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《中国地质大学》 2018年
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海上平台含油钻屑热脱附处理关键技术研究

张先勇  
【摘要】:在油气钻井过程中,油基钻井液的使用在给钻井带来方便的同时,也带来了严重的环境问题。钻井过程中产生的含油钻屑属于“国家危险废物名录”中规定的危险废弃物,须进行无害化处理。海洋钻井平台由于场地的特殊性,又加上海洋环境保护法规的严苛要求,含油钻屑的处理已成为亟待有效解决的一大难题。根据海上平台对含油钻屑的处理需求和实际条件,对中试热脱附处理系统进行了工况分析。在此基础上研究了热脱附处理单元的样机方案,重点对物料传输系统、加热系统、气锁系统等技术环节进行了讨论。制定了海上平台含油钻屑热脱附处理单元的工艺流程,并对主要工艺参数进行了设计计算。在标准螺旋输送器的基础上进行了输送改进设计,在详细输送参数计算的基础上建立了针对含湿粘性物料的低转速、短螺距、浅槽深的螺旋输送样机模型。为了验证实际输送效果,在室内配制了含水分别为10%、20%的湿沙物料,针对加热单元的双螺旋输送装置进行了输送试验,得到了两种不同输送转速下的试验结果。对处理量、停留时间、填充率等输送参数进行了分析,并与理论计算进行了对比,验证了输送设计的合理性。根据含油钻屑热脱附过程及特征,基于传热方程和液相蒸发基本原理建立了分析模型,结合求解区域,利用有限体积法对模型进行了离散。为了解决物料中液相水、油在蒸发过程中相变引起的质量变化,从能量平衡角度,建立了适用于工程计算的能量分配模型。在此基础上,编制了基于Matlab的计算程序,并结合实际工况,利用计算程序对含油钻屑热脱附过程进行了模拟,得到了热脱附过程中物料的温度分布及变化规律、各相质量含量分布及变化规律,并对热脱附效果进行了预测。通过模拟计算同时得到了热脱附过程中的功率消耗,并针对样机装置得出了热功率分布,并计算了不同工况下的热功率。热脱附热源采用电磁感应加热方式,根据电磁感应加热基本原理和特点,结合热脱附装置加热床结构,利用有限元软件建立了数值模拟分析模型。通过数值模拟,得到了激励电流与发热功率的关系;在此基础上结合热脱附过程中的功率需求,通过电磁-热耦合分析,得到了加热床热壁的温度分布和温差,为温度控制参数提供了依据。同时根据数值模拟计算结果,得到了不同工况下的电磁感应加热功率;根据功率分布的要求,对电磁加热感应线圈在加热床不同位置的密度进行了分析和研究,建立了具有热量输出梯度的电磁感应加热热源。在建立的含油钻屑热脱附处理中试样机上,分三阶段进行了试验。首先通过自制的两种不同含水率的物料,在室内进行了水分热脱附试验,得到了残余水分含量、物料温度等结果,并与热脱附模型计算结果进行了对比分析。通过水分脱附试验,同时验证设备的加热及温度控制情况。然后针对钻井现场取样的含油钻屑物料,在室内进行了热脱附处理的联机运行试验。通过试验得到了不同工况下经处理后的残留含油、含水质量分数以及物料终温,并讨论了影响因素。最后热脱附处理中试样机在某专业处理厂内进行了约一周时间的运行测试,试验的物料来至于渤海区域平台含油钻屑和污泥。针对两种不同的含油物料,得到了不同工况下的测试结果,并进行了对比分析。三阶段的试验研究检验了中试样机各系统设计的合理性;同时也验证了热脱附分析模型、过程模拟计算以及热源数值模拟的正确性。通过理论分析、数值模拟和试验测试,研究了含油钻屑热脱附高效处理中的关键技术问题,形成了一套适应于海上平台使用条件的采用双边电磁感应加热方式的含油钻屑热脱附高效处理方法及中试样机;并建立了适用于工程计算的含油钻屑热脱附过程模拟模型及效果预测方法。研究结果为海上平台含油钻屑就地高效处理提供了一套有效技术方案和可靠的技术保障。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TE52

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