撬裝式氣田酸化廢液廢氣自動(dòng)處理設(shè)備

楊少卓，李 琦，劉 江，李小娟

(中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

撬裝式氣田酸化廢液廢氣自動(dòng)處理設(shè)備

楊少卓，李 琦，劉 江，李小娟

(中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中經(jīng)常采用的酸化作業(yè)，其返排液具有酸性強(qiáng)、腐蝕性強(qiáng)、含鐵高、礦化度高，并伴有刺激性氣味等特點(diǎn)，是石油天然氣工業(yè)的主要污染源之一。文章介紹了一種可移動(dòng)的撬裝式酸化廢液廢氣自動(dòng)處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理、工藝流程、控制方法及使用效果。經(jīng)實(shí)地實(shí)驗(yàn)，該設(shè)備能快速、經(jīng)濟(jì)、有效地處理氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的酸化廢液及廢氣，具有占地面積小、遷移方便、安裝操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

撬裝式；酸化廢液；工業(yè)污水處理；pH值控制

0 前言

石油天然氣的勘探和開(kāi)發(fā)作業(yè)過(guò)程中，酸化作業(yè)是提高油氣單井產(chǎn)量以及修復(fù)枯竭井的重要措施之一[1]，為各油氣田普遍采用。由于酸液體含有鹽酸、氫氟酸、硝酸、有機(jī)酸等主劑，還有緩蝕劑、緩速劑、鐵穩(wěn)定劑、殺菌劑、黏土穩(wěn)定劑等多種添加劑。因此，返排酸化廢液具有酸性強(qiáng)、腐蝕性強(qiáng)、含鐵高、礦化度高，并伴有大量有刺激氣味的等特點(diǎn)，是石油天然氣工業(yè)的主要污染源之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每個(gè)鉆井隊(duì)每天排放廢水約30 m3，每口壓裂井產(chǎn)生廢水100～200 m3，每口酸化井排放廢水10～100 m3。這些廢水若不經(jīng)處理直接外排，必然會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)安全隱患，給周邊生態(tài)環(huán)境造成極大危害[1]。

陜北某油田大量井站分布在地貌復(fù)雜的偏遠(yuǎn)山區(qū)和荒漠，道路崎嶇，酸化廢液的拉運(yùn)集中處理極為困難。亟需一套可就地快速、簡(jiǎn)單可行且成本低廉的酸化廢液和酸霧處理設(shè)備。中國(guó)重型機(jī)械研究院基于酸化廢液的中和處理法[2]，研發(fā)了一種方便遷移的撬裝式酸化廢液廢氣自動(dòng)處理裝置，經(jīng)濟(jì)有效地解決了該問(wèn)題。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)參數(shù)

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，撬裝式酸化廢液廢氣自動(dòng)處理裝置主要由在同一底板上的pH粗調(diào)池、pH微調(diào)池、加藥系統(tǒng)、集氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

粗調(diào)池裝有一臺(tái)返排液提升泵、一臺(tái)流量計(jì)、一個(gè)pH值檢測(cè)儀和一個(gè)翻板式液位計(jì)。由于返排液的水質(zhì)變化較大，pH值不穩(wěn)定(0.5～6)，通過(guò)粗調(diào)池對(duì)pH的調(diào)整，使酸化廢水的pH值穩(wěn)定至5～7，以便后續(xù)進(jìn)行pH微調(diào)。粗調(diào)池內(nèi)的磁翻板液位計(jì)和pH檢測(cè)儀為控制系統(tǒng)提供信號(hào)。池中設(shè)有曝氣管線，既能起到攪拌作用使酸化返排液與堿性藥劑充分中和，又可使Fe(OH)2轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定且容易沉降的Fe(OH)3，達(dá)到除鐵的目的。

微調(diào)池裝有一臺(tái)排水泵、一個(gè)pH值檢測(cè)儀和一個(gè)翻板式液位計(jì)。通過(guò)粗調(diào)池的調(diào)整，進(jìn)入微調(diào)池的廢水水質(zhì)已相對(duì)穩(wěn)定，pH值接近中性，再次微調(diào)，以確保出水pH值為7～8。微調(diào)池中內(nèi)的磁翻板液位計(jì)和pH檢測(cè)儀為控制系統(tǒng)提供信號(hào)。同時(shí)設(shè)有曝氣管線，在攪拌的同時(shí)，還可使Fe(OH)2進(jìn)一步被氧化為Fe(OH)3。

加藥系統(tǒng)包括兩個(gè)藥劑箱和兩臺(tái)加藥泵，兩臺(tái)加藥泵由變頻器控制加藥劑量分別給粗調(diào)池和微調(diào)池加藥，通過(guò)調(diào)整閥門(mén)可從同一個(gè)藥劑箱中抽取藥劑。兩個(gè)藥劑箱交替使用以確保可以連續(xù)加藥，當(dāng)其中一個(gè)用于提供藥劑時(shí)，另一個(gè)可用來(lái)配制藥劑。兩個(gè)藥劑箱中設(shè)有磁翻板液位計(jì)，當(dāng)液位超過(guò)設(shè)定值時(shí)給出聲光報(bào)警。藥劑箱中設(shè)有曝氣管線，以保證配制的藥劑充分溶解。

集氣系統(tǒng)包括集氣管線、兩座噴淋塔、兩臺(tái)循環(huán)泵和一臺(tái)引風(fēng)機(jī)。集氣管線將粗調(diào)池和微調(diào)池內(nèi)的酸性氣體和曝氣攪拌產(chǎn)生的氣體引入噴淋塔，噴淋塔內(nèi)選用塑料鮑爾環(huán)作為填料，通過(guò)引風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵使酸性氣體和堿性藥劑在噴淋塔內(nèi)逆向流動(dòng)，酸氣從塔底自下而上穿過(guò)填料，堿性藥劑則通過(guò)塔頂?shù)囊后w分布器沿填料層向下流，至塔底后再由循環(huán)泵循環(huán)至塔頂。噴淋塔內(nèi)的堿性藥劑pH<9時(shí)通過(guò)循環(huán)泵從藥劑箱內(nèi)抽取藥劑進(jìn)行更換。

控制系統(tǒng)由流量計(jì)、液位計(jì)、pH檢測(cè)儀等現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器和一臺(tái)控制柜組成。控制柜內(nèi)裝有一套SIEMENS S7-200系列PLC和兩臺(tái)變頻器。有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式，手動(dòng)操作時(shí)，由工作人員根據(jù)控制柜上顯示的pH值、流量、液位等信息手動(dòng)控制變頻器對(duì)粗調(diào)池和微調(diào)池加藥；自動(dòng)操作時(shí)由PLC通過(guò)分段式變?cè)鲆鍼ID閉環(huán)控制加藥劑量。考慮到工作現(xiàn)場(chǎng)可能存在爆炸性氣體，所以選用的檢測(cè)儀器、電機(jī)和控制柜等電氣設(shè)備都符合相關(guān)的防爆等級(jí)(ExdeIIBT4)。

1.2 設(shè)備主要參數(shù)

表1 主要設(shè)備參數(shù)

其他參數(shù)：設(shè)備外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)：8.8 m×2.3 m×2.9 m，該外形尺寸保證設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)超載；設(shè)備總重：9 t；總裝機(jī)容量：18 kW；工作用電：AC 380V/50Hz。

2 工藝流程

(1) 返排液經(jīng)兩相分離器進(jìn)行氣液分離后，由返排液提升泵送入粗調(diào)池(受兩相分離器工作效率影響，分離后的酸液管路中含有一定量的酸氣)。當(dāng)粗調(diào)池中的返排液到達(dá)一定液位時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)返排液的pH值開(kāi)始加藥，同時(shí)開(kāi)啟曝氣風(fēng)機(jī)進(jìn)行曝氣攪拌。返排液的pH>5時(shí)，將返排液通過(guò)粗調(diào)池底部的導(dǎo)流管引入微調(diào)池。粗調(diào)池和微調(diào)池隔板的頂部開(kāi)有溢流孔，如液位過(guò)高時(shí)可通過(guò)溢流孔流到微調(diào)池。

(2) 微調(diào)池的液位到達(dá)一定高度后，系統(tǒng)根據(jù)返排液的pH值開(kāi)啟微調(diào)池加藥泵。微調(diào)池的返排液7

(3)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，開(kāi)啟設(shè)備的同時(shí)曝氣風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵同時(shí)開(kāi)啟，返排液中的酸性氣體及曝氣攪拌產(chǎn)生的氣體依次經(jīng)過(guò)一、二級(jí)噴淋塔進(jìn)行中和，中和后的廢氣通過(guò)管道引至安全區(qū)域放燃。

(4)藥劑箱低液位時(shí)給出聲光報(bào)警，同時(shí)設(shè)備不能開(kāi)啟。

圖2 工藝流程圖

3 pH值控制

中和過(guò)程中pH滴定曲線在中和點(diǎn)附近具有很高的靈敏度，而遠(yuǎn)離中和點(diǎn)處?kù)`敏度又很低，具有嚴(yán)重的非線性特性，且反應(yīng)過(guò)程具有滯后性，難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型。如果采樣傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)可能出現(xiàn)在粗調(diào)池響應(yīng)速度太慢而產(chǎn)生溢流，或微調(diào)池pH值變化太快造成超調(diào)。因此，如圖3所示，本設(shè)備將pH過(guò)程按照拐點(diǎn)b和c分為三個(gè)區(qū)段，用三段折線法來(lái)近似表示pH特性曲線，采用了分段式變?cè)鲆鍼ID控制器，在pH的高增益區(qū)采用較低的比例增益，而pH的低增益區(qū)采用較高的比例增益，對(duì)被控對(duì)象的非線性特性進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)pH過(guò)程的最優(yōu)控制。

圖3 酸堿滴定特性曲線

圖4 分段式變?cè)鲆鍼ID控制器

三段式變?cè)鲆鍼ID控制器的控制規(guī)律為

u(k)=u(k-1)+f(|e(k)|)

(1)

式中，KP為比例增益系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期；f(e(k))為變?cè)鲆婧瘮?shù)。

三段式變?cè)鲆鍼ID控制器中的增益函數(shù)f(e(k))=ki∣e(k)∣(i=1，2，3)，其中k1、k2、k3分別為ab、bc、cd三區(qū)段的控制器增益系數(shù)，與ab、bc、cd三段增益系數(shù)成反比，這樣就可以使原來(lái)的非線性系統(tǒng)補(bǔ)償為一個(gè)線性系統(tǒng)進(jìn)行控制，如圖4所示。當(dāng)f(e(k))=1時(shí)，即為普通的PID算法。f(e(k))的變化規(guī)律為(其中z為低增益區(qū)的寬度)：

(2)

考慮到中和過(guò)程為純滯后加一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為

(3)

式中，K為系統(tǒng)靜態(tài)增益；τ為純滯后時(shí)間常數(shù)；T為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況，取T=10，τ=4對(duì)其增益K的三種情況進(jìn)行仿真分析，通過(guò)整定，最終確認(rèn)K1=11，K2=0.4，K3=9。

4 試用效果

為了對(duì)設(shè)備的處理效果和性能進(jìn)行整體綜合評(píng)價(jià)，設(shè)備試制成功后，在陜北某氣田對(duì)本設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試用和效果評(píng)價(jià)。主要內(nèi)容包括：

(1)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，對(duì)pH值監(jiān)控系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、噴淋吸收系統(tǒng)及整套裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)；

(2)對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)工況的匹配性進(jìn)行評(píng)價(jià)；

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣分析，對(duì)該裝置的酸液及酸氣處理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本次試用的酸化液主要包括前置液、閉合酸和頂替液，這些工作液中主要含有鹽酸，前置液中注交聯(lián)酸，高壓注酸中含有稠化酸，其他酸液中添加了酸化緩蝕劑、緩速劑、起泡劑、鐵離子穩(wěn)定劑和氣井助排劑等多種處理劑，中和藥劑使用30%NaOH溶液。

試用過(guò)程持續(xù)大約7 h，全程使用自動(dòng)操作，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)不同返排時(shí)段不同位置的返排液進(jìn)行采樣分析，設(shè)備處理效果如表2所示。

表2 返排液處理效果分析

注：“-”表示未測(cè)定

由表2可見(jiàn)，返排液在不同時(shí)段具有明顯的特征差異：前期酸液返排液的酸性強(qiáng)(pH值為0.5)，水樣粘度大，泡沫多，且具有較強(qiáng)的刺激性氣味。隨著返排時(shí)間的延長(zhǎng)，返排液的pH值不斷增大，粘度和總鐵逐漸降低。設(shè)備對(duì)返排液pH值的控制、總鐵去除率和降粘率均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。另外通過(guò)在不同時(shí)段對(duì)廢氣排放口進(jìn)行檢測(cè)，HCl含量均為0，排放氣體無(wú)刺激性氣味。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)返排過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，返排液流量比預(yù)想的要小，加之優(yōu)化后的PID控制反應(yīng)速度快，曝氣攪拌快速均勻使得系統(tǒng)滯后時(shí)間縮短，這些因素使設(shè)備的處理能力略顯“過(guò)剩”，可考慮減小粗調(diào)池、微調(diào)池及藥劑箱的體積，同時(shí)在設(shè)備外圍設(shè)計(jì)立柱和橫梁，使設(shè)備整體更加穩(wěn)固，一方面方便吊裝，同時(shí)也能避免設(shè)備在吊裝和運(yùn)輸過(guò)程中受到損壞。

5 結(jié)束語(yǔ)

油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的酸化廢液廢氣對(duì)生產(chǎn)環(huán)境和人身安全都是一個(gè)極大的隱患，鑒于此，國(guó)家和石油行業(yè)部門(mén)的廢液廢氣處理標(biāo)準(zhǔn)也日益嚴(yán)格，這也促使了相關(guān)處理設(shè)備和技術(shù)研究的不斷發(fā)展。目前的處理方法主要有中和法、絮凝沉淀法、氧化法、吸附法和微電解法等。本文介紹的基于中和法的撬裝式酸化廢液廢氣自動(dòng)處理設(shè)備，適合在集中處理廢液廢氣不方便的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用，具有經(jīng)濟(jì)可靠、處理效果理想、自動(dòng)化水平高、易遷移、安裝操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

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A removable skid-mounted acidizing waste fluidand gas automatic processing unit

YANG Shao-zhuo,LI Qi，LIU Jiang,LI Xiao-juan

(China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd,Xi’an710032，China)

Acidizing operation is one of the frequently employed process in oil-gas exploitation, but the return acidizing fluid is characterized by strong acidic and corrosive,high iron content and salinity, and with irritating smell, which made it being one of the main pollution sources of the oil and gas industry. A removable skid-mounted automatic processing unit is proposed to treat this return acidizing liquid wastes in this paper. it can treat the waste liquid and gas generated during the acidizing operation quickly, economic and effectively, and with the features of smaller floor area need,convenient to removal,easy erection and operating. After trial test and field use, the equipment can meet the design requirements for pH control, iron removal rate, and viscosity reduction rate of the return acidizing fluid.

removable skid-mounted;acidizing waste fluid;industrial sewage processing;pH control

X703

A

1001-196X(2017)05-0015-05

2017-04-05；

2017-06-19

楊少卓(1973-)，男，中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，工程師。