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

隨著石油工業的迅速發展，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，同時造成環境污染[1-9]。目前，油田作業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；為了分離出泥沙，需用體積龐大的調節池來實現[10-15]。油水分離機和調節池聯合使用，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、高效除油系統、排渣系統、固液分離系統、排泥系統和智能控制系統等7個系統組成，如圖1所示。主機體分為噴射區域、高效除油區域、排渣區域、排泥區域和清水出水區域。直噴式除油泥一體機各區域通過硬件、軟件控制連接，實現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

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

高效除油系統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來調整高效除油區域的氣泡直徑與數量。高效除油系統主要功能是將油田作業廢水中的大部分乳化油去除。

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

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

固液分離系統主要由進水區域、分離區域、清水區域等組成。固液分離區域的主要功能是去除油田作業廢水中的泥沙。

智能控制系統主要由直噴控制系統、高效除油控制系統、排渣控制系統和排泥控制系統等4部分組成。智能控制系統可以通過檢測的信號實時控制各區域相關設備的工作狀態。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；μ為高效除油區域回流量比例，在此取50。

2）高效除油區表面積A的計算。

式中：A為高效除油區表面積，m2；Q為高效除油區設計水量，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）固液分離區出水設計。

固液分離區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

式中：N為孔口個數；F為每個孔口的面積，F=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場工業實驗。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、高效除油區進入固液分離區，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，實驗現象如下：直噴式除油除泥一體機直噴區域反應比較劇烈，泡沫層厚度比無藥劑實驗大。高效除油區經過氣量調整后浮渣厚度增大，高效除油區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）

這兩個實驗數據充分說明，直噴式除油泥一體機加入藥劑后，直噴區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。

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

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、直噴區出水區、高效除油區、固液分離區的含油量去除率逐漸降低，其中，藥劑添加方案中直噴區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。直噴區域去除了油田作業廢水表面的大部分浮油及部分乳化油，高效除油區主要去除了油田作業廢水中乳化油，固液分離區主要去除了油田作業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場工業試驗驗證，出水水質穩定，效果良好。根據現場需要已經制造出處理規模為2 t/h、10 t/h、20 t/h、30 t/h的工業化應用產品，先后在中石油、中石化、延長油田等現場工業化推廣應用，得到了業主的高度評價。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

根據中石油某油田的壓裂返排液處理現場應用情況及水質監測指標可以得出：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，優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。通過直噴式除油除泥一體機對油田作業廢水的預處理工序，進一步減輕了油田作業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廢水技術研究提供了重要的技術支持。