巖屑環(huán)保過(guò)濾分離設(shè)備的選擇及其運(yùn)維管理的研究與思考*

李 翔 石 烜

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司質(zhì)量健康安全環(huán)保部；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司)

巖屑環(huán)保過(guò)濾分離設(shè)備的選擇及其運(yùn)維管理的研究與思考*

李 翔**1石 烜2

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司質(zhì)量健康安全環(huán)保部；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司)

根據(jù)對(duì)巖屑過(guò)濾分離與環(huán)保處置的實(shí)踐，從過(guò)濾分離理論出發(fā)研究了處置方案制定及其設(shè)備選擇，重點(diǎn)分析了在實(shí)際工程中由于環(huán)保政策的變化、現(xiàn)場(chǎng)資源配置等問(wèn)題所導(dǎo)致的不確定性；以環(huán)保處置最終達(dá)標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，提出處置設(shè)備方案及其控制模型，對(duì)于指導(dǎo)巖屑處置工程設(shè)備選型和裝備管理有一定的指導(dǎo)意義。

鉆井巖屑 固液分離 油水分離 環(huán)保處置

隨著新《環(huán)境保護(hù)法》及配套的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)、規(guī)范的頒布實(shí)施，政府監(jiān)管要求日益嚴(yán)格，行政許可前置要求變化，污染環(huán)境入罪標(biāo)準(zhǔn)降低，企業(yè)環(huán)保主體責(zé)任強(qiáng)化，公眾媒體和NGO(非政府組織)影響力加強(qiáng)，對(duì)于環(huán)保事故事件高度敏感。而在野外開展油氣勘探開發(fā)過(guò)程中，由于地質(zhì)條件以及鉆完井工程本身的復(fù)雜多變，加之野外資源條件匱乏，模塊化的鉆完井裝備可調(diào)性差等多種因素的影響，導(dǎo)致鉆完井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境保護(hù)的措施有限。

就鉆完井作業(yè)過(guò)程的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，最為敏感的是為作為危廢鉆屑的環(huán)保處置，目前對(duì)于石油領(lǐng)域危廢產(chǎn)生物的鉆屑，主要是以處理后最終含油率低于1%作為合規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)。從這點(diǎn)上來(lái)看油基鉆井液的環(huán)保處置難度明顯大于水基鉆井液。目前頁(yè)巖段的大位移水平井鉆進(jìn)過(guò)程中普遍采用油基鉆井液體系，并且多采用加入聚合物等添加劑以改善鉆井液性能，這也導(dǎo)致后期環(huán)保處置工況的難度。隨著頁(yè)巖氣大規(guī)模開發(fā)和老油田后期各類調(diào)整井作業(yè)量的增大，以及環(huán)保政策的嚴(yán)格，越來(lái)越需要在現(xiàn)場(chǎng)做到鉆井液及時(shí)連續(xù)的回用及環(huán)保處置，因此環(huán)保責(zé)任單位急需探索出一套既經(jīng)濟(jì)又有時(shí)效的可行性方案判斷方法。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外技術(shù)現(xiàn)狀

近十年來(lái)，國(guó)際上就巖屑處置的環(huán)保要求日益提高，英國(guó)從1997年起要求海上鉆井鉆屑的含油量低于1%才能排海；陸上鉆井巖屑需要分離到含油率低于1%才能達(dá)標(biāo)[1]。最為嚴(yán)格的是荷蘭，對(duì)廢油基鉆井液實(shí)行零排放(禁止排放)，含油鉆屑必須通過(guò)生物毒性試驗(yàn)，證實(shí)無(wú)毒無(wú)害后才能排放。從2000年開始，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍提升了環(huán)保法規(guī)要求，美國(guó)規(guī)定鉆屑中總石油烴(TPH)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)低于1%才能排放[2]。

目前屬于斯倫貝謝的MI-SWACO公司的油基鉆屑處置技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先地位，2000年初研制出密閉式鉆屑脫液離心機(jī)配合高分離因數(shù)的螺旋離心機(jī)，完成了封閉式鉆完井固相控制循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建，初步實(shí)現(xiàn)了油基鉆屑的在線連續(xù)處理，減少新油基鉆井液的投用[3]。但隨著鉆遇不同地層，巖屑物料性質(zhì)變化很大，這種機(jī)械分離的工藝方式，并不能保障連續(xù)處理過(guò)程的處理效果一致性。為此，國(guó)外又開發(fā)了熱脫附技術(shù)，利用加熱蒸發(fā)油相的工藝，使最終固相油含量低于1%。2000年Brandt公司的第一套巖屑熱脫附裝置開始為BP公司的哥倫比亞項(xiàng)目服務(wù)[4]，但它需要消耗大量熱能而且并不能實(shí)現(xiàn)油基回用的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。2010年后，美國(guó)與加拿大新工藝先采用機(jī)械固液分離對(duì)物料進(jìn)行減量化處置，然后使用堆肥工藝，通過(guò)生物降解將固相的含油率降低到1%以下，實(shí)現(xiàn)巖屑環(huán)保處置整體的經(jīng)濟(jì)性。

1.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)巖屑主要處置方式為臨時(shí)堆放在污油池，然后運(yùn)送到固廢場(chǎng)所統(tǒng)一處理。固廢場(chǎng)所首先對(duì)物料進(jìn)行污油水處理或回收，然后統(tǒng)一對(duì)固體廢棄物進(jìn)行固化，最終填埋或堆渣場(chǎng)集中存放。對(duì)于環(huán)境敏感區(qū)的固廢均是運(yùn)至處理場(chǎng)集中處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理和資源化利用。主要的固化法是向廢棄巖屑中加入固化劑，這種方式不能將有效成分回用，且增加了固廢物總量，后期填埋滲濾液處置環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)也很大。

在鉆完井現(xiàn)場(chǎng)普遍采用現(xiàn)場(chǎng)處理，通過(guò)合理的固控流程，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)有效固液分離，固相運(yùn)離井場(chǎng)后再集中進(jìn)行無(wú)害化處理。但各鉆完井工程所處理的巖屑性質(zhì)都不相同，所以鉆完井工程巖屑處置均是以項(xiàng)目的方式開展。

2 巖屑環(huán)保處置與固液分離原理

鉆完井工程的巖屑處置具有小批量多批次的特點(diǎn)，從環(huán)保處置項(xiàng)目的角度出發(fā)，方案制定首先應(yīng)從最終污染物排放要求出發(fā)，然后結(jié)合處理物料的特性落實(shí)固液分離工藝，最后才能給出滿足實(shí)施條件的整體處置方案。

2.1 最終污染物要求

油氣開發(fā)項(xiàng)目方案是以經(jīng)濟(jì)性為原則的，而巖屑的環(huán)保處置是按合規(guī)性要求開展的。這就要求每個(gè)環(huán)保處置步驟應(yīng)當(dāng)達(dá)到其設(shè)定的指標(biāo)要求，才能避免各階段工藝的反復(fù)再處置，并且不影響鉆完井主工藝流程的執(zhí)行，以此滿足環(huán)保法規(guī)限時(shí)達(dá)標(biāo)處置的要求。

目前國(guó)際上有兩種巖屑最終污染物處置方法，即填埋法和資源化利用法，這兩種方法對(duì)最終污染物的各項(xiàng)指標(biāo)要求不同，所以需要在方案階段即明確資源化的具體目標(biāo)及其檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，才能確定前序固液分離工藝的具體要求和可行的整體處置方案。

2.2 污染物固液過(guò)濾分離機(jī)理

按照最終污染物的環(huán)保處置要求，必然是要采用過(guò)濾或分離的方法，對(duì)固液兩相(或三相)進(jìn)行分離，最大限度地將有害污染物體量減少。

固液過(guò)濾分離的基礎(chǔ)是從過(guò)濾理論中的Kozeny-Carman和D.K.Zeitsch方程得出的。

Kozeny-Carman方程：

(1)

式中K″——柯靜常數(shù)；

L——濾餅厚度；

Sp——固體顆粒比表面積；

μ——液體粘度；

ε——濾餅孔隙率。

式(1)中濾餅孔隙率和濾餅厚度隨操作壓力和時(shí)間長(zhǎng)短而變。濾餅孔隙率、固體顆粒比表面積、柯靜常數(shù)必須由實(shí)測(cè)才能得到?？蚂o常數(shù)在固定的顆粒床層或低速移動(dòng)的顆粒床層取值為3，在沉降或高速移動(dòng)的顆粒床層取值為3.36[5]；固體顆粒可以根據(jù)顆粒數(shù)量和分布計(jì)算出來(lái)[5]。

目前鉆完井工程常用振動(dòng)篩以及螺旋離心機(jī)等離心沉降裝備開展在線的固液分離，有關(guān)沉降離心機(jī)濾液量Q可以根據(jù)D.K.Zeitsch公式來(lái)求得：

(2)

式中Rm——過(guò)濾介質(zhì)阻力；

r1——濾面內(nèi)半徑；

r3、r2——濾餅內(nèi)、外半徑；

αav——濾餅平均比阻；

ε——濾餅孔隙率；

ρ——液體密度；

ρs——固相密度；

ω——轉(zhuǎn)鼓角速度。

式(2)中過(guò)濾介質(zhì)阻力、濾餅孔隙率及濾餅平均比阻等數(shù)值必須實(shí)測(cè)得到；濾面內(nèi)半徑在過(guò)濾過(guò)程中根據(jù)穩(wěn)態(tài)與不穩(wěn)態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。而且它們都是過(guò)濾分離時(shí)間和操作參數(shù)(如進(jìn)料濃度、操作壓力等)的函數(shù)，所以固液兩相的過(guò)濾與分離是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的科學(xué)，因此一定要重視實(shí)測(cè)與試驗(yàn)放大，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展(包括在線測(cè)量?jī)x器及測(cè)試技術(shù)的提高和液固兩相混合物料過(guò)濾與分離過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真水平的提高)是能得到圓滿解決的。

非均相的過(guò)濾與分離過(guò)程千變?nèi)f化，濾餅平均比阻及濾餅孔隙率等重要參數(shù)的時(shí)間規(guī)律十分復(fù)雜，特別是液固兩相的分離過(guò)程受宏觀流體和顆粒微觀物化因素的影響，呈現(xiàn)復(fù)雜過(guò)程。宏觀流體力學(xué)角度主要有物料特性、固相壓實(shí)程度、過(guò)濾分離推動(dòng)力、物料濃度及粘度等因素；微觀物化考慮毛細(xì)現(xiàn)象、分子吸引力、電動(dòng)現(xiàn)象、聚團(tuán)現(xiàn)象、物理及化學(xué)吸附等因素。具體的工藝過(guò)程還需要考慮宏觀與微觀的關(guān)聯(lián)影響。在工程實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，需要輔助以定期的檢測(cè)工作，才能較準(zhǔn)確地度量過(guò)濾速率的發(fā)展變化。

固液兩相的過(guò)濾與分離是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。一般經(jīng)驗(yàn)是，可行性方案階段能夠得到的處理量只能供參考，必須進(jìn)行中試與放大試驗(yàn)，需要測(cè)定的指標(biāo)有固、水、油的質(zhì)量百分比，固相顆粒真密度，固、水、油的密度差，顆粒粒徑，粒度分布，顆粒形態(tài)，液相粘度，固液兩相混合粘度，物料pH值，顆粒ζ電位以及兩相間界面表面張力等。

Rushton推薦給出了如圖1所示的分離設(shè)備選型參考圖[5,6]，根據(jù)物料濃度和平均粒徑大小選擇分離設(shè)備。

鉆完井過(guò)程的巖屑來(lái)自不同地層，其顆粒粒度分布隨著井段的不同而不同，其組分粘度等關(guān)鍵的性能指標(biāo)復(fù)雜多變，只有充分考慮了這些復(fù)雜不確定性因素，才能確實(shí)做好分離裝備的選型工作，進(jìn)而提高所設(shè)計(jì)的過(guò)濾分離流程抗物料波動(dòng)的能力。

圖1 顆粒粒度、濃度及其相應(yīng)可選的分離設(shè)備

2.3 分離設(shè)備選型原則

在最大限度落實(shí)過(guò)濾分離流程抗物料波動(dòng)能力的基礎(chǔ)上，設(shè)備的選型還需要滿足經(jīng)濟(jì)性原則，根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用生化技術(shù)實(shí)現(xiàn)最終石油烴降解達(dá)標(biāo)是巖屑環(huán)保達(dá)標(biāo)處置最經(jīng)濟(jì)的方式。

2.3.1處置工藝組合

巖屑分離處置的工藝由固液分離、水處理、生化降解和填埋4個(gè)工藝段組成[7]。而在可行性方案階段難度最高的為固液分離工藝，其產(chǎn)出物水平直接影響后續(xù)工藝效果與效率。在實(shí)際工程運(yùn)用過(guò)程中，由于物料性質(zhì)的差異性，4個(gè)工藝段的復(fù)雜程度各不相同。如圖2所示為筆者所在單位巖屑處理工藝總圖，該工藝總圖基本涵蓋巖屑達(dá)標(biāo)處置過(guò)程中各種可能的工藝，也考慮了實(shí)際工況下各種潛在的不確定性因素，進(jìn)而能夠在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，通過(guò)各種工藝的組合最終實(shí)現(xiàn)污染物的達(dá)標(biāo)處置。

圖2 巖屑處理通用工藝組合

2.3.2固液分離工藝

巖屑處置的首段工藝為固液分離，該工藝段制約著整體巖屑處置的效率與效果，目前固液分離多采用離心沉降分離進(jìn)行，而可行性方案最關(guān)注的是生產(chǎn)能力和分離精度，目前通用的是通過(guò)Stokes定律的Σ理論得到一個(gè)基本數(shù)值：

Q=vgΣ

(3)

其中vg為固體顆粒的重力沉降速度，Σ為當(dāng)量沉降面積，是沉降離心機(jī)的生產(chǎn)能力指標(biāo)，它是包含沉降離心機(jī)的幾何尺寸、工作轉(zhuǎn)速和相關(guān)系數(shù)的函數(shù)。

一般待處理巖屑的懸浮液固體顆粒粒度是多分散性的，粒度最小的顆粒沉降速度最小，是分離效果的控制因素，這種細(xì)微粒子的沉降流態(tài)絕大多數(shù)為層流狀態(tài)，故計(jì)算顆粒沉降所需時(shí)間按斯托克斯沉降速度公式：

(4)

式中d——顆粒直徑，m；

Δρ——固、液相密度差，kg/m3；

μ——液相粘度，kg/(m·s)。

對(duì)于錐形轉(zhuǎn)鼓的沉降離心機(jī)，Σ計(jì)算式為：

(5)

式中k0——系數(shù)；

L——轉(zhuǎn)鼓有效長(zhǎng)度,m；

R——轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑，m；

ω——轉(zhuǎn)鼓角速度，1/s。

可以看出，沉降離心機(jī)的生產(chǎn)能力取決于物料性質(zhì)和離心機(jī)的技術(shù)參數(shù)。實(shí)際生產(chǎn)表明，用式(3)計(jì)算所得的生產(chǎn)能力值比實(shí)際值偏大，建議用計(jì)算式為：

Q=ξvgΣ

(6)

ξ為修正系數(shù)，對(duì)于螺旋卸料沉降離心機(jī)：

(7)

式中b——螺旋葉片間流道寬度，m；

h——液層深度，h=R-R0，m；

Rm——液層平均半徑，Rm=(R+R0)/2，m；

υ——液體運(yùn)動(dòng)粘度，υ=μ/ρ1，m2/s。

就沉降離心機(jī)中澄清型分離機(jī)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的修正系數(shù)ξ范圍可為0.5～0.7[8]。目前能計(jì)算的只是生產(chǎn)能力大小，不能反映分離精度。沉降離心機(jī)生產(chǎn)能力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際還有一定距離。

3 巖屑環(huán)保處置核心要素

通過(guò)對(duì)污染物固液過(guò)濾分離機(jī)理以及裝備選型的研究，認(rèn)為提高分離設(shè)備的抗物料波動(dòng)性和制定環(huán)保處置方案過(guò)程中，考慮各種不確定性因素是保障最終污染物達(dá)標(biāo)處置的必要條件。

3.1 設(shè)備選型的原則

為了提高分離設(shè)備的抗物料波動(dòng)性，筆者提出了如圖3所示的多層次保障體系以提高分離系統(tǒng)對(duì)于不確定性物料的抗沖擊性：每個(gè)層次都是為提高上一層次的抗沖擊能力而設(shè)立，即通過(guò)下層來(lái)保障上層的穩(wěn)定性：每層向下否決，即如果下一層不能實(shí)現(xiàn)上一層抗不確定性物料的沖擊，該層次應(yīng)當(dāng)重新設(shè)置，如果確實(shí)不能實(shí)現(xiàn)，即需要向上協(xié)調(diào)重新考慮上一層次的設(shè)置。通過(guò)這個(gè)管理原則，能夠最大限度地保障整體巖屑分離與處置系統(tǒng)整體的抗物料的波動(dòng)性。

圖3 巖屑分離與處置管理原則

3.2 固液分離工藝質(zhì)量保障

理論上，固液分離工藝屬于實(shí)踐性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)，所以巖屑處置的工況控制應(yīng)通過(guò)中試進(jìn)行驗(yàn)證后才能進(jìn)行實(shí)際的工程應(yīng)用，并且要在中試過(guò)程中對(duì)分離工藝各項(xiàng)物性指標(biāo)和顆粒特性進(jìn)行檢測(cè)與檢驗(yàn)，以此建立實(shí)際應(yīng)用過(guò)程的指標(biāo)控制體系，制定出現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)指導(dǎo)書。

作業(yè)指導(dǎo)書需包括固液分離工藝的質(zhì)量保障體系，保障體系包括指標(biāo)體系所要求的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而有計(jì)劃地檢定物料特性和顆粒狀態(tài)，保障工藝操作的有效性。

4 方案制定過(guò)程的思考

4.1 資料完整性

對(duì)于巖屑處置，資料的完整性是通過(guò)前期現(xiàn)場(chǎng)勘察公司進(jìn)行落實(shí)的，如果勘察公司提供的物料總量和物料性質(zhì)報(bào)告書與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不符，將直接影響工作量，并且還會(huì)因裝備能力不足導(dǎo)致項(xiàng)目失敗。資料完整性還應(yīng)包括巖屑池的其他固體垃圾以及長(zhǎng)期存儲(chǔ)后物性變化等其他情況。

巖屑污染物環(huán)保處置是要求考慮未來(lái)可能發(fā)生的政策變化的影響，所以環(huán)保責(zé)任方在油基鉆井液處置中，都需要對(duì)固相凈化后永久性處理、油相凈化后再使用、水凈化后循環(huán)或達(dá)標(biāo)排放。以此規(guī)避環(huán)保法律風(fēng)險(xiǎn)。基于過(guò)濾與分離屬于實(shí)驗(yàn)科學(xué)的基本特征，巖屑處置的各項(xiàng)技術(shù)需要經(jīng)過(guò)小試與中試，才能確定能否在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)其分離的要求。小試與中試的資料完整性也是方案制定的核心依據(jù)。

4.2 核心工藝的難點(diǎn)

巖屑的環(huán)保處置的難點(diǎn)是如何優(yōu)化前段工藝使其能夠滿足后續(xù)各工藝段的達(dá)標(biāo)處置，以及處置過(guò)程中不產(chǎn)生其他不可控的環(huán)境污染。

巖屑處理的首段固液分離工藝通常為機(jī)械分離方式，需要有詳盡的整機(jī)調(diào)試大綱以及調(diào)試實(shí)驗(yàn)才能支持整體工藝方案的定制工作。在整體工藝過(guò)程中，水處理通常成為處理效率的瓶頸，該段工藝要有相應(yīng)的緩沖容量才能保證整個(gè)流程的連續(xù)性。

設(shè)計(jì)理念要與最新環(huán)保要求一致，且各類環(huán)保處置的方式方法均要通過(guò)中試實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證；處置設(shè)備的選型以抗物料波動(dòng)能力為主，應(yīng)當(dāng)建立符合自身?xiàng)l件的操作過(guò)程管理，并落實(shí)核心工藝的技術(shù)指標(biāo)控制體系；處置工藝的拆分應(yīng)以在線監(jiān)測(cè)與檢測(cè)為依據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)工藝指標(biāo)的管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)際上正在開發(fā)與鉆機(jī)整體系統(tǒng)完全配套的油基巖屑在線處理裝備系統(tǒng)，但在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，由于地層的復(fù)雜情況，鉆完井主體作業(yè)可變性大，巖屑處置的上游鉆完井操作為不可控工藝，面對(duì)這些不確定性因素，需要在工藝流程與控制上有所創(chuàng)新。目前國(guó)內(nèi)就高黏度可壓縮物料的濾餅過(guò)濾已經(jīng)開始采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法來(lái)替代大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并能主動(dòng)實(shí)現(xiàn)工藝條件波動(dòng)的有效應(yīng)變，如果能夠運(yùn)用在巖屑連續(xù)分離與處理的工程，對(duì)工程的技術(shù)水平與質(zhì)量提高會(huì)有創(chuàng)新和促進(jìn)。

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(1.QHSEDepartment,CNOOC(China)Co.,Ltd.,Tianjin300051,China; 2.Environment&SafetyCo.,CNOOCEnergyDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300051,China)

Basing on the theory of filtering separation and the practice of separating rock debris environment-friendly and treatment thereof, the formulation of disposal method for the rock debris and selecting its filtration device were discussed; and the emphasis was given to analyzing the uncertainty incurred by changes in environmental policies and resource allocation. Starting with making rock debris treatment up to the environmental protection standards, the scheme of selecting proper filtration device and its control model was proposed.

debris in drilling, solid-liquid separation, oil-water separation, environmental disposal

**李 翔，男，1961年7月生，高級(jí)工程師。天津市，300051。

TQ028

A

0254-6094(2016)04-0429-06

2015-11-09)

StudyonSelectionandOperationandMaintenanceManagementofEnvironment-friendlyFiltrationDeviceforRockDebrisLI Xiang1, SHI Xuan2