廢棄鉆井液膜濾技術(shù)的研究及應(yīng)用前景

初波 (中石化勝利油田濱南采油廠技術(shù)監(jiān)督科)

廢棄鉆井液膜濾技術(shù)的研究及應(yīng)用前景

初波 (中石化勝利油田濱南采油廠技術(shù)監(jiān)督科)

環(huán)境友好鉆井 (EFD)程序正在重新審視廢棄物的處理和重復(fù)利用,尤其是地層水和廢棄水基鉆井液的重復(fù)利用。所開發(fā)的方案能夠減少鉆井作業(yè)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(shù)量,而且有利于重復(fù)利用鉆井作業(yè)中的分離水并濃縮懸浮固相。目前EFD正在研究用膜濾技術(shù)來減少廢棄鉆井液的數(shù)量并從中分離水,用各種類型和結(jié)構(gòu)的膜濾系統(tǒng)處理現(xiàn)場廢棄鉆井液,開發(fā)新技術(shù)解決污垢對膜所造成的影響。研究了膜濾系統(tǒng)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(yè)或進(jìn)行下一步處理。目標(biāo)是開發(fā)一種由合適的膜濾系統(tǒng)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(shù)進(jìn)行了實驗研究,并將其與現(xiàn)場配套技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)了一種費用合理的膜濾系統(tǒng)。介紹了如何應(yīng)用膜濾系統(tǒng)過濾現(xiàn)場和室內(nèi)水基鉆井液中的固相,著重研究了膜濾系統(tǒng)與水基鉆井液的兼容性?？紤]到日益嚴(yán)格的法規(guī)及環(huán)境要求,石油與天然氣工業(yè)將致力于減少各種作業(yè)對環(huán)境的影響,優(yōu)化資源的使用。這種處理方法具有雙重優(yōu)勢:一是通過回收使水資源得到優(yōu)化使用;二是通過節(jié)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(yè)對環(huán)境的影響。

廢棄鉆井液 膜濾處理 環(huán)境友好鉆井程序

1 前言

能源問題正日益成為當(dāng)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(xiàn)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(xiàn)的是對環(huán)境問題的日益關(guān)注。近10年,各級政府制定了日益嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī),以期在勘探作業(yè)尤其是鉆井作業(yè)期間實施環(huán)境保護(hù)。在資源勘探的新區(qū)塊作業(yè)中,環(huán)境保護(hù)法規(guī)可能嚴(yán)格到極點,力求將作業(yè)對環(huán)境產(chǎn)生的影響減至最低。資源保護(hù)、減少廢棄物數(shù)量、回收、重復(fù)利用等正成為管理法規(guī)中的典型作法。對環(huán)境的日益關(guān)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(shù)取得了顯著的進(jìn)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(huán)境對鉆井作業(yè)的動態(tài)影響已經(jīng)從地面轉(zhuǎn)到地下,雖然從表面上看鉆井作業(yè)期間的占地面積減少或?qū)ι鷳B(tài)的影響減少,但地下可鉆面積的增加使得地下所產(chǎn)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(yè)對環(huán)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(fā)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(fù)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(fù)利用[3]。盡管目前農(nóng)業(yè)上消耗的淡水最多,但工業(yè)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(fù)利用率的先導(dǎo)研究將有利于整個社會。

環(huán)境友好鉆井 (EFD)程序著眼于廢棄物的處理和重復(fù)利用,尤其是地層水和廢棄水基鉆井液的重復(fù)利用。EFD技術(shù)正在研究使用膜濾系統(tǒng)從廢棄水基鉆井液中清除懸浮固相,實現(xiàn)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(yè)的占地面積,節(jié)省寶貴的水資源。

2 理論研究

研究目標(biāo)是開發(fā)一種處理方法,能夠顯著減少鉆井作業(yè)對環(huán)境的影響或減少占地面積,通過減少廢棄物數(shù)量和增加地下可鉆面積來評價技術(shù)效果。在廢棄鉆井液的處理中,關(guān)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(jù)研究結(jié)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(shù)量,同時使可用組分得到重復(fù)利用。

減少廢棄鉆井液數(shù)量是減少總占地面積并減少鉆井作業(yè)對環(huán)境影響的有效方法。過去一直認(rèn)為重復(fù)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(nóng)業(yè)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(dá)到預(yù)期目標(biāo)。EFD的目標(biāo)首先定位為鼓勵回收并重復(fù)用于鉆井作業(yè),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(fù)擔(dān),從中獲得的經(jīng)驗還可用于下一步更好地實施重復(fù)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(shù)回收與重復(fù)利用技術(shù)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(fù)利用鉆井廢棄物的技術(shù)都必須先清除其中的懸浮固相,然后再進(jìn)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(yīng)用合適的工藝和維護(hù)方法,配備現(xiàn)場裝置,完成回收作業(yè)的第一步,然后用膜濾技術(shù)從這些廢棄物中清除固相。膜濾技術(shù)比傳統(tǒng)的懸浮固相清除設(shè)備 (如離心機(jī)和水力旋流器)更先進(jìn),因為傳統(tǒng)的固相清除設(shè)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(shù)的分離范圍廣,從細(xì)菌到原子均可分離[4,5]。研究了膜濾技術(shù)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(xiàn)重復(fù)利用或回收。膜濾技術(shù)的主要難點在于積垢[6],此項研究正在進(jìn)行中。

3 流程與設(shè)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(jù)該技術(shù)對廢棄鉆井液或鉆井作業(yè)的適用性,對管狀和中空纖維構(gòu)造的模塊進(jìn)行了研究,未研究板塊框架結(jié)構(gòu)和螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的模塊。研究中使用了兩種水基鉆井液:一種是現(xiàn)場提供的木質(zhì)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(jù)鉆井液軟件設(shè)計的配方室內(nèi)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(jìn)行試驗。

在管狀模塊的試驗中,使用一種簡單的內(nèi)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(diào)節(jié)閥控制可透性膜壓 (TMP),用流量計測流速,從膜內(nèi)返出的濾液再返回進(jìn)料罐進(jìn)行循環(huán)試驗。

用ZW-10 Zenon○R裝置進(jìn)行中空纖維隔膜系統(tǒng)的試驗,膜的標(biāo)稱表面積0.93 m2,標(biāo)稱孔徑0.04 μm。配有一個空氣鼓風(fēng)機(jī),可以連續(xù)沖洗膜表面并可混合進(jìn)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(jìn)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(xì)。每次試驗前后都按規(guī)定清洗膜,所有試驗和清洗程序的開始和結(jié)束階段均記錄濾液流量。

取自現(xiàn)場的木質(zhì)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(nèi)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?jǐn)?shù))的模擬固相,模擬固相的粒徑分布可表征大多數(shù)鉆井液中的粒徑分布。進(jìn)行膜濾試驗時的流量為61 L/ min,相當(dāng)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(zhǔn)量筒和秒表手動測量兩種模塊的過濾流量,以三次讀數(shù)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(shù)包括單位時間內(nèi)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(tǒng)進(jìn)行研究,以優(yōu)化過濾效果,如改變膜的孔徑、系統(tǒng)參數(shù)、樣品的流變性等。以上為正在研究中的部分內(nèi)容,其中變量的研究結(jié)果未作更多介紹,僅介紹對廢棄鉆井液進(jìn)行隔膜過濾的可行性。

表1 室內(nèi)配制鉆井液配方

4 試驗結(jié)果

用管狀陶瓷膜和中空纖維膜兩種膜濾系統(tǒng)測試了現(xiàn)場水基鉆井液膜濾后流量隨時間的變化。試驗?zāi)康脑谟谘芯績煞N膜濾系統(tǒng)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(biāo)。試驗結(jié)果顯示約90 min后管狀陶瓷膜過濾的鉆井液流量達(dá)到峰值,2 h后流量降低至22%以下。Zenon裝置主要設(shè)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(dá)到穩(wěn)態(tài)過濾之前發(fā)現(xiàn)流量降低37%,這一過程持續(xù)大約90～120 min,達(dá)到穩(wěn)態(tài)后流量的降低小于5%。

用固相含量測定儀測量發(fā)現(xiàn),過濾前現(xiàn)場鉆井液的固相含量為10.20%(體積),而通過兩種膜濾系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi),約有30%顆粒粒徑在11～100μm范圍內(nèi)。樣品通過膜濾系統(tǒng)后的粒徑分布結(jié)果顯示,樣品中的固相大多被超細(xì)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?，F(xiàn)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(nèi)配制的鉆井液進(jìn)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(xiàn)場鉆井液的膜濾試驗相比,室內(nèi)配制鉆井液的流量較大,達(dá)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(xiàn)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?jǐn)?shù)。用管狀陶瓷膜過濾現(xiàn)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(xiàn)場鉆井液的體積減少52%。室內(nèi)配制鉆井液過濾后的體積減少量多于現(xiàn)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(jié)垢有助于維持裝置的過濾能力,因此對裝置進(jìn)行了改進(jìn)。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(nèi)以高于常規(guī)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成的垢,需要對膜進(jìn)行化學(xué)清洗。研究認(rèn)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(xiàn)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(jìn)行試驗,因為在以前的試驗中觀察發(fā)現(xiàn),都是在大致這一時間段發(fā)生流量降低。試驗結(jié)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(tǒng)設(shè)計合理,進(jìn)行合理的改進(jìn)可減緩流量降低。

5 國內(nèi)膜濾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

膜濾技術(shù)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(nèi)在污水膜濾處理方面已開始起步,但尚未應(yīng)用于廢棄鉆井液的處理。

東北大學(xué)利用微機(jī)控制技術(shù)和膜分離技術(shù)結(jié)合工藝研制開發(fā)了一套污水處理實驗裝置,提高了企業(yè)生產(chǎn)效率和管理水平[7]。這套超濾膜污水處理裝置由工藝設(shè)備部分和微機(jī)控制系統(tǒng)組成,污水首先進(jìn)行旋流除砂、濁度限制等預(yù)處理后才能進(jìn)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(dá)不到規(guī)定的透量則要進(jìn)行化學(xué)清洗,以保證系統(tǒng)的正常運行。經(jīng)實驗證明該裝置基本達(dá)到設(shè)計要求,經(jīng)過進(jìn)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(fā)了一套適應(yīng)性較強的油田污水處理工藝,可實現(xiàn)油田有效注水,保證油田穩(wěn)產(chǎn)[8]。對常規(guī)處理系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造,整個系統(tǒng)采用微生物+膜工藝,整套工藝主要由污水預(yù)處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、生化系統(tǒng)、膜處理系統(tǒng)以及污泥排放系統(tǒng)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(zhì)表象為微黑,有臭味;經(jīng)過微生物+膜過濾系統(tǒng)的處理,水質(zhì)表象為透明,無味,水質(zhì)的絕大部分指標(biāo)都發(fā)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(zhì)的要求,迅速改變了該油田注水壓力持續(xù)上升的被動局面。通過實踐也發(fā)現(xiàn),微生物+膜污水處理工藝也存在一次性投資大、系統(tǒng)動力消耗大等不足,還需要不斷完善。

6 結(jié)論與認(rèn)識

試驗研究了隔膜處理廢棄鉆井液的過濾能力,證實可應(yīng)用帶膜濾系統(tǒng)的工程設(shè)計來減輕過濾廢棄物中的沉積固相時膜濾技術(shù)所面臨的傳統(tǒng)難題。重要的是認(rèn)識到,要實現(xiàn)對水基廢棄鉆井液的重復(fù)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(jié)果顯示,膜濾處理后的廢棄鉆井液體積可減少約60%,除重復(fù)利用分離水外還具有很多優(yōu)勢,如減少鉆井作業(yè)時的占地面積。隨著膜濾處理技術(shù)的提高,在設(shè)計階段,可以將鉆井液池設(shè)計得相當(dāng)小,減少鉆井作業(yè)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(jìn)一步減少占地面積和費用。廢棄鉆井液濃縮后節(jié)省了大量費用,包括運輸費用和購買淡水的費用,尤其是當(dāng)廢棄物數(shù)量較少時,這種處理技術(shù)的可行性提高。

處理的第一步是提供足夠重復(fù)使用的水源,促進(jìn)鉆井作業(yè)時水的“內(nèi)部”重復(fù)使用。隔膜滲濾分離出的水可用于鉆井作業(yè),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(jī)以及其他對水質(zhì)不作要求或要求低的用途。

膜濾系統(tǒng)在國外已應(yīng)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(jīng)濟(jì)效益。與鉆井作業(yè)的相關(guān)費用相比,膜濾系統(tǒng)的初始投資適中。難點在于設(shè)計和開發(fā)出一套系統(tǒng),能夠很好地融合進(jìn)鉆井中而不中斷鉆井作業(yè)。目前仍在繼續(xù)研究不同參數(shù)下的膜濾效果、系統(tǒng)部件和流變參數(shù)對過濾效果的影響以及實用設(shè)計,目的在于確保該系統(tǒng)具有較長的使用壽命、易于操作且具有經(jīng)濟(jì)效益。

膜分離技術(shù)在環(huán)境工程特別是工業(yè)污水處理中的應(yīng)用已被證實卓有成效,但該技術(shù)的研究在我國還剛剛起步。隨著人們環(huán)境意識的增強,將越來越重視工業(yè)廢棄物的處理,該技術(shù)將促進(jìn)我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)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(yīng)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(fā)中有所突破,并對螺旋纏繞膜等技術(shù)展開研究,找出最適合油田需要的膜類型。

考慮到日益嚴(yán)格的法規(guī)及環(huán)境要求,今后石油與天然氣工業(yè)將致力于減少各種作業(yè)對環(huán)境的影響,優(yōu)化資源的使用。膜濾處理技術(shù)具有雙重優(yōu)勢:一是通過回收優(yōu)化使用水資源;二是節(jié)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(yè)對環(huán)境的影響。因此,廢棄鉆井液膜濾處理技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。

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2009-09-17)