提高回收罐工作效率及環保要求的改進方法

王振東，楊 燦

（川慶鉆探工程有限公司重慶運輸總公司，重慶 404100）

0 引言

隨著國家對環境保護的重視力度加大，釋放了強列的關注環境保護、資源循環利用、節能減排等相關領域的信號。在這個大背景下，川慶鉆探工程有限公司提出了改變試井作業中產生工作液的回收處置方式，原工藝流程是通過回注的方式處置工作液，伴隨工作液噴出的天然氣直接點火燃燒。經過調查研究，設計利用天然氣燃燒產生的熱量蒸發工作液中的水分，實現固液分離和殘渣（即壓裂砂）回收處置的目的。

1 工作液處置工藝設計

試井過程中產生的工作液和天然氣等通過排酸筒排出到回收罐中，在排酸筒口開始放噴后點燃天然氣，工作液首先在回收罐中進行沉淀，通過管道流入地埋罐，由地埋罐中的循環泵將工作液輸送至回收罐的循環管道中，工作液在壓力的作用下通過噴淋口噴出形成液滴團，在回收罐底部火焰的高溫條件下汽化，同時未汽化的工作液回到回收罐底部集液池，再通過連接地埋罐的管道回到地埋罐中進行下一次循環。

該套設備由回收罐、20方地埋罐（即容積為20 m3的地埋罐）、5方地埋罐（即容積為5 m3的地埋罐）、柴油發電機、循環泵、連接管線組成（圖1）。

圖1 工作液處理流程

2 現場效果評估

在第一套實驗性工作液一體化處置系統生產完成后，2019年3月1日，在蘇6-8-13井進行了現場試驗和效果評估。回收罐工作4 h，原有工作液12.5 m3，期間排酸筒排出工作液約14 m3，試驗結束后回收罐及地埋罐內仍有剩余工作液約18 m3，即工作效率僅為2.1 m3/h，遠未達到設計目標。

現場試驗還暴露出以下3個問題：①排酸筒在放噴排液過程中沖擊力較大，在氣流的帶動下返出的液體容易從燃燒罐內噴灑至外部，易發生環境糾紛；②排液過程中，井內壓裂砂會隨工作液返出至回收罐內，目前使用的回收罐內溝槽較多，清理較為困難；③回收罐系統配備的循環泵功率小，在回收罐的循環管道中未形成足夠的工作壓力，導致噴淋口處水壓不足，工作液呈水柱流出而不是液滴狀噴出。

3 影響回收罐工作效率的因素

回收罐工作效率的高低主要是看工作液的蒸發效率，物理學上影響蒸發效率的主要因素有3個，即液體溫度的高低、液體與氣體間接觸的表面積大小以及液面上氣體流動的速度。

3.1 溫度因素的影響

溫度越高，蒸發越快。科學研究證明，無論在什么溫度下，液體中總有一些速度很大的分子飛出液面而成為汽分子，因此液體在任何溫度下都能蒸發。如果液體的溫度升高，分子的平均動能增大，從液面飛出去的分子數量就會增多，所以液體的溫度越高蒸發的就越快。

該套設備的熱源主要是排酸筒放噴出的天然氣燃燒形成，自然環境溫度的影響可忽略不計，而天然氣燃燒的熱值是一定的，只與放噴出天然氣量的多少有關。天然氣的排放量根據井位不同有區別且無法控制。

因此，通過升高溫度來大幅提高液體的蒸發效率的可能性不高，而盡量減少回收罐外壁的熱流失可能會有積極作用。

3.2 液氣接觸面因素的影響

如果液體表面面積增大，處于液體表面附近的分子數目增加，在相同的時間里從液面飛出的分子數就增多，所以液面面積增大，蒸發就會加快。

液體接觸面應從兩方面加以區分：一是工作液與空氣的接觸面大小，這方面的影響因素主要是工作液是以液柱狀還是液滴狀噴出，相對于液滴狀和霧狀，液柱狀與空氣的接觸面是指數倍小于霧狀液滴；二是工作液滴與加熱源的接觸面大小，接觸面越大蒸發越快，接觸面越小蒸發越慢。

因此增大回收罐內循環管道的壓力，迫使工作液呈液滴或液霧狀態噴出，充分與回收罐內及上部的空氣混合，可以顯著增大水分子與空氣的接觸面。另外在排酸筒形成的火焰上方鋪設一塊活動的加熱鋼板，可以擴大與加熱源的接觸面，同時還能削弱工作液直射排酸筒對火焰燃燒的影響。

3.3 液面上氣體流動因素的影響

當飛入空氣里的水蒸氣分子和空氣分子或其他水蒸氣分子發生碰撞時，有可能被碰回到液體中來。如果液面周圍的空氣流動快、通風好，水蒸氣分子重新返回液體的機會越小蒸發就越快。另外，空氣濕度越大蒸發越慢，空氣濕度越小蒸發越快。

氣體流動與風力大小和空氣濕度大小密切相關，自然環境的實時風力和空氣濕度無法控制，考慮到內蒙古地區戶外無風的情況較少、環境的空氣濕度小，因此在這方面無法人工干預，也不需要通過人工干預來提升蒸發效率。

4 改進方法

4.1 直接因素方面的改進方法

（1）降低回收罐熱流失。在回收罐兩側及尾部罐壁設置與回收罐等高的夾壁層，利用回收罐的循環系統往夾壁內注入工作液。這樣做的益處有3個：①減少回收罐整體的熱流失，提高蒸發效率；②起到隔熱層的作用，預防工作人員不小心觸碰外壁導致燙燒傷；③保護兩側及尾部罐壁不因長時間高溫烘烤導致罐體變形或破損，工作液泄漏產生環保風險，另外還能延長回收罐使用壽命。

（2）提高系統內配備的循環泵有效揚程，增大循環系統內液體壓力。原工作液一體化處置系統設計配備的循環泵為電驅動，功率9 kW，揚程10 m。經現場測量，泵口經活動軟管連接至回收罐注水口長度約15 m，再加上回收罐內循環管道長約20 m，導致循環泵工作時回收罐內循環管道內液體壓力不足，在噴淋口不能形成較好的液滴狀噴淋。將其額定揚程提高至40 m以上，每小時流量10～100 m3。

（3）優化噴淋口的設計，形成液滴團。原系統在回收罐內的循環管道上依次設置單孔噴淋口，間距0.8 m，每個噴淋口直徑為1 cm。通過優化設計，將其改為環形噴淋口，中間主噴淋口直徑為0.5 cm，周圍環繞分布8個輔助噴淋口，直徑為0.3 cm，間距設置不變。

（4）增加輔助活動加熱鋼板，擴大液滴與加熱源的接觸面。原設計是工作液從回收罐循環管道中直接噴淋到排酸筒口天然氣燃燒形成的火焰上方，直接與火焰接觸后吸熱蒸發，熱利用效率較低。改為在火焰上方增設火焰擋板，由一塊固定鋼板與一塊活動鋼板組成，拉開后長度約8 m，將火焰與工作液滴阻隔，火焰直接加熱擋板，增大了與加熱源的接觸面，提高了熱利用效率。

4.2 其他方面的改進方法

（1）增加防滲漏底座。主要是考慮到回收罐長期處于酸性液體和高溫高熱的工作環境，容易導致罐體底部和焊縫破損造成工作液泄漏、發生環保事件，在回收罐底部增加一個防滲漏的船型底座，可以有效降低泄漏風險。

（2）優化回收罐底部設計，方便沉積的殘渣清理。原設計回收罐底部溝槽較多，排酸筒排液過程中帶出的壓裂砂等殘渣易沉積在溝槽內，完井后清理極為困難。將回收罐底部設計成平面，同時調整回收罐出液口高低，方便清理完井后殘渣的清理和處置。

5 改進后的情況對比

2019年，按照以上方案對工作液一體化處置系統進行改進，經過現場5井次的試驗，新系統的蒸發效率平均達到了6.22 m3/h，日均可處理工作液149.3 m3（24 h不間斷作業的理想條件下），完井后平均每組回收罐內分離產生壓裂砂殘渣4.3 m3，達到了設計指標（表1）。

表1 改進后現場試驗數據統計

另外，作業完成后殘渣的清理也較為方便，增加的防滲漏底座還能防止噴濺出的工作液污染環境。