摘要：介紹了美國SWACO和Hutchison HayesInternational2個公司聯合開發的密閉式鉆屑脫液離心機的結構原理和使用優點。該機與HHI5500臥螺離心機組合成的封閉式固相控制系統與常用的VERTI—G固控循環系統技術參數和分離性能的對比表明,這種密閉式鉆屑脫液離心機能滿足大處理量、高效節能和鉆屑排放有利于環保的要求,可整體提高鉆井經濟效益,具有良好應用前景。　　
　　關鍵詞：密閉式鉆屑脫液離心機　結構原理　固相控制　應用
　　引　言
　　中國海洋工程環保管理局的統計資料顯示,至2002年底,我國共有海上油氣田26個,鉆井液年排海量約為2 8萬m3,鉆屑年排海量約為2 3萬m3。美國環保局最近規定海上鉆井平臺排放的鉆屑中含油基鉆井液質量分數不得超過4 3%[1],含合成基鉆井液不超過6 9%。由此可見,海上石油鉆井平臺需要性能優良的固液分離設備,達到海洋環保的目的。另一方面,鉆井液必須去除粗顆粒固體,維持其低固體含量和較高的粘度,方能有效提高鉆井速度,保護油氣層,降低維護成本。通常,鉆井液中的有害固相必須控制在5%左右,其固體含量每降低1%,機械鉆速可提高29%[2]。
　　近2年,國外研制出一種新型臥式螺旋卸料過濾離心機———密閉式鉆屑脫液離心機(theDusterCuttingsDryer)。這種離心機不同于國內離心機生產廠家推出的臥式螺旋卸料過濾離心機,具有良好的分離性能,能夠在某一設定的分離因數或者變化的分離因數下操作,通過控制固體顆粒在轉鼓里的停留時間得到最佳的干燥效果;對于合成基、含礦物油或柴油基質的鉆屑的脫液效果尤佳。使用它可以回收大量的重晶石,同時提高了鉆井液的集中凈化和分離效果,減少了鉆井液的流失量。因此,這種脫液離心機出現對于環保和固相控制提出了全新的解決方案。
　　1 結構原理密閉式鉆屑脫液離心機由美國SWACO和Hutchison HayesInternational2個公司聯合開發出來
   　該機接收上游離心機和其它凈化系統排出來的沉渣并且進一步對它們進行脫液干燥。進料一般為泥漿狀態,平均固相體積分數為20%～47%,如鉆井液凈化系統里的離心機排出的沉渣。開始固液分離時,鉆井液從鉆井平臺的振動篩由常見的傳輸系統(螺旋推運器、真空干燥機和汽力傳輸器等)傳輸到離心機的進料槽。鉆井液在重力作用下沿著聚氨酯橡膠制造的加速盤進入進料槽右邊的進料管,進料管右端開口通向鼠籠形直筒轉鼓。進料管與空心驅動軸相連接,驅動軸的左側是驅動軸套,它由窄V帶通過主電動機驅動膠帶輪傳動。空心驅動軸同時帶動著鼠籠形轉鼓一起旋轉,轉鼓剛性支承著它內表面的篩網。鉆井液首先接觸的是左側的篩網,篩網里有一個同軸且可調節轉速的螺旋推料器,其轉速略低于轉鼓和篩網的轉速,在螺旋推料器的作用下物料被推向轉鼓右端的同時也均勻地分布在篩網上。在液壓扭矩傳感器的控制下,液壓差速器提供合適的扭矩給推料器,從而控制并調節它的轉速。該設備典型的分離因數為500,在離心力作用下物料被強制甩向轉鼓內壁,液體通過篩網和鼠籠形轉鼓的孔被甩向機殼,并經機殼上的液相出口排出機外;固體顆粒被截留在篩網上形成濾渣層,在螺旋輸送器的推力作用下向轉鼓右端運動,且通過直筒形篩網即轉鼓的整個長度區域,最后集中從固相排渣口卸料。
    2 兩種封閉式固控系統的比較
    表1所示為美國墨西哥灣海上石油鉆井液脫液處理應用中,SWACO公司的2種封閉式固相控制系統部分技術參數和分離性能比較。
    表1中VERTI—GCUTTINGSDRYER為SWACO公司的立式鉆屑脫液離心機,它和518或414型高速鉆井液離心機作為主要設備組合成VERTI-G固控循環系統,達到了表中數據顯示的處理效果。從表1中可以看出,在當前普遍使用的封閉式固相控制循環系統中,密閉式鉆屑脫液離心機滿足了大處理量、高效節能的設計要求,在環境保護方面尤其理想。實際上,從整個鉆井工程的角度來說,使用該設備的組合(如下文提到的工藝流程),能夠減少稀釋進料和投放絮凝劑的費用,節省人工費用和縮減其它多種固控設備,縮短工程時間。
    3 結構特點和使用優點
    (1)結構設計新穎獨特　傳統的螺旋推料過濾離心機轉鼓為柱 錐形結合的開孔形式,而且在轉鼓中形成液池和沉降區,固體顆粒的分離因數是變化的。該型離心機為鼠籠狀結構,在一串環板上穿過10來個鋼管,結構質量分散,剛度和強度好;圓筒形篩網結構,使得固相顆粒在篩網區域有持續均衡的分離因數,得到最佳分離效果;螺旋和篩網之間微小的間隙減少了最佳分離工況下的堵料,有效控制了濾餅的產出;另外值得一提的是,進料口設置在機器中間,結構緊湊。
    (2)可調節的主電動機和副電動機　對于鉆屑物料性質在大范圍內變化時,可以通過以下方式獲得最佳干燥效果:①分離因數在100～600之間可調節變動;②生產能力可調節(30～90t/h);③固相顆粒停留時間可以變化(0 5～7s)。
    (3)無需對鉆屑進料進行稀釋　直接從上游的振動篩或離心分離系統進料,獨特的自清洗進料輸送區不需要稀釋物料,就可以用螺旋輸送器通過進料口依靠重力進料,閉合的螺旋尺寸鏈能夠讓濾餅達到最佳的干燥效果。
    (4)電力需求小　它完全由電動機驅動,主電動機29 8kW,副電動機14 9kW,內部螺旋和泵消耗12 7kW;最大啟動功率為90kW;電力需求:100A斷路器,460V/60Hz。
    (5)符合環境保護要求　目前所知的其它鉆井液處理設備最好的含油質量分數也只能達到10%左右,而一般情況下,使用密閉式鉆屑脫液離心機得到的沉渣含油質量分數為3%～5%,平均約為3 5%。
    典型工藝流程與應用前景
    1 典型工藝流程
    在美國墨西哥灣的海洋石油鉆井平臺上,SWACO公司以密閉式鉆屑脫液離心機與HHI5500型無級變速臥螺離心機(見圖2)為核心設備進行組合,形成固相控制設備封閉式循環系統DUSTERENVIROSMARTSystem,用于含油鉆井液處理取得了良好的經濟效益。在26d無故障停車操作工程中,4口油井共鉆探4466m,回收了37 5m3干凈鉆井液。以下是該設備在固相控制中的一個典型工藝流程。
              
    該流程處理含油鉆屑分2個部分。第1部分,來自上游固控設備(比如振動篩)的鉆井液和攪拌槽底流鉆井液送入鉆屑脫液離心機,大部分的含屑淤泥和細粒在離心力作用下進行分離處理。經過處理的鉆屑被送進排放漏斗等待進一步處理,沉渣中含油質量分數通常只有2%～4%。第2部分,HHI5500型無級變速臥螺離心機繼續處理來自鉆屑脫液離心機排放的鉆井液。容積式泵將鉆屑脫液離心機的液相輸入攪拌槽,離心進料泵將攪拌槽里的料液打入無級變速臥螺離心機。HHI5500臥螺離心機具有很高的分離因數,它將鉆井液里的細粒進一步分離出來,然后排入排放漏斗集中排渣,從HHI5500臥螺離心機和攪拌槽上層凈化了的鉆井液返回動態鉆井液系統回收利用。
    2 在固液分離領域中的應用前景
    海洋工程環境保護和海洋傾廢管理要求越來越明顯,2004年8月全國海洋石油生產平臺已達到70個,鉆井平臺28個。表2為全國海洋工程環境保護和海洋傾廢管理月報統計的鉆井液和鉆屑排海量信息。
    要處理含油鉆屑和鉆井液,使之達到排海標準,保護環境,使用密閉式鉆屑脫液離心機能夠產生良好的效益,使含油鉆屑排海量逐年減小。
    國外將該型離心機成功應用于鉆井液脫液處理取得了顯著的效果,發明者同時指出,這種新型的離心機也適用于其它固液分離領域。
               
     在金屬礦山業,隨著選礦工業的發展,礦產資源日益貧化、細化,一些選礦廠采用了細磨工藝,細粘物料日益增加,使浮選過濾更加困難。選煤也是如此,小于0 5mm粒級煤的含量逐年增加,因此,精礦和精煤脫水問題日益突出[3],筆者認為經過調研和試驗,預期可以使用該型離心機達到滿意的分離效果,從而解決上述問題。在城市污泥脫水中,作為下游固液分離設備,它占地面積小,動力需求小,工作環境衛生,全自動化操作,脫液程度高,淤泥處理量大,而且能夠減少絮凝劑的投放量甚至不使用絮凝劑,從處理效果和運行經濟2個方面考慮,預計該機也是值得推廣應用的現代化高效固液分離設備。
    結束語
    密閉式鉆屑脫液離心機結構設計新穎,有成熟的操作流程,國外將它應用于海洋石油鉆井平臺含油鉆屑脫液取得了良好的效益。建議國內盡快積極引進,在鉆井液凈化系統操作中根據特定鉆井工藝要求進行改造和設計,以滿足生產需求。另外,在金屬選礦工業、煤泥脫水、城市污泥處理等方面進行認真而慎重的調研、試驗,預計該設備也有良好的應用前景。