海上平臺完井液廢棄物處理技術

郭曉軒

（中海油田服務股份有限公司油化研究院，天津 300459）

目前國家生態文明建設和綠水青山環保政策實施，針對海洋石油廢棄物環保處置的法規要求越發嚴格。而渤海灣是我國海上油氣主要聚集區之一，同時又是內海，水體交換速度慢，一旦水體受到污染，即使治理后其生態恢復周期也相當長。因此，根據相關法律法規，對渤海灣鉆井過程中所產生的廢棄液和巖屑有著嚴格的規定，并且在生態環境敏感區或者儲層段鉆完井作業所產生的廢棄鉆井液、巖屑和固井返排物都嚴禁向海洋直接排放。

隨著渤海灣勘探開發規模進一步加大，生態環境敏感區等鉆完井作業日益增加，這就涉及體量巨大的完/修/固井返排液的回收處理問題。其中，完井作業過程中產生的廢棄物主要包括地層原油、地層巖屑、高濃度鹽、聚合物處理劑等，組成復雜，對海洋環境具有很大的潛在危害。因此，筆者結合海上鉆完井施工特征，建立了一套海上完/修井液廢棄物無害化處理技術[1-5]，并在墾利16 區塊完成應用，前后共計處理廢棄完井液900 余立方米。

1 實驗方法

在前期研究工作的基礎上，本文針對渤海油田某海上平臺產生的完井液廢棄物進行實驗研究，考察不同工藝單元對廢棄物的處理效果。

1.1 實驗裝置及工藝流程

中試實驗主體流程采用“絮凝沉淀+離心分離+膜分離”的處理工藝，運行處理量為24 m3/d，主體的工藝流程見圖1。

圖1 完井液廢棄物處理工藝流程圖

1.2 分析方法

濁度采用HACH 2100Q 便攜式濁度儀測定液相濁度。含油量測定按照生態部標準HJ/T 637—2018《水質石油類和動植物油類的測定 紅外分光光度法》的規定，經酸化的水樣用正己烷萃取，萃取液用紅外光譜含油量測定儀測定樣品中的含油量。檢測原理為在pH≤2.0 的條件下，用正己烷萃取樣品中的油類物質，經無水硫酸鈉脫水后，再用硅酸鎂吸附除去動植物油類等極性物質，于225 nm 的波長處測定吸光度，石油類含量與吸光度符合朗伯-比爾定律。懸浮物含量和含水率的測定根據中國海洋石油總公司企業標準Q/HS 2042—2014《海上碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》測定處理后清液的懸浮物含量，即水樣通過孔徑為0.45 μm 的濾膜，截留在濾膜上并于103～105 ℃烘干至恒重的物質的質量。

2 實驗效果評價

2.1 完井液廢棄物的分析

完井液廢棄物減量化和資源化的重要步驟是實現油液固三相的分離，因此，在設計工藝路線前，對現場取樣的完井液廢棄物進行物性分析，包括含油量、含水率、離子濃度和粒度分析。

本次實驗對三次取得的廢棄物樣品分別進行含油量和含水率的測試（表1）。由表1 的分析數據可知，完井液廢棄物的含油量為（963±825）mg/L，含水率為（88±4.5）%，完井液廢棄物的含水率相對較高且偏差不大，說明在完井作業過程中使用的完井液種類性質較為相似，進行固液分離設備選型時處理量的設計較為固定。而完井液廢棄物的含油量變化較大，在678～2 086 mg/L，方差在825 mg/L，含油量的波動可能是由于在完井作業過程中完井液要接觸儲層，不可避免的會帶出一些原油，而渤海油田原油多為稠油，稠油的黏度和密度均較高，因此，在除油設備選型時要充分考慮稠油的特點和含油量波動情況[6-9]。

表1 完井液廢棄物含油量和含水率分析

渤海油田某海上平臺完井液主要由PF-HTA、PFHCS、PF-EZFLO、加重鹽和海水配制而成[10]，由于要求完井液廢棄物處理后的液相回用，因此，需對廢棄物的離子成分和濃度進行分析，對絮凝劑和助凝劑等藥劑的選擇進行指導，盡量滿足在添加藥劑后不引入其他離子，影響液相回配完井液。本次實驗對三次取樣的完井液廢棄物等比例混合后進行ICP 測試，測試結果顯示完井液廢棄物液相的離子鹽以鈉、鉀為主，濃度分別為45 800 mg/L 和10 270 mg/L，鎂鹽的含量為1 128 mg/L，此外還含有一定量的鈣鹽和鐵鹽。陰離子由Hach 方法測得，以氯根為主，濃度為41 000 mg/L。通過離子分析可知，完井液廢棄物的鹽含量在10%以上，為高鹽難處理廢棄物，高氯的特點對設備的防腐蝕提出了很高的要求，此外由于完井液廢棄物為酸性，pH 值在3.5 左右，因此，液相中存在一部分鈣鎂鐵鹽，這些陽離子容易沉淀出來形成污垢并加快設備垢下腐蝕。

固體懸浮物的粒度分布影響固液分離設備的選型，完井液廢棄物的粒度分布分析見圖2，完井液廢棄物的懸浮物粒度均在0.138 μm 以上，懸浮物的粒度中值（D50）為0.557 μm，80%以上的顆粒分布在0.191～1.980 μm，由粒度分布分析可知，完井液廢棄物中的懸浮物粒度較大且較為集中，適合采用物理和藥劑結合的方式進行分離。

圖2 完井液廢棄物粒度分布分析

2.2 工藝選擇及處理效果

由物性分析可知，完井液廢棄物具有“三高”的顯著特點，即為礦化度高、含油量高和懸浮物含量高（高分子聚合物、地層巖屑、不溶性加重鹽等）的穩定體系，根據物性分析結果和前期實驗，本次實驗選用“絮凝沉淀+離心分離+膜分離”的處理工藝，主要考察絮凝劑性能、離心機除油和管式膜對完井液廢棄物處理的效果。

2.2.1 絮凝劑投加量對完井液廢棄物處理效果的影響實驗所用絮凝劑為中海油服油化研究院開發的有機-無機復合型高分子混凝劑PE-XN22S，該產品以納米無機絮凝劑為合成基礎，引入具有絡合功能和增稠助沉功能的多種高分子聚合物進行表面化學修飾，在有機-無機雙引發體系下進行多相共聚反應制備而成。在實際現場應用中，投加量是決定絮凝效果最重要的關鍵因素，因此，本次實驗主要考察絮凝劑投加量對完井液廢棄物處理效果的影響，首先對完井液廢棄物進行調堿處理，使完井液廢棄物的液相pH 值為8.0，并在溫度為25 ℃和攪拌速率為600 r/min 下進行，加入絮凝劑攪拌3 min 后停止攪拌，靜置后測上清液濁度和COD，以計算絮凝劑對完井液廢棄物的除濁率和COD 去除率，結果見圖3。

圖3 絮凝劑投加量對完井液廢棄物處理效果的影響

由圖3 可知，隨著絮凝劑投加量的增加，絮凝劑對完井液廢棄物的除濁率和COD 去除率基本呈現先增大后減小的趨勢，在絮凝劑投加量為900 mg/L 時對完井液廢棄物的除濁率達到最大值，此時體系的電荷由-3 640 μC/L 降至-40 μC/L，說明絮凝劑的加入使體系接近中性，破壞了離子間的電穩定性，使得絮凝效果較好。而出現除濁率先增大后減小這種變化的原因可能是由于起初隨著絮凝劑投加量的增大，絮體間的碰撞聚集速度加快，使得完井液廢棄物的絮凝效果增強，而隨著絮凝劑投加量的進一步加大，使得水中懸浮的微粒吸收過多的異號離子改變了原有的電荷屬性，削弱了絮凝劑的電中和作用，出現完井液廢棄物返穩現象，使得體系的除濁率下降。

2.2.2 離心機離心時間和轉速對完井液廢棄物處理效果的影響 確定絮凝劑最佳投加量后，在絮凝沉淀池中加入絮凝劑靜置后可觀察到較為明顯的油液固三相分離，考慮到完井液廢棄物的含油量波動大和平臺作業問題，本實驗選用江蘇某離心機廠家提供的臥螺離心機作為三相分離設備，其工作原理為物料通過中心供料管進入離心倉，在離心力的作用下，密度大的固體沉降到轉股壁，而兩種密度不同的液體形成同心圓柱，較輕液相處于內層，較重液相處于外層，通過調節溢流堰和可變葉輪來控制不同液體環的厚度，從而實現油水兩相的分離。本實驗主要考察離心時間和離心轉速對除油效果、固相含水率和含油率的影響。

在絮凝沉淀池中加入900 mg/L 的絮凝劑，在攪拌速率600 r/min 下攪拌3 min，之后使用螺桿泵將物料打入離心機內，初期設置離心機轉速為3 500 r/min，研究不同停留時間對三相分離效果的影響，結果見圖4。

圖4 不同離心時間下完井液廢棄物分離效果

由圖4 可以看出，隨著離心時間的增加，無論是液相還是固相均有明顯的改觀，在離心時間為20 min時，液相中的含油量為47 mg/L，除油率在95%，固相的含水率和含油率分別為56%和0.9%，離心后的液相仍然較為渾濁，說明有些絮凝物體在離心壁筒間被高速剪切打碎，這部分固體不容易在離心機內被分離出來，此外出水含油量仍然較高，液相需進一步處理。固相的指標已達到一般固廢標準，且含水率低于60%，實現了完井液廢棄物的減量化，很大程度上降低了固相運回陸地處理的成本。

離心轉速是影響離心機分離效果的另一個重要因素，同時與離心設備的性能和能耗有關，工業用臥螺離心機的轉速多低于5 000 r/min，因此，本實驗在固定離心時間為20 min，考察在離心轉速為2 500、3 000、3 500 和4 000 r/min 下對完井液廢棄物的離心效果，實驗結果見圖5。

圖5 不同離心轉速下完井液廢棄物分離效果

由圖5 可以看出，隨著離心轉速的增加，離心效果有所提升，在離心轉速為3 500 r/min 下液相除油率達到最高，固相含水率低于60%，含油率0.9%，但隨著離心轉速升為4 000 r/min，雖然固相含水率進一步降低至54%，但分油效果變差，液相除油率下降，固相含油率上升，可能是由于在高速離心機內，油液固三相分離為動態平衡，為使得分離后油液固三相均滿足指標要求，需達到動態平衡點。綜上實驗，對于處理此類完井液廢棄物，臥螺離心機的最佳運行條件為離心轉速3 500 r/min 和離心時間20 min。

2.2.3 膜分離對離心后液相處理的效果 經離心處理后的液相雖然含油率和含固率得到明顯下降，但仍然不能滿足液相回用的要求，需要進一步處理，為保障出水穩定達標，采用管式膜過濾作為三級分離設備，管式膜是由改性高分子材料經特殊工藝制備而形成的非對稱膜。管式膜管壁密布微孔，在壓力作用下，原料液在膜管內或膜外側流動，小分子物質（水、無機鹽等）透過膜，大分子物質（懸浮物、膠和微生物等）被膜截留，可以達到分離、純化的目的，而不改變溶解態物質的物理特性。根據物性分析可知，懸浮物的粒度在100 nm 以上，因此，本實驗所用的膜為管式超濾膜，過濾精度在100 nm，考察管式膜穩定運行參數。膜運行壓力是膜主要的運行參數，與產水通量和除濁率直接相關，進而影響膜的投資、運行費用以及運行穩定性。本實驗在固定膜面流速3 m/s 的工況下，主要考察了膜運行壓力在0.15、0.18、0.21、0.24、0.27、0.30 MPa 下對產水通量和除濁率的影響規律，以找到最優的膜運行壓力，減少能耗和投資成本，實驗結果見圖6。

圖6 不同膜運行壓力下液相分離效果

由圖6 可以看出，隨著膜運行壓力的增加，產水通量有所增加，前期增加的較快，隨著膜運行壓力的升高，產水通量的增加幅度逐漸減少，在0.30 MPa 下達到最高值。主要原因是膜運行壓力的提高，增加了跨膜壓差，產水通量得到提升，但是隨著膜運行壓力的提高，膜表面的污染也同樣加劇，致使后期產水通量的增加幅度減少。而除濁率隨著膜運行壓力的增加呈先升高后降低的趨勢，可能的原因是前期隨著膜運行壓力的增加，表面會出現較薄的濾餅層，使除濁率上升，隨著膜運行壓力的繼續升高，因膜運行壓力過大，造成膜孔徑有一定的形變，加上膜運行壓力的升高，使部分粒度較小的顆粒通過，造成除濁率輕微下降。因此，最優的膜運行壓力應取在0.20～0.25 MPa，此時分離效果較好，且運行比較穩定。

3 應用效果

結合前期實驗中已得到驗證，可較好的實現油、液、固三相的分離，使處理后的固相和液相均達到科研要求。天津院提出的工藝為“離心除油-板框壓濾-膜過濾”，其中膜過濾雖然能實現完/修井液廢棄物的深度過濾，使出水達到回用要求，并且具有連續穩定運行的優點，但膜設備的整體造價較高，造成前期投資成本高?？紤]到在某些區域的開采作業是逐步開展，完/修井液廢棄物的產量不大，并不需要設備長時間（15 d 以上）穩定運行的情況，本次測試提出采用成本較低的疊加式錯流磁性過濾器替代膜過濾設備的技術方案，以降低設備投資成本，提高經濟效益。此外，隨著業務量的增加，需要在2021 年完成3～5 口井產生的完/修井液廢棄物處理測試，本次測試對全面驗證工藝和藥劑的可行性、提高市場競爭力具有重要意義。

4 結論

（1）某海上平臺的完井液廢棄物是一種含油、含高分子聚合物、高礦化度的復雜穩定體系，含水率為（88±4.5）%，含油量波動較大，為（963±825）mg/L。

（2）考慮到海上平臺作業空間有限和完井液廢棄物的特點，設計了以“絮凝沉淀-離心分離-膜分離”為技術核心的工藝路線，絮凝劑最佳投加量為900 mg/L，最佳離心轉速和時間分別為3 500 r/min 和20 min，膜穩定運行壓力在0.20～0.25 MPa。

（3）經處理后的完井液廢棄物，固相含水率56%、含油率≤1.0%；液相中固體質量濃度18 mg/L、含油量低于10 mg/L、濁度10.4 NTU，可實現液相回用要求。