涡流式旋流器在钻井废液处理中的应用

【摘 要】涡流式旋流器依据离心分离原理，用于分离液体中可沉淀固体物，可达到98%的分离效果。本文在分析油田钻井废液处理工况的前提下，探讨了涡流式旋流器在钻井废液处理中的应用，设计了钻井废液处理工艺流程。

【关键词】涡流式旋流器;钻进废液;油田

0 前言

由于钻井施工作业过程中会在较短的时间内释放出大量的钻井废液，此过程中废弃钻井液释放流量比较大、固体颗粒物粒径较小。涡流式旋流器依据离心分离原理，用于分离液体中可沉淀固体物，可达到98%的分离效果。过滤不需滤网、滤盘，无需反冲洗水，节约了排污水，没有流量损失，设备的维护成本非常低。本文在对废弃泥浆粒径、组分进行细致分析的基础上，研究了将涡流式旋流器应用于大流量钻井废液的固液分离的工艺技术，以满足现场一体化处理装备正常使用。

1 旋流器在油田的使用

近年来的油田生产实际表明，油田开发逐步强调降本增效，这在一定意义上促使生产中相关的关键技术（如水处理技术等）要适应需要，开发出成本低、效率高、使用寿命长的新技术、新工艺及新产品。旋流器具有功能多、结构简单、占地面积小、运行费用低、使用方便灵活、工艺比较简单等诸多优点[1]。以旋流器为核心的旋流分离技术及其配套工艺技术研究的应用前景将十分广阔，对油田开发污水处理工艺体系的高效化与小型化都具有十分重要的意义[2]。

（1）在联合站的应用，可代替一级脱水与一级沉降。中转站来液经旋流器预分离处理后，油直接送至电脱水器，水直接送至污水处理站。简化了工艺，节约了占地面积，降低了设备投资成本。

（2）在中转站采用预分离旋流器解决中转站就地放水与回掺用水等问题。减少外输液量，节约水资源，同时减少了运行费用。

（3）在边缘地区的小区块上直接处理油井采出液，将预分离旋流器及污水处理旋流器用于就地处理与回注系统中，减少管网的铺设，大大节约了投资，降低了开采成本。

（4）在井下分离方面，采用预分离旋流器与双流泵配合，直接在井下对产出液进行处理，可使采出原油的含水率由90%以上降至50%-80%，降低了原油开采成本，简化了地面水处理工艺及设备。随着产出液含水率的不断提高，此项应用必将迅速得到推广，产生巨大的经济效益和社会效益。

（5）将污水处理用旋流器制成移动式或固定式油一水分离设备，用于井下工具或其他工具的清洗等，减少油田废水的排放，对节约能源及环境保护都具有积极的意义。

2 钻井废液处理工况分析

2.1 固体颗粒

通过分析钻井废液的固体颗粒参数是5―75μm占80%;75μm―5mm占不到20%。同时有一个特殊性在于，需要流动性的固液分离系统，这就决定了不同地区地理条件下的颗粒特性发生变化，如颗粒粒度的分布。这个变化主要影响储污室内颗粒聚集的快慢，即影响排污口打开的频率和持续时间。

2.2 处理能力需求

钻井一开等施工作业过程中会在较短的时间内释放出大量的废弃钻井液，测算出的指标是60m3/h。这个参数将决定涡流式旋流器的结构参数。还有一个参数是分离率达到90%，都将要在参数匹配中给予满足。

2.3 注水指标

中低渗透层注水指标10mg/L，中高渗透层注水指标为30mg/L。

3 废液处理系统整体设计

目前在实际使用中有以下整体设计的工艺方案及性能[3]：

3.1 “两级旋流串联”工艺

此工艺的主要流程是采用两级旋流器串联起来实现含油污水的处理，其中第一级为卧式旋流器，第二级为立式旋流器，并且将其中的第一级旋流器作为粗略的分离，第二级旋流器作为精细的分离。采用“两级旋流串联”工艺，可以将1000mg/L左右的含油污水处理到30mg/L左右，达到了中、高渗透层的注水指标，从而具有良好的现场应用价值。

3.2 “单级旋流+过滤”工艺

此工艺流程是分别采用立式或卧式单级旋流器与过滤器相连接，废液经一级旋流后，进入过滤器装置，进行过滤处理。采用“单级旋流+过滤”工艺，可以将1000mg/L左右的含油污水处理到10mg/L以下，达到了中、低渗透层的注水指标，同样有更加良好的现场应用价值。同时，该工艺简单，运行成本得以降低，且操作管理方便、快捷、灵活，可在不同地点建成不同规模的污水处理装置，甚至可实现橇装化或车装化，实现污水的就地处理。

3.3 “两级旋流串联+过滤”工艺

此工艺是将废液中的含油污水经过卧式和立式两级串联的旋流器处理后，进入过滤器装置，过滤后的液流由底流口排出。过滤设备仅能将30mg/L左右的含油污水处理到3mg/L以下，这同“单级旋流+过滤”工艺相比，处理指标相差不是十分明显，但却增加了一级旋流设备的投资，显然是不够经济的。

综上所述，选取“旋流器+过滤”的方案是最合适的。

但是，针对60m3/h的处理量需求，采用后过滤的措施显然达不到这个处理量的需求。根据颗粒特点，设计出以下方案，如图1所示。

图1 废液处理系统整体设计示意图

第一级过滤是分离掉钻井过程中产生的泥块等大颗粒，第二级过滤是分离掉一些小的大颗粒级微粒，因为300μm以上的颗粒都可以通过通过筛选方法去除，所以第三级过滤筛的孔径选取300μm。

涡流式旋流器的主要颗粒处理范围是10―300μm，基本包含了油田给的参数范围，对于5―10μm的颗粒会有一部分得到分离。因为5―10μm颗粒含量比较少且能够实现部分分离，所以整体上来讲本套系统可以实现90%的分离率。

这个系统的设计同时考虑了油田现有处理设备，可以使用现在正在使用了废水处理系统的一级过滤设备，从而减少了一次性投入。

采用涡流式旋流器的优点在于：

（1）特殊的接触室、螺旋槽的入口形式，使得流场轴线与溢出口及分离筒轴线比较接近，分离效果比较好。

（2）分离筒为圆柱状，分离主要发生在液流入口，分离筒下部有足够的长度，有利于颗粒的沉降。

（3）排污口可以不定时打开，其余时间是关闭，颗粒沉降聚集在储污室，从而能够满足不同颗粒含量工况的需求，只需要解决排污口打开频率的问题就可以了，比如在储污室安装一个超声（下转第206页）（上接第202页）波传感器，检测到污泥储存将要满的时候打开排污口。

4 涡流式旋流器结构参数匹配

图2 涡流式旋流器结构图

旋流器主要参数见表1。

表1 涡流式旋流器主要参数

5 小结

本文分析了旋流器在油田的使用情况、钻井废液处理系统的技术发展状况，然后在分析油田钻井废液处理工况后，设计了一套废液处理系统实现钻井生产作业过程中大流量废弃钻井液排放阶段的固液分离问题，可满足现场一体化钻井液废液无害化处理中的大流量废弃钻井液处理的实际需要，具有较大的社会效益和环境效益。

【参考文献】

[1]贺杰，蒋明虎.水力旋流器[M].石油工业出版社，1996.

[2]蒋明虎，等.产出液预分离水力旋流器的机理及试验研究[J].石油学报，1998，4.

[3]姜宝山.油田含油污水处理新工艺及配套技术研究[J].大庆石油学院，2003，5.