壓裂返排液處理高效澄清裝置研制*

渠迎鋒，王永光，臺廣鋒，吳 萌

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

0 引 言

逐漸增大的采油難度，需要采用壓裂和注水作業(yè)手段來提高油氣產(chǎn)量，產(chǎn)生了較多壓裂返排液。其具有高COD、高含油量、高懸浮物含量和高礦化度等特征。在不同返排階段出水量波動(dòng)大，水質(zhì)成分波動(dòng)大[1-5]。

隨著各級地方政府對環(huán)保監(jiān)控力度的加大，壓裂施工面臨的環(huán)保壓力越來越大。水資源開發(fā)越來越難，將壓裂返排液作為一種可再生利用的潛在水資源，成為一種不可或缺的解決途徑。

在壓裂返排液資源化處理過程中，液固分離工藝環(huán)節(jié)為關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)之一。高效澄清裝置是根據(jù)壓裂返排液的特點(diǎn)專門開發(fā)的一種液固分離設(shè)備，其具有耗低、分離效果好、自動(dòng)化程度高、實(shí)時(shí)監(jiān)測和模塊化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 液固分離技術(shù)概述

液固分離技術(shù)因其在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)工作方面的重要地位，一直為人們所重視。近20年來在液固分離理論、液固分離設(shè)備和應(yīng)用開發(fā)方面均有較大的進(jìn)展[6-16]。

經(jīng)過收集相關(guān)文獻(xiàn)，了解液固分離技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，固液分離的方法有多種如下：

(1) 浮選 浮選過程是以懸浮液內(nèi)產(chǎn)生空氣泡和固體顆粒附著于氣泡上為前提。在礦物分離、造紙、污水處理等領(lǐng)域已得到應(yīng)用，被認(rèn)為是一種固液分離的有效方法。

(2) 重力沉降 重力沉降是在重力作用下，將懸浮液分離為含固量較高的底流和清凈的溢流的過程。液相和固相之間的密度差是其前提條件。

(3) 離心沉降 離心設(shè)備增加了作用在顆粒上的體積力，從而將沉降分離擴(kuò)展到細(xì)小顆粒和乳濁液。

(4) 深層過濾分離 含固量極低的懸浮液是用深層過濾器，其床層有一定的厚度。固體顆粒積聚在床層內(nèi)部而不在表面。一般情況下，它回收的顆粒小于床層內(nèi)部孔隙。

(5) 篩濾 介質(zhì)孔徑較大，分離的推動(dòng)力為重力。篩濾通常用于顆粒分級，但同樣適用于粗顆粒和高凝聚態(tài)懸浮液的脫水。為確保所有前來后到的物料都有機(jī)會接近篩孔并防止篩孔堵塞，篩濾常附以振動(dòng)或其它形式的運(yùn)動(dòng)。

(6) 濾芯式過濾器 濾芯式過濾器由濾紙、濾布或孔徑低達(dá)02 pm的各種濾膜做成并易于更換。懸浮液直接泵入濾器，當(dāng)濾器內(nèi)積滿顆粒，壓差變得更高后，即予更換。

(7) 磁力分離 傳統(tǒng)的磁力分離技術(shù)是在礦物處理中長期發(fā)展起來的，旨在去除濃縮磁性礦石。它一般限于強(qiáng)磁性材料的分離，使用最廣的是鼓式分離器。

根據(jù)壓裂返排液的特點(diǎn)，依據(jù)環(huán)保和節(jié)能要求，采用重力自然沉降原理結(jié)合現(xiàn)代監(jiān)測與自動(dòng)控制技術(shù)于一體開發(fā)了高效澄清裝置。

面對各種風(fēng)險(xiǎn)給項(xiàng)目帶來的物質(zhì)損失，合理確定免賠額的大小能夠有效的減少出險(xiǎn)后承包商自己承擔(dān)的損失金額。當(dāng)然，免賠額也和保險(xiǎn)費(fèi)用掛鉤，免賠額越小相應(yīng)的項(xiàng)目保險(xiǎn)費(fèi)用則越高，所以合理免賠額的確定即是在適當(dāng)增加保費(fèi)的基礎(chǔ)上，對絕大多數(shù)風(fēng)險(xiǎn)因素投保，使得承包商自己承擔(dān)的金額較低。

2 高效澄清裝置簡介

高效澄清裝置主要有反應(yīng)模塊、分離模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊和自動(dòng)控制模塊組成，如圖1所示。反應(yīng)模塊主要作用是藥劑充分接觸與化學(xué)反應(yīng)。分離模塊主要作用是將壓裂返排液進(jìn)行液固分離。實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊主要作用是監(jiān)測固液分離效果與水質(zhì)指標(biāo)。自動(dòng)控制模塊主要作用是根據(jù)監(jiān)測信號自動(dòng)控制水質(zhì)指標(biāo)，保證了系統(tǒng)的可靠性。

圖1 高效澄清裝置

3 工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

高效澄清裝置是集反應(yīng)模塊、分離模塊、監(jiān)測與控制模塊于一體的綜合性能的壓裂返排液處理液固分離設(shè)備之一。壓裂返排液首先進(jìn)入反應(yīng)模塊進(jìn)行藥劑的充分反應(yīng)，然后進(jìn)入固液分離模塊，進(jìn)行固液分離，上清液達(dá)到要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)入下一步處理工序，底部濃縮液進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)。在線實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊主要監(jiān)測上清液水質(zhì)指標(biāo)與底部濃縮液水質(zhì)指標(biāo)，上清液達(dá)到水質(zhì)指標(biāo)后自動(dòng)進(jìn)入下一步處理工序，底部濃縮液達(dá)到工藝要求指標(biāo)后自動(dòng)進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1分離模塊清水區(qū)面積計(jì)算[16]

(1)

式中：A1為固液分離區(qū)的表面積(m2)；Q為設(shè)計(jì)水量(m3/h)，設(shè)計(jì)水量以50 m3/h為例;q為表面負(fù)荷[m3/(m2·h)]，一般采用9.0～11.0 m3/(m2·h)，設(shè)計(jì)中取q=9 m3/(m2·h)。

將設(shè)計(jì)水量參數(shù)與表面負(fù)荷參數(shù)代入上述公式可以得到，固液分離區(qū)表面積為5.56 m2。

3.2.2固液分離區(qū)總高度計(jì)算[17]

H=h1+h2+h3+h4+h5

(2)

式中：H為固液分離區(qū)總高度(m);h1為保護(hù)高度(m)，一般采用0.3～0.5 m;h2為清水區(qū)高度(m);h3為斜管區(qū)高度(m)，斜管長度為1.0m，安裝傾角60°;h4為配水區(qū)高度(m);h5為排泥槽高度(m)。

設(shè)計(jì)中取保護(hù)高度h1=0.33 m，清水區(qū)h2=0.4 m，斜管區(qū)高度h3=0.87 m，配水區(qū)高度h4=0.5 m，排泥槽高度h5=0.5 m，固液分離去總高度為2.6 m。

3.2.3固液分離區(qū)進(jìn)水設(shè)計(jì)[18]

固液分離區(qū)進(jìn)水采用穿孔花墻，孔口總面積：

(3)

式中：A2為孔口總面積(m2);Q為設(shè)計(jì)水量(m3/h)，設(shè)計(jì)水量以50 m3/h為例;v為孔口流速(m/s)，一般取值不大于0.15～0.20 m/s;設(shè)計(jì)中取v=0.20 m/s，固液分離區(qū)進(jìn)水孔口總面積為0.069 4 m2。

3.2.4固液分離區(qū)出水設(shè)計(jì)[19]

固液分離區(qū)出水設(shè)計(jì)采用穿孔集水管槽，出水孔口流速v1=0.6 m/s，則，穿孔總面積：

(4)

式中:A3為出水孔口總面積(m2);Q為設(shè)計(jì)水量(m3/h)，設(shè)計(jì)水量以50 m3/h為例;v1-為出水孔流速，取值為0.6 m/s。

將設(shè)計(jì)水量參數(shù)和出水孔流速參數(shù)代入上述公式可以得到，固液分離區(qū)出水穿孔總面積0.023 1 m2。

設(shè)每個(gè)孔口的直徑為3 cm，則孔口的個(gè)數(shù)：

(5)

式中：N為孔口個(gè)數(shù)；AS為穿孔總面積；F為每個(gè)孔口的面積(m2)，每個(gè)孔的面積為0.000 706 5 m2。

將穿孔總面積參數(shù)與每個(gè)孔的面積參數(shù)代入上述公式可以得到，孔口個(gè)數(shù)為35個(gè)。

4 調(diào)試實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 調(diào)試實(shí)驗(yàn)

高效澄清裝置根據(jù)壓裂返排液水質(zhì)成分，控制絮凝劑加藥量和反應(yīng)時(shí)間，使藥劑充分與壓裂返排液反應(yīng)，經(jīng)過固液分離，達(dá)到要求的水質(zhì)指標(biāo)。其中，高效澄清裝置主要去除壓裂返排液中的懸浮物與含油量。在某油田現(xiàn)場對高效澄清裝置進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)，進(jìn)出水指標(biāo)如表1所示，處理效果如圖2所示。

圖2 高效澄清裝置處理效果

/(mg/L)

根據(jù)高效澄清裝置進(jìn)出水指標(biāo)分析可以得出，進(jìn)水懸浮物指標(biāo)為60 mg/L，出水懸浮物指標(biāo)為20 mg/L，懸浮物去除率達(dá)到67%；進(jìn)水含油量指標(biāo)為30 mg/L，出水含油量指標(biāo)為20 mg/L，懸浮物去除率達(dá)到33%。

4.2 現(xiàn)場推廣應(yīng)用

壓裂返排液處理高效澄清裝置目前已經(jīng)推廣應(yīng)用于中石油、中石化和延長油田。根據(jù)壓裂返排液水質(zhì)調(diào)整加藥量，經(jīng)過藥劑與壓裂返排液的充分反映，實(shí)現(xiàn)了高效分離效果，為了保證水質(zhì)穩(wěn)定專門設(shè)計(jì)了事故工藝管道。自動(dòng)檢測、控制水質(zhì)指標(biāo)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、水質(zhì)達(dá)標(biāo)，得到了油田用戶的好評。

高效澄清裝置可以根據(jù)用戶使用工況特點(diǎn)設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)、不同配置的系列產(chǎn)品，滿足用戶需求，其應(yīng)用范圍可推廣至整個(gè)水處理行業(yè)。

5 結(jié) 語

高效澄清裝置是集反應(yīng)模塊、分離模塊、檢測與控制模塊于一體的綜合性能的壓裂返排液處理液固分離設(shè)備之一，具有集成化程度高和自動(dòng)化程度高特點(diǎn)。

根據(jù)壓裂返排液水質(zhì)指標(biāo)對其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，確定了高效澄清裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，保證了水質(zhì)指標(biāo)。

通過對高效澄清裝置在油田現(xiàn)場的應(yīng)用，進(jìn)一步

驗(yàn)證了其技術(shù)性能指標(biāo)，有利于不斷完善結(jié)構(gòu)，提高其性能，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持。

[1] Meisam Torab-Mostaedi,Mehdi Asadollahzadeh,Jaber Safdari. Prediction of mass transfer coefficients in an asymmetric rotating disk contactor using effective diffusivity [J]. Chinese Journal of Chemical Engineering,2017(3):6-9.

[2] 石彥龍,汪志丹,方 蕓,等.超疏水超親油銅網(wǎng)的制備及其在油水分離中的應(yīng)用(英文)[J].應(yīng)用化學(xué),2017(4):20-26

[3] 程治良,邱發(fā)成,徐 飛,等.分離空間結(jié)構(gòu)對旋流器流場和傳質(zhì)面積的影響[J].化學(xué)工程,2017(3):52-58.

[4] 袁俊杰.天然氣重力分離器壁厚異常分析[J].中國石油石化,2017(1):12-16.

[5] 杜小蕓.天然氣凈化廠安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,2016(11):31-35.

[6] 周嘵玲.磨礦分級過程螺旋分級機(jī)分級效率預(yù)測模型研究[J].科技展望,2017(9):9-15.

[7] 張雙江,石永超,董曉磊,等.雙質(zhì)體臥式振動(dòng)卸料離心機(jī)主振彈簧的研究[J].選煤技術(shù),2016(6):39-43.

[8] 王晨升,蘇 芳.基于篩孔形狀的原煤分級篩篩板改造與應(yīng)用[J].選煤技術(shù),2016(6):15-19.

[9] 庾朝富,李曉臣,郭建偉,等.0.2 mm篩縫精煤泥弧形篩工業(yè)性指標(biāo)分析[J].選煤技術(shù),2016(6):22-27.

[10] 郭進(jìn)山,祁步春,蔡改貧,等.多尺度內(nèi)聚模型顆粒群振動(dòng)擠壓破碎數(shù)值模擬研究[J].中國鎢業(yè),2016(6):51-55.

[11] 劉春艷.單槽容積60m～3煤用大型圓筒形浮選機(jī)關(guān)鍵部件及區(qū)域流場分析[J].選煤技術(shù),2016(6):58-62.

[12] 王文潛.淺層沉淀原理與斜板濃密設(shè)備[J].國外金屬礦選礦,1998(5):5-7.

[13] 王文潛,周興龍,黃云平,等.單元集成式斜窄流分級斗及其應(yīng)用[C].中國礦業(yè)( 第四屆全國選礦設(shè)備學(xué)術(shù)會議論文集)[A],2001:83- 86.

[14] 王喜良,黃云平,周興龍,等.斜淺層內(nèi)液流運(yùn)動(dòng)特征研究[J].云南冶金,2002(3):61- 66.

[15] 王文潛,王喜良,黃云平,等.斜窄流單元集成式分離設(shè)備及其應(yīng)用[C].中國礦業(yè)(第四屆全國選礦設(shè)備學(xué)術(shù)會議論文集),2001:161-164.

[16] WANG WenQian, The Development of Lamella Thickener Used in Hydromet allurgical Zinc Plant[C].Proceedings of 3rd ICH, Kunming,1998:654- 659.

[17] 昆明冶金研究院裝備部.單元集成式小斷面斜上升流分級箱,產(chǎn)品說明書[Z].1999.

[18] 黃云平,王喜良,富文彬,等.KMLZ型斜窄流沉渣除油器研制[C].中國礦業(yè)(第四屆全國選礦設(shè)備學(xué)術(shù)會議論文集)[A].2001:150-153.

[19] 王文潛.鋼廠污水的斜窄流沉渣除油設(shè)備[J].云南冶金,2002(3):67-70.