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陆上油气田钻井危废物无害化处理及其资源回用装置设计与应用

成果案例︱2015-01-30︱︱

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1.产品背景

我国对钻井废弃泥浆的处理比国外研究晚一点,几十年来沿用简单处理直接排放、固化填埋的传统方法,钻井废弃泥浆无害化处理技术研发滞后,直接导致了油气勘探开发以巨大的环境牺牲为代价。鉴于钻井废弃泥浆处理成为一直困扰油田的老大难问题,本着“环保优先”、“可持续发展”,在充分考虑我国钻井作业生产情况的基础上,积极寻求污染治理彻底的清洁生产原则的、先进的泥浆处理工艺,在根本上化解废弃泥浆的污染风险保护环境,改进传统钻井废弃泥浆处理方法势在必行。

2.产品主要研发设计的内容

2.1本项技术是通过将泥浆、油、水分离,确保处理后的泥浆中基本不含有石油类物质,从而有效减小钻井废弃泥浆对环境的污染和毒害问题。

2.2本产品研发设计的钻井废弃泥浆处理装置及系统是采用撬装式、模块化组装设备,对钻井废弃泥浆实施全过程随钻不落地收集或回用、或达标处理;整个处理过程中,根据钻井设计方案、钻进深度及泥浆体系的变化,适时调整处理方案。

3. 产品特点

3.1针对各种化学合成的危废泥浆,采用化学与物理相结合的有效方法,通过独有的化学工艺流程和操作简单方便的集成设备,将污染消除在钻井过程中。取消了每口井的泥浆存放池,减少了钻井占地,废水处理后完全达标回用,零排放,无害化处理后的泥饼可自然堆放、铺路、种植等,彻底消除了此类危废污染;

3.1.1采用独有污泥除油工艺技术、重金属捕捉工艺技术,有效去除了危废泥浆中的油类物质,并使处理后泥饼中重金属以稳定的无害化形态存在,有效的化解了处理后泥饼的石油类及重金属污染风险;

3.1.2全程随钻不落地收集可以针对不同的泥浆体系即时进行处理调整,分阶段性的使用物理方法分离使废弃泥浆得以资源化再利用、使用化学固液分离方法使液相得以循环再利用,完全实现了资源化与减量化;

3.1.3填补了该技术领域空白,具有灵活性和广泛的适应性和较强的国内国际市场竞争力,在攻克最具污染代表性的钻井危废污泥无害化处理难题的同时,对其它行业的污泥处理、油类物质回收产品均有新工艺技术和新型装置应用的示范性。

4.产品设计总体思路

4.1钻井废弃泥浆是油气开采作业环节产生的外排污染物,也是石油勘探开发过程中遗留下来的最大量的废弃污染物,为多相胶体-悬浮体体系,所含有的烃类、聚合物、沥青改性物、重金属离子等对环境危害极大,存留于井场的储存池中,由于渗漏、溢出等原因,会对土壤、地下水、地表水及周围生态造成难以挽回的破坏。

4.2为了彻底解决废弃泥浆治理老大难问题,塔里木油田本着“环保优先”、“可持续发展”,在充分考虑自身生产实际情况的基础上,决定逐步取消以往被动的集中式的废弃泥浆“末端治理”方式—固化填埋法,积极寻求污染治理彻底的、符合“减量化、无害化、资源化”清洁生产原则的、先进的泥浆处理方式,从根本上化解废弃泥浆污染风险。

4.3本产品的钻井废弃泥浆处理系统:系采用撬装式、模块化组装设备,对钻井废弃泥浆实施全过程随钻不落地收集或回用、或达标处理;整个处理过程中,根据钻井设计方案、钻进深度及泥浆体系的变化,适时调整处理方案。

4.4本产品解决的问题

4.4.1泥浆回收与循环再利用问题:利用自行研制的泥浆回收分离装置,对钻井初期(钻进深度0~2500m)无污染废弃泥浆直接回收,不加任何处理药剂(或添加极少量的泥浆调理药剂),直接进行沉降分离,分离出的泥浆返回井队使用,无污染泥砂自然堆放在井场附近留待使用。

4.4.2重金属离子的无害化处理问题:依据重金属离子沉淀原理,在对泥浆进行适当稀释的情况下,添加重金属离子沉淀剂使其转化为稳定的无害化形态;

4.4.3泥浆中石油类物质回收问题:在进行特殊的调理之后,使含油废弃泥浆通过沉降浮油装置,促进泥砂与油水的分离,分离后的上层浮油回收,下层废弃泥浆进入后续脱水装置进行分离;                                 

4.4.4废弃泥浆处理系统污染物排放标准,即a)固液分离后的泥饼参照城市污水处理厂产生的污泥农用标准(中碱性土壤),处理后的泥饼或填埋,或抛洒;(b)系统处理后的废水达到污综二级标准循环使用,实现处理后废水零排放。

4.5本产品的实施,将彻底扭转塔里木油田甚至中国石油行业废弃泥浆处理的被动局面,实现钻井废弃泥浆无害化、减量化、资源化,促进钻井清洁生产,促进塔里木油田可持续发展。

5.技术方案

5.1 具体技术方案及实施步骤

钻井废弃泥浆全过程不落地收集达标处理或回用技术工艺流程如图1所示。

 

5.2 工艺流程说明。

本系统工艺流程由三个单元组成。

图1  钻井废弃泥浆全过程不落地收集达标处理或回用技术工艺流程

 

5.3泥浆均质与调理单元说明

5.3.1本单元主要由接收一体箱和泥浆均质调理箱组成。接收一体箱用来收集由钻井固控设备排出的废弃钻井泥浆。固定筛将废弃钻井泥浆中的粒径大于5mm的岩石块、岩屑等分离出来,减轻或减少该类物质对后续处理的影响;在接收一体箱中须对废弃钻井泥浆进行适当稀释,改善其流动性,便于砂浆泵泵送进入泥浆均质调理箱。

在泥浆均质调理箱中,对来自一体接收箱排出的泥浆均质,随后进行加酸调理废弃泥浆的pH值,促进后续泥浆脱水及混凝剂PAC性能发挥需要的条件;重金属捕捉剂的加入使重金属离子转化为稳定形态,保证处理后的泥饼及处理后的水样中重金属污染物检测达标。

5.3.2泥浆均质调理箱另外一个作用是对泥浆的储存,由于井队排放废弃泥浆间歇性、排放量的较大波动性决定的。均质调理后的泥浆由砂浆泵送入第二处理单元进行泥浆脱水处理。

5.4 泥浆反应脱水单元说明

本单元主要由溶药罐、混凝罐、除油器和真空带滤机等组成。均质调理后的泥浆泵入反应罐脱水反应后,进入真空带滤机进行真空脱水。泥浆脱水后形成达标排放的泥饼堆放在井场附近。滤水流入集水池收集后通过潜污泵泵入水处理单元进行后续处理。

5.5水处理单元说明

水处理单元主要有一体水箱与深度处理系统组成。一体水箱由2个隔断分为3个隔间,依次为1#、2#、3#;其中1#隔间为沉淀间、2#隔间为浊水间,3#隔间为清水间;相邻隔间底部管路相连,管路设阀门。储水箱内部1#与2#之间溢流板分隔,2#与3#之间上部管路相连。1#储水箱顶部四周设折流板滤水絮凝反应槽。

    5.6带滤机集水池中的滤水通过污水泵(泵前按计量加入PAC溶液)泵入1#储水箱顶部絮凝反应槽入口,同时按计量加入PAM溶液,滤水经絮凝反应后由反应槽末端跌入1#隔间箱体,在1#隔间进行重力沉淀,以去除滤水中的COD、SS、色度等污染物,1#隔间上清液溢流进入2#浊水隔间进一步澄清,2#隔间上清液管流进入3#清水隔间,满足配药、滤带冲洗、井场及附近道路降尘洒水、井队冲洗设备要求。

5.7钻井队配药需求的用水由3#隔间增压泵泵入的深度处理系统,经砂滤及活性炭吸附后处理后回用井队。

 

6.产品其它方案

水处理单元沉淀的泥水返回均质调理单元进行泥浆调稀,若泥浆调稀不足,可直接用未经处理的带滤机滤水补充。

钻井废弃泥浆全过程随钻不落地收集回用、达标处理由撬装式、模块化组装的设备系统完成。该系统最大设计处理量为25m³/h,整套设备总功率为76.35kw,平均每天实际使用功率为30~40kw。

 

② 产品实施过程中遇到的技术问题及解决办法

a)废弃泥浆中重金属离子的无害化—关键技术1

借鉴采用工业废水(采矿、电镀、冶金)重金属离子去除方法,先对泥浆进行适当的稀释,创造重金属离子与药剂良好的接触条件,然后投加广谱捕捉剂A(适应各种重金属离子)使游离态的重金属离子转化成稳定的无害化形态,与泥浆中其它固形物一起在脱水后留在泥饼中。检测报告显示,系统处理后的废水中各种重金属检测合格(污综二级标准),固液分离后的泥饼进行酸浸和水浸,浸出液检测合格[《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007),污综二级标准]。这是本产品整体上能够取得成功的根本所在。


(2)数据来源:新疆环境保护科学研究院《中石油塔里木油田公司“钻井废弃物不落地达标处理技术”适用性研究报告》

b)含油废弃泥浆的脱水除油问题—关键技术2

含油废弃泥浆脱水是系统整个运行过程最难的。由于泥浆体系很稳定,破胶脱水难,系统的固液分离采用真空脱水的方式,原油或润滑油必然要穿过滤带。原油或润滑油为非极性有机化合物,滤带为有机聚合物材质,彼此间结合牢固。因此,含油泥浆脱水时常发生带滤机滤带糊油现象,在冬季这个问题表现的尤为突出。造成脱水后的泥饼含水率、含油率都很高,脱水效果极差。国内外关于钻井废弃泥浆固液分离研究的报道很多,而含油(原油、润滑油)水基钻井废弃泥浆固液分离处理方法的文献(专利、研究性论文)只有寥寥几篇。在仅有的几篇含油废弃泥浆的固液分离研究报道中,采用工艺一般都是热解析的方法,而常温下(本产品设备操作系统是在常温下进行的)含油废弃泥浆的固液分离研究未见报道。

本产品在破解这项技术难题时,借用“驱油”原理,在对泥浆进行调理时添加适当的驱油剂有效实现石油类与泥浆颗粒的剥离;并通过混凝剂与絮凝剂的调理,实现油水与泥砂的高效分离。调理后泥浆混合物通过旁路石油类分离装置,进行泥砂沉淀、气浮浮油。分离装置下层废弃泥浆有砂浆泵泵入真空带滤机脱水,上层浮油回收。脱水后泥饼含水率40~50%,石油类含量小于3‰。

 

c)废弃泥浆中大颗粒砂石、岩屑分离问题—关键设备1

废弃泥浆无用固形物是钻井泥浆从地下携带出的岩屑和砂石,将废弃泥浆中的粒径较大的岩石块、岩屑等分离出来,降低后续处理设备的负荷,是本产品系统运行时必须面对的重要问题。

实用新型专利“一种泥浆砂石分离装置”有效的解决了这个问题。泥浆砂石分离装置由一体接收箱和置于罐体内的呈漏斗状的筛网筐组成,筛网筐的下端口与螺旋输送机的底端连通,螺旋输送机的顶端出口位于罐体之外。含砂石的泥浆进入筛网筐后,细的浆体滤过筛网进入罐体中,而钻屑砂石等大的颗粒物则经筛网筐下端口落入螺旋输送机中,通过螺旋输送机中螺旋片的提升,从螺旋输送机的顶端出口排出。

 

d)无污染废弃泥浆回收问题—关键设备2 

钻井初期泥浆体系组成简单、基本无污染,固控设备的外排泥浆由自行设计的“沉降式螺旋排沙泥浆回收装置”收集后不加任何处理药剂(或添加极少量的泥浆调理药剂)直接进行自然沉降后回收。该装置由两个沉淀式螺旋排沙箱及一个收集箱组成。无污染废弃泥浆进入第一级排沙箱(设两个绞龙,上倾式螺旋压榨排沙)后进行自然沉降,上层泥浆液自流进入第二级排沙箱(设一个绞龙),随后自流进入收集箱。两级排沙箱下层的沉淀泥沙通过绞龙输送进斗车后转运堆放在井场附近,收集箱泥浆返回井队使用。

 

e)废弃泥浆中石油类物质回收问题—关键设备3

配合含油泥浆的调理工艺,自行设计的“钻井废弃泥浆石油类回收装置”能够进行石油类回收。该装置主要由曝气分离箱、浮油箱、储水箱及泥浆暂存箱等组成。废弃泥浆由反应罐泵入曝气分离箱,通过曝气,促使泥浆中油水与泥沙分离,上浮的油水通过溢流堰进入浮油箱。进入浮油箱的油水混合液经过一段时间的静置分层后上浮分离收集,下层水进入储水箱,曝气分离箱及浮油箱中的泥砂通过绞龙送入泥浆储存箱。

 

1.4产品的结构图以及产品照片 

 

 本产品将钻井废弃泥浆的 “末端治理”变为 “过程控制与处理”, 创新和发展了固液分离技术,实现了整个钻井过程中废水的零排放、泥饼及钻屑无害化,促进了油田钻井清洁生产的发展。

本产品技术对钻井废弃泥浆实施全过程随钻不落地收集并及时进行固液分离处理,处理时可以针对不同的泥浆体系即时进行处理方法的调整,或资源化、或无害化,体现了该技术所具有灵活性和广泛的适应性;处理后的废水或回用于井队、或回用于系统本身配药、或用于井场及附近道路喷洒降尘,大大节约了干旱地区宝贵的水资源;处理后无害化泥饼与钻屑体积减少到原来体积1/2~1/3,长期堆置、或填埋、或抛洒、或道路铺设均无污染风险。实现了废弃泥浆的无害化、减量化、资源化,促进了钻井清洁生产;消除了肮脏的废弃泥浆收集池,节约了土地资源。

(2)首次将处理废水的沉淀技术方法应用到废弃泥浆中的重金属无害化处理上,自行研制了重金属处理剂并取得成功。

本产品借鉴采用工业废水(采矿、电镀、冶金)重金属离子去除方法,利用广谱捕沉淀剂A(适应各种重金属离子)使游离态的重金属离子形成稳定的沉淀性的无害化形态,与泥浆中其它固形物一起在脱水后留在泥饼中,彻底化解了泥浆中重金属污染的风险,从根本上保障了该技术推广。检测报告显示,处理后的废水中各种重金属检测不超过《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的二级标准,第一类污染物不超过其标准要求;固液分离后的泥饼按照《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)分别进行酸浸(酸雨强化模拟试验)和水浸,浸出液重金属检测不超过《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的二级标准,第一类污染物不超过其标准要求。

(3)首次成功使用自研分离液在常温常压下分离油基泥浆,并将驱油技术深度应用到含油废弃泥浆(泥类)的处理上,创造了本领域的国际新标准。

本技术攻克了常温常压下不能实现油基泥浆分离的难题,借用“驱油”原理,在对泥浆进行调理时添加适当的驱油剂有效实现石油类与泥浆颗粒的剥离;并通过pH值调节及混凝剂与絮凝剂的调理,促进了油水与泥砂的高效分离。调理后泥浆混合物通过旁路“含油泥浆石油类物质回收装置”,在其中进行泥砂沉淀、气浮浮油。除油器下层废弃泥浆有砂浆泵泵入真空带滤机脱水,上层浮油回收。石油类含量小于3‰。

(4)自行设计、研制的油、水、砂、泥、气五相分离与含油泥浆石油类物质回收装置得到了成功应用。

配合含油泥浆的调理工艺,自行设计的“钻井废弃泥浆五相分离与石油类回收装置”能够进行石油类回收。该装置主要由曝气分离箱、浮油箱、储水箱及泥浆暂存箱等组成。废弃泥浆由反应罐泵入曝气分离箱,通过曝气,促使泥浆中油水与泥沙分离,上浮的油水通过溢流堰进入浮油箱。进入浮油箱的油水混合液经过一段时间的静置分层后上浮分离收集,下层水进入储水箱,曝气分离箱及浮油箱中的泥砂通过绞龙送入泥浆储存箱,待处理。

 

(5)自行设计、研制了砂石分离器并得到成功应用

钻井废弃泥浆中无用固形物是泥浆从地下携带出的岩屑和砂石,已授权的实用新型专利“一种泥浆砂石分离装置”有效的将废弃泥浆中的大颗粒岩石块、岩屑等分离出来,降低后续处理设备的负荷。泥浆砂石分离装置由一体接收箱和置于罐体内的呈漏斗状的筛网筐组成,筛网筐的下端口与螺旋输送机的底端连通,螺旋输送机的顶端出口则位于罐体之外。含砂石的泥浆进入筛网筐后,细的浆体滤过筛网进入罐体中,而钻屑砂石等大的颗粒物则经筛网筐下端口落入螺旋输送机中,通过螺旋输送机中螺旋片的提升,从螺旋输送机的顶端出口排出。

 

(6)自行设计、研制了沉淀式螺旋排沙泥浆回收装置并得到成功应用

钻井初期(钻井一、二开)大排量废弃泥浆占了全井外排废弃泥浆总量的三分之一以上,但此阶段的泥浆体系组份简单、无污染,对固控设备的外排泥浆由自行设计、研制的“沉降式螺旋排沙泥浆回收装置”收集后,不加任何处理药剂(或添加极少量的泥浆调理药剂)直接在砂泥自然沉降状态下排去固相,将秚土将回收并返回钻井泥浆循环体系连续使用。该装置由两个沉淀式螺旋排沙箱及一个收集箱组成。无污染废弃泥浆进入第一级排沙箱(设两个绞龙,上倾式螺旋压榨排沙)后进行自然沉降,上层泥浆液自流进入第二级排沙箱(设一个绞龙),随后自流进入收集箱。两级排沙箱下层的沉淀泥沙通过绞龙输送进斗车后转运堆放在井场附近,收集箱泥浆返回井队使用。


(7)油田钻废污泥处理的标准在本产品系统研究与应用中得到初步确立

鉴于钻井废弃泥浆处理尚无国家标准。本技术系统处理后的泥饼中污染物控制标准大大优于城市污水处理厂污染物污泥的农用标准;系统处理后的废水中各项污染物以及处理后的泥饼分别进行酸浸和水浸[按照《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)],浸出液污染物控制标准参照《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的二级标准,各项指标远低于其标准要求。采用的这些标准通过塔里木油田与新疆环保厅配合新疆环境保护科学研究院在“中石油塔里木油田公司钻井废弃物不落地达标处理技术适用性研究”得以初步确定,将为下一步制定国家行业标准打下了基础,先行走出了一步。

 


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