含油钻屑的绿色、资源化处理是制约页岩气环保开发的瓶颈,而锤磨热解析装置是解决页岩气含油钻屑处理难题的新型环保装备,但目前对锤磨作用下钻屑的运动、运移等规律,破碎、温升与热解析处理等处理关键机理的研究不够深入,导致该技术的能耗较高,现场推广应用慢。为此,本文采用了现场试验、离散元仿真、理论分析相结合的方法,开展了页岩气钻屑锤磨热解析运移规律与处理特性研究,揭示了锤磨热解析处理机理,为装置的研制提供了理论支撑。本文的主要研究工作和成果如下。(1)在威远页岩气开发平台构建了含油钻屑锤磨热解析试验平台,开展了锤磨热解析处理含油钻屑的现场试验研究,分析了处理工艺,获取了钻屑颗粒几何参数。结果表明,处理后钻屑的平均含油率为0.48%,可视为干燥固体;锤磨热解析处理后的钻屑粒径明显降低,表明锤磨热解析处理对钻屑有明显的破碎作用,因而在锤磨热解析连续处理过程中,锤磨机内的粒度分布范围是处理前钻屑和处理后钻屑粒度范围的并集。(2)综合分析并确定了离散元仿真中的颗粒模型、接触模型以及接触参数。结合锤磨热解析处理过程的密集钻屑流、干钻屑料床占比极大、液相快速汽化等特点,确定了在离散元仿真计算中采用软球颗粒模型和Hertz-Mindlin接触模型,同时,设计了 L25(56)的正交试验方案,通过标定休止角,标定了离散元模型中的接触参数。(3)从钻屑周向与径向运动规律、轴向运移规律及其影响因素等方面探究了锤磨作用下的钻屑运移规律。钻屑周向与径向运动的分析表明,钻屑流有类似“湍流”的运动性质,即不仅有流层间的相对滑动,还存在流层内的运移以及流层间的混合;钻屑流的周向速度为主要速度分量,在锤磨叶片的作用下,形成了一段自叶片向筒壁的“楔形”高周向速度区域,进而推动了料层钻屑颗粒的运动;钻屑沿筒壁方向的运动距离大、速度高,热解析效果好,有利于锤磨热解析,故周向速度大是有利的,而径向存在较小的速度,表明颗粒间有窜动,有利于钻屑的均匀处理。钻屑轴向运移的分析表明,在锤磨作用下,单个钻屑的运移具有无序性,但分析质量流率表明,颗粒流的运移具有方向性,尽管钻屑相互挤压并不断往复运动,却不断向出料口运移。钻屑轴向运移影响因素分析表明,处理工艺参数是影响钻屑运移的主要因素,其中尤以调整进出料量关系为主,但提高钻屑运移效果会缩短处理时间,进而对处理效果造成不利影响,而装置结构参数虽不是影响钻屑运移的主要因素,但合理的装置结构参数,将对有助于保证合理的处理时间和处理效果。(4)开展了锤磨热解析的处理特性研究。根据钻屑流的力链结构定性分析了钻屑破碎区域。通过建立钻屑摩擦生热仿真模型,探究了钻屑流生热特征。基于热量平衡方程,分析了钻屑处理量及其影响因素。结果表明,钻屑破碎主要区域为料堆与料层的接触线及其两侧区域,提高锤磨叶片转速可以有效促进钻屑的破碎;在钻屑流的摩擦生热场中,料层与内壁接触区域产热能力最强,料堆心部的产热能力最弱;料床质量、温升率、进料温度的增加可提高钻屑处理量,而进料含水率过高将降低处理量,其中温升率对钻屑处理量影响最大,含水率、料床质量、进料温度依次次之。因此,可通过增大锤磨叶片转速、避免料床内钻屑流动性降低、预处理含油钻屑以降低其含水率以及适当增加料床质量等措施以提高锤磨热解析处理效果。