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大，水質(zhì)成分波動大[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、自動化程度高、實時監(jiān)測和模塊化設(shè)計的設(shè)計特點。

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，篩濾常附以振動或其它形式的運動。

(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，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)險給項目帶來的物質(zhì)損失，合理確定免賠額的大小能夠有效的減少出險后承包商自己承擔(dān)的損失金額。當(dāng)然，免賠額也和保險費用掛鉤，免賠額越小相應(yīng)的項目保險費用則越高，所以合理免賠額的確定即是在適當(dāng)增加保費的基礎(chǔ)上，對絕大多數(shù)風(fēng)險因素投保，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、實時監(jiān)測模塊和自動控制模塊組成，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。實時監(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)。自動控制模塊主要作用是根據(jù)監(jiān)測信號自動控制水質(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

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)。在線實時監(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)后自動進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)設(shè)計計算

3.2.1分離模塊清水區(qū)面積計算[16]

(1)

式中：A1為固液分離區(qū)的表面積(m2)；Q為設(shè)計水量(m3/h)，設(shè)計水量以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)計中取q=9 m3/(m2·h)。

將設(shè)計水量參數(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[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)計水量(m3/h)，設(shè)計水量以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[19]

固液分離區(qū)出水設(shè)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：

(4)

式中:A3為出水孔口總面積(m2);Q為設(shè)計水量(m3/h)，設(shè)計水量以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)每個孔口的直徑為3 cm，則孔口的個數(shù)：

(5)

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

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

4 調(diào)試實驗及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 調(diào)試實驗

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)試實驗，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，實現(xiàn)了高效分離效果，為了保證水質(zhì)穩(wěn)定專門設(shè)計了事故工藝管道。自動檢測、控制水質(zhì)指標(biāo)，設(shè)備運行穩(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)用戶使用工況特點設(shè)計成不同的結(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化程度高特點。

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，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。

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