海上平臺棄置含油污水現(xiàn)場處理回用技術(shù)

林家昱 張曉誠 謝 濤 霍宏博 岳 明 任安琪 郭小明

中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300459

0 前言

隨著渤海油田不斷增儲(chǔ)上產(chǎn),以低效井治理為目的的井槽再利用棄井、老平臺棄置及新建平臺數(shù)量不斷增多[1-5]。同時(shí),隨著國家對海洋生態(tài)環(huán)境的日益重視,對棄井廢棄物排放不斷提出更高要求,傳統(tǒng)環(huán)保船將含油污水運(yùn)回陸地處理方案費(fèi)用高昂,一直是個(gè)不可回避的難題[6-9]。針對海洋環(huán)保執(zhí)法趨嚴(yán)、棄井作業(yè)含油污水量大、海上平臺空間條件受限等特點(diǎn),本文從棄井含油污水來源出發(fā),通過分析目前渤海油田廢棄物排放政策,研究對比履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩、絮凝壓濾一體機(jī)、油基鉆屑熱處理裝置等渤海油田現(xiàn)有廢棄物處理裝置的局限性,研制了小型橇裝化含油污水高效分離裝置。含油污水現(xiàn)場處理回用技術(shù)適用于油井井筒的刮管洗井液、完井洗井液、射孔反排液、磨料水射流切割廢液等含油污水的處理。經(jīng)調(diào)質(zhì)、絮凝、氣浮、過濾等技術(shù)措施處理后的污水含油量僅0.04 mg/L,可再利用于洗井液循環(huán)配制,處理后的油液部分污油含量達(dá)90%,裝污油罐經(jīng)拖輪運(yùn)回陸地,極大程度降低運(yùn)輸及處理成本,對海上平臺棄井廢液尤其是含油污水的處理具有重要意義[10-12]。

1 棄井含油污水的來源

井筒封堵及井內(nèi)管柱切割是棄置作業(yè)的重要工序,在井筒封堵作業(yè)中應(yīng)分別在儲(chǔ)層、尾管懸掛器、分級箍、表層套管鞋等位置注水泥塞,對含有腐蝕性流體或氣井等特殊井則要在頂部油氣層及表層套管鞋位置下橋塞,而按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[13],在下部井段有注入水泥作業(yè)后,下橋塞應(yīng)進(jìn)行刮管洗井作業(yè),去除井壁上殘余水泥,1口井按3個(gè)水泥塞計(jì)算,單井洗井液大約可達(dá)350 m3。同時(shí)打水泥塞封堵井筒前應(yīng)取出井內(nèi)所有管柱,封堵作業(yè)結(jié)束后要進(jìn)行井筒整體切割作業(yè),磨料水射流切割具有良好的切割能力,1次可切割2～4層套管,但切割時(shí)間長達(dá)3～12 h,期間切割水的消耗量為50 L/min,按切割10 h 計(jì)算,單井單次切割也將產(chǎn)生污水達(dá)30 m3,超出目前海上平臺處理能力。因此,井筒封堵作業(yè)及磨料水射流作業(yè)是棄井作業(yè)污水的主要來源[14],棄井程序及井身結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 參照標(biāo)準(zhǔn)的特殊井棄井程序及井身結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Special well abandonment procedures and wellstructure diagrams referring to standard

渤海是中國內(nèi)海,海水循環(huán)及自凈能力較差,因此對廢棄物排放標(biāo)準(zhǔn)要求較高,在渤海海域不得排放非水基鉆井液鉆屑,不得排放油層的鉆井液及巖屑[15-17]。目前,對于油層段鉆井液及油基、合成基等非水基鉆井液和含油棄井液均是直接運(yùn)回陸地處理,運(yùn)輸及處理成本較高。

2 渤海油田現(xiàn)有污水處理技術(shù)的局限性

2.1 履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩

為了更好地分離鉆井液的液相與固相,減少鉆屑含液率以及運(yùn)輸和處理成本,渤海油田2018年開始采用履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩分別作為一級、二級固相減量裝置處理海上平臺鉆井廢棄物,能夠有效提高鉆屑分離效率,鉆屑含液率可以降低至40%左右。履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩相較于傳統(tǒng)振動(dòng)篩效果更穩(wěn)定,由于機(jī)械鉆速過快，履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩會(huì)出現(xiàn)篩堵、篩糊的現(xiàn)象，導(dǎo)致包漿，因此需要控速鉆井。同時(shí)，履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩只能用于水基鉆井液,無法進(jìn)行油水分離[18]。

2.2 絮凝壓濾一體機(jī)

絮凝壓濾一體機(jī)是目前處理水基鉆井液廢棄物的有效裝置,適用井況范圍廣,將絮凝設(shè)備和壓濾設(shè)備上下疊置,使絮凝壓濾一體機(jī)小型橇裝化,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)絮凝與壓濾功能。目前,絮凝壓濾一體機(jī)已在渤海油田秦皇島33-1南、曹妃甸6-4等油田“零排放”區(qū)域開展海上應(yīng)用,井筒巖屑經(jīng)分選篩后液相回收,經(jīng)絮凝壓濾后固廢裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)陸地處理廠,壓濾液循環(huán)配漿再次利用,現(xiàn)場水基泥鉆屑處理流程見圖2。絮凝壓濾一體機(jī)僅能處理水基鉆井液廢棄物,由于腐蝕濾布、壓濾濾餅無法成形等原因,無法處理含油廢棄物[19-20]。

圖2 現(xiàn)場水基泥鉆屑處理流程圖Fig.2 On-site water-based drilling cuttings treatment process

2.3 油基鉆屑熱處理裝置

目前,針對油基鉆屑的處理主要采用機(jī)械除油及電磁熱脫附組合系統(tǒng),具體處理流程見圖3。現(xiàn)場將油基鉆屑經(jīng)螺旋輸送器輸送至立式甩干機(jī),分離出的固相送至電磁熱脫附系統(tǒng)；分離出的液相經(jīng)液體回收罐收集后進(jìn)入高速離心機(jī),從液相中可分離出粒徑2～10 μm的固相,這部分固相也經(jīng)螺旋輸送器輸送至脫附反應(yīng)釜經(jīng)電磁感應(yīng)加熱和制氮機(jī)有機(jī)氣體催化技術(shù)參與電磁熱脫附,最終實(shí)現(xiàn)固相或氣體達(dá)標(biāo)排放或回收,分離后的液相重復(fù)利用。油基鉆屑熱處理裝置受平臺面積、處理能耗大等限制,不能在海上平臺處理含油廢棄物。

圖3 油基廢棄物處理主要設(shè)備及流程圖Fig.3 Main equipment and processes for oil-based waste treatment

3 棄井含油污水現(xiàn)場處理回用技術(shù)

在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上,考慮渤海油田的廢棄物特點(diǎn),綜合對比了履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩、絮凝壓濾一體機(jī)、油基鉆屑熱處理裝置等的局限性,并經(jīng)多方技術(shù)論證后,制定了利用現(xiàn)有平臺條件就地處置含油污水的措施,提出了利用小型橇裝化含油污水高效分離裝置的含油污水現(xiàn)場處理回用技術(shù)。

3.1 小型橇裝化含油污水高效分離裝置設(shè)計(jì)原則

基于海上平臺現(xiàn)場的處理成本、設(shè)備能力、設(shè)備運(yùn)輸便利性等因素,參照“低成本+連續(xù)不間斷快速處理+設(shè)備移運(yùn)性”的設(shè)計(jì)理念,采用多級物理與多級化學(xué)處理相結(jié)合的方式,進(jìn)行小型橇裝化設(shè)備的研制。

3.2 小型橇裝化含油污水高效分離裝置結(jié)構(gòu)

小型橇裝化含油污水高效分離裝置分上、下層單元,上層單元為藥劑罐、平流式氣浮、藥劑反應(yīng)區(qū)，下層單元為控制柜、微波膜過濾、清水箱、二級豎流式氣浮、一級豎流式氣浮，見圖4。上、下層單元在拖輪運(yùn)輸及平臺使用時(shí),可根據(jù)情況安裝及拆卸。該裝置整體由氣浮平流式除油+一級氣浮豎流式除油+二級氣浮豎流式除油+微濾膜過濾組成。上層單元放置平流式氣浮除油器、藥劑混合反應(yīng)器和加藥裝置,下層放置二級豎流式氣浮、微波膜過濾、清水箱及控制系統(tǒng)。

圖4 小型橇裝化含油污水高效分離裝置圖Fig.4 Small skid-mounted high-efficiency separationdevice for oily sewage

3.3 含油污水高效分離流程

棄井含油洗井液從井內(nèi)排出后,可先在前端儲(chǔ)油罐內(nèi)暫儲(chǔ),再抽至小型橇裝含油污水高效分離裝置,經(jīng)上層單元藥劑混合反應(yīng)器、平流式氣浮除油器,逐步進(jìn)入下層單元二級豎流式氣浮、過濾器依次處理,經(jīng)調(diào)質(zhì)、絮凝、氣浮、過濾等技術(shù)措施處理后,可極大程度降低含油污水中的含油率[21]。其中調(diào)質(zhì)作業(yè)是在加藥裝置內(nèi)投入Na2CO3,將pH調(diào)節(jié)至弱堿性,此時(shí)出現(xiàn)大量絮體,水中Ca2+、Mg2+通過沉淀去除;絮凝作業(yè)一般加入AlCl3、Al2(SO4)3、聚合硫酸鐵等藥劑,通常投加無機(jī)絮凝劑絮體反應(yīng)較快,追加聚丙烯酰胺助凝劑,迅速形成大量絮團(tuán);氣浮作業(yè)在一級豎流式氣浮后,大絮團(tuán)均分離完全,水質(zhì)清亮,漂浮有未成團(tuán)細(xì)小懸浮物,通過二級氣浮,水質(zhì)有進(jìn)一步改善,懸浮物仍未去除完全;過濾作業(yè)是通過微濾膜過濾,水體中肉眼可見懸浮物完全去除,過濾后的液體可再利用于循環(huán)配置棄井液或洗井液。海上平臺棄置含油污水現(xiàn)場處理流程見圖5。

圖5 海上平臺棄置含油污水現(xiàn)場處理流程圖Fig.5 On-site treatment flow chart of oily sewage from offshore platform well abandonment

4 現(xiàn)場應(yīng)用

小型橇裝化含油污水高效分離裝置將污水儲(chǔ)存罐中含油污水由提升泵吸入平流式除油器除油,經(jīng)過平流式除油箱后進(jìn)入藥劑混合反應(yīng)氣浮,將平流式除油器處理除油后的水和在加藥裝置里投加的藥劑進(jìn)行充分混合反應(yīng),反應(yīng)完全后進(jìn)入下層橇體的二級豎流式除油器再次進(jìn)行除油、除色,經(jīng)處理后的清水流入橇內(nèi)清水箱緩存,清水輸出泵輸出經(jīng)微濾膜過濾后排出,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場循環(huán)利用。處理后的含油污水輸入污油罐內(nèi),經(jīng)拖輪運(yùn)輸?shù)疥懙剡M(jìn)一步處理。

目前,小型橇裝化含油污水高效分離裝置已應(yīng)用于渤海油田,應(yīng)用效果見表1。

表1 現(xiàn)場應(yīng)用效果表

由表1可看出，B5井處理后的污水含油量僅0.04 mg/L,可再利用于洗井液循環(huán)配制,處理后的油液部分污油含量達(dá)90%,裝污油罐經(jīng)拖輪運(yùn)回陸地,小型橇裝化含油污水高效分離裝置可滿足海上平臺的作業(yè)需求。目前,海上平臺暫無含油污水現(xiàn)場處理的手段,一般需要將含油污水通過環(huán)保船運(yùn)回陸地進(jìn)行處理。按照3 000 m井深計(jì)算,單井產(chǎn)生約250 m3含油污水,運(yùn)輸及處理費(fèi)用大約63 萬元。而采用小型橇裝化含油污水高效分離裝置處理含油污水,單井費(fèi)用約17萬,無需采用環(huán)保船運(yùn)回陸地進(jìn)行處理,平均單井可節(jié)省費(fèi)用46萬元。圍繞“油水分離+油減量+水循環(huán)再利用”的整體思路,對海上平臺鉆完井過程中的棄井含油洗井液、完井液及隨鉆油層鉆屑進(jìn)行減量化處理,實(shí)現(xiàn)全回收減量化作業(yè),整體效果應(yīng)用良好。通過對平臺棄置含油污水的高效減量化回用處理,不僅消除了對海洋環(huán)境的潛在影響,也降低了含油污水的處理費(fèi)用,為海上平臺含油污水就地處理提供了新的技術(shù)手段,具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

5 結(jié)論與建議

1)通過分析對比目前海上平臺常用的履帶式負(fù)壓振動(dòng)篩、絮凝壓濾一體機(jī)、油基鉆屑熱處理裝置等廢棄物處理裝置,綜合考慮海洋環(huán)保法律法規(guī),研究了利用現(xiàn)有平臺條件就地處置含油污水的措施,經(jīng)綜合對比提出了適合海上平臺棄置含油污水高效分離的現(xiàn)場處理回用技術(shù)。

2)為解決棄井含油污水量大、平臺空間條件受限等難題,研制出了小型橇裝化含油污水高效分離裝置,創(chuàng)新性地將平流氣浮除油單元、藥劑反應(yīng)區(qū)、二級豎流氣浮、過濾等功能單元采用積木式結(jié)構(gòu)將橇塊合二為一,并進(jìn)行了系列技術(shù)改造。

3)小型橇裝化含油污水高效分離裝置已應(yīng)用于渤海油田,處理后的油液部分污油含量達(dá)90%,裝污油罐經(jīng)拖輪運(yùn)回陸地,處理后的污水含油量僅0.04 mg/L,可再利用于洗井液循環(huán)配制。

4)小型橇裝化含油污水高效分離裝置創(chuàng)新性地解決了棄井含油污水的處置問題,平均單井可節(jié)省費(fèi)用46 萬元,為導(dǎo)管架鉆井及棄井等無生產(chǎn)流程海洋平臺油污水就地處理提供了新的技術(shù)手段,在無法啟用生產(chǎn)流程的海上平臺上具有廣闊的應(yīng)用前景。