廢棄鉆井液膜濾技術的研究及應用前景

初波 (中石化勝利油田濱南采油廠技術監督科)

廢棄鉆井液膜濾技術的研究及應用前景

初波 (中石化勝利油田濱南采油廠技術監督科)

環境友好鉆井 (EFD)程序正在重新審視廢棄物的處理和重復利用,尤其是地層水和廢棄水基鉆井液的重復利用。所開發的方案能夠減少鉆井作業所需鉆井液池的容積,通過從廢棄鉆井液中分離水可以大大減少廢棄鉆井液數量,而且有利于重復利用鉆井作業中的分離水并濃縮懸浮固相。目前EFD正在研究用膜濾技術來減少廢棄鉆井液的數量并從中分離水,用各種類型和結構的膜濾系統處理現場廢棄鉆井液,開發新技術解決污垢對膜所造成的影響。研究了膜濾系統從廢棄鉆井液中有效清除懸浮固相、降低廢棄物含量的能力,處理后的廢棄物可用于鉆井作業或進行下一步處理。目標是開發一種由合適的膜濾系統制造的可移動處理裝置,該裝置可安裝在井場,用于處理廢棄鉆井液并回收水。對油田廢棄水基鉆井液的各種膜濾處理技術進行了實驗研究,并將其與現場配套技術相結合,開發了一種費用合理的膜濾系統。介紹了如何應用膜濾系統過濾現場和室內水基鉆井液中的固相,著重研究了膜濾系統與水基鉆井液的兼容性。考慮到日益嚴格的法規及環境要求,石油與天然氣工業將致力于減少各種作業對環境的影響,優化資源的使用。這種處理方法具有雙重優勢:一是通過回收使水資源得到優化使用;二是通過節省大量的廢棄物處理、運輸和淡水費用,以合理的支出減少鉆井作業對環境的影響。

廢棄鉆井液 膜濾處理 環境友好鉆井程序

1 前言

能源問題正日益成為當代最重要的問題,雖然滿足全球所需的能源種類多樣化,但原油仍然是現在以及未來的主要能源[1]。與能源需求的日益增長同時出現的是對環境問題的日益關注。近10年,各級政府制定了日益嚴格的環境法規,以期在勘探作業尤其是鉆井作業期間實施環境保護。在資源勘探的新區塊作業中,環境保護法規可能嚴格到極點,力求將作業對環境產生的影響減至最低。資源保護、減少廢棄物數量、回收、重復利用等正成為管理法規中的典型作法。對環境的日益關注正逐漸成為政府和土地所有者今后獲得鉆井許可證的決定因素。

最近30年中,鉆井技術取得了顯著的進步,如井場小型化 (如 Helmerich&Payne)及水平鉆井等,明顯減少了鉆井期間的占地面積,同時大大增加了地下可鉆面積。從圖1可看出,最近30年中,井場面積減少了70%,而地下可鉆面積增加了6400%。這表明,在最近30年中,環境對鉆井作業的動態影響已經從地面轉到地下,雖然從表面上看鉆井作業期間的占地面積減少或對生態的影響減少,但地下可鉆面積的增加使得地下所產生的鉆井廢棄物增加,這些廢棄物通常會返到地面,使得占地面積增加。因此雖然地下可鉆面積增加使井場面積減少了很多,但鉆井作業對環境的總體影響實際上增大。

圖1 最近30年的井場面積和地下可鉆面積變化圖[2]

隨著水資源的日益短缺,淡水資源正在成為油氣勘探與開發的限制因素。大量地層水和水基廢棄鉆井液被排放,未得到重復利用或回收。資料表明,每年大約有6.36×108m3地層水排放到污水井中,70%以上的廢棄水基鉆井液未得到回收或重復利用[3]。盡管目前農業上消耗的淡水最多,但工業排放卻在浪費稀缺的水資源,尤其是地層水和廢棄水基鉆井液的排放。開展提高水資源重復利用率的先導研究將有利于整個社會。

環境友好鉆井 (EFD)程序著眼于廢棄物的處理和重復利用,尤其是地層水和廢棄水基鉆井液的重復利用。EFD技術正在研究使用膜濾系統從廢棄水基鉆井液中清除懸浮固相,實現從這些廢棄物中提取水并減少或濃縮廢棄物體積的雙重目的,這將有助于減少鉆井作業的占地面積,節省寶貴的水資源。

2 理論研究

研究目標是開發一種處理方法,能夠顯著減少鉆井作業對環境的影響或減少占地面積,通過減少廢棄物數量和增加地下可鉆面積來評價技術效果。在廢棄鉆井液的處理中,關鍵是研究廢棄物的主要組分,以確定哪些是“可用”組分,哪些是“無用”組分,根據研究結果確定廢棄物是否可分離。這項研究的完成及實施,將有助于減少廢棄物數量,同時使可用組分得到重復利用。

減少廢棄鉆井液數量是減少總占地面積并減少鉆井作業對環境影響的有效方法。過去一直認為重復利用或回收是更好的處理方式,回收的鹽水脫鹽后可作為農業或飲用的淡水資源,但由于外部因素的影響,這種處理方式有時難以達到預期目標。EFD的目標首先定位為鼓勵回收并重復用于鉆井作業,這就為更加靈活地回收廢棄物提供了空間,減輕了廢棄物處理的負擔,從中獲得的經驗還可用于下一步更好地實施重復利用流程。

地層水和廢棄鉆井液是鉆井廢棄物的主要組分。對于水基廢棄鉆井液,存在懸浮固相會對大多數回收與重復利用技術造成障礙;而在地層水脫鹽階段,由于存在懸浮顆粒,反滲透膜積垢還會使脫鹽成本升高。所有成功地回收或重復利用鉆井廢棄物的技術都必須先清除其中的懸浮固相,然后再進行毒性、鹽度及其他方面的二次處理。

研究了從含固相的廢棄水基鉆井液中分離懸浮固相和水的可行性。應用合適的工藝和維護方法,配備現場裝置,完成回收作業的第一步,然后用膜濾技術從這些廢棄物中清除固相。膜濾技術比傳統的懸浮固相清除設備 (如離心機和水力旋流器)更先進,因為傳統的固相清除設備對可清除的固相顆粒大小有一定限制,這就為處理工藝造成很多障礙。而膜濾技術的分離范圍廣,從細菌到原子均可分離[4,5]。研究了膜濾技術的分離范圍,使之能夠清除所有懸浮固相,從而有效改變廢棄物組分,實現重復利用或回收。膜濾技術的主要難點在于積垢[6],此項研究正在進行中。

3 流程與設備

目前常用的膜濾模塊有四種:管狀、板塊框架、螺旋狀和中空纖維隔膜模塊。根據該技術對廢棄鉆井液或鉆井作業的適用性,對管狀和中空纖維構造的模塊進行了研究,未研究板塊框架結構和螺旋纏繞結構的模塊。研究中使用了兩種水基鉆井液:一種是現場提供的木質素磺酸鹽水基鉆井液,取自井場鉆井液池;另一種是鹽水鉆井液,根據鉆井液軟件設計的配方室內配制,加有模擬鉆屑。每種類型的鉆井液都用兩種隔膜模塊進行試驗。

在管狀模塊的試驗中,使用一種簡單的內置式過濾裝置,配置二氧化鈦蜂巢狀陶瓷膜,膜的平均孔徑0.005μm,厚度305 mm,表面積0.13 m2。用調節閥控制可透性膜壓 (TMP),用流量計測流速,從膜內返出的濾液再返回進料罐進行循環試驗。

用ZW-10 Zenon○R裝置進行中空纖維隔膜系統的試驗,膜的標稱表面積0.93 m2,標稱孔徑0.04 μm。配有一個空氣鼓風機,可以連續沖洗膜表面并可混合進料;配有微量泵,可利用后面罐的滲透性按一定時間間隔自動回流,還可以自動控制吸入速率。試驗程序是吸入一段時間后以較大壓力進行短暫回流,這有助于膜的孔隙暢通。

兩種試驗裝置的過濾范圍均為超濾,陶瓷模塊的孔隙較細。每次試驗前后都按規定清洗膜,所有試驗和清洗程序的開始和結束階段均記錄濾液流量。

取自現場的木質素磺酸鹽水基鉆井液密度

1.20 g/cm3,固相體積含量10.20%,漏斗黏度37 s,水的體積含量92%。室內配制鉆井液的配方見表1,鉆井液密度1.13 g/cm3,模擬固相的粒徑范圍為762～3 810μm,加有5%(體積分數)的模擬固相,模擬固相的粒徑分布可表征大多數鉆井液中的粒徑分布。進行膜濾試驗時的流量為61 L/ min,相當于橫向流速3.6 m/s,可透性膜壓為52～72 kPa,溫度保持在25～30℃,中空纖維膜的壓力保持在55 kPa。樣品必須稀釋20%,因為每組試驗都需要至少340 L樣品。用校準量筒和秒表手動測量兩種模塊的過濾流量,以三次讀數的平均值作為最終測量值。用 Hach-2100P型濁度計測量樣品的濁度,用Microtrac S3000○R型粒度儀測量粒度分布。測得的主要參數包括單位時間內流量、壓力、固相含量及過濾期間的溫度。以不同變量對該系統進行研究,以優化過濾效果,如改變膜的孔徑、系統參數、樣品的流變性等。以上為正在研究中的部分內容,其中變量的研究結果未作更多介紹,僅介紹對廢棄鉆井液進行隔膜過濾的可行性。

表1 室內配制鉆井液配方

4 試驗結果

用管狀陶瓷膜和中空纖維膜兩種膜濾系統測試了現場水基鉆井液膜濾后流量隨時間的變化。試驗目的在于研究兩種膜濾系統對廢棄物的處理能力,即控制固相廢棄物的能力,這是本項研究的基本目標。試驗結果顯示約90 min后管狀陶瓷膜過濾的鉆井液流量達到峰值,2 h后流量降低至22%以下。Zenon裝置主要設計用于過濾海水,但不會影響評價中空纖維膜控制固相廢棄物的能力,由于鉆井液中的水被過濾,廢棄物被濃縮,固相會沉降到裝置的底部,在達到穩態過濾之前發現流量降低37%,這一過程持續大約90～120 min,達到穩態后流量的降低小于5%。

用固相含量測定儀測量發現,過濾前現場鉆井液的固相含量為10.20%(體積),而通過兩種膜濾系統后的樣品中不含任何固相。用粒度儀測定了樣品過濾前后及滲余物的粒徑分布,兩種膜濾系統中鉆井液過濾后的粒徑分布相似。過濾前的粒徑范圍大多在1～10μm范圍內,約有30%顆粒粒徑在11～100μm范圍內。樣品通過膜濾系統后的粒徑分布結果顯示,樣品中的固相大多被超細過濾,不存在固相微粒游離在滲透物中的情況。

測定了樣品的濁度。現場鉆井液過濾前的濁度為55 200 NTU,膜濾后,從管狀陶瓷膜過濾的樣品濁度為6.86 N TU,從中空纖維膜過濾的樣品濁度為7.44 NTU。令人驚奇的是,盡管孔徑相差10倍,但兩種膜濾后樣品的濁度相近。

用管狀陶瓷膜和中空纖維膜對室內配制的鉆井液進行了過濾試驗。制備了可模擬較大粒徑的固相顆粒并加入鉆井液中,模擬固相的粒徑范圍為762～3 810μm,比兩種膜的孔徑大得多。與現場鉆井液的膜濾試驗相比,室內配制鉆井液的流量較大,達到初始峰值后,中空纖維膜中4 h后的流量降低小于4%,管狀陶瓷膜中流量約降低7.5%,未記錄中空纖維膜中的壓力升高值,管狀陶瓷膜中的壓力升高很小。測量了樣品過濾前和濾出液的濁度,過濾前樣品的濁度為1 670 NTU,樣品濾出液的濁度為1.67 NTU。樣品濾出液的粒徑分布與現場水基鉆井液過濾后濾出液的粒徑分布相似,過濾前樣品的粒徑分布較大。

利用過濾后滲余物的體積、濾出液的體積和鉆井液的體積,就可以計算體積減少百分數。用管狀陶瓷膜過濾現場鉆井液時體積可減少61%,濃縮后的滲余物體積為鉆井液初始體積的39%,其余為分離水;而使用中空纖維膜時,現場鉆井液的體積減少52%。室內配制鉆井液過濾后的體積減少量多于現場鉆井液:使用管狀陶瓷膜濾時體積減少約78%,使用中空纖維膜濾時體積減少約63%。

減少裝置中的結垢有助于維持裝置的過濾能力,因此對裝置進行了改進。方法之一是觀察回流對膜濾流量的影響,回流通常會迫使流體在短時間內以高于常規過濾的壓力反向滲透或充氣,這有助于疏通堵塞的孔隙,減小流動阻力。對于自然生成的污垢,回流比較有效;對于膜與過濾樣品間發生化學反應而生成的垢,需要對膜進行化學清洗。研究認為,流量降低主要是由自然生成的垢 (固相堵塞孔隙)而不是鉆井液與膜之間發生化學反應而造成的,至少在過濾的初期是這樣的。

研究了管狀陶瓷膜過濾現場鉆井液時回流對流量的影響,所有試驗條件都與以前一致,不同之處在于以90 kPa壓力反向流動15 s。選擇120～180 min之間的時間段進行試驗,因為在以前的試驗中觀察發現,都是在大致這一時間段發生流量降低。試驗結果顯示,回流后流量降低減緩,且180 min后流量增高至接近以前流量。這表明,如果該系統設計合理,進行合理的改進可減緩流量降低。

5 國內膜濾技術發展現狀

膜濾技術由于其處理精度高已成為目前世界上研究的重點,但價格昂貴,因此主要用于稠油和低滲透油田的采出水處理。國內在污水膜濾處理方面已開始起步,但尚未應用于廢棄鉆井液的處理。

東北大學利用微機控制技術和膜分離技術結合工藝研制開發了一套污水處理實驗裝置,提高了企業生產效率和管理水平[7]。這套超濾膜污水處理裝置由工藝設備部分和微機控制系統組成,污水首先進行旋流除砂、濁度限制等預處理后才能進入模組裝置,模組工作一段時間后必須定期反沖洗,如反沖洗達不到規定的透量則要進行化學清洗,以保證系統的正常運行。經實驗證明該裝置基本達到設計要求,經過進一步實驗將更加完善。

中石化華東石油工程局針對蘇北低滲油藏開發了一套適應性較強的油田污水處理工藝,可實現油田有效注水,保證油田穩產[8]。對常規處理系統進行了技術改造,整個系統采用微生物+膜工藝,整套工藝主要由污水預處理系統、冷卻系統、生化系統、膜處理系統以及污泥排放系統組成,其中微生物處理部分和膜處理部分是工藝的核心。處理前的水質表象為微黑,有臭味;經過微生物+膜過濾系統的處理,水質表象為透明,無味,水質的絕大部分指標都發生了顯著變化。蘇北的的低滲油藏臺興油田,地層滲透率在0.003～0.1 mD(1 mD= 1.02×10-2μm2)之間,地層主要流動空間的喉道直徑在4～10 mm之間,華東分公司采用微生物+膜污水處理 (MMBR)新工藝,滿足了注水水質的要求,迅速改變了該油田注水壓力持續上升的被動局面。通過實踐也發現,微生物+膜污水處理工藝也存在一次性投資大、系統動力消耗大等不足,還需要不斷完善。

6 結論與認識

試驗研究了隔膜處理廢棄鉆井液的過濾能力,證實可應用帶膜濾系統的工程設計來減輕過濾廢棄物中的沉積固相時膜濾技術所面臨的傳統難題。重要的是認識到,要實現對水基廢棄鉆井液的重復利用和回收,很大程度上取決于這些廢棄物中懸浮固相的含量。研究結果顯示,膜濾處理后的廢棄鉆井液體積可減少約60%,除重復利用分離水外還具有很多優勢,如減少鉆井作業時的占地面積。隨著膜濾處理技術的提高,在設計階段,可以將鉆井液池設計得相當小,減少鉆井作業的總占地面積。廢棄鉆井液濃縮后體積減少,可減少運輸量,進一步減少占地面積和費用。廢棄鉆井液濃縮后節省了大量費用,包括運輸費用和購買淡水的費用,尤其是當廢棄物數量較少時,這種處理技術的可行性提高。

處理的第一步是提供足夠重復使用的水源,促進鉆井作業時水的“內部”重復使用。隔膜滲濾分離出的水可用于鉆井作業,如配制鉆井液 (分離水中的某些可溶性組分有利于改善鉆井液性能)、沖洗鉆機以及其他對水質不作要求或要求低的用途。

膜濾系統在國外已應用了較長時間,在清除固相方面非常有效,操作合理時具有較好的經濟效益。與鉆井作業的相關費用相比,膜濾系統的初始投資適中。難點在于設計和開發出一套系統,能夠很好地融合進鉆井中而不中斷鉆井作業。目前仍在繼續研究不同參數下的膜濾效果、系統部件和流變參數對過濾效果的影響以及實用設計,目的在于確保該系統具有較長的使用壽命、易于操作且具有經濟效益。

膜分離技術在環境工程特別是工業污水處理中的應用已被證實卓有成效,但該技術的研究在我國還剛剛起步。隨著人們環境意識的增強,將越來越重視工業廢棄物的處理,該技術將促進我國環保事業的發展。

今后仍需解決膜易被污染的問題和膜的清洗問題,同時還應加大膜濾處理的研究力度,特別是納濾和反滲透膜的研究,爭取在新型抗高溫、抗污染膜材料的研發中有所突破,并對螺旋纏繞膜等技術展開研究,找出最適合油田需要的膜類型。

考慮到日益嚴格的法規及環境要求,今后石油與天然氣工業將致力于減少各種作業對環境的影響,優化資源的使用。膜濾處理技術具有雙重優勢:一是通過回收優化使用水資源;二是節省大量的廢棄物處理、運輸和淡水費用,以合理的支出減少鉆井作業對環境的影響。因此,廢棄鉆井液膜濾處理技術具有廣闊的發展前景。

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10.3969/j.issn.1002-641X.2010.7.010

2009-09-17)