直噴式除油除泥一體機關鍵技術研究

渠迎鋒， 萬用波， 臺廣鋒， 趙國清（.北京礦冶研究總院，北京 0060;.云南合成防腐設備有限公司，昆明 65000）

0 引言

隨著石油工業(yè)的迅速發(fā)展，壓裂施工是油田增產的有效措施。目前我國壓裂施工工作量逐年增大。施工過程中產生的廢水逐漸增多，造成壓裂施工水資源緊缺，同時造成環(huán)境污染[1-9]。目前，油田作業(yè)廢水中含有大量油和泥沙，為了分離出水中的油，需用油水分離機來實現(xiàn)；為了分離出泥沙，需用體積龐大的調節(jié)池來實現(xiàn)[10-15]。油水分離機和調節(jié)池聯(lián)合使用，既增加了設備的負荷和空間，功率消耗明顯，投資比較大；又使操作過程復雜，效率降低，增加了水資源重復利用的周期[16-18]。

直噴式除油除泥一體機是針對油氣田作業(yè)廢水中的泥沙、油專門設計的，具有結構簡單、功能齊全、體積小、操作方便、自動化程度高的特點。

圖1 直噴式除油泥一體機結構簡圖

1 直噴式除油泥一體機簡介

直噴式除油除泥一體機主要由主機體、噴射系統(tǒng)、高效除油系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、固液分離系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)等7個系統(tǒng)組成，如圖1所示。主機體分為噴射區(qū)域、高效除油區(qū)域、排渣區(qū)域、排泥區(qū)域和清水出水區(qū)域。直噴式除油泥一體機各區(qū)域通過硬件、軟件控制連接，實現(xiàn)了直噴式除油泥一體機的自動控制。

2 直噴式除油泥一體機結構與功能分析

噴射系統(tǒng)主要由噴射裝置、管路、閥門等裝置組成。噴射系統(tǒng)的主要作用：通過噴射裝置的劇烈噴射作用，將油田作業(yè)廢水中的大部分浮油與部分乳化油脫離油田作業(yè)廢水。

高效除油系統(tǒng)主要由高效除油裝置、管路、閥門組件等組成。通過調整高效除油裝置進氣參數(shù)來調整高效除油區(qū)域的氣泡直徑與數(shù)量。高效除油系統(tǒng)主要功能是將油田作業(yè)廢水中的大部分乳化油去除。

排渣系統(tǒng)主要由集油裝置、輸油裝置、管路組件等組成，主要功能是將各區(qū)域收集的油與渣排出。

排泥系統(tǒng)主要由排泥裝置、管路、閥門組件等組成。排泥系統(tǒng)的主要功能是將直噴區(qū)域、高效除油區(qū)域和固液分離區(qū)域沉降的泥沙自動排出。

固液分離系統(tǒng)主要由進水區(qū)域、分離區(qū)域、清水區(qū)域等組成。固液分離區(qū)域的主要功能是去除油田作業(yè)廢水中的泥沙。

智能控制系統(tǒng)主要由直噴控制系統(tǒng)、高效除油控制系統(tǒng)、排渣控制系統(tǒng)和排泥控制系統(tǒng)等4部分組成。智能控制系統(tǒng)可以通過檢測的信號實時控制各區(qū)域相關設備的工作狀態(tài)。各部分性能指標可以實時顯示在觸摸屏控制器上。

3 直噴式除油除泥一體機關鍵結構設計

1）設計流量Q的計算。

式中：Q為設計水量，m3/d；Q設為設計日產水量，m3/d，每天處理500 m3/d為例;k為用水量占設計日水量的百分比，一般采用5~10;n為高效除油池個數(shù)；μ為高效除油區(qū)域回流量比例，在此取50。

2）高效除油區(qū)表面積A的計算。

式中：A為高效除油區(qū)表面積，m2；Q為高效除油區(qū)設計水量，m3/h；q為氣浮除油池的表面負荷，m3/（m2·h），一般采用5.4~9.0 m3/（m2·h）。

3）固液分離區(qū)出水設計。

固液分離區(qū)出水設計采用穿孔集水管槽，出水孔口流速v1=0.6 m/s，則穿孔總面積

式中，A3為出水孔口總面積，m2。A3=Q/v1=0.00911÷0.6=0.015 m2。

設每個孔口的直徑為2 cm，則孔口的個數(shù)

式中：N為孔口個數(shù)；F為每個孔口的面積，F(xiàn)=π/4×0.022=0.000 314 m2。代入式（4），得N=A3/F=0.015÷0.000314=48個。

4 直噴式除油除泥一體機調試試驗及現(xiàn)場應用

4.1 直噴式除油泥一體機樣機調試

直噴式除油泥一體機樣機于2013年3月研制完成，先后進行了實驗室實驗與中石化某油田現(xiàn)場工業(yè)實驗。直噴式除油除泥一體機各階段水質情況如圖2所示。中石化某油田壓裂返排液進行成分分析如表1所示。

表1 配制的油田作業(yè)廢水水質情況 mg/L

藥劑采用管道添加模式，藥劑種類為有機助濾劑和無機助濾劑。

實驗現(xiàn)象：為了比較藥劑的加入對實驗效果的影響，在不加入任何藥劑的情況下進行實驗，直噴式除油除泥一體機直噴區(qū)域反應比較劇烈，泡沫較多，表面浮油在刮油機的作用下收集到集油槽。高效除油區(qū)經過氣量調整后，氣泡適合水質要求，乳化油經過藥劑的充分反應，隨著氣泡浮到水面，在刮油機作用下收集到集油槽。經過直噴區(qū)、高效除油區(qū)進入固液分離區(qū)，水質逐漸變清，水質變化情況如圖2所示。直噴式除油泥一體機各階段水質指標如表2所示。

圖2 直噴式除油泥一體機各階段水質情況

表2 直噴式除油泥一體機各階段含油量指標

根據(jù)壓裂返排液水質情況加入有機助濾劑和無機助濾劑進行重復實驗，實驗現(xiàn)象如下：直噴式除油除泥一體機直噴區(qū)域反應比較劇烈，泡沫層厚度比無藥劑實驗大。高效除油區(qū)經過氣量調整后浮渣厚度增大，高效除油區(qū)出水比無藥劑實驗更加清澈。加入適量藥劑后，直噴式除油泥一體機各階段水質指標如表3所示。

表3 直噴式除油泥一體機各階段含油量水質指標（藥劑添加狀態(tài)）

這兩個實驗數(shù)據(jù)充分說明，直噴式除油泥一體機加入藥劑后，直噴區(qū)域含油量的去除率由原來的71.66提高到83.33，最終出水水質由原來的含油量350 mg/L降低到150 mg/L。

通過調試實驗發(fā)現(xiàn)，直噴式除油泥一體機的直噴區(qū)泥沙收集區(qū)是泥沙最多的區(qū)域，接近70的泥通過直噴區(qū)泥沙收集區(qū)域排出，約10的泥沙通過高效除油區(qū)域排出，約20的泥沙通過固液分離區(qū)的泥沙收集區(qū)域排出。

通過兩種實驗的調試方案可以得出：直噴式除油泥一體機直噴區(qū)、直噴區(qū)出水區(qū)、高效除油區(qū)、固液分離區(qū)的含油量去除率逐漸降低，其中，藥劑添加方案中直噴區(qū)域含油量去除率增大至95，兩種方案在各階段的含油量及其含油量去除率的關系如圖3所示。直噴區(qū)域去除了油田作業(yè)廢水表面的大部分浮油及部分乳化油，高效除油區(qū)主要去除了油田作業(yè)廢水中乳化油，固液分離區(qū)主要去除了油田作業(yè)廢水中的部分乳化油及泥沙。

圖3 兩種方案在各階段的含油量及其去除率的關系圖

4.2 現(xiàn)場應用

經過對直噴式除油除泥一體機大量實驗室實驗與現(xiàn)場工業(yè)試驗驗證，出水水質穩(wěn)定，效果良好。根據(jù)現(xiàn)場需要已經制造出處理規(guī)模為2 t/h、10 t/h、20 t/h、30 t/h的工業(yè)化應用產品，先后在中石油、中石化、延長油田等現(xiàn)場工業(yè)化推廣應用，得到了業(yè)主的高度評價。以中石油某油田的壓裂返排液處理為例，直噴式除油除泥一體機進水水質指標與各區(qū)域的水質指標如表4所示。

表4 某油田壓裂返排液處理水質指標

根據(jù)中石油某油田的壓裂返排液處理現(xiàn)場應用情況及水質監(jiān)測指標可以得出：壓裂返排液含油量由原來的含油量120 mg/L降低到5 mg/L，含油量去除率達到95.83，達到預期目標。

5 結論

通過直噴式除油除泥一體機調試試驗確定了其結構參數(shù)，優(yōu)化了直噴式除油除泥一體機結構。通過直噴式除油除泥一體機調試實驗證明了藥劑添加的重要性，壓裂返排液水質與藥劑量相互關聯(lián)。通過直噴式除油除泥一體機對油田作業(yè)廢水的預處理工序，進一步減輕了油田作業(yè)廢水深度處理工序的負荷，為成分復雜、波動較大的壓裂返排液等油田作業(yè)廢水技術研究提供了重要的技術支持。