巖屑環(huán)保過濾分離設(shè)備的選擇及其運維管理的研究與思考*

李 翔 石 烜

(1. 中海石油(中國)有限公司質(zhì)量健康安全環(huán)保部；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司)

巖屑環(huán)保過濾分離設(shè)備的選擇及其運維管理的研究與思考*

李 翔**1石 烜2

(1. 中海石油(中國)有限公司質(zhì)量健康安全環(huán)保部；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司)

根據(jù)對巖屑過濾分離與環(huán)保處置的實踐，從過濾分離理論出發(fā)研究了處置方案制定及其設(shè)備選擇，重點分析了在實際工程中由于環(huán)保政策的變化、現(xiàn)場資源配置等問題所導(dǎo)致的不確定性；以環(huán)保處置最終達標為出發(fā)點，提出處置設(shè)備方案及其控制模型，對于指導(dǎo)巖屑處置工程設(shè)備選型和裝備管理有一定的指導(dǎo)意義。

鉆井巖屑 固液分離 油水分離 環(huán)保處置

隨著新《環(huán)境保護法》及配套的標準、法規(guī)、規(guī)范的頒布實施，政府監(jiān)管要求日益嚴格，行政許可前置要求變化，污染環(huán)境入罪標準降低，企業(yè)環(huán)保主體責(zé)任強化，公眾媒體和NGO(非政府組織)影響力加強，對于環(huán)保事故事件高度敏感。而在野外開展油氣勘探開發(fā)過程中，由于地質(zhì)條件以及鉆完井工程本身的復(fù)雜多變，加之野外資源條件匱乏，模塊化的鉆完井裝備可調(diào)性差等多種因素的影響，導(dǎo)致鉆完井作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境保護的措施有限。

就鉆完井作業(yè)過程的環(huán)境保護問題，最為敏感的是為作為危廢鉆屑的環(huán)保處置，目前對于石油領(lǐng)域危廢產(chǎn)生物的鉆屑，主要是以處理后最終含油率低于1%作為合規(guī)的標準。從這點上來看油基鉆井液的環(huán)保處置難度明顯大于水基鉆井液。目前頁巖段的大位移水平井鉆進過程中普遍采用油基鉆井液體系，并且多采用加入聚合物等添加劑以改善鉆井液性能，這也導(dǎo)致后期環(huán)保處置工況的難度。隨著頁巖氣大規(guī)模開發(fā)和老油田后期各類調(diào)整井作業(yè)量的增大，以及環(huán)保政策的嚴格，越來越需要在現(xiàn)場做到鉆井液及時連續(xù)的回用及環(huán)保處置，因此環(huán)保責(zé)任單位急需探索出一套既經(jīng)濟又有時效的可行性方案判斷方法。

1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國外技術(shù)現(xiàn)狀

近十年來，國際上就巖屑處置的環(huán)保要求日益提高，英國從1997年起要求海上鉆井鉆屑的含油量低于1%才能排海；陸上鉆井巖屑需要分離到含油率低于1%才能達標[1]。最為嚴格的是荷蘭，對廢油基鉆井液實行零排放(禁止排放)，含油鉆屑必須通過生物毒性試驗，證實無毒無害后才能排放。從2000年開始，發(fā)達國家普遍提升了環(huán)保法規(guī)要求，美國規(guī)定鉆屑中總石油烴(TPH)質(zhì)量百分數(shù)低于1%才能排放[2]。

目前屬于斯倫貝謝的MI-SWACO公司的油基鉆屑處置技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，2000年初研制出密閉式鉆屑脫液離心機配合高分離因數(shù)的螺旋離心機，完成了封閉式鉆完井固相控制循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建，初步實現(xiàn)了油基鉆屑的在線連續(xù)處理，減少新油基鉆井液的投用[3]。但隨著鉆遇不同地層，巖屑物料性質(zhì)變化很大，這種機械分離的工藝方式，并不能保障連續(xù)處理過程的處理效果一致性。為此，國外又開發(fā)了熱脫附技術(shù)，利用加熱蒸發(fā)油相的工藝，使最終固相油含量低于1%。2000年Brandt公司的第一套巖屑熱脫附裝置開始為BP公司的哥倫比亞項目服務(wù)[4]，但它需要消耗大量熱能而且并不能實現(xiàn)油基回用的經(jīng)濟目標。2010年后，美國與加拿大新工藝先采用機械固液分離對物料進行減量化處置，然后使用堆肥工藝，通過生物降解將固相的含油率降低到1%以下，實現(xiàn)巖屑環(huán)保處置整體的經(jīng)濟性。

1.2 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)巖屑主要處置方式為臨時堆放在污油池，然后運送到固廢場所統(tǒng)一處理。固廢場所首先對物料進行污油水處理或回收，然后統(tǒng)一對固體廢棄物進行固化，最終填埋或堆渣場集中存放。對于環(huán)境敏感區(qū)的固廢均是運至處理場集中處理，實現(xiàn)無害化處理和資源化利用。主要的固化法是向廢棄巖屑中加入固化劑，這種方式不能將有效成分回用，且增加了固廢物總量，后期填埋滲濾液處置環(huán)保風(fēng)險也很大。

在鉆完井現(xiàn)場普遍采用現(xiàn)場處理，通過合理的固控流程，在現(xiàn)場實現(xiàn)有效固液分離，固相運離井場后再集中進行無害化處理。但各鉆完井工程所處理的巖屑性質(zhì)都不相同，所以鉆完井工程巖屑處置均是以項目的方式開展。

2 巖屑環(huán)保處置與固液分離原理

鉆完井工程的巖屑處置具有小批量多批次的特點，從環(huán)保處置項目的角度出發(fā)，方案制定首先應(yīng)從最終污染物排放要求出發(fā)，然后結(jié)合處理物料的特性落實固液分離工藝，最后才能給出滿足實施條件的整體處置方案。

2.1 最終污染物要求

油氣開發(fā)項目方案是以經(jīng)濟性為原則的，而巖屑的環(huán)保處置是按合規(guī)性要求開展的。這就要求每個環(huán)保處置步驟應(yīng)當(dāng)達到其設(shè)定的指標要求，才能避免各階段工藝的反復(fù)再處置，并且不影響鉆完井主工藝流程的執(zhí)行，以此滿足環(huán)保法規(guī)限時達標處置的要求。

目前國際上有兩種巖屑最終污染物處置方法，即填埋法和資源化利用法，這兩種方法對最終污染物的各項指標要求不同，所以需要在方案階段即明確資源化的具體目標及其檢驗檢測標準，才能確定前序固液分離工藝的具體要求和可行的整體處置方案。

2.2 污染物固液過濾分離機理

按照最終污染物的環(huán)保處置要求，必然是要采用過濾或分離的方法，對固液兩相(或三相)進行分離，最大限度地將有害污染物體量減少。

固液過濾分離的基礎(chǔ)是從過濾理論中的Kozeny-Carman和D.K.Zeitsch方程得出的。

Kozeny-Carman方程：

(1)

式中K″——柯靜常數(shù)；

L——濾餅厚度；

Sp——固體顆粒比表面積；

μ——液體粘度；

ε——濾餅孔隙率。

式(1)中濾餅孔隙率和濾餅厚度隨操作壓力和時間長短而變。濾餅孔隙率、固體顆粒比表面積、柯靜常數(shù)必須由實測才能得到。柯靜常數(shù)在固定的顆粒床層或低速移動的顆粒床層取值為3，在沉降或高速移動的顆粒床層取值為3.36[5]；固體顆?？梢愿鶕?jù)顆粒數(shù)量和分布計算出來[5]。

目前鉆完井工程常用振動篩以及螺旋離心機等離心沉降裝備開展在線的固液分離，有關(guān)沉降離心機濾液量Q可以根據(jù)D.K.Zeitsch公式來求得：

(2)

式中Rm——過濾介質(zhì)阻力；

r1——濾面內(nèi)半徑；

r3、r2——濾餅內(nèi)、外半徑；

αav——濾餅平均比阻；

ε——濾餅孔隙率；

ρ——液體密度；

ρs——固相密度；

ω——轉(zhuǎn)鼓角速度。

式(2)中過濾介質(zhì)阻力、濾餅孔隙率及濾餅平均比阻等數(shù)值必須實測得到；濾面內(nèi)半徑在過濾過程中根據(jù)穩(wěn)態(tài)與不穩(wěn)態(tài)也會發(fā)生變化。而且它們都是過濾分離時間和操作參數(shù)(如進料濃度、操作壓力等)的函數(shù)，所以固液兩相的過濾與分離是一門實踐性很強的科學(xué)，因此一定要重視實測與試驗放大，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展(包括在線測量儀器及測試技術(shù)的提高和液固兩相混合物料過濾與分離過程計算機仿真水平的提高)是能得到圓滿解決的。

非均相的過濾與分離過程千變?nèi)f化，濾餅平均比阻及濾餅孔隙率等重要參數(shù)的時間規(guī)律十分復(fù)雜，特別是液固兩相的分離過程受宏觀流體和顆粒微觀物化因素的影響，呈現(xiàn)復(fù)雜過程。宏觀流體力學(xué)角度主要有物料特性、固相壓實程度、過濾分離推動力、物料濃度及粘度等因素；微觀物化考慮毛細現(xiàn)象、分子吸引力、電動現(xiàn)象、聚團現(xiàn)象、物理及化學(xué)吸附等因素。具體的工藝過程還需要考慮宏觀與微觀的關(guān)聯(lián)影響。在工程實際運用過程中，需要輔助以定期的檢測工作，才能較準確地度量過濾速率的發(fā)展變化。

固液兩相的過濾與分離是一門實踐性很強的學(xué)科。一般經(jīng)驗是，可行性方案階段能夠得到的處理量只能供參考，必須進行中試與放大試驗，需要測定的指標有固、水、油的質(zhì)量百分比，固相顆粒真密度，固、水、油的密度差，顆粒粒徑，粒度分布，顆粒形態(tài)，液相粘度，固液兩相混合粘度，物料pH值，顆粒ζ電位以及兩相間界面表面張力等。

Rushton推薦給出了如圖1所示的分離設(shè)備選型參考圖[5,6]，根據(jù)物料濃度和平均粒徑大小選擇分離設(shè)備。

鉆完井過程的巖屑來自不同地層，其顆粒粒度分布隨著井段的不同而不同，其組分粘度等關(guān)鍵的性能指標復(fù)雜多變，只有充分考慮了這些復(fù)雜不確定性因素，才能確實做好分離裝備的選型工作，進而提高所設(shè)計的過濾分離流程抗物料波動的能力。

圖1 顆粒粒度、濃度及其相應(yīng)可選的分離設(shè)備

2.3 分離設(shè)備選型原則

在最大限度落實過濾分離流程抗物料波動能力的基礎(chǔ)上，設(shè)備的選型還需要滿足經(jīng)濟性原則，根據(jù)多年實踐經(jīng)驗，運用生化技術(shù)實現(xiàn)最終石油烴降解達標是巖屑環(huán)保達標處置最經(jīng)濟的方式。

2.3.1處置工藝組合

巖屑分離處置的工藝由固液分離、水處理、生化降解和填埋4個工藝段組成[7]。而在可行性方案階段難度最高的為固液分離工藝，其產(chǎn)出物水平直接影響后續(xù)工藝效果與效率。在實際工程運用過程中，由于物料性質(zhì)的差異性，4個工藝段的復(fù)雜程度各不相同。如圖2所示為筆者所在單位巖屑處理工藝總圖，該工藝總圖基本涵蓋巖屑達標處置過程中各種可能的工藝，也考慮了實際工況下各種潛在的不確定性因素，進而能夠在實際運用過程中，通過各種工藝的組合最終實現(xiàn)污染物的達標處置。

圖2 巖屑處理通用工藝組合

2.3.2固液分離工藝

巖屑處置的首段工藝為固液分離，該工藝段制約著整體巖屑處置的效率與效果，目前固液分離多采用離心沉降分離進行，而可行性方案最關(guān)注的是生產(chǎn)能力和分離精度，目前通用的是通過Stokes定律的Σ理論得到一個基本數(shù)值：

Q=vgΣ

(3)

其中vg為固體顆粒的重力沉降速度，Σ為當(dāng)量沉降面積，是沉降離心機的生產(chǎn)能力指標，它是包含沉降離心機的幾何尺寸、工作轉(zhuǎn)速和相關(guān)系數(shù)的函數(shù)。

一般待處理巖屑的懸浮液固體顆粒粒度是多分散性的，粒度最小的顆粒沉降速度最小，是分離效果的控制因素，這種細微粒子的沉降流態(tài)絕大多數(shù)為層流狀態(tài)，故計算顆粒沉降所需時間按斯托克斯沉降速度公式：

(4)

式中d——顆粒直徑，m；

Δρ——固、液相密度差，kg/m3；

μ——液相粘度，kg/(m·s)。

對于錐形轉(zhuǎn)鼓的沉降離心機，Σ計算式為：

(5)

式中k0——系數(shù)；

L——轉(zhuǎn)鼓有效長度,m；

R——轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑，m；

ω——轉(zhuǎn)鼓角速度，1/s。

可以看出，沉降離心機的生產(chǎn)能力取決于物料性質(zhì)和離心機的技術(shù)參數(shù)。實際生產(chǎn)表明，用式(3)計算所得的生產(chǎn)能力值比實際值偏大，建議用計算式為：

Q=ξvgΣ

(6)

ξ為修正系數(shù)，對于螺旋卸料沉降離心機：

(7)

式中b——螺旋葉片間流道寬度，m；

h——液層深度，h=R-R0，m；

Rm——液層平均半徑，Rm=(R+R0)/2，m；

υ——液體運動粘度，υ=μ/ρ1，m2/s。

就沉降離心機中澄清型分離機通過實驗得到的修正系數(shù)ξ范圍可為0.5～0.7[8]。目前能計算的只是生產(chǎn)能力大小，不能反映分離精度。沉降離心機生產(chǎn)能力計算結(jié)果與實際還有一定距離。

3 巖屑環(huán)保處置核心要素

通過對污染物固液過濾分離機理以及裝備選型的研究，認為提高分離設(shè)備的抗物料波動性和制定環(huán)保處置方案過程中，考慮各種不確定性因素是保障最終污染物達標處置的必要條件。

3.1 設(shè)備選型的原則

為了提高分離設(shè)備的抗物料波動性，筆者提出了如圖3所示的多層次保障體系以提高分離系統(tǒng)對于不確定性物料的抗沖擊性：每個層次都是為提高上一層次的抗沖擊能力而設(shè)立，即通過下層來保障上層的穩(wěn)定性：每層向下否決，即如果下一層不能實現(xiàn)上一層抗不確定性物料的沖擊，該層次應(yīng)當(dāng)重新設(shè)置，如果確實不能實現(xiàn)，即需要向上協(xié)調(diào)重新考慮上一層次的設(shè)置。通過這個管理原則，能夠最大限度地保障整體巖屑分離與處置系統(tǒng)整體的抗物料的波動性。

圖3 巖屑分離與處置管理原則

3.2 固液分離工藝質(zhì)量保障

理論上，固液分離工藝屬于實踐性很強的實驗科學(xué)，所以巖屑處置的工況控制應(yīng)通過中試進行驗證后才能進行實際的工程應(yīng)用，并且要在中試過程中對分離工藝各項物性指標和顆粒特性進行檢測與檢驗，以此建立實際應(yīng)用過程的指標控制體系，制定出現(xiàn)場的作業(yè)指導(dǎo)書。

作業(yè)指導(dǎo)書需包括固液分離工藝的質(zhì)量保障體系，保障體系包括指標體系所要求的各項實驗，進而有計劃地檢定物料特性和顆粒狀態(tài)，保障工藝操作的有效性。

4 方案制定過程的思考

4.1 資料完整性

對于巖屑處置，資料的完整性是通過前期現(xiàn)場勘察公司進行落實的，如果勘察公司提供的物料總量和物料性質(zhì)報告書與現(xiàn)場實際情況不符，將直接影響工作量，并且還會因裝備能力不足導(dǎo)致項目失敗。資料完整性還應(yīng)包括巖屑池的其他固體垃圾以及長期存儲后物性變化等其他情況。

巖屑污染物環(huán)保處置是要求考慮未來可能發(fā)生的政策變化的影響，所以環(huán)保責(zé)任方在油基鉆井液處置中，都需要對固相凈化后永久性處理、油相凈化后再使用、水凈化后循環(huán)或達標排放。以此規(guī)避環(huán)保法律風(fēng)險。基于過濾與分離屬于實驗科學(xué)的基本特征，巖屑處置的各項技術(shù)需要經(jīng)過小試與中試，才能確定能否在現(xiàn)場實現(xiàn)其分離的要求。小試與中試的資料完整性也是方案制定的核心依據(jù)。

4.2 核心工藝的難點

巖屑的環(huán)保處置的難點是如何優(yōu)化前段工藝使其能夠滿足后續(xù)各工藝段的達標處置，以及處置過程中不產(chǎn)生其他不可控的環(huán)境污染。

巖屑處理的首段固液分離工藝通常為機械分離方式，需要有詳盡的整機調(diào)試大綱以及調(diào)試實驗才能支持整體工藝方案的定制工作。在整體工藝過程中，水處理通常成為處理效率的瓶頸，該段工藝要有相應(yīng)的緩沖容量才能保證整個流程的連續(xù)性。

設(shè)計理念要與最新環(huán)保要求一致，且各類環(huán)保處置的方式方法均要通過中試實驗的驗證；處置設(shè)備的選型以抗物料波動能力為主，應(yīng)當(dāng)建立符合自身條件的操作過程管理，并落實核心工藝的技術(shù)指標控制體系；處置工藝的拆分應(yīng)以在線監(jiān)測與檢測為依據(jù)，以此實現(xiàn)工藝指標的管理。

5 結(jié)束語

目前國際上正在開發(fā)與鉆機整體系統(tǒng)完全配套的油基巖屑在線處理裝備系統(tǒng)，但在實際運用過程中，由于地層的復(fù)雜情況，鉆完井主體作業(yè)可變性大，巖屑處置的上游鉆完井操作為不可控工藝，面對這些不確定性因素，需要在工藝流程與控制上有所創(chuàng)新。目前國內(nèi)就高黏度可壓縮物料的濾餅過濾已經(jīng)開始采用數(shù)據(jù)驅(qū)動算法來替代大量實驗進行預(yù)測，并能主動實現(xiàn)工藝條件波動的有效應(yīng)變，如果能夠運用在巖屑連續(xù)分離與處理的工程，對工程的技術(shù)水平與質(zhì)量提高會有創(chuàng)新和促進。

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(1.QHSEDepartment,CNOOC(China)Co.,Ltd.,Tianjin300051,China; 2.Environment&SafetyCo.,CNOOCEnergyDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300051,China)

Basing on the theory of filtering separation and the practice of separating rock debris environment-friendly and treatment thereof, the formulation of disposal method for the rock debris and selecting its filtration device were discussed; and the emphasis was given to analyzing the uncertainty incurred by changes in environmental policies and resource allocation. Starting with making rock debris treatment up to the environmental protection standards, the scheme of selecting proper filtration device and its control model was proposed.

debris in drilling, solid-liquid separation, oil-water separation, environmental disposal

**李 翔，男，1961年7月生，高級工程師。天津市，300051。

TQ028

A

0254-6094(2016)04-0429-06

2015-11-09)

StudyonSelectionandOperationandMaintenanceManagementofEnvironment-friendlyFiltrationDeviceforRockDebrisLI Xiang1, SHI Xuan2