压裂返排液处理高效澄清装置研制*

渠迎锋，王永光，台广锋，吴 萌

(北京矿冶研究总院，北京 100160)

0 引 言

逐渐增大的采油难度，需要采用压裂和注水作业手段来提高油气产量，产生了较多压裂返排液。其具有高COD、高含油量、高悬浮物含量和高矿化度等特征。在不同返排阶段出水量波动大，水质成分波动大[1-5]。

随着各级地方政府对环保监控力度的加大，压裂施工面临的环保压力越来越大。水资源开发越来越难，将压裂返排液作为一种可再生利用的潜在水资源，成为一种不可或缺的解决途径。

在压裂返排液资源化处理过程中，液固分离工艺环节为关键工艺环节之一。高效澄清装置是根据压裂返排液的特点专门开发的一种液固分离设备，其具有耗低、分离效果好、自动化程度高、实时监测和模块化设计的设计特点。

1 液固分离技术概述

液固分离技术因其在现代工业生产与环境保护工作方面的重要地位，一直为人们所重视。近20年来在液固分离理论、液固分离设备和应用开发方面均有较大的进展[6-16]。

经过收集相关文献，了解液固分离技术国内外发展现状，固液分离的方法有多种如下：

(1) 浮选 浮选过程是以悬浮液内产生空气泡和固体颗粒附着于气泡上为前提。在矿物分离、造纸、污水处理等领域已得到应用，被认为是一种固液分离的有效方法。

(2) 重力沉降 重力沉降是在重力作用下，将悬浮液分离为含固量较高的底流和清净的溢流的过程。液相和固相之间的密度差是其前提条件。

(3) 离心沉降 离心设备增加了作用在颗粒上的体积力，从而将沉降分离扩展到细小颗粒和乳浊液。

(4) 深层过滤分离 含固量极低的悬浮液是用深层过滤器，其床层有一定的厚度。固体颗粒积聚在床层内部而不在表面。一般情况下，它回收的颗粒小于床层内部孔隙。

(5) 筛滤 介质孔径较大，分离的推动力为重力。筛滤通常用于颗粒分级，但同样适用于粗颗粒和高凝聚态悬浮液的脱水。为确保所有前来后到的物料都有机会接近筛孔并防止筛孔堵塞，筛滤常附以振动或其它形式的运动。

(6) 滤芯式过滤器 滤芯式过滤器由滤纸、滤布或孔径低达02 pm的各种滤膜做成并易于更换。悬浮液直接泵入滤器，当滤器内积满颗粒，压差变得更高后，即予更换。

(7) 磁力分离 传统的磁力分离技术是在矿物处理中长期发展起来的，旨在去除浓缩磁性矿石。它一般限于强磁性材料的分离，使用最广的是鼓式分离器。

根据压裂返排液的特点，依据环保和节能要求，采用重力自然沉降原理结合现代监测与自动控制技术于一体开发了高效澄清装置。

面对各种风险给项目带来的物质损失，合理确定免赔额的大小能够有效的减少出险后承包商自己承担的损失金额。当然，免赔额也和保险费用挂钩，免赔额越小相应的项目保险费用则越高，所以合理免赔额的确定即是在适当增加保费的基础上，对绝大多数风险因素投保，使得承包商自己承担的金额较低。

2 高效澄清装置简介

高效澄清装置主要有反应模块、分离模块、实时监测模块和自动控制模块组成，如图1所示。反应模块主要作用是药剂充分接触与化学反应。分离模块主要作用是将压裂返排液进行液固分离。实时监控模块主要作用是监测固液分离效果与水质指标。自动控制模块主要作用是根据监测信号自动控制水质指标，保证了系统的可靠性。

图1 高效澄清装置

3 工作原理及结构设计

3.1 工作原理

高效澄清装置是集反应模块、分离模块、监测与控制模块于一体的综合性能的压裂返排液处理液固分离设备之一。压裂返排液首先进入反应模块进行药剂的充分反应，然后进入固液分离模块，进行固液分离，上清液达到要求的水质标准后进入下一步处理工序，底部浓缩液进入污泥处理系统。在线实时监测模块主要监测上清液水质指标与底部浓缩液水质指标，上清液达到水质指标后自动进入下一步处理工序，底部浓缩液达到工艺要求指标后自动进入污泥处理系统。

3.2 关键技术参数设计计算

3.2.1分离模块清水区面积计算[16]

(1)

式中：A1为固液分离区的表面积(m2)；Q为设计水量(m3/h)，设计水量以50 m3/h为例;q为表面负荷[m3/(m2·h)]，一般采用9.0～11.0 m3/(m2·h)，设计中取q=9 m3/(m2·h)。

将设计水量参数与表面负荷参数代入上述公式可以得到，固液分离区表面积为5.56 m2。

3.2.2固液分离区总高度计算[17]

H=h1+h2+h3+h4+h5

(2)

式中：H为固液分离区总高度(m);h1为保护高度(m)，一般采用0.3～0.5 m;h2为清水区高度(m);h3为斜管区高度(m)，斜管长度为1.0m，安装倾角60°;h4为配水区高度(m);h5为排泥槽高度(m)。

设计中取保护高度h1=0.33 m，清水区h2=0.4 m，斜管区高度h3=0.87 m，配水区高度h4=0.5 m，排泥槽高度h5=0.5 m，固液分离去总高度为2.6 m。

3.2.3固液分离区进水设计[18]

固液分离区进水采用穿孔花墙，孔口总面积：

(3)

式中：A2为孔口总面积(m2);Q为设计水量(m3/h)，设计水量以50 m3/h为例;v为孔口流速(m/s)，一般取值不大于0.15～0.20 m/s;设计中取v=0.20 m/s，固液分离区进水孔口总面积为0.069 4 m2。

3.2.4固液分离区出水设计[19]

固液分离区出水设计采用穿孔集水管槽，出水孔口流速v1=0.6 m/s，则，穿孔总面积：

(4)

式中:A3为出水孔口总面积(m2);Q为设计水量(m3/h)，设计水量以50 m3/h为例;v1-为出水孔流速，取值为0.6 m/s。

将设计水量参数和出水孔流速参数代入上述公式可以得到，固液分离区出水穿孔总面积0.023 1 m2。

设每个孔口的直径为3 cm，则孔口的个数：

(5)

式中：N为孔口个数；AS为穿孔总面积；F为每个孔口的面积(m2)，每个孔的面积为0.000 706 5 m2。

将穿孔总面积参数与每个孔的面积参数代入上述公式可以得到，孔口个数为35个。

4 调试实验及现场应用

4.1 调试实验

高效澄清装置根据压裂返排液水质成分，控制絮凝剂加药量和反应时间，使药剂充分与压裂返排液反应，经过固液分离，达到要求的水质指标。其中，高效澄清装置主要去除压裂返排液中的悬浮物与含油量。在某油田现场对高效澄清装置进行调试实验，进出水指标如表1所示，处理效果如图2所示。

图2 高效澄清装置处理效果

/(mg/L)

根据高效澄清装置进出水指标分析可以得出，进水悬浮物指标为60 mg/L，出水悬浮物指标为20 mg/L，悬浮物去除率达到67%；进水含油量指标为30 mg/L，出水含油量指标为20 mg/L，悬浮物去除率达到33%。

4.2 现场推广应用

压裂返排液处理高效澄清装置目前已经推广应用于中石油、中石化和延长油田。根据压裂返排液水质调整加药量，经过药剂与压裂返排液的充分反映，实现了高效分离效果，为了保证水质稳定专门设计了事故工艺管道。自动检测、控制水质指标，设备运行稳定、水质达标，得到了油田用户的好评。

高效澄清装置可以根据用户使用工况特点设计成不同的结构、不同配置的系列产品，满足用户需求，其应用范围可推广至整个水处理行业。

5 结 语

高效澄清装置是集反应模块、分离模块、检测与控制模块于一体的综合性能的压裂返排液处理液固分离设备之一，具有集成化程度高和自动化程度高特点。

根据压裂返排液水质指标对其关键技术参数的设计，确定了高效澄清装置的关键结构，保证了水质指标。

通过对高效澄清装置在油田现场的应用，进一步

验证了其技术性能指标，有利于不断完善结构，提高其性能，为进一步推广应用提供了重要的技术支持。

[1] Meisam Torab-Mostaedi,Mehdi Asadollahzadeh,Jaber Safdari. Prediction of mass transfer coefficients in an asymmetric rotating disk contactor using effective diffusivity [J]. Chinese Journal of Chemical Engineering,2017(3):6-9.

[2] 石彦龙,汪志丹,方 芸,等.超疏水超亲油铜网的制备及其在油水分离中的应用(英文)[J].应用化学,2017(4):20-26

[3] 程治良,邱发成,徐 飞,等.分离空间结构对旋流器流场和传质面积的影响[J].化学工程,2017(3):52-58.

[4] 袁俊杰.天然气重力分离器壁厚异常分析[J].中国石油石化,2017(1):12-16.

[5] 杜小芸.天然气净化厂安全仪表系统设计[J].自动化与仪表,2016(11):31-35.

[6] 周哓玲.磨矿分级过程螺旋分级机分级效率预测模型研究[J].科技展望,2017(9):9-15.

[7] 张双江,石永超,董晓磊,等.双质体卧式振动卸料离心机主振弹簧的研究[J].选煤技术,2016(6):39-43.

[8] 王晨升,苏 芳.基于筛孔形状的原煤分级筛筛板改造与应用[J].选煤技术,2016(6):15-19.

[9] 庾朝富,李晓臣,郭建伟,等.0.2 mm筛缝精煤泥弧形筛工业性指标分析[J].选煤技术,2016(6):22-27.

[10] 郭进山,祁步春,蔡改贫,等.多尺度内聚模型颗粒群振动挤压破碎数值模拟研究[J].中国钨业,2016(6):51-55.

[11] 刘春艳.单槽容积60m～3煤用大型圆筒形浮选机关键部件及区域流场分析[J].选煤技术,2016(6):58-62.

[12] 王文潜.浅层沉淀原理与斜板浓密设备[J].国外金属矿选矿,1998(5):5-7.

[13] 王文潜,周兴龙,黄云平,等.单元集成式斜窄流分级斗及其应用[C].中国矿业( 第四届全国选矿设备学术会议论文集)[A],2001:83- 86.

[14] 王喜良,黄云平,周兴龙,等.斜浅层内液流运动特征研究[J].云南冶金,2002(3):61- 66.

[15] 王文潜,王喜良,黄云平,等.斜窄流单元集成式分离设备及其应用[C].中国矿业(第四届全国选矿设备学术会议论文集),2001:161-164.

[16] WANG WenQian, The Development of Lamella Thickener Used in Hydromet allurgical Zinc Plant[C].Proceedings of 3rd ICH, Kunming,1998:654- 659.

[17] 昆明冶金研究院装备部.单元集成式小断面斜上升流分级箱,产品说明书[Z].1999.

[18] 黄云平,王喜良,富文彬,等.KMLZ型斜窄流沉渣除油器研制[C].中国矿业(第四届全国选矿设备学术会议论文集)[A].2001:150-153.

[19] 王文潜.钢厂污水的斜窄流沉渣除油设备[J].云南冶金,2002(3):67-70.