消泡-吸收法處理酸化返排液技術研究及應用

陳亞聯(lián)，費節(jié)高，張 冕，周建柱，陳文博，李大維，張亞剛，白 茹

（1.咸陽川慶鑫源工程技術有限公司，陜西 西安 712000；2.川慶鉆探長慶井下技術作業(yè)公司，陜西 西安 712000）

壓裂酸化技術是油氣田改造的重要手段之一，對于滲透率較低的儲層，單一水力壓裂難以實現(xiàn)有效的改造，因此常使用酸化、酸化+壓裂等工藝來獲得高效的改造效果。而酸化液中以鹽酸、土酸等為主要工作液，在酸化結束后會有大量的酸液、酸氣混合物存在[1-2]。壓裂酸化液粘度大并含有一定量的有機物，外排時會在水面形成薄膜，使水體缺氧，導致魚類及其他水生動物死亡。從井筒返排出來的酸化液因溫度較高，伴有大量的HCl酸氣，對作業(yè)人員及大氣造成巨大危害[3-4]。國內有關HCl酸氣處理方法有干法、濕法兩種。干法處理工藝一般用反應器如固定床反應器等，較適宜于煙氣、工廠的尾氣處理，不宜在油氣作業(yè)現(xiàn)場等流動場所使用。濕法處理工藝包含冷凝法、堿液吸收法、水吸收法等。冷凝法主要通過水冷卻的方式降低酸液、酸氣溫度，以達到回收殘酸的目的，適用于高濃度酸氣處理；堿液吸收法則通過化學反應使酸液酸氣與堿液發(fā)生化學反應，處理速率較快且徹底，形成較為穩(wěn)定的無機鹽，一般通過二級反應即可達到較好的處理效果，設備體積小，適用于酸液酸氣混合物處理，而水吸收法則通過水與酸氣接觸發(fā)生物理吸收，形成殘酸殘液，適用于酸氣處理[5-8]。

1 處理工藝設計與研究

1.1 工藝流程的確定

針對長慶區(qū)塊壓裂酸化返排液中含有大量的氣體、作業(yè)區(qū)塊較為分散、施工周期短等特點，本文設計了管道混合反應+噴淋反應主體處理工藝，其流程如圖1所示。

圖1 酸氣、酸液處理工藝流程

酸氣、酸液混合物經消泡后進入管道反應器，與液堿快速反應，將50%～70%的酸液及30%～40%酸氣反應掉，然后進入噴淋塔進行接觸吸收反應。噴淋塔中設置多個噴淋器，可根據酸氣量調節(jié)噴淋器霧化大小，格柵板使堿液霧化充分，增加酸性氣體與堿液的接觸面積，提高設備的傳質系數。在噴淋塔中約70%的酸氣被中和掉，中和后液相則經過緩沖池緩沖后進入回收罐待用[9-10]。

1.2 吸收塔的選型

吸收塔對于酸氣的處理效果非常明顯，酸化返排液經管道反應器反應后大部分酸液被中和，同時氣液兩相溫度也有所下降，得到良好冷卻。

填料塔能夠實現(xiàn)氣-液、液-液之間的傳質，氣液相接觸較充分，壓差小，操作壓力小，適用工藝條件較廣，處理效率高，結構簡單，便于維保[11-13]。考慮到油田現(xiàn)場酸氣、酸液量大，作業(yè)周期短等特點，選用填料吸收塔作為吸收系統(tǒng)較為適宜。

1.3 消泡劑用量的優(yōu)化

酸化返排液帶有大量泡沫，且泡沫較持久，增加了酸化返排液處理難度，因此選擇性能優(yōu)越的消泡劑至關重要。通過文獻調研可知，有機硅類消泡劑效果較佳，因此選擇2 種有機硅消泡劑GX-1、GX-2 進行實驗，優(yōu)化藥劑用量和反應時間[14-16]。改變藥劑用量為25～150 mg/L，反應時間為0.6～1.4 min，研究藥劑用量、反應時間對消泡效果影響，實驗結果如圖2、圖3所示。

圖2 GX-1藥劑用量、反應時間對消泡效果的影響

圖3 GX-2藥劑用量、反應時間對消泡效果的影響

從圖2～圖3 可知：當GX-1 用量在25～150 mg/L 變化時，消泡效果隨著消泡劑用量增加呈先增加而后變化較小的趨勢，隨著反應時間的增加，消泡效果愈好，且在反應時間大于1.2 min 時，消泡效果趨于穩(wěn)定，其中當GX-1 用量為125 mg/L、反應時間為1.4 min 時，殘留泡沫量約為40%，仍有一定量的泡沫存在，消泡效果較差。當GX-2 用量在125 mg/L、反應時間為1.4 min 時，僅有5%的泡沫，消泡效果較佳。因而，選用GX-2消泡劑較為適宜。

1.4 工藝參數的優(yōu)化

1.4.1 噴淋時間的優(yōu)化

當氣相中氯化氫含量為1 350 mg/m3時，改變吸收塔噴淋時間，測定氣相中氯化氫含量及液相pH值，優(yōu)化噴淋效果，實驗結果如圖4所示。

圖4 處理后氣相中氯化氫含量隨噴淋時間的變化

從圖4 可知，當噴淋時間從0.2 min 增加至1.2 min時，氣相中的氯化氫濃度從1 200 mg/m3降低至1.8 mg/m3，且在噴淋時間為1.2 min時，處理效果較好。

從圖5 可知，當噴淋時間從0.2 min 增加至1.2 min時，液相溶液pH 從1.0 升至7.1，且當噴淋時間在1.0～1.2 min 時，pH 在7.1～7.3 變化，變化幅度小且趨于中性，因此較適宜的噴淋時間為1.0～1.2 min。

圖5 處理后液相pH隨噴淋時間的變化

總之，從氣相處理效果考慮，噴淋時間越長，氣相中氯化氫的凈化效果越好；從液相處理效果考慮，液相pH控制在7～7.5 之間較為適宜，因此，綜合考慮較為適宜的噴淋時間為1.2 min。

1.4.2 噴淋量的優(yōu)化

固定噴淋時間為1.2 min，改變噴淋量，考查氣相氯化氫去除效果，實驗結果如圖6所示。

圖6 噴淋量對氣相中氯化氫去除效果的影響

從圖6 可知，當噴淋量從2.5 m3/h 增加至8.5 m3/h，氣相中氯化氫含量從900 mg/m3降低至3.0 mg/m3，且當噴淋量大于7.5 m3/h時，氣相中氯化氫含量隨著噴淋量的增加下降幅度較小，從經濟角度考慮較適宜的噴淋量為7.5 m3/h。

從圖7 可知，當噴淋量從2.5 m3/h 增加至7.5 m3/h，處理后液相pH 從1.0 升至7.2，處理后溶液最終接近中性，表明在噴淋量為7.5 m3/h時，處理效果良好。

圖7 噴淋量對液相pH的影響

2 現(xiàn)場試驗

2018年8～9 月采用該技術在蘇里格氣田蘇14-1*、蘇6-2*井場進行了現(xiàn)場試驗，消泡反應時間為1.4 min，堿液噴淋時間為1.2 min時，調整消泡劑用量及噴淋量，以優(yōu)化處理工藝及方案，試驗結果如表1、表2。

表1 蘇14-1*井組返排酸液酸氣處理工藝參數

表2 蘇6-2*井返排酸液酸氣處理工藝參數

由表1、表2 可知，消泡劑反應時間為1.4 min，堿液噴淋時間為1.2 min時，調整噴淋量可有效去除酸液、酸氣中的HCl。當氣相中HCl含量為277.5 mg/m3時，在消泡劑用量為100 mg/L，噴淋量為7.5 m3/h時，處理效果較好，處理后氣相中HCl 含量為1.95 mg/m3。當氣相中HCl 含量為720 mg/m3時，在消泡劑用量為125 mg/L，噴淋量為9.5 m3/h時，處理后氣相中HCl含量為5.7 mg/m3，處理效果較好，均無酸氣氣味。

2018～2021 年該技術在蘇里格氣田、長慶油田采氣一廠、長慶油田采氣三廠、長慶油田采氣四廠等現(xiàn)場應用了100 井次，累計處理酸化返排液14 000 m3，處理后酸化返排液95%用于后續(xù)施工作業(yè)，具有良好的環(huán)保效應。

3 結論

通過對消泡劑的篩選、噴淋時間、噴淋量等工藝參數的實驗研究，形成了消泡-管道混合反應-噴淋反應-緩沖的處理工藝，實現(xiàn)了酸化返排液綜合處理，緩解了現(xiàn)場酸液酸氣帶來的安全環(huán)保風險。

（1）填料吸收塔處理量大，參數適用范圍廣，適用于作為油氣田酸化返排液處理核心工藝單元。

（2）綜合氣相氯化氫處理效果及液相溶液pH二因素，較適宜噴淋時間為1.2 min。

（3）隨著噴淋量增加，氣相中氯化氫含量逐漸減小，且當噴淋量大于等于7.5 m3/h 時，氣相中氯化氫含量降低幅度較小，液相pH約為7.2，接近中性，因此較為適宜的噴淋量為7.5 m3/h。

（4）消泡劑宜選用GX-2，且當GX-2用量為125 mg/L，反應時間為1.4 min時，消泡效果較佳，泡沫量為5%。

（5）現(xiàn)場試驗結果表明，在消泡劑反應時間為1.4 min，堿液噴淋時間為1.2 min 時，調節(jié)消泡劑用量為100～125 mg/L，噴淋量為6.5～9.5 m3/h 時，對氯化氫處理效果良好。現(xiàn)場處理14 000 m3酸化返排液，處理后返排液回用率達到95%，具有良好的環(huán)保效應。