連續(xù)管洗井液循環(huán)處理裝置的研制及應(yīng)用*

胡志強(qiáng) 魯明春 伍遠(yuǎn)平 楊曉峰 劉凱文 蒲曉莉 王志東

(1.中石油江漢機(jī)械研究所有限公司 2.青海油田鉆采工藝研究院 3.長(zhǎng)慶油田物資采購(gòu)管理部)

0 引 言

隨著國(guó)家油氣資源開發(fā)逐步深入，部分油田進(jìn)入開采中后期，油藏儲(chǔ)層壓力不斷下降，難以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的開發(fā)目標(biāo)。通過注水補(bǔ)充和保持地層能量，“水驅(qū)油”提高采油效率是目前各大油田通用的開采手段。在這個(gè)過程中，由于注水水質(zhì)、溫度、壓力和pH值等諸多因素導(dǎo)致井下油管結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致注水或生產(chǎn)壓力下降，效率降低，甚至直接出現(xiàn)地層堵塞[1]。

連續(xù)管技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)勢(shì)，在洗井除垢作業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模日益增大[2-6]，2017年僅青海油田年作業(yè)量達(dá)到400井次以上。同常規(guī)洗井除垢作業(yè)一樣，連續(xù)管洗井除垢作業(yè)存在作業(yè)耗水量多、井口返排污水處理難度大的問題。平均一口注水井進(jìn)行除垢作業(yè)需要清水3罐車(約80 m3)，產(chǎn)生污水3～4罐車(75～105 m3)，污水需要拉回處理站進(jìn)行集中處理。在這個(gè)過程中存在成本高、配套設(shè)備需求多以及環(huán)保壓力大等一系列問題。而現(xiàn)有除垢洗井車主要用于常規(guī)洗井除垢作業(yè)，與連續(xù)管作業(yè)不配套，設(shè)備利用率低，影響整體經(jīng)濟(jì)性和作業(yè)效果，連續(xù)管洗井液循環(huán)利用技術(shù)和裝置研究尚處于空白階段[7-8]。

針對(duì)上述問題，筆者基于井口返排污水在線處理和循環(huán)利用基本思路，開發(fā)了連續(xù)管洗井液循環(huán)處理裝置。該裝置在青海油田開展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了減少清水用量，降低作業(yè)成本，減少配套設(shè)備的綜合效果，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 技術(shù)分析

1.1 井口返排液組分分析

根據(jù)油水井結(jié)垢機(jī)理，洗井返排液主要包含酸鹽垢、鐵垢、硅垢、有機(jī)垢和油類，為確定在線循環(huán)處理工藝路線，進(jìn)行了返排液現(xiàn)場(chǎng)取樣，測(cè)定了懸浮物和油的質(zhì)量濃度，并進(jìn)行洗井返排液靜置試驗(yàn)，如圖1所示。通過試驗(yàn)測(cè)試，井口返排液懸浮物的質(zhì)量濃度為5 000 mg/L，油的質(zhì)量濃度為150 mg/L，靜置8 h后，懸浮物和油的質(zhì)量濃度分別為127和82 mg/L。懸浮物和油均具有一定的分離性能，但自然沉降耗時(shí)長(zhǎng)，且無法滿足油田注水水質(zhì)要求，需要通過過濾來控制油和懸浮物。

圖1 洗井返排液靜置試驗(yàn)Fig.1 Sedimentation test of backflow liquid

1.2 結(jié)構(gòu)

基于井口返排液組分和注水井水質(zhì)要求，研制了連續(xù)管洗井液循環(huán)處理裝置。該裝置主要由控制系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、濃縮系統(tǒng)、加藥和反洗系統(tǒng)等模塊組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.3 工作原理

為滿足洗井液在線處理和循環(huán)利用的要求，處理裝置主要分為過濾、反洗和濃縮3個(gè)相互獨(dú)立的工作流程，具體的工藝流程如圖3所示。

1.3.1 過濾流程

洗井作業(yè)過程中的井口返排液經(jīng)減壓后進(jìn)入纖維束濾床，濾后清水進(jìn)入清水緩沖罐，最終由高壓泵重新注入連續(xù)管，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，為滿足連續(xù)使用要求，纖維束濾床采用一用一備的配置模式。

1.3.2 反洗流程

反洗包含兩個(gè)模塊，一是洗井作業(yè)過程中在線反洗，二是作業(yè)完成后的最終反洗。當(dāng)井口返排液中油/懸浮物含量較高，超過纖維束濾床納污能力時(shí)，通過在線反洗來清洗濾料，提高出水質(zhì)量，確保作業(yè)液滿足循環(huán)利用要求；最終反洗主要用于作業(yè)完成后，避免纖維束濾料所攔截的懸浮物和油在濾床內(nèi)聚結(jié)或凝固，腐蝕濾料而影響下次作業(yè)。為提高反洗效率，縮短時(shí)間，配置了反洗空壓機(jī)，采用了水、氣協(xié)同的反洗模式。

1.3.3 濃縮流程

為實(shí)現(xiàn)不落地處理要求，對(duì)反洗后的污液進(jìn)行在線濃縮，濾床反洗后的污液進(jìn)入污液罐，通過加藥系統(tǒng)加入絮凝固化藥劑，加速污液混凝。加藥絮凝后的高濃度污液通過螺桿泵加壓后進(jìn)入濃縮裝置實(shí)現(xiàn)固液分離，固相以泥餅的方式排出，液相存儲(chǔ)在濾液箱中，并通過二次過濾實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

最大處理量：300 L/min；整體尺寸(長(zhǎng)×寬×高)：9 000 mm×2 400 mm×2 850 mm；設(shè)備質(zhì)量：12.5 t；裝機(jī)總功率：40 kW；運(yùn)行最大功率：32.5 kW；處理后水質(zhì)：C3級(jí)；泥餅含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)：≤30%。

1—橇座；2—發(fā)電機(jī)；3—濃縮裝置；4—濾液箱；5—螺桿泵；6—濾液泵；7—控制系統(tǒng)；8—污液罐；9—加藥系統(tǒng)；10—纖維束濾床；11—供液泵；12—空氣緩存罐；13—反洗泵；14—空壓機(jī)；15—清水箱。

圖3 工藝流程示意圖Fig.3 Process flow chart

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 纖維束濾床

和常規(guī)核桃殼、活性炭和石英砂等介質(zhì)相比，纖維束濾床具有過濾精度高、濾速塊、納污能力強(qiáng)以及反洗耗水少等系列優(yōu)勢(shì)[9-10]。纖維束一端固定在濾床下部的固定板上，另一端為自由端。在正常過濾流程中，井口返液從頂部進(jìn)液口進(jìn)入濾床，纖維束在自身重力和水流的作用下逐步被壓實(shí)，濾層孔隙減小，對(duì)水中的油和懸浮物進(jìn)行攔截，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)過濾，如圖4a所示；在反洗過程中，清洗液和帶壓空氣從濾床底部出液口進(jìn)入濾床，在水流和氣泡的作用下，纖維束處于疏松和擺動(dòng)狀態(tài)，從而提高反洗效果，如圖4b所示。

1—排氣閥；2—安全閥；3—罐體；4—濾料；5—濾料固定板；6—支腿。

2.2 濃縮裝置

濃縮裝置主要用于高濃度污液的在線濃縮和固液分離，包含有多個(gè)濃縮單元，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。在濃縮過程中，壓緊液缸伸出，各濃縮單元之間形成密閉污泥腔，污液經(jīng)進(jìn)液口進(jìn)入污泥腔，在壓力作用下，清液透過濃縮膜進(jìn)入清液腔，固相則被濃縮膜攔截在污泥腔內(nèi)，并最終形成含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30%的泥餅。

1—支架；2—濃縮單元；3—濃縮膜；4—壓緊液缸。

2.3 全自動(dòng)控制系統(tǒng)

全自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包含控制閥組、傳感器組、PLC、觸摸屏和控制軟件等。在作業(yè)過程中通過監(jiān)控濾床過濾壓力，判定濾料清潔度，實(shí)現(xiàn)工作濾床切換和自動(dòng)反洗。例如，當(dāng)濾床Ⅰ過濾壓力達(dá)到設(shè)定值后，系統(tǒng)自動(dòng)將濾床Ⅱ切換至過濾流程，而將濾床Ⅰ切換至反洗流程，并控制空壓機(jī)、反洗泵對(duì)濾床Ⅰ進(jìn)行在線反洗；當(dāng)污液罐液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制污液泵、加藥系統(tǒng)和濃縮系統(tǒng)進(jìn)入濃縮流程，并根據(jù)濾液箱液位控制濾液泵關(guān)停，避免溢罐，確保整個(gè)系統(tǒng)順暢運(yùn)行。

3 關(guān)鍵技術(shù)

(1)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)油和懸浮物的控制要求，配置高精度纖維素濾床，通過對(duì)纖維素改性處理，使其具有優(yōu)越的親水疏油性，在確保過濾精度的前提下，提高其對(duì)高含油污水的適應(yīng)性，反洗和再生能力強(qiáng)。

(2)系統(tǒng)采用PLC自動(dòng)控制，通過流程中液位和壓力監(jiān)控，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過濾、反洗流程轉(zhuǎn)換以及濃縮流程的啟停，過濾、反洗和濃縮可同步進(jìn)行，縮短作業(yè)時(shí)間，提高作業(yè)效率。

(3)采用閉式循環(huán)處理工作模式，反洗所需清水來自濾后清液，所產(chǎn)生的高濃度污泥進(jìn)行在線濃縮，液相重新進(jìn)入過濾流程循環(huán)利用，大幅減少外排，降低洗井作業(yè)環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)以及后續(xù)處理成本。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

連續(xù)管洗井液循環(huán)處理裝置研制成功后，在青海油田進(jìn)行2井次應(yīng)用(見圖6)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)液在線處理和循環(huán)利用，同常規(guī)配置相比，清水用量減少90%以上。具體應(yīng)用情況如下：

(1)躍更312井，井口返出液懸浮物質(zhì)量濃度≥1 200 mg/L、含油質(zhì)量濃度150 mg/L，處理后循環(huán)液懸浮物質(zhì)量濃度≤8 mg/L、含油質(zhì)量濃度

圖6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖片F(xiàn)ig.6 Field applications

≤3 mg/L，外排泥餅含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)29.6%，作業(yè)耗水量6 m3(常規(guī)配置預(yù)期用水量85 m3)；

(2)躍更434井，井口返出液懸浮物質(zhì)量濃度≥1 250 mg/L、含油質(zhì)量濃度160 mg/L，處理后循環(huán)液懸浮物質(zhì)量濃度≤10 mg/L、含油質(zhì)量濃度≤3 mg/L，外排泥餅含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.8%，作業(yè)耗水量5 m3(常規(guī)配置預(yù)期用水量80 m3)。

5 結(jié) 論

(1)研制的連續(xù)續(xù)管洗井液循環(huán)處理裝置運(yùn)行穩(wěn)定，出水達(dá)到油田C3級(jí)注水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)管除垢作業(yè)液閉式循環(huán)利用，有效減少了清水用量，降低了作業(yè)成本和環(huán)保壓力。

(2)整套裝置工藝流程短，操作簡(jiǎn)單，人工干預(yù)少，通過PLC自動(dòng)控制和邏輯判定，成功實(shí)現(xiàn)了過濾、反洗和濃縮流程的自動(dòng)在線切換。

(3)裝置的開發(fā)和應(yīng)用有效完善了連續(xù)管作業(yè)配套，其在線處理能力完全滿足連續(xù)管除垢洗井循環(huán)要求，降低了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)清水和污水罐車的依賴性，對(duì)于連續(xù)管快速除垢洗井技術(shù)的推廣應(yīng)用具有促進(jìn)作用。