有零排放系統(tǒng)的快速移運石油鉆機。

1技術(shù)方案及分析

1.1鉆機零排放系統(tǒng)技術(shù)要求

設(shè)計鉆機零排放該系統(tǒng)的目的是在石油鉆機的作業(yè)過程中對有可能向環(huán)境排放污染物的地方設(shè)置專用的污染物回收系統(tǒng)，根據(jù)石油鉆機的設(shè)備結(jié)構(gòu)與布局，對不同的污染物進行分類，回收后集中處理。因此，需對鉆機的鉆井作業(yè)區(qū)域進行全方位分析，對于分散在鉆井現(xiàn)場的污染源進行綜合考慮，設(shè)計專用的導流、回收管線和回收罐體，同時滿足鉆機的快速移運要求，確保作業(yè)效率不受影響。

1.2零排放系統(tǒng)簡介及布局

根據(jù)鉆井作業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備結(jié)構(gòu)與布局，結(jié)合鉆機各個部分的模塊功能[3]，將該系統(tǒng)劃分為4個部分，即鉆臺區(qū)域、泥漿罐區(qū)、泵組區(qū)、動力區(qū)，如圖1所示。

1)鉆臺區(qū)。鉆臺區(qū)是鉆井作業(yè)的重要場所，作業(yè)高度9 150 mm，其排放要求的控制區(qū)域為絞車前方到立根臺之間，左右兩側(cè)寬度為立根臺上可以擺放鉆桿的寬度，需實現(xiàn)在鉆井過程中將鉆桿泄漏的泥漿排放在有效的控制區(qū)域內(nèi)，泄漏的泥漿可經(jīng)過導流槽流入回收罐內(nèi)。

2)泥漿罐區(qū)。即固控系統(tǒng)區(qū)域，由1個振動篩罐、1個吸入罐、4個儲備罐及1個混合罐按順序連接組成，分別安裝在不同的移動拖撬上。拖撬高度2 500 mm，罐體之間的管線可實現(xiàn)快速安裝與拆卸。在固控區(qū)，由于設(shè)備維修、損壞或拆裝管路等造成的泥漿流出，對其進行集中收集。

3)泵組區(qū)域。由2臺F-1600型泥漿泵組組成。泵組并列安裝在移運拖撬上，實現(xiàn)整體移動，拖撬工作高度為650 mm。泥漿泵在更換缸套或零件損壞時可導致殘留在腔體內(nèi)部泥漿、油污流出，同時泥漿泵吸入管線和排出管路在移運拆裝時也有泥漿泄漏，需設(shè)計專用的泥漿回收裝置進行回收。

4)動力區(qū)。主要由4臺CAT3512B型柴油發(fā)電機組構(gòu)成，整體安裝在一個移運拖撬上，拖撬高度3 900 mm，與發(fā)電機房拖撬相鄰，后端與80 m3柴油罐連接。柴油發(fā)電機在使用過程中有潤滑機油和冷卻液的泄漏或更換、以及清洗設(shè)備所產(chǎn)生的油污，需要將污物通過回收管線導入到放置在地面的污物箱內(nèi)。

1—鉆臺面；2—泥漿回流管；3—污物收集罐；

1.3零排放系統(tǒng)的工作流程

1.3.1鉆臺區(qū)系統(tǒng)流程

在鉆井過程中上、卸鉆桿流出的泥漿或沖洗臺面的污水泄漏在鉆臺工作區(qū)域，泄漏的泥漿從鉆臺面鋪臺之間的縫隙處和鋪臺上的網(wǎng)格處向下流動，流入臺面下方設(shè)置的泥漿導流槽。導流槽下方設(shè)置有鋪臺泥漿回流管，導流槽向鋪臺泥漿回流管方向傾斜，增加液體流動速度，如圖2所示。泥漿經(jīng)過回流管流入絞車梁、轉(zhuǎn)盤梁和立根臺上設(shè)置的泥漿回收槽，泥漿回收槽通過泥漿回流管與污物收集罐連通，將泥漿導入污物收集罐，完成鉆臺區(qū)的污物回收過程。鉆臺面污物排放流程如圖3。

1—鋪臺Ⅰ；2—圓鋼；3—鋪臺Ⅱ；4—導流槽；

圖3　鉆臺區(qū)污物排放流程

1.3.2泥漿罐區(qū)系統(tǒng)流程

為了使殘留在泥漿罐體的泥漿在鉆機搬家前全部流出，罐底采用三角形分塊式傾斜設(shè)計，用10 mm的鋼板焊接，統(tǒng)一向排出口傾斜[4]，傾斜角度1°，排出口安裝蝶閥控制排放，罐體所排出的泥漿流入放置在地面的回收管線，匯集一處進行回收處理。

1.3.3泵組區(qū)流程

為了回收泥漿泵組區(qū)泄漏的泥漿，在泥漿泵液力端液缸下方安裝泥漿收集盒。液力端泄漏的泥漿可在拆卸泥漿泵閥蓋時直接排入，泥漿收集盒底部設(shè)有可排出液體的管線。對于泥漿泵的機油排放回收，是在泥漿泵的油箱下部設(shè)置帶有可關(guān)閉閥門的管線進行回收；泥漿泵吸入管線內(nèi)的液體回收是在吸入管線正下方開孔，安裝帶有可關(guān)閉閥門的污物收集管線，在回收時直接打開排污閥門，液體自動流入污物收集盒，如圖4所示。

1—泥漿泵；2—泵組拖撬；3—污物收集管線；4—污物收集盒。

1.3.4動力區(qū)系統(tǒng)流程

動力區(qū)主要考慮4臺CAT柴油發(fā)電機組和2套80 m3柴油罐的泄漏污染問題。對于柴油發(fā)電機，考慮柴油發(fā)電機組的潤滑機油和冷卻液回收，需要排放冷卻液或潤滑機油時可分別打開冷卻液和柴油機潤滑油排放口，液體流入發(fā)電機底座內(nèi)的導流盒，在導流盒底部分別設(shè)置導流軟管，軟管與設(shè)置在拖撬上的污物回流管相連，4臺機組的冷卻液匯集流入由方鋼管制作的污物回流管中，隨端頭的排出管線流入污物收集箱，完成液體回收。

柴油罐要考慮日用柴油在加注和輸送中的泄漏和污染，在柴油罐的管線連接處下方(罐體底座)設(shè)置具有回收液體作用的槽體，工作中泄漏的油污(水)可直接流入，同時在槽體下方設(shè)置控制管線回收油污(水)，如圖5所示。其他具有污染可能的設(shè)備可采用與柴油罐相同的回收方式進行回收，例如液壓站底部、液壓操作箱底部、液壓管線連接處和高壓管匯閥組連接處的泄露等。

1—底座；2—球閥；3—扣壓膠管；4—污物回收盒。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1鉆臺區(qū)回收系統(tǒng)

根據(jù)鉆臺區(qū)泥漿流出的體積，泥漿導流管采用?140 mm×5 mm的無縫鋼管，固定在轉(zhuǎn)盤梁下方，安裝時帶有1°的傾斜角以加快液體流動。端頭采用1502型焊接由壬，一端與泥漿導流管焊接，另一端與扣壓式橡膠軟管的接頭焊接，泥漿隨橡膠軟管進入泥漿回收罐內(nèi)部，罐體可根據(jù)需要擺放在地面或固定在底座本體上，如圖6所示。

1—底座轉(zhuǎn)盤梁；2—安全鏈；3—泥漿回流管；

2.2污物收集罐技術(shù)分析

2.2.1罐體容積

污物收集罐采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，按照7 000 m鉆井深度，使用?114 mm鉆桿所泄漏出的泥漿體積的考慮，根據(jù)經(jīng)驗計算泄漏在鋪臺的泥漿量，同時考慮作業(yè)過程中需要沖洗鉆臺面，確定罐體容積16 m3。

2.2.2罐體墻板結(jié)構(gòu)

如圖7所示，墻板采用厚度為8 mm的鋼板，壓制成瓦楞板結(jié)構(gòu)，連接處采用全熔透焊接，保證了罐體的強度。

圖7　罐體墻板結(jié)構(gòu)

2.2.3罐體底座結(jié)構(gòu)

罐體底座采用三根Q345B型H鋼作為主梁，用相同材質(zhì)的6根縱梁組成底座主體，縱梁尺寸比主梁小。底座兩端采用兩根直徑為?114 mm的無縫鋼管作為吊裝管。如圖8。為了滿足鉆機移運要求，底座采用雙耳板連接可固定在鉆機底座的一側(cè)。為了防止污物回收后重力增加對罐體的損傷，在污物罐遠離底座側(cè)設(shè)有可伸縮調(diào)節(jié)的Tr60×9絲杠作為輔助支撐。按照罐內(nèi)混合污水密度1.2 g/cm3考慮，在充滿污物的狀態(tài)下最大質(zhì)量為19.2 t。經(jīng)過計算，該結(jié)構(gòu)在承載滿罐液體的載荷時滿足強度要求。

1—液位計；2—墻板；3—底座；4—爬梯；5砂泵。

2.2.4傳輸系統(tǒng)設(shè)計分析

污物罐需在污物收集后使用電動離心泵排出污物，估算液體傳輸所需揚程，取泵的排出口壓力為0.2 MPa，流量為50 m3/h，再考慮單級離心泵泥漿傳輸?shù)乃p失、容積損失和機械損失，泵的總效率取0.85～0.90[5]，并保證一定的余量，選擇傳輸泵電機的軸功率為5.5 kW，配用電機功率為11 kW，在頻率為60 Hz的電源下額定轉(zhuǎn)速1 760 r/min，型號為SB2×3J-10的砂泵。最終確定傳輸泵的清水揚程22 m，流量55 m3/h，葉輪名義直徑?330 mm。

2.3動力區(qū)分析

動力區(qū)的污物收集需要考慮污物收集箱罐體體積，按每1臺CAT3512B型柴油發(fā)電機組加注冷卻液體積432 L 和潤滑機油的體積318 L，每臺7 000 m鉆機配備4臺柴油機組為準，設(shè)置2套污物收集箱，每1臺污物收集箱的體積設(shè)定2 m3，收集箱的結(jié)構(gòu)可參照污物收集罐的結(jié)構(gòu)。

3廠內(nèi)試驗及現(xiàn)場應用

3.1廠內(nèi)試驗

在廠內(nèi)的模擬鉆機上配套零排放系統(tǒng)進行試驗。在罐體內(nèi)加清水進行24 h密封性試驗。整個系統(tǒng)在鉆機整體組裝后模擬作業(yè)現(xiàn)場進行了功能試驗。采用在技術(shù)要求區(qū)域噴淋清水的方法，持續(xù)時間5 min，結(jié)束后檢測回收系統(tǒng)有無泄漏。結(jié)果表明，零排放回收系統(tǒng)工作良好，水流順暢，試驗過程中無泄漏，滿足系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)要求?？偟膩砜?，系統(tǒng)設(shè)計合理，方便人員操作，滿足鉆機移運技術(shù)要求，通過了外方監(jiān)造人員的驗收。

3.2現(xiàn)場應用

據(jù)油田用戶反饋，現(xiàn)已有16套鉆機在現(xiàn)場進行了作業(yè)，在作業(yè)現(xiàn)場的復雜工況和惡劣環(huán)境下，該系統(tǒng)已經(jīng)參與完成了鉆機的鉆井作業(yè)、移運、拆裝、運輸?shù)冗^程，在整個使用過程中無污物泄漏，滿足快速移運石油鉆機的技術(shù)要求，移運效率高，零排放技術(shù)可靠，達到了作業(yè)現(xiàn)場的HSE規(guī)范要求。

4結(jié)論

1)研制的鉆機零排放系統(tǒng)首次在快速移運石油鉆機中應用，既滿足快速移運石油鉆機的高效率作業(yè)要求，又實現(xiàn)了鉆機的清潔化生產(chǎn)。

2)系統(tǒng)設(shè)計布局合理，工作流程簡單易懂，使用狀態(tài)可靠，可在惡劣工況中保持良好的工作狀態(tài)，滿足零排放要求，符合HSE規(guī)范。

3)鉆機零排放系統(tǒng)的應用為以后石油鉆機在清潔化設(shè)計制造方面提供了重要的參考方案。

4)目前只有國外鉆機提出了零排放的技術(shù)要求，伴隨著油氣開采對環(huán)境保護要求的日益提高，零排放技術(shù)將在國內(nèi)鉆機設(shè)計中作為一項重要的技術(shù)要求被廣泛應用。

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Technical Analysis in Zero Discharge System of Fast Moving Drilling Rig

LYU Shuanming1，2，XU Weihua2，ZHANG Hui2，GAO Zhichao1，2，LI Haoqiang2

(1.CollegeofMechanicalEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China；2.CNPCBaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China)

Abstract：In order to meet the requirements of the fast moving drilling rig discharge in the drilling process，such as waste oil，waste mud，for no pollution caused in the drilling area，the zero discharge system (emission recovery system) was set up on the fast moving drilling rig.The paper introduces the structure，layout，working process and recycling method of zero discharge system.In the four areas：drilling floor area，solid control area，mud pump unit area，power supply area，the system setting water (oil) recovery unit，when the equipment emission oil (water)，or when pipeline leaking，or when the mud spill，the system use oil pan，separators，diversion pipes to collection the oil (water) into the recycle tank for centralized processing or recycled.From the application of the oil field，it shows that the system has high reliability，the design of “zero discharge” has achieved，the efficiency of emission recovery has been raised，the requirements of the fast moving drilling rig has been satisfied.

Keywords：drilling rig；zero discharge system；technical analysis

中圖分類號：TE922

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.004

作者簡介：呂拴明(1982-)，男，陜西扶風人，工程師，碩士研究生，2006年畢業(yè)于西安石油大學機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，從事石油鉆采設(shè)備的設(shè)計制造工作，E-mail：lvshuanming@126.com。

收稿日期：①2015-09-30

文章編號：1001-3482(2016)02-0016-05