賈 斌，程 偉，周 浩，張栗銘，張 佳

(陜西理工大學 機械工程學院,陜西 漢中 723000)

0 引 言

在石油天然氣開采中，普遍采用壓裂工藝來提高油、氣井產(chǎn)量。通過壓裂產(chǎn)生的返排液為水基膠體、石油、天然氣、有毒有害氣體、泥砂等成分的混合液，如果這種返排廢液不經(jīng)處理而直接向外排放，會對地表水系以及周圍環(huán)境造成嚴重污染[1]。目前，應(yīng)對環(huán)境要求采用了許多處理方法，其中采用最多的是：井場放置大量的沉砂罐，返排液注入沉砂罐沉砂，將氣體點燃排放在大氣中，沉砂后人工將砂子掏出回收利用[2～3]。這種方法勞動強度大，占地面積廣，效率低，不能很好地對廢液進行處理，很容易造成對環(huán)境的二次污染，也不能較好的對返排液進行循環(huán)再利用。伴隨著石油天然氣開采規(guī)模的擴大，因壓裂工藝產(chǎn)生的返排液引起的污染問題越來越被重視。針對這些問題，設(shè)計一種壓裂返排液分離處理裝置，依靠物理技術(shù)實現(xiàn)返排液不落地處理，各種成分循環(huán)利用，解決鉆井過程中環(huán)保問題，同時，實現(xiàn)自動化處理，減輕勞動強度，降低成本。

1 方案設(shè)計

壓裂返排原液主要由四類物質(zhì)組成：泥砂、返排膠液、石油和天然氣，分別對應(yīng)了固相、水相、油相和氣相這四種相態(tài)，由于這四相物質(zhì)的物理密度不同，因而裝置利用物理分離、沉降等方式對原液進行分離。

裝置設(shè)計的方案采用三步分離模式：①分離壓裂砂，并對其進行沉淀與收集；②將除去泥砂的第一級返排液中剩下的三相物質(zhì)(油相、水相和氣相)進行分離，將氣相與油相物質(zhì)抽離；③對第二級返排液中生物膠返排液進行收集。其中有毒有害氣體，采用遠程處理排放燃燒，對砂子、石油及生物膠返排液進行不同方式回收。分離模式如圖1所示。

圖1 分離模式

分離處理裝置的總體結(jié)構(gòu)主要由串聯(lián)式旋流除砂器、三相分離倉[4]及回收倉組成，串聯(lián)式旋流除砂器主要進行泥沙分離和原液減壓，三相分離倉對油相、水相和氣相這三相物質(zhì)進行分離處理，回收倉主要完成泥砂回收及返排液的收集。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)原理

如圖1、2所示，是壓裂返排液分離處理裝置的結(jié)構(gòu)圖。返排原液混合物首先通過原液入口a進入一級旋流除砂器1，依靠切向力做下旋運動，泥砂受到離心力而被甩向除砂器內(nèi)壁，依靠下旋流沉降至錐底，并隨底流從一級出砂口b流出，排入到沉砂倉2，當泥砂顆粒沉積到一定容量時，將泥砂從排砂口i排出。

圖2 裝置外形圖

其中，一級旋流除砂器1的處理液進入二級旋流除砂器2再次進行除砂，此處采用多級旋流除砂器串聯(lián)形式可提高除砂率；二級旋流除砂器2處理過后的清液，從頂部管道進入三相分離倉4，進入后的液體通過減壓擋板12進行減壓，再通過一級防浪板19、整流板18和二級防浪板17對液體進行整流穩(wěn)定，由于密度不同及重力的沉降作用，油液位于上層，水溶液位于下層，氣體會處于三相分離倉4內(nèi)液面上方區(qū)域。氣體進入集霧器13被其捕集并回流，氣體最終通過排氣口e排出；出水隔板15與油水隔板16相互作用，使油水分別進入各自排出區(qū)域。安裝在油水隔板16附近的油水界面液位計14來檢測水位和油位高度，通過電控柜9中的控制裝置來控制排油口電磁閥6和集水口電磁閥7的開與關(guān)，可實現(xiàn)分離系統(tǒng)的自動化控制，使液體得以動態(tài)平衡，保證了油水兩相混合物的分離徹底；分離出的水相物質(zhì)，會通過管道進入集水倉20收集起來，可通過水位觀察口10對水位進行觀察，當水相物質(zhì)沉積到一定容量時，將其從排水口h排出，進行循環(huán)處理。

圖3 裝置局部剖視示意圖

3 結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用效果

(1) 串聯(lián)式旋流除砂器 考慮到油田返排液混合物中含有有大量泥砂，傳統(tǒng)的單級旋流除砂器面對砂量較大的液體時，難免出現(xiàn)除砂不干凈的情況，因而本裝置采用了兩級旋流除砂器串聯(lián)的方案。

串聯(lián)式旋流除砂器由一級旋流除砂器和二級旋流除砂器串聯(lián)組成。處理過程中，返排原液混合物首先從原液入口a進入一級旋流除砂器，由于原液入口安裝在筒體的偏心位置，從而產(chǎn)生切向力使返排原液沿內(nèi)壁向下做旋轉(zhuǎn)運動，因物質(zhì)密度不同，泥砂受離心作用被甩向器壁，依靠下旋流沉降至錐底，并隨底流從一級出砂口b排出，排入到沉砂倉中。隨后一級旋流除砂器的處理液進入二級旋流除砂器再次進行旋流除砂，通過二級旋流除砂器處理過后的清液，從其頂部的出水口d流出，流入到三相分離倉進行下一步處理。

旋流除砂器依靠離心分離原理進行除砂，因而進口液體壓強越大，產(chǎn)生的離心力就越大，其除砂效率也隨之增強，很適合用于壓裂返排的高壓液體，裝置采用串聯(lián)式旋流除砂的方案，除砂效率大大提高，從而保證了固體顆粒一次處理干凈。同時，除砂裝置對原液起到減壓作用，幫助隨后分離處理時物質(zhì)的迅速穩(wěn)定[4]。

(2) 減壓穩(wěn)流裝置 由于油田返排液為高壓液體，雖然通過旋流除砂器進行旋流處理后壓力會損失一部分，但液體進入三相分離倉后仍比較湍急、存在較大的波動性。本裝置在三相分離倉進水口設(shè)置減壓擋板，以緩沖液體進倉后的壓力。在倉體內(nèi)部設(shè)置有整流板和防浪板，防浪板為多孔板面，整流器采用波浪條紋結(jié)構(gòu)，兩者均起到減弱倉內(nèi)液體波動性的作用，避免液體由于不穩(wěn)定而影響沉積和分離效率。

(3) 油水界面液位計的應(yīng)用 裝置在油水隔板附近設(shè)置有油水界面液位計，該液位計可同時檢測油面、水面高度，并結(jié)合電控柜中的控制裝置來控制排油口電磁閥和集水口電磁閥，從而實現(xiàn)分離系統(tǒng)的自動化控制，配合三相分離倉中的隔板結(jié)構(gòu)，保證了油水兩態(tài)混合物的有效自動分離[5]。減輕了勞動強度，節(jié)約了勞動力，從而降低處理成本。

4 結(jié) 語

隨著國家的綠色環(huán)保的號召要求，在石油開采行業(yè)，返排液的綠色循環(huán)、高效處理顯得尤為重要。壓裂返排液分離處理裝置便實現(xiàn)了石油開采工程中返排液的高效綠色可循環(huán)處理，符合國家提出的“綠色工業(yè)革命”。該分離處理裝置可對固相、水相、油相和氣相四種相態(tài)進行分離，其應(yīng)用范圍不僅有陸地油田采油工程，還可用于其他含砂、含油污水的分離與處理。該分離裝置與傳統(tǒng)的分離裝置相比，具有如下明顯優(yōu)勢：裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊、方便轉(zhuǎn)場作業(yè)；操作簡便，性能可靠，實現(xiàn)了分離過程的自動化處理，有效的節(jié)省勞動力；經(jīng)濟環(huán)保，有效降低了返排液處理投入的成本，解決油田生產(chǎn)中，壓裂返排廢液難以處理對環(huán)境造成的污染問題，提高了廢液分離處理質(zhì)量。