鉆井廢水廢氣同步消減新技術及現(xiàn)場示范

朱德浩 周勇 夏素蘭 夏小全 向啟貴 易暢 凌立蘇

1.四川大學化工學院 2.中國石油西南油氣田公司工程技術監(jiān)督中心3.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術監(jiān)督研究院 4.中國石油新疆油田公司勘探公司

鉆井廢水廢氣同步消減新技術及現(xiàn)場示范

朱德浩1周勇1夏素蘭1夏小全2向啟貴3易暢3凌立蘇4

1.四川大學化工學院 2.中國石油西南油氣田公司工程技術監(jiān)督中心3.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術監(jiān)督研究院 4.中國石油新疆油田公司勘探公司

鉆井廢水、鉆井柴油機廢氣污染物和排氣噪聲是石油天然氣鉆探作業(yè)環(huán)境保護的主要治理對象。根據(jù)熱力學原理和氣液動量、熱量、質量傳遞相變機理,研發(fā)了鉆井廢水廢氣同步消減新技術。其技術原理為:鉆井廢水與柴油機廢氣兩相流直接接觸傳熱傳質,廢氣余熱消減廢水,廢水吸收廢氣煙塵同時使廢氣降溫降噪減阻,替代柴油機排氣消聲器。為此,設計了與鉆井190型渦輪增壓柴油機配套的ST系列廢水廢氣現(xiàn)場同步處理示范裝置,并在四川龍崗和新疆克拉瑪依等多種地質結構的油氣鉆井現(xiàn)場實施。結果表明,單臺810 kW柴油機1 200 r/min工況下平均消減廢水能力為0.538 m3/h,廢氣煙塵基本消除,降噪效果比消聲器提高4.2%～23.7%(倍頻帶)而背壓降低70%以上,柴油機功率損失比減少1%。實踐證明,該技術改變了鉆井廢水末端治理的現(xiàn)狀,以源頭治理方式實現(xiàn)鉆井現(xiàn)場廢水不加藥、不外排、不轉運,為提高鉆探作業(yè)環(huán)保水平提供了可靠的技術保障,對建立石油天然氣鉆探清潔生產(chǎn)體系具有重要意義,并可以大幅度減少鉆井現(xiàn)場廢水池征地和基建投資,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。

鉆井廢水 柴油機廢氣 同步處理 源頭治理 環(huán)境保護 節(jié)能減排

0 引言

世界各國對石油天然氣鉆采環(huán)保采取越來越嚴格的措施,歐洲北海油氣田、科威特大布爾甘油田和美國馬塞勒斯頁巖氣田等不同國家與類型油氣鉆采廢水管理均傾向于零排放和循環(huán)利用,規(guī)避環(huán)境風險[1-3]。我國鉆井廢水處理技術近10年來有很大進展,但仍以末端治理、達標排放為主[4-6]。為適應我國日益嚴格的環(huán)保法規(guī)和公眾的環(huán)保要求,石油行業(yè)“十一五”規(guī)劃提出了增產(chǎn)不增污,建立環(huán)境友好石油天然氣鉆采清潔生產(chǎn)體系的任務[7]。

四川大學承擔國家“863”計劃課題對鉆井廢水源頭治理技術進行系統(tǒng)研究,與廣漢欣欣實業(yè)有限公司共同開發(fā)了鉆井廢水廢氣同步消減新技術及成套橇裝設備[8]。本文基于在四川龍崗和新疆克拉瑪依等多種地質結構的油氣鉆井現(xiàn)場示范應用中積累的原始資料,介紹該技術的原理、設計要點、現(xiàn)場實施效果及其產(chǎn)生的環(huán)境與經(jīng)濟效益。

1 技術原理與設計要點

1.1 廢水廢氣同步消減原理與流程

根據(jù)氣液兩相流直接接觸傳熱傳質等焓過程原理[9],設柴油機排氣溫度(t)、濕含量(H)、比熱(Cp),與廢水傳熱傳質達到飽和溫度(ts)、飽和濕含量(Hs),廢水汽化熱(γ),則單位質量廢氣飽和增濕量理論值為:

按上式繪制的t—Δw和t—ts曲線見圖1。

由t—Δw曲線可見,廢氣飽和增濕量與柴油機排氣溫度呈線性關系,在240～450℃的排氣溫區(qū)Δw變化范圍為0.084～0.175(kg/kg廢氣),增長約1倍。190型渦輪增壓柴油機額定工況(810 kW)排氣量Q= 5 275 kg/h,排氣溫度 t=330℃,對應Δw=0.123 (kg/kg廢氣),則排氣消減廢水量理論值為:

圖1 鉆井廢水廢氣兩相流傳熱傳質飽和曲線圖

對應的廢熱回收與柴油機輸出軸功率之比為:

圖1的t—ts曲線還提供了與柴油機排氣溫度(t)相對應的飽和溫度(ts),若實測同步處理后廢氣溫度下降到tout,則根據(jù)式(3)定義的設備運行效率可判斷運行狀態(tài),一般應在90%～98%范圍。

本技術原理流程如圖2所示。廢水池來的原水與柴油機廢氣逆流進入設備,氣—液兩相交叉流傳熱傳質,廢水蒸發(fā)濃縮,廢氣降溫增濕且所含煙塵等有害物質被廢水吸收排往沉積池。

圖2 鉆井廢水廢氣同步消減技術原理流程圖

1.2 降噪與減阻設計要點

上述過程同步產(chǎn)生排氣降噪減阻功能,可替代消聲器并減少柴油機功率損失。研究顯示[10],額定工況下190型渦輪增壓柴油機排氣消聲器阻力損失為2.3～2.5 kPa,其功率損失比為1.6%～4.0%。本技術利用廢水廢氣同步消減裝置氣—液傳熱傳質表面吸波、氣體體積收縮和流道結構自振頻率低等效應,可有效降低排氣噪聲(尤其是高頻)。這種內(nèi)源式降噪機理可使消聲阻力降至原有消聲器的1/3～1/4,即小于或等于0.8 kPa,柴油機功率損失比減小至少1%。設計依據(jù)流體阻力計算公式[8]:

通過結構優(yōu)化,獲得保證Δp≤0.8 kPa的參數(shù)如下:

阻力系數(shù)λ為0.02～0.03;

廢氣表觀流速u≤12 m/s;

裝置附屬直管長度L≤20 m;

裝置內(nèi)部阻力當量長度 ∑Le≤40 m;

裝置流道當量直徑 de≥0.3 m。

其中,∑Le是氣—液兩相交叉流流道局部阻力的總和,當量直徑 de按非圓型截面流道定義:

按此設計的ST系列鉆井廢水廢氣同步處理裝置,柴油機配帶后現(xiàn)場實測排氣背壓均低于0.8 kPa。

2 現(xiàn)場示范運行效果

圖3是ST-A型裝置(單機配帶)在LG17井現(xiàn)場對比試驗運行實況,圖4是ST-C型裝置(三機配帶)在合川001-6-X3井現(xiàn)場安裝實況,均隨鉆井全周期同步運行,取得了廢水源頭治理和廢氣消煙、降溫降噪的良好效果。

圖3 ST-A型裝置現(xiàn)場驗證試驗圖(LG17井)

圖4 ST-C型裝置安裝現(xiàn)場圖(合川001-6-X3井)

2.1 廢水消減量

2008年6月LG17井3#柴油機配帶ST-A型廢水廢氣同步消減裝置(圖3)替代排氣消聲器,與2#機對比進行驗證試驗。鉆井隊按慣例輪換使用3臺柴油機,劃眼、鉆進、起下鉆及啟動、停車等不同階段全程運行驗證了實驗機運行平穩(wěn)。記錄(表1)顯示,3#機累計運行46.2 h(劃眼7 h、鉆進39.2 h),ST-A型裝置消減廢水累計量23.9 m3,平均消減能力為0.517 m3/ h。鉆進階段柴油機轉速1 200 r/m in,平均消減廢水0.538 m3/h;劃眼階段柴油機轉速900 r/min,平均消減廢水0.40 m3/h。

表1 LG17井ST-A型鉆井廢水廢氣同步處理裝置運行記錄表(2008年6月)

2009年10～11月合川001-6-X3井(井深2 476 m) 3臺鉆井柴油機配帶ST-C型廢水廢氣同步消減裝置,鉆井全程井場產(chǎn)生廢水量201 m3,本技術消減廢水量187 m3,廢水池僅剩余14 m3。

2.2 減阻與降噪效果

LG17井3#機配帶ST-A型廢水廢氣同步消減裝置與2#機對比,排氣背壓(表1)與噪聲(表2)同步下降。鉆進工況為柴油機轉速1 200 r/min,2#機排氣背壓實測值2.3～2.5 kPa,3#機僅660 Pa,降低70%以上。該工況下按噪聲監(jiān)測規(guī)范在3個方位分別檢測單開3#機和單開2#機的噪聲頻譜(表2),3#機倍頻帶消聲效果均優(yōu)于2#機,2 k Hz以上高頻段降噪效果更明顯,4 k Hz降幅達最大值-23.7%。

3 環(huán)境效益與經(jīng)濟效益

鉆井廢水廢氣同步消減技術具有源頭消減廢水和柴油機排氣污染物、消聲降噪減阻和減少柴油機功率損耗等多方面效益。本文僅以鉆井廢水源頭治理效果分析其環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

3.1 廢水源頭治理、提高環(huán)保水平

該技術回收利用柴油機排氣廢熱消減鉆井廢水,不外加任何物質與能量,與化學處理或外運、回注等方法相比,具有如下顯著優(yōu)勢:

1)廢水消減與鉆井作業(yè)同步進行日集日清。

2)單機實測平均消減鉆井廢水0.517 m3/h,即平均12.4 m3/d(24 h),大于目前井場鉆井廢水產(chǎn)生量,可以確保廢水不外排、不外運、不累積,進行源頭治理。

由此可見本技術環(huán)境效益顯著,尤其對既不具備廢水回注條件、又不便于長距離運輸?shù)你@井作業(yè)區(qū)建立廢水零排放清潔生產(chǎn)體系具有重大意義。

3.2 減少征地、降低成本

以LG氣田5 000～6 000 m深井為例,目前三廢池總池容約2 500 m3(廢水池約占50%),征地及基建投資約80萬元。鉆井作業(yè)期120～150 d,產(chǎn)生廢水總量900～1 200 m3。原有處理方法是部分外運集中處理,部分在現(xiàn)場隨廢漿廢渣固化,平均處理成本超過200元/m3。以上合計單井費用超過100萬元。

本技術裝置設計使用年限5年,單井攤銷費用低于10萬元,且處理過程不加藥,運行管理費顯著低于其他方法。該技術可以保障鉆井廢水日集日清,廢水池功能僅為短周期循環(huán),可使其總容積縮減1/3,從而大幅度減少井場征地與基建投資。由此,采用本技術對鉆井廢水進行源頭治理,與現(xiàn)有技術相比可以節(jié)約成本30%～50%,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。

4 結論

1)利用柴油機排氣廢熱消減鉆井廢水,190型鉆井柴油機單機在額定工況(1 300 r/min)下消減廢水理論值為649 kg/h、實測值(1 200 r/min)為538 kg/ h,并且消減排氣煙塵。

2)鉆井廢水廢氣同步消減裝置的降噪功能比原有柴油機排氣消聲器提高4.2%～23.7%,同時使排氣背壓降低70%以上,功率損失比減小至少1%。

3)鉆井現(xiàn)場示范運行結果表明,該技術實現(xiàn)了鉆井廢水源頭治理,對不具備回注條件、不便于長距離運輸?shù)你@井作業(yè)區(qū)建立廢水零排放清潔生產(chǎn)體系意義重大。

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[9]《化學工程手冊》編輯委員會.化學工程手冊:第4卷[M].北京:化學工業(yè)出版社,1989:15-30.

[10]鄭鄖.低能耗低成本排氣消聲器的研制[J].環(huán)境工程, 2000,18(3):39-41.

Novel technology and pilot demonstration for simultaneousabatement of dr illing wastewater and diesel exhausts

Zhu Dehao1,Zhou Yong1,Xia Sulan1,Xia Xiaoquan2,Xiang Qigui3,Yi Chang3,Ling Lisu4
(1.College of Chem ica l Engineering,Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610065,China;2.Engineering &Technology Supervision Centre,PetroChina Southw est Oil&Gasfield Com pany,Chengdu,Sichuan 610213,China;3.Q HSE Inspection Research Institute,PetroChina Southw est Oil&Gasf ield Com pany, Chengdu,Sichuan 610213,China;4.Exp loration Com pany,Kram ay Oilfield Com pany,PetroChina,Kram ay,Xinjiang 854000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 6,pp.113-116,6/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Drilling wastewater,waste gas and exhaust noises p roduced by the diesel engines are the main pollutants w hich must be controlled more and mo re strictly in oil and gas drilling fields.A novel technology was developed fo r simultaneous abatementof drilling w astewater and diesel exhausts based on the thermodynamic p rincip les of direct contact heat and mass transfer between the two phases.The w astewater is reduced through evaporation caused by waste heat released from the diesel exhausts w hile the soot dust and some soluble hazards are absorbed into the wastewater simultaneously.Moreover,this p rocess considerably reduces exhaust noise with much lower flow resistance compared w ith traditionalmufflers.A ST-series of simultaneous treatment demonstration device were designed to be equipped w ith the turbocharged diesel engine and were tested on site at severaloil and gas drilling fields such as the Longgang Gas Field in the northeastern Sichuan Basin and the Karamay Oil Field in Xinjiang.The results showed that the wastewater abatement capacity of the equipment is averagely 0.538 m3/h w hen a 810 kW diesel engine wo rks at 1200 r/min,w hile the performance of exhaust noise reduction is increased by 4.2%- 23.7%and the flow resistance is decreased by more than 70% compared w ith the traditionalmufflers.In addition,the diesel power loss isalso reduced by 1%.This innovated technology has been p roved successful in replacement of traditional end treatment of pollutants w ith a novel concep t of abatement in situ.Therefo re,the technology is very p romising to p lay a key role in establishing a reliable system of waste treatment on-site to suppo rt eco-f riendly p roduction of oil and gas,saving considerable cost in waste treatment,thus,achieving significant economic,environmental and social benefits.

drilling wastewater,diesel exhausts,simultaneous treatment,abatement in situ,environment p rotection,energy saving and pollutant reduction

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(編號:2009AA 05Z204)。

應用項目:中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司項目(編號:XNS16JS2009-018)。

朱德浩,1987年生,助理工程師;畢業(yè)于北京航空航天大學;主要從事發(fā)動機與熱能綜合利用技術開發(fā)工作。地址: (610065)四川省成都市武侯區(qū)四川大學化工學院。電話:(028)85408116,13699496803。E-mail:dehaozhu@sina.com

朱德浩等.鉆井廢水廢氣同步消減新技術及現(xiàn)場示范.天然氣工業(yè),2010,30(6):113-116.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.031

2010-02-12 編輯 趙 勤)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.031

Zhu Dehao,assistant engineer,was bo rn in 1987.He graduated from Beijing University of Aeronautics&Astronautics and ismainly engaged in moto rs and thermal energy integrated utilization technology development.

Add:Wuhou District,Chengdu,Sichuan 610065,P.R.China

Tel:+86-28-8540 8116 Mobile:+86-13699496803E-mail:dehaozhu@sina.com