新型油田廢泥漿固液分離設(shè)備應(yīng)用探討
技術(shù)支持
石油鉆井廢泥漿已被列入 危險廢物名錄，其對環(huán)境的危害極大，必須對其進(jìn)行有效處理方可排放或資源利用。目前，國內(nèi)對其處理的主要方法有：循環(huán)利用法、直接排放法、固液分離法、固化法等。其中的固液分離法因其具有適應(yīng)性廣、處理徹底、切合 節(jié)能減排政策等優(yōu)點，是目前國內(nèi)研究的熱點。國內(nèi)固液分離法所采用的核心分離設(shè)備主要是離心機、板框壓濾機等傳統(tǒng)設(shè)備，但這些設(shè)備分離廢泥漿時，都需要將廢泥漿加水稀釋后才能進(jìn)入設(shè)備，工作效率低。并且分離后的泥餅含水率大，呈粘稠狀，仍然會污染環(huán)境，不能直接排放。結(jié)合我國西部某采油廠的廢泥漿現(xiàn)狀，嘗試采用特種高壓分離設(shè)備-模塊化高壓壓干機，直接對廢泥漿進(jìn)行固液分離，分離后產(chǎn)生的濾液運至污水站處理后可回用，分離產(chǎn)生的泥餅達(dá)到 排放標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了減量化、無害化，可直接填埋處理。
1 模塊化廢泥漿壓干機較傳統(tǒng)分離設(shè)備的優(yōu)勢
目前，國內(nèi)用作廢泥漿固液分離的設(shè)備主要是離心機、板框或隔膜廂式壓濾機、帶式機等。由于打井時產(chǎn)生的廢泥漿不均勻，部分比較粘稠，以上設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點決定了粘稠廢泥漿無法直接進(jìn)入設(shè)備，必須對其進(jìn)行加水稀釋至流動態(tài)、均質(zhì)處理，才能被輸入設(shè)備進(jìn)行固液分離處理。
模塊化廢泥漿壓干機壓濾核心模塊獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可允許粘稠物料直接輸入進(jìn)行固液分離，省去了費時的稀釋過程。模塊化高壓壓干機采用高粘介質(zhì)進(jìn)料泵實現(xiàn)廢泥漿直接進(jìn)料，簡化了設(shè)備，提高了工作效率。另外，離心機靠離心力進(jìn)行固液分離，隔膜壓濾機的壓濾壓力在0.7～1.2MPa，而模塊化高壓壓干機的壓濾壓力高達(dá)3.00MPa，這使得分離出的固相物的含水率大大降低。
2 廢泥漿現(xiàn)狀及其固液分離工藝流程
此次高壓固液分離嘗試選在我國西部某采油廠的鉆井現(xiàn)場進(jìn)行?，F(xiàn)場產(chǎn)生的大量廢泥漿儲存在經(jīng)過防滲處理的泥漿池中，其狀態(tài)為粘稠狀、含固率高，并有分層現(xiàn)象。上層松軟、鉆井液添加劑占比量大、泥沙占比量??；下層與上層相反。泥漿池中包括多種作業(yè)的廢棄物（液），現(xiàn)場實測其平均密度約為1.2t/m3，平均含水率約為40%。主要有：
（1）鉆井液
含有重金屬、油類、膨潤土、堿和化合物等對人、畜和環(huán)境有害的物質(zhì)，約占總廢棄物的70%左右。根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造廢泥漿中的鉆井液，鉆井-開、二開時選用無固相、低固相聚合物水基鉆井液體系。為了防止油井坍塌轉(zhuǎn)用聚磺防塌鉆井液。主要成分有：土粉、NaOH、NaCO3、KPAM、HV-CMC、堵漏劑（SDL、HD-Ⅱ、高效堵漏劑）等。此外，在射孔、壓裂時還會用到粘土穩(wěn)定劑（KC1）、羥丙基瓜爾膠、殺菌劑（OFB-1）等。
（2）廢液
由各作業(yè)設(shè)備的清洗液、井液、污水等組成，有害物質(zhì)主要是油類物質(zhì)，也有少量的有機處理劑、重金屬及堿類物質(zhì)。
（3）鉆屑
約占總廢棄物的20%，污染物主要是鉆井液。
本次作業(yè)場地的廢泥漿，分層明顯。為了提高處理效率，將上層液體直接抽至濾液罐，運至污水站另行處理。僅通過設(shè)備壓濾下面的稠泥漿。
針對采油廠油井的分布情況，當(dāng)區(qū)域內(nèi)油井分布比較集中時，采取在區(qū)域內(nèi)建設(shè)集中處理站，把區(qū)域內(nèi)油井在鉆井時產(chǎn)生的廢泥漿運至集中處理站處理；當(dāng)油井分散分布、距離較遠(yuǎn)時，每口油井產(chǎn)生的廢泥漿單獨進(jìn)行處理，采用撬裝式結(jié)構(gòu)設(shè)計的分離設(shè)備，可方便轉(zhuǎn)移至下一口油井。根據(jù)本設(shè)備應(yīng)用地點現(xiàn)場的實際情況，采用1臺撬裝式高壓分離設(shè)備對一口油井產(chǎn)生的廢泥漿進(jìn)行處理。
現(xiàn)場泥漿池中的廢泥漿輸送至攪拌裝置中與絮凝劑混合、攪拌調(diào)理后，再輸送至高壓壓干機壓濾，產(chǎn)生的干泥餅外運填埋，產(chǎn)生的濾液運至污水站處理。廢泥漿經(jīng)本工藝進(jìn)行固液分離處理后，其中的部分有害物質(zhì)轉(zhuǎn)移至濾液中，濾液運至污水站進(jìn)行無害化處理，部分有害物質(zhì)被固化在固相物（泥餅）中。通過本工藝處理后，固相物中各污染物指標(biāo)應(yīng)低于《危險廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18598-2001）的控制限值，以便對其進(jìn)行填埋處理。
3 高壓壓干機設(shè)備介紹及實施過程
高壓壓干機的基本工作原理是：采用高壓機械壓榨的方法對廢泥漿進(jìn)行固液分離，其系統(tǒng)主要設(shè)備包括：主機、液壓系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、藥劑系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、調(diào)理系統(tǒng)。為了便于在采油區(qū)運輸，設(shè)備采用撬裝式結(jié)構(gòu)，分為主機工作站、動力站、輔助站三大單元。其中主機工作站的壓濾單元采用模塊化設(shè)計，本機采用10個壓濾單元。根據(jù)設(shè)備的設(shè)計產(chǎn)量要求，單元數(shù)量可相應(yīng)增減。
3.1 廢泥漿的輸送方案
如前所述，廢泥漿含固率高、粘度大且沒有流動性，將其直接從泥漿池中可靠又經(jīng)濟的輸送到設(shè)備中，有很大難度?？紤]如下三種方案：
（1）采用長臂挖掘機
現(xiàn)場泥漿池一般長20～60m，深3m，對于分散布置的多個泥漿池，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，此種方案是可行的。但對于因場地限制、多個集中布置的泥漿池，由于泥漿池間沒有通道，挖掘機無法通過而挖不到內(nèi)側(cè)泥漿池。同時，此方案需要專人操作1臺挖掘機，其成本過高，大大超過了運營成本的承受能力。
（2）采用大吸力軟管泵
現(xiàn)場試用了1臺11kW的大吸力軟管泵。試用時發(fā)現(xiàn)，軟管吸口相對稀的泥漿及流態(tài)粘稠泥漿能夠被吸上，但稀泥被吸走后，吸口很快被更粘稠的泥漿堵住而無法吸上，需要移動吸口或者向吸口噴水稀釋才能吸上，同時需要不斷移動軟管泵及其吸管，操作極為不便，并且效率很低。
（3）采用大流量攪拌式砂漿泵及高壓水泵
現(xiàn)場嘗試采用1臺7.5kW的大流量攪拌式砂漿泵，將其固定在浮筒上，泵體置于泥漿池中。工作時，采用高壓水泵將砂漿泵吸口的泥漿沖散。攪拌式砂漿泵的攪拌葉片將沖下的泥塊攪散。攪勻后直接輸送至設(shè)備的儲罐中，泥漿在儲罐中沉淀后，上層液體可供高壓水泵使用。下層的粘稠泥漿直接輸送至主機中進(jìn)行固液分離。砂漿泵固定在浮筒上，可在泥漿池內(nèi)方便移動。此種方法相對經(jīng)濟、方便。但因為需要加水沖散泥漿，效率較差。目前還沒有找到能夠直接輸送如此高含固率泥漿的設(shè)備。
經(jīng)比較，本次嘗試采用第三種方案。
3.2 廢泥漿的調(diào)理及壓濾過程
經(jīng)過實驗測試，廢泥漿的脫水需要加入1%～2%的鐵鹽類絮凝劑絮凝，以提高脫水效果。
本設(shè)備的調(diào)理過程如下：
進(jìn)入泥漿儲罐中的廢泥漿，通過泥漿罐下部的高粘介質(zhì)螺桿泵，定量輸送到攪拌輸送機中，同時絮凝劑由計量泵定量輸送到攪拌輸送機，與廢泥漿一起混合攪拌，直接輸送至主機料倉。物料在攪拌輸送機的一端進(jìn)料混合，另一端連續(xù)出料。攪拌輸送機的長度、物料的輸送速度、輸送量及調(diào)理效果等各參賽，通過實驗已經(jīng)提前確定較佳值。
主機料倉容積1.2m3，當(dāng)設(shè)備檢查到料倉滿后，前端調(diào)理系統(tǒng)自動停止向料倉加料，同時主機料倉下的高粘介質(zhì)螺桿泵按照程序向主機供料，供料結(jié)束后，主機自動進(jìn)入壓濾程序。
主機進(jìn)料時，當(dāng)設(shè)備檢查到主機料倉料位低于設(shè)定值時，調(diào)理系統(tǒng)自動開啟，向主機料倉供料直到料倉料滿停止。
經(jīng)過5次現(xiàn)場壓濾測試，確定各工藝參數(shù)設(shè)定，根據(jù)得出的工藝參數(shù)，設(shè)備的處理能力計算如下：
（1）設(shè)備壓濾周期約為30min。
（2）設(shè)備單次進(jìn)料約0.8m3，則設(shè)備每小時處理廢泥漿量約為1.6m3（約1.92t），按20h/d工作制計。則每天設(shè)備產(chǎn)量為：20×1.92=38.4t/d?，F(xiàn)場動力站采用柴油發(fā)電機，根據(jù)現(xiàn)行實測，單個壓濾周期（30min）整個設(shè)備消耗0號柴油約4L，則0號柴油消耗量為8L/h。
在主機壓濾過程中，濾液經(jīng)排水管道不斷大量排出?，F(xiàn)場濾液清澈、透明。壓濾至20min時，泥餅壓濾壓力達(dá)到2.5MPa，此時濾液量很小，可排出泥餅。
經(jīng)壓濾后，廢泥漿狀態(tài)從粘流態(tài)變?yōu)閴K狀，實測泥餅含水率約11.6%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)隔膜壓濾機處理后的含水率。設(shè)備無故障連續(xù)穩(wěn)定運行30天，本次嘗試效果得到用戶的肯定。
4 高壓壓干機實施效果分析
4.1 廢泥漿處理產(chǎn)物-泥餅：重金屬含量分析
廢泥漿經(jīng)高壓壓干機壓濾后，大部分有害物質(zhì)進(jìn)入濾液，小部分有害物質(zhì)被固化在泥餅中。對泥餅中的重金屬按照GB 5086.2的方法進(jìn)行檢測，具體如下：
泥餅含水率11.6%，取一定量泥餅在105℃條件下烘至恒重。取100g烘干泥餅，加入1L浸取劑，在室溫震蕩8h、靜置16h后，用0.45μm的濾膜過濾上清液，用ICP儀器分析溶液中的重金屬溶出，浸取劑分別用pH=5、pH=7的去離子水（用鹽水調(diào)節(jié)pH值）。泥餅中的重金屬檢測結(jié)果顯示：浸出液中重金屬含量均低于 標(biāo)準(zhǔn)GB 5085.3-2007、GB 18918-2001的限值，符合填埋要求。
4.2 設(shè)備運營成本分析
以下根據(jù)當(dāng)前市場價格核算，具體實施時按照實際價格為準(zhǔn)。
（1）能源消耗成本
根據(jù)標(biāo)題3.2中測得的數(shù)據(jù)：設(shè)備產(chǎn)量為1.92t/h，設(shè)備消耗0號柴油約8L/h，則處理每噸廢泥漿柴油消耗量為4.2L。柴油按市場價5.43元/L，則每噸廢泥漿能耗成本為22.8元/t。
（2）藥劑消耗成本
加藥量為9.6kg，單次進(jìn)料約0.8m3，泥漿濃度1.2kg/m3，則每噸廢泥漿加藥量為9.6/（0.8×1.2）=10kg。按藥劑市場價900元/t計算，則廢泥漿處理的藥劑成本為9元/t。
（3）設(shè)備維護(hù)成本
根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)及其維護(hù)情況，按3元/t折算。
根據(jù)以上分析，則處理每噸廢泥漿成本為22.8+9+3=34.8元。
以上核算是設(shè)備的消耗成本，不含濾液的無害化處理成本及人工成本。此部分的成本與采用隔膜壓濾機的成本相當(dāng)。
4.3 廢泥漿的減量化分析
本設(shè)備工作時，因廢泥漿不需要加水稀釋，可直接輸入到設(shè)備中進(jìn)行固液分離處理，因此其工作效率較高；所添加藥劑為液體藥劑，廢泥漿處理后只減量不增量。本次處理的廢泥漿平均含水率約40%，處理后泥餅含水率11.6%，則廢泥漿減量：（100-60）/（1-0.116）/100=32.2%。即減量約1/3，這與傳統(tǒng)添加固化劑固化工藝會導(dǎo)致很大增量相比有明顯優(yōu)勢。
4.4 設(shè)備占地面積及處理量分析
設(shè)備主機采用立式結(jié)構(gòu)設(shè)計，同樣過濾面積情況下較傳統(tǒng)臥式隔膜壓濾機占地面積小，本機主機占地面積僅為2m×3m；輔助設(shè)備中除不需要加水稀釋裝置外，其它與傳統(tǒng)隔膜壓濾系統(tǒng)的輔機相同，因此較傳統(tǒng)壓濾設(shè)備占地面積小。
本設(shè)備的優(yōu)勢在于，特別適合對粘稠態(tài)的物料進(jìn)行固液分離?，F(xiàn)場循環(huán)鉆井液經(jīng)現(xiàn)場固控系統(tǒng)處理后產(chǎn)生的廢泥漿，再經(jīng)本設(shè)備初步篩分、沉淀分離后，大部分液相現(xiàn)場回用。本設(shè)備僅處理剩余高含固量的粘稠廢泥漿，與傳統(tǒng)隔膜壓濾機相比，簡化了工藝，提高了處理效率。
現(xiàn)場每口井廢泥漿總產(chǎn)量約80～150m3，經(jīng)初步篩分、沉淀分離后，剩余平均含水率40%左右的廢泥漿約50～80m3。按本設(shè)備38t/d的處理量，僅需2～3天即可處理完畢。
5 結(jié)論
（1）通過本設(shè)備在現(xiàn)場30天的連續(xù)無故障運行測試，設(shè)備運行穩(wěn)定，可以確定經(jīng)特別設(shè)計的壓濾主機直接處理高含固率的廢泥漿是可行的。廢泥漿不加水稀釋，與傳統(tǒng)隔膜壓濾機相比，提高了處理效率。
（2）廢泥漿經(jīng)本設(shè)備分離后，大部分的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)移到液相中，其固相（泥餅）中的重金屬含量很小。對泥餅中的重金屬按照GB 5086.2的方法進(jìn)行檢測，浸出液中重金屬含量均低于 標(biāo)準(zhǔn)GB 5085.3-2007、GB 18918-2001的限值，符合填埋要求。
（3）本設(shè)備進(jìn)行廢泥漿固液分離時，僅加入液相的絮凝藥劑，處理后有較大減量，減量約1/3。
（4）本壓濾主機原理為機械壓榨，泥餅壓力可達(dá)30kg/cm2，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)隔膜壓濾機16kg/cm2的壓力，處理后的泥餅含水率僅為11.6%。
（5）在同樣過濾面積的情況下，本壓濾主機因采用立式結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)臥式隔膜壓濾機占地面積小。
（6）處理廢泥漿時，本設(shè)備的運轉(zhuǎn)消耗成本與隔膜壓濾機相當(dāng)。
綜上所述，本模塊化高壓壓干機處理高含固率的廢泥漿比隔膜壓濾機等傳統(tǒng)設(shè)備有較大優(yōu)勢。
