大港油田廢棄水基鉆井液板框壓濾工藝優化及應用

趙冬梅

(大港油田原油運銷公司)

0 引 言

油田在開發生產過程中,不可避免地會產生廢棄鉆井液,廢棄鉆井液含有多種化學處理劑,色度、有機物含量高,存在環境污染風險,必須進行處理處置[1-4]。

2017年大港油田廢棄水基鉆井液示范工程建設投產,處理工藝為“化學破穩+板框壓濾固液分離”,具有減量效果明顯、效率高、處理后鉆井液適用于多種處置方式的優點[5-7]。但由于廢棄鉆井液體系越來越復雜,原有藥劑和工藝不適應的問題逐步凸顯[8-11]。為保證生產效率和處理效果,文章通過對藥劑、工藝流程、過濾材料等進行優化和升級,實現了廢棄鉆井液處理系統的高效運行,解決了泥餅含水率高、脫板困難的問題,同時提高了系統運行效率和穩定性。

1 大港油田廢棄水基鉆井液處理現狀

大港油田廢棄鉆井液處理廠以處理廢棄水基鉆井液為主,設計處理能力為1 600 m3/d,處理后泥餅浸出液重金屬指標達到GB 36600—2018《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準》(試行)第二類用地篩選值標準,其他設計處理指標見表1。

表1 廢棄水基鉆井液設計處理指標

原廢棄水基鉆井液處理工藝主要包括物料預處理、化學破穩和板框壓濾3個子系統。物料預處理系統將鉆井液進行分類存放、振動篩分,可實現針對性加藥;化學破穩系統通過在鉆井液中加入破穩劑和絮凝劑達到破壞廢棄鉆井液穩定膠體體系的目的,使鉆井液顆粒聚集、沉降進而固液分離[12];板框壓濾系統通過廂式壓濾機對鉆井液施加壓力使之通過濾布實現固液分離,壓濾濾餅經皮帶輸送機運送至堆放場,液相則在濾后水池緩存后進入廢液處理系統凈化。

2 運行存在的問題分析

2.1 藥劑不適應

隨著油田開采的深入,同時由于地域影響、大量添加劑的應用,使廢棄鉆井液體系更加復雜多變,處理難度逐年增大。在工藝基本成型的基礎上,藥劑支出占整體成本的50%以上。

同時,復雜多變的鉆井液體系使藥劑的普適性降低,處理中常出現固液分離效果差、壓濾泥餅含水率高導致需要二次處理的情況[13]。原有藥劑(1%破穩劑PWLT、1%絮凝劑XNJA-1)對不同體系鉆井液處理前后泥餅含水率見表2。由表2可知,原有藥劑對一開鉆井液的處理效果較好,但對二開、三開、鹽水和固井鉆井液處理后的泥餅含水率均高于40%以上,難以達到鉆井液處理的預期效果,亟需進行新藥劑的開發選型,以減少二次壓濾、高濃度加藥等無效運行頻次。

表2 不同體系鉆井液(舊藥劑)處理前后泥餅含水率 %

2.2 工藝流程不適應

工藝流程的不適應體現在兩方面,一是工藝流程長,操作復雜,維護成本高;二是藥劑的腐蝕性及投加藥方式帶來的設備安全和環保問題。

項目投產初期,鉆井液卸放收集后,經過加藥罐、反應罐、鉆井液處理倉、物料倉后進入固液分離裝置進行壓濾,并配套相應的控制系統,工藝流程長、操作過程繁瑣。

同時,原有破穩劑PWLT溶液呈強酸性,會嚴重腐蝕鋼質管道,造成管道穿孔和生產停產,影響了處理效率,增加了運行維修成本。

優化后的絮凝劑由液體XNJA-1更換為固體XNJA-2,需要直接添加至鉆井液中。現場采用人工加藥方式:1)投加量取決于員工的主觀判斷,易造成藥劑添加量不足或過量,導致鉆井液破膠不完全或破膠后黏度過高造成管道阻塞;2)粉劑投藥過程易產生大量揚塵,造成藥劑粉塵無組織排放。

2.3 濾布不適應

濾布材質對泥餅含水率的影響至關重要,投產初期,濾布使用的是無紡布(丙綸針刺過濾氈)。材質存在易起毛、形變大、厚度大且不易安裝等問題,進而影響壓濾處理后泥餅的形態,導致含水率增加,造成泥餅黏附濾板不易脫落,卸板時間加長,縮短了濾布使用壽命短。另外,頻繁更換濾布加大了現場操作人員的勞動強度,也降低了廢棄鉆井液處理效率。

3 處理技術工藝優化

3.1 藥劑優化

水基鉆井液是由黏土、水(或鹽水)、處理劑、加重材料及鉆屑組成的多相分散體系[14]。黏土在鉆井液中占比大,其晶格構造和性質對鉆井液的分散性、絮凝性具有重要影響。根據黏土顆粒的帶電性和pH值對懸浮液穩定劑的影響,從破膠劑和絮凝劑中篩選藥劑,并開展了多種鉆井液體系效果評價,實驗結果見表3。實驗結果表明,藥劑體系(1%破穩劑PWLG、1%絮凝劑XNJA-2)對于測試的鉆井液處理效果均較好,含水率低于40%,且壓濾時間<3 min。其中一開、二開鉆井液處理后泥餅含水率<35%,壓濾時間約為30 s;鹽水鉆井液由于礦化度高,破膠速度慢,壓濾時間約為90 s,且泥餅含水率高于其他類型鉆井液。

表3 新藥劑對不同體系鉆井液的處理效果

3.2 工藝優化

3.2.1 工藝流程

原工藝流程下,鉆井液卸放收集后需經過較長工藝鏈進入固液分離裝置進行壓濾,存在管道易腐蝕,維修成本高,人力資源浪費等問題。經過實地勘察、工藝設計、室內實驗、現場試運行后,采取將卸放池一分為二的改造措施,分為緩存池和反應池,鉆井液卸放后先進入緩存池,優化后工藝流程見圖1,待室內實驗給出加藥濃度后,進入反應池加藥攪拌混合,使其達到壓濾條件。

圖1 優化后工藝流程

優化后流程節省了鉆井液處理設施的占地面積,避免了鉆井液在壓濾前通過長距離管道可能造成的安全問題、維修問題和環境問題,且仍能達到壓濾條件,降低了員工操作強度和操作難度。

3.2.2 粉劑加藥方式

粉劑采用人工加藥的方式無法和優化工藝的鉆井液卸放反應池相匹配。針對該問題,通過對已成熟應用的投料裝置,如喂料機、小袋拆包機、帶式輸送機、螺旋輸送機、管鏈輸送機等進行對比,最終確定噸袋拆包機+管鏈的組合方式。噸袋拆包機結構簡單,易操作且自動計數,實現了精準加藥。管鏈輸送機具有密閉加藥、精準計量、全自動控制的優點。通過拆包機→儲藥倉→管鏈→加藥倉的加藥方式,縮短了員工直接接觸化學藥劑的時間,同時加藥倉的計量裝置可精準投藥,實現藥劑濃度的準確把控。兩套裝置的連接運行改善了員工的工作環境,降低了生產成本,提高了生產效率。

3.3 設備優化

3.3.1 濾布優選

原工藝使用的無紡布濾布(丙綸針刺過濾氈),存在易起毛、形變大、不易安裝、使用壽命短(不超6個月)等問題,需重新選型以提高生產效率。通過市場調研和分析,濾布的材質和織法對其適用性具有重要影響,因此從這兩方面對濾布進行對比優選。

不同材質濾布性能對比見表4。錦綸與丙綸的耐磨性、抗拉強度、伸長率和耐堿腐蝕均較好。不同類型紗線織成的濾布性能對比見表5,單絲濾布在過濾速度、卸餅性能、再生性能等方面均較好,無紡布的過濾速度、卸餅性能、再生性能均最差。

表4 不同材質濾布性能對比

表5 不同類型紗線織成的濾布性能排序

通過材質和織法的理論性能對比,對丙綸復絲斜紋750b濾布及錦綸單絲斜紋2026加針刺尼濾布開展現場使用測試。對使用半年后的濾布在透水性、耐磨程度、耐酸堿性、泥餅剝離率、再生率等指標進行對比,結果見表6,錦綸單絲斜紋2026加針刺尼濾布在透水性和泥餅剝離率方面更好,耐磨程度、耐酸堿性滿足生產要求。

表6 兩種濾布測試性能對比

3.3.2 裝置升級

廠區在二次擴建過程中,將壓濾機升級為程控隔膜壓濾機,與普通壓濾機相比增加了二次壓濾工藝和濾布自動清洗工藝。二次壓濾工藝通過增壓泵將高壓水注入濾板腔體來擠壓泥餅使其進一步失水[15],能夠減少保壓時間,降低泥餅含水率,提高處理效率;自動清洗裝置能夠實現濾布定期自動清洗,使濾布更長時間保持透水性能,提高處理效率和濾布使用壽命。

3.4 應用情況

優選藥劑配套升級改造工藝,裝置運行期間,累計涉及一開、二開、三開、鹽水、固井等鉆井液體系,泥餅含水率同原工藝對比見圖2,處理后泥餅的含水率均低于40%,平均含水率為33.27%,較原工藝的含水率下降約13%。其中對于鹽水鉆井液和部分固井鉆井液,破穩劑PWLG和絮凝劑XNJA-2的組合,處理后含水率約38%,脫水時間約90～120 s,仍有優化空間,但藥劑成本同比降低50%以上,具有較高的經濟效益。加藥裝置運行后,優化出2個員工配置崗位,年可節約人員費用19.2萬元,同時減少粉塵對員工健康和環境造成的傷害,加藥時長也可以大幅度降低,預計節省加藥時間至少10 h以上,大大提高了鉆井液處理效率。優選板框壓濾機濾布后,不僅提高了鉆井液處理效率,使用壽命也由原來6個月增加到24個月,有效降低了濾布更換成本。

圖2 粉劑加藥工藝效果對比

4 結 論

1)通過鉆井液藥劑的優選,破穩劑PWLG、絮凝劑XNJA-2替代原有藥劑,可處理各種鉆井液,保證泥餅含水率降至40%以下。

2)通過工藝流程的優化,將原鉆井液卸放池改造為緩存池和反應池,節約了場地占用,縮短了處理流程,簡化了操作規程。同時粉劑采用拆包機+管鏈的加藥方式,降低了環保風險,提高了計量精度。

3)裝置升級改造后,采用錦綸單絲斜紋2026加針刺尼濾布并配合二次壓濾工藝,延長濾布的使用壽命至24個月,同時進一步降低了泥餅含水率。