摘要：鉆井廢水、鉆井柴油機廢氣污染物和排氣噪聲是石油天然氣鉆探作業(yè)環(huán)境保護的主要治理對象。根據(jù)熱力學(xué)原理和氣液動量、熱量、質(zhì)量傳遞相變機理，研發(fā)了鉆井廢水廢氣同步消減新技術(shù)。其技術(shù)原理為：鉆井廢水與柴油機廢氣兩相流直接接觸傳熱傳質(zhì)，廢氣余熱消減廢水，廢水吸收廢氣煙塵同時使廢氣降溫降噪減阻，替代柴油機排氣消聲器。為此，設(shè)計了與鉆井190型渦輪增壓柴油機配套的ST系列廢水廢氣現(xiàn)場同步處理示范裝置，并在四川龍崗和新疆克拉瑪依等多種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的油氣鉆井現(xiàn)場實施。結(jié)果表明，單臺810kW柴油機1200r/min工況下平均消減廢水能力為0.538m³/h，廢氣煙塵基本消除，降噪效果比消聲器提高4.2%～23.7%(倍頻帶)而背壓降低70%以上，柴油機功率損失比減少1%。實踐證明，該技術(shù)改變了鉆井廢水末端治理的現(xiàn)狀，以源頭治理方式實現(xiàn)鉆井現(xiàn)場廢水不加藥、不外排、不轉(zhuǎn)運，為提高鉆探作業(yè)環(huán)保水平提供了可靠的技術(shù)保障，對建立石油天然氣鉆探清潔生產(chǎn)體系具有重要意義，并可以大幅度減少鉆井現(xiàn)場廢水池征地和基建投資，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。

關(guān)鍵詞：鉆井廢水；柴油機廢氣；同步處理；源頭治理；環(huán)境保護；節(jié)能減排

   世界各國對石油天然氣鉆采環(huán)保采取越來越嚴格的措施，歐洲北海油氣田、科威特大布爾甘油田和美國馬塞勒斯頁巖氣田等不同國家與類型油氣鉆采廢水管理均傾向于零排放和循環(huán)利用，規(guī)避環(huán)境風(fēng)險^[1～3]。我國鉆井廢水處理技術(shù)近10年來有很大進展，但仍以末端治理、達標(biāo)排放為主^[4～6]。為適應(yīng)我國日益嚴格的環(huán)保法規(guī)和公眾的環(huán)保要求，石油行業(yè)“十一五”規(guī)劃提出了增產(chǎn)不增污，建立環(huán)境友好石油天然氣鉆采清潔生產(chǎn)體系的任務(wù)^[7]。

   四川大學(xué)承擔(dān)國家“863”計劃課題對鉆井廢水源頭治理技術(shù)進行系統(tǒng)研究，與廣漢欣欣實業(yè)有限公司共同開發(fā)了鉆井廢水廢氣同步消減新技術(shù)及成套橇裝設(shè)備^[8]。本文基于在四川龍崗和新疆克拉瑪依等多種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的油氣鉆井現(xiàn)場示范應(yīng)用中積累的原始資料，介紹該技術(shù)的原理、設(shè)計要點、現(xiàn)場實施效果及其產(chǎn)生的環(huán)境與經(jīng)濟效益。

根據(jù)氣液兩相流直接接觸傳熱傳質(zhì)等焓過程原理^[9]，設(shè)柴油機排氣溫度(t)、濕含量(H)、比熱(C_p)，與廢水傳熱傳質(zhì)達到飽和溫度(t_s)、飽和濕含量(H_s)，廢水汽化熱(γ)，則單位質(zhì)量廢氣飽和增濕量理論值為：

 

按上式繪制的t-△w和t-t_s曲線見圖1。

 

    由t-△w曲線可見，廢氣飽和增濕量與柴油機排氣溫度呈線性關(guān)系，在240～450℃的排氣溫區(qū)△w變化范圍為0.084～0.175(kg/kg廢氣)，增長約1倍。190型渦輪增壓柴油機額定工況(810kW)排氣量Q=5275kg/h，排氣溫度t=330℃，對應(yīng)△w=0.123(kg/kg廢氣)，則排氣消減廢水量理論值為：

   W_max=△w×Q=0.123×5275≈649(kg/h)    (2)

對應(yīng)的廢熱回收與柴油機輸出軸功率之比為：

 

圖1的t-t_s曲線還提供了與柴油機排氣溫度(t)相對應(yīng)的飽和溫度(t_s)，若實測同步處理后廢氣溫度下降到t_out，則根據(jù)式(3)定義的設(shè)備運行效率可判斷運行狀態(tài)，一般應(yīng)在90%～98%范圍。

 

    本技術(shù)原理流程如圖2所示。廢水池來的原水與柴油機廢氣逆流進入設(shè)備，氣-液兩相交叉流傳熱傳質(zhì)，廢水蒸發(fā)濃縮，廢氣降溫增濕且所含煙塵等有害物質(zhì)被廢水吸收排往沉積池。

 

    上述過程同步產(chǎn)生排氣降噪減阻功能，可替代消聲器并減少柴油機功率損失。研究顯示^[10]，額定工況下190型渦輪增壓柴油機排氣消聲器阻力損失為2.3～2.5kPa，其功率損失比為1.6%～4.0%。本技術(shù)利用廢水廢氣同步消減裝置氣-液傳熱傳質(zhì)表面吸波、氣體體積收縮和流道結(jié)構(gòu)自振頻率低等效應(yīng)，可有效降低排氣噪聲(尤其是高頻)。這種內(nèi)源式降噪機理可使消聲阻力降至原有消聲器的1/3～1/4，即小于或等于0.8kPa，柴油機功率損失比減小至少1%。設(shè)計依據(jù)流體阻力計算公式^[8]：

 

    通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得保證△p≤0.8kPa的參數(shù)如下：

    阻力系數(shù)λ為0.02～0.03；

    廢氣表觀流速u≤12m/s；

    裝置附屬直管長度L≤20m；

    裝置內(nèi)部阻力當(dāng)量長度∑L_e≤40m；

    裝置流道當(dāng)量直徑d_e≥0.3m。

其中，∑L_e是氣-液兩相交叉流流道局部阻力的總和，當(dāng)量直徑d_e按非圓型截面流道定義：

 

    按此設(shè)計的ST系列鉆井廢水廢氣同步處理裝置，柴油機配帶后現(xiàn)場實測排氣背壓均低于0.8kPa。

    圖3是ST-A型裝置(單機配帶)在LG17井現(xiàn)場對比試驗運行實況，圖4是ST-C型裝置(三機配帶)在合川001-6-X3井現(xiàn)場安裝實況，均隨鉆井全周期同步運行，取得了廢水源頭治理和廢氣消煙、降溫降噪的良好效果。

 

2008年6月LG17井3#柴油機配帶ST-A型廢水廢氣同步消減裝置(圖3)替代排氣消聲器，與2#機對比進行驗證試驗。鉆井隊按慣例輪換使用3臺柴油機，劃眼、鉆進、起下鉆及啟動、停車等不同階段全程運行驗證了實驗機運行平穩(wěn)。記錄(表1)顯示，3#機累計運行46.2h(劃眼7h、鉆進39.2h)，ST-A型裝置消減廢水累計量23.9m³，平均消減能力為0.517m³/h。鉆進階段柴油機轉(zhuǎn)速1200r/min，平均消減廢水0.538m³/h；劃眼階段柴油機轉(zhuǎn)速900r/min，平均消減廢水0.40m³/h。

 

    2009年10～11月合川001-6-X3井(井深2476m)3臺鉆井柴油機配帶ST-C型廢水廢氣同步消減裝置，鉆井全程井場產(chǎn)生廢水量201m³，本技術(shù)消減廢水量187m³，廢水池僅剩余14m³。

    LG17井38機配帶ST-A型廢水廢氣同步消減裝置與2#機對比，排氣背壓(表1)與噪聲(表2)同步下降。鉆進工況為柴油機轉(zhuǎn)速1200r/min，2#機排氣背壓實測值2.3～2.5kPa，3#機僅660Pa，降低70%以上。該工況下按噪聲監(jiān)測規(guī)范在3個方位分別檢測單開3#機和單開2#機的噪聲頻譜(表2)，3#機倍頻帶消聲效果均優(yōu)于2#機，2kHz以上高頻段降噪效果更明顯，4kHz降幅達最大值-23.7%。

 

    鉆井廢水廢氣同步消減技術(shù)具有源頭消減廢水和柴油機排氣污染物、消聲降噪減阻和減少柴油機功率損耗等多方面效益。本文僅以鉆井廢水源頭治理效果分析其環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

    該技術(shù)回收利用柴油機排氣廢熱消減鉆井廢水，不外加任何物質(zhì)與能量，與化學(xué)處理或外運、回注等方法相比，具有如下顯著優(yōu)勢：

    1) 廢水消減與鉆井作業(yè)同步進行日集日清。

    2) 單機實測平均消減鉆井廢水0.517m³/h，即平均12.4m³/d(24h)，大于目前井場鉆井廢水產(chǎn)生量，可以確保廢水不外排、不外運、不累積，進行源頭治理。

    由此可見本技術(shù)環(huán)境效益顯著，尤其對既不具備廢水回注條件、又不便于長距離運輸?shù)你@井作業(yè)區(qū)建立廢水零排放清潔生產(chǎn)體系具有重大意義。

    以LG氣田5000～6000m深井為例，目前三廢池總池容約2500m³(廢水池約占50%)，征地及基建投資約80萬元。鉆井作業(yè)期120～150d，產(chǎn)生廢水總量900～1200m³。原有處理方法是部分外運集中處理，部分在現(xiàn)場隨廢漿廢渣固化，平均處理成本超過200元/m³。以上合計單井費用超過100萬元。

    本技術(shù)裝置設(shè)計使用年限5年，單井?dāng)備N費用低于10萬元，且處理過程不加藥，運行管理費顯著低于其他方法。該技術(shù)可以保障鉆井廢水日集日清，廢水池功能僅為短周期循環(huán)，可使其總?cè)莘e縮減1/3，從而大幅度減少井場征地與基建投資。由此，采用本技術(shù)對鉆井廢水進行源頭治理，與現(xiàn)有技術(shù)相比可以節(jié)約成本30%～50%，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。

    1) 利用柴油機排氣廢熱消減鉆井廢水，190型鉆井柴油機單機在額定工況(1300r/min)下消減廢水理論值為649kg/h、實測值(1200r/min)為538kg/h，并且消減排氣煙塵。

    2) 鉆井廢水廢氣同步消減裝置的降噪功能比原有柴油機排氣消聲器提高4.2%0～23.7%，同時使排氣背壓降低70%以上，功率損失比減小至少1%。

    3) 鉆井現(xiàn)場示范運行結(jié)果表明，該技術(shù)實現(xiàn)了鉆井廢水源頭治理，對不具備回注條件、不便于長距離運輸?shù)你@井作業(yè)區(qū)建立廢水零排放清潔生產(chǎn)體系意義重大。

[1] EKINS P，VANNER R，F(xiàn)IREBRACE J.Zero emissions of oil in water from offshore oil and gas installations：economic and environmental implications[J].Journal of Cleaner Production，2007，15：1302-1315.

[2] AI，AJMI HAMAD，AL-JADI LSSA，AL-RUHAIMANI FERAS.et al.Effluent water disposal experiences in the Greater Burgan Field of Kuwait[C].International Petroleum Technology Conference，2007，Dubai，U.A.E.SPE 11551.

[3] GAUDLIP A W，PAUGH L O，HAYES T D.Marcellus shale water management challenges in Pennsylvania [C].SPE-Shale Gas Production Conference，2008，F(xiàn)ortworth，Texas，USA.SPE 119898.

[4] 張雷，歐陽峰，廖千家驊.我國鉆井廢水處理研究進展[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2007(6)：30-34.

[5] 黃志宇，魯紅升，李建波，等.氣井鉆井廢水深度處理實驗研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25(5)：44-46.

[6] 熊春平，朱權(quán)云.鉆井廢水處理工藝評價[J].石油與天然氣化工，1997，26(1)：61-64.

[7] 李新華.依靠裝備科技進步做好節(jié)能減排工作[J].國際石油經(jīng)濟，2008，16(5)：31-34.

[8] 夏小全，朱家驊，夏素蘭，等.鉆井廢水、廢泥漿和發(fā)動機廢氣現(xiàn)場綜合處理方法：中國，101244848A[P].2008-08-20.

[9] 《化學(xué)工程手冊》編輯委員會.化學(xué)工程手冊：第4卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989：15-30.

[10] 鄭鄖.低能耗低成本排氣消聲器的研制[J].環(huán)境工程，2000.18(3)：39-41.

 

(本文作者：朱德浩¹ 周勇¹ 夏素蘭¹ 夏小全² 向啟貴³ 易暢³ 凌立蘇⁴ 1.四川大學(xué)化工學(xué)院；2.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)監(jiān)督中心；3.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院；4.中國石油新疆油田公司勘探公司)