CN102745828A - 一种利用海水配置泥浆液的装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用海水配置泥浆液的装置以及方法，其包括海水预处理系统、反渗透装置、泥浆搅拌池等。预处理系统有活性炭过滤器和纳滤膜过滤器；反渗透装置由若干个RO组件组成；清除残余Na⁺、Cl^-离子的EDI设备；储罐内的除垢剂、超纯水和电磁阀控制开关构成反渗透装置维护。天然海水经增压泵加压流入预处理系统，处理后的水经高压泵加压通过反渗透装置，产生的纯水与膨润土搅拌配成泥浆液。另，纯水经过EDI除离子设备产生超纯水供海上勘探作业生活用水。按需使用，各尽所能，从而突破了海上勘探受制于平台空间、载荷、淡水运输及淡水配浆成本等因素制约，有效的降低了勘探成本。独特设计的维护系统使得RO组件使用寿命更长。

Description

一种利用海水配置泥浆液的装置以及方法

技术领域

本发明涉及一种工程地质钻探技术，具体涉及一种利用海水配置泥浆液的装置以及相应的配置方法。

背景技术

在海上进行工程地质钻探作业时，对砂粒、松散岩、风化岩等地层需采用泥浆护壁。利用钻进技术，将孔底被钻头破碎的砂颗粒、岩屑等颗粒随泥浆液携带出孔口，分筛过滤后再循环，以保持孔内清洁，并在孔内壁上形成一层薄而韧的泥饼，稳固已钻开的地层并阻止液相侵入地层，防卡钻、孔塌等事故发生。

众所周知，配置泥浆时只有使用淡水才能够达到最佳的性能。而在海上进行工程地质钻探作业时，受其特殊环境的影响，无法就地获得淡水，这就需要水上勘探平台在开始时就需要存储相应的淡水，或从远处运输淡水到水上勘探平台上。由于受水上勘探平台空间、载荷、淡水运输及淡水成本等因素限制，使勘探成本居高不下；同时也大大影响海上地质钻探的工程规模和勘探作业时间。如果能够利用天然海水直接配置泥浆，即可节约大量淡水资源，又可有效降低勘探成本。

但是海水中的主要成分NaCl是一种强电解质，使泥浆中的主要成份膨润土处于不水化状态；海水中还含有Ca²⁺、Mg²⁺等离子，这些离子能降低海水泥浆的流动性，使其粘度、滤失量剧增，极大地影响了泥浆的性能。

发明内容

本发明针对现有海上进行工程地质钻探作业时无法直接使用海水配置泥浆，从而使得勘探成本居高不下的问题，而提供一种可直接利用海水配置泥浆液的装置。该装置采用天然海水，经过预处理系统、反渗透处理后，消除了Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄ ^2-等离子,大幅降低了NaCl的溶度，制作的纯水满足了高性能泥浆液用水标准。纯水经EDI分离装置后制成超纯水，满足了海上勘探作业生活用水。该装置的应用可有效降低勘探成本，延长海上作业时间。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种利用海水配置泥浆液的装置，所述装置包括：

预处理系统，所述预处理系统对于海水进行预处理，除去海水中的胶体、杂质和90%以上的盐类；

反渗透装置，所述反渗透装置对经预处理系统处理后的海水进行反渗透处理，形成浓盐水和纯水；

泥浆搅拌装置，所述泥浆搅拌装置利用反渗透装置制成的纯水搅拌配置泥浆液。

在本发明的优选实例中，所述预处理系统由若干活性炭过滤器和纳滤膜过滤器组成。

进一步的，所述反渗透装置包括若干RO组件，所述RO组件之间串联形成反渗透装置，或者所述RO组件之间并联形成反渗透装置，或者所述RO组件之间首先串联形成若干RO组件串联组，若干RO组件串联组之间再并联形成反渗透装置。

进一步的，所述泥浆搅拌装置包括泥浆搅拌池、电动机、搅拌器以及比重计，所述泥浆搅拌池的内壁上设置有刻度，所述搅拌器安置在泥浆搅拌池内，并由电机带动，所述比重计设置在泥浆搅拌池中。

进一步的，所述装置还包括饮用水处理装置，所述饮用水处理装置包括超纯水储罐和EDI分离装置，所述EDI分离装置的进口与反渗透装置的纯水出口相接，EDI分离装置的出口与超纯水储罐的进口相接。

再进一步的，所述超纯水储罐中设置有电导率盐度计和浮球液位计。

进一步的，所述装置还包括反渗透装置维护装置，所述反渗透装置维护装置包括除垢剂储罐和设置在除垢剂储罐中的浮球液位计，所述除垢剂储罐与反渗透装置连通。

作为本发明的第二目的，本发明还提供了利用海水配置泥浆液的方法，该方法包括如下步骤：

（1）对天然海水进行预处理，除去海水中的胶体、杂质和90%以上的盐类；

（2）将经预处理后的海水进行反渗透处理，形成浓盐水和纯水；

（3）利用纯水与膨润土配比组成泥浆液。

在方法的方案中，所述方法还包括饮用水制备步骤，该步骤将由反渗透处理制成的纯水进行EDI处理，去除水中残留的Na+、Cl^-离子，形成适于饮用的超纯水。

进一步的，所述方法还包括反渗透装置维护步骤，该步骤将除垢剂流入反渗透装置中，并使反渗透装置浸泡约15～30min后，将除垢剂排尽；再用超纯水冲洗反渗透装置，污垢严重时利用高压泵冲洗1～2min。

基于上述方案形成的本发明将海水中影响泥浆液性能的Ca²⁺、Mg²⁺等离子采取过滤、反渗透技术，制成的纯水与膨润土搅拌配置成高性能泥浆，对钻孔具有护壁、防塌、润滑性，很大程度上降低了钻具在液体中旋转钻进的摩擦阻力，从而提高了钻探速度和钻进效率。

同时，本发明采用EDI设备消除残余Na⁺、Cl^-离子，制成的超纯水基本满足海上勘探作业人员生活用水，节约了淡水资源，对工程规模大，勘探作业时间久，较直接使用淡水配置泥浆，具有显著的低成本优势。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明中的盐度计的结构示意图；

图3为本发明中的浮球液位计结构示意图；

图4为本发明中并联结构的反渗透装置；

图5为本发明中串联结构的反渗透装置；

图6为本发明中串-并联结构的反渗透装置。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1，本提供的利用海水配置泥浆液的装置，其主要包括预处理系统2、反渗透装置4以及泥浆搅拌装置三部分。

其中，预处理系统2用于对天然海水进行预处理，该预系统2为活性炭过滤加纳滤膜双过滤系统，其由若干活性炭过滤器和纳滤膜过滤器组成。本发明通过活性炭过滤器和纳滤膜过滤器过滤海水中的粗颗粒、胶体、悬浮杂质等，有效降低后续反渗透装置4的处理量，有效提高反渗透装置4的使用寿命。

预处理系统2中采用活性炭过滤器和纳滤膜过滤器组成，其更换活性炭过滤器、纳滤膜过滤器的滤芯方便，并且滤芯价格较低，便于后续的维护。

通过上述预处理系统2可以去除海水中的胶体、悬浮杂质，并截留90%以上的Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄ ^2-等离子，并使海水中NaCl的含量大幅降低。

为了便于海水的抽取，预处理系统2的进口通过管道与增压泵1接通，由增压泵1对天然海水先进行增压。

由于海水的特殊性质，预处理系统2中的活性炭过滤器和纳滤膜过滤器的壳体采用防腐材质制成，这样能够提高装置的使用寿命。

反渗透装置4的进口通过管道与预处理系统2的出口接通，并且在两者之间设置有高压泵3。

在本发明中反渗透装置4由若干RO组件41，这些RO组件之间并、串联形成反渗透装置4。

如图4所示，反渗透装置4由RO组件41之间并联形成。

如图5所示，反渗透装置4还可以由RO组件41之间串联形成，该装置使得海水经过二个或以上RO组件渗透，会使流出的淡水的纯度会更高。

基于上述方案，本发明还提供一种结合串联和并联的结构反渗透装置4，如图6所示，该反渗透装置4中RO组件41之间首先串联形成若干RO组件串联组，若干RO组件串联组之间再并联形成反渗透装置。通过这种结构的反渗透装置4既能够保证流出淡水的高纯度又能够保证淡水的流出量。

反渗透装置4对经预处理系统2预处理的海水进行反渗透处理，将海水分离成浓盐水和适于配置泥浆液的纯水。

浓盐水直接通过排放口D排出，为了便于控制在排放口D处设置有浓盐水控制球阀6-2。

纯水通过出口B引入到泥浆搅拌装置进行配置泥浆液，为了便于控制，在出口B上设置有纯水控制球阀6。

由此，本发明通过预处理系统2和反渗透装置4配合对海水的一级处理，得到适于配置泥浆液的纯水。

在本发明中泥浆搅拌装置包括泥浆搅拌池16、电动机18、搅拌器15以及比重计17，其中在泥浆搅拌池16的内壁上设置有刻度，搅拌器15安置在泥浆搅拌池内，并由电机18带动，比重计17设置在泥浆搅拌池中。

经过上述方案形成的纯水只能够适于配置泥浆液，还不能够作为工作人员的生活用水。在此基础上，本发明增加饮用水处理装置对得到的纯水进行二级处理得到超纯水，使其达到国家实验室一级用水标准（GB/T6682-2008），满足勘探作业人员生活用水。

为此，饮用水处理装置包括超纯水储罐10和EDI分离装置9两部分。

其中EDI分离装置9中设置离子交换膜，以此去除经过反渗透装置处理后纯水中残余的Na⁺、Cl^-离子，形成超纯水。

EDI分离装置9的进口与反渗透装置的纯水出口B接通，同时在两者之间设置电磁阀14，实现水流的控制，根据纯水的需求进行开、关处理，有效避免影响泥浆液的配置工作。

EDI分离装置9的出口通过管道与与超纯水储罐10的进口相接，将经过EDI分离处理的超纯水流至超纯水储罐10进行储存。

超纯水储罐10采用耐腐蚀性、抗高温强、抗晶界腐蚀性强的316L不锈钢制成。超纯水储罐10通过出口C连接工人员的用水设备，其上设置有超纯水控制球阀6-1。

同时，本发明中超纯水储罐10还通过管道与高压泵3接通，并在连接管道上设置有电磁阀14-2，便于对反渗透装置4的维护，同时还能够实现超纯水的循环使用。

在超纯水储罐10的内部安装电导率盐度计7和浮球液位计8，用来监测超纯水的盐度和液位高度。

参见图2，电导率盐度计7由三部分组成：感应器7-0，螺旋接口7-2，导管7-1。其中感应器7-0盐度信号通过导管7-1从螺旋接口7-2连接到LED显示。

参见图3，浮球液位计8由三部分组成：导管8-0，浮球8-1，液位变送器8-2。其中浮球8-1随液位变化，导管8-0内传感器将液位信号，通过液位变送器8-2传递至LED显示。

由于反渗透装置4的特殊工作原理，其需要定期进行维护，在本发明中增设一除垢剂储罐11，其存储有用于反渗透装置4维护的除垢剂，其出口通过管道与反渗透装置4的进口接通，并在管道上设置有除垢剂控制电磁阀14-1。在对反渗透装置4进行维护时，打开电磁阀14-1，控制除垢剂储罐11中的除垢剂进入反渗透装置4中，在平时则关闭或阻止除垢剂的进入。

为了便于对除垢剂储罐11中除垢剂存量的控制，在除垢剂储罐11中安置有浮球液位计8，其具体结构如上所述，此处不再赘述。

再者，为了保证装置的可靠性和较长的使用寿命，装置中所有管道采用耐腐蚀、抗高压PPR材料制成。

上述装置能够实现直接利用天然海水进行泥浆液的配置，同时还能够提供工作人员的生活用水，解决海上勘探作业需要从外界运输淡水的问题。同时，该装置中对生活用水（超纯水）的提取以及反渗透装置4的维护都通过电磁阀进行控制，能够实现装置的自动化控制，提高工作效率的同时降低人工的需求。

利用上述方案得到的装置，其进行泥浆液的配置以及生活用水以及反渗透装置维护的过程如下：

泥浆液的配置：

关闭球阀6-1、电磁阀开关14、14-1、14-2，打开浓盐水控制球阀6-2及纯水控制球阀6，启动增压泵1和高压泵3电源，使得天然海水从A口经增压泵1增压后流经预处理系统2；

预处理系统2对天然海水进行预处理，去除天然海水中胶体、悬浮杂质，截留90%以上的Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄ ^2-等离子，并使NaCl的含量大幅降低；

将经预处理的海水再经高压泵3加压通过反渗透装置4进行反渗透处理；该步骤通过高压泵3提高海水的压力，有助于反渗透装置4中海水中的盐等杂质和纯水的分离，有效提高反渗透装置4的海水分离效果。

流经反渗透装置4的海水分离成浓盐水和纯水，其中浓盐水从D口排放（浓盐水控制球阀6-2已经打开），而纯水从球阀6流入泥浆搅拌池16内；

当泥浆搅拌池16的纯水达到某一刻度止，泥浆搅拌池16内的纯水与膨润土混合通过电动机18带动搅拌器15搅拌，密切观察比重计17读数，制成纯水与5～8%膨润土的配比组成高性能泥浆液。

制超纯水过程：

关闭纯水控制球阀6，打开电磁阀14，天然海水从A口经增压泵1增压后流经预处理系统2，再经高压泵3加压通过反渗透装置4，浓盐水从D口排放，纯水经电磁阀14流经EDI分离装置9（该过程中各部件的运行过程和原理如上所述，此处不再赘述。

EDI分离装置9中的中离子交换膜对流经的纯水进行处理，去除残余的Na⁺、Cl^-离子，制成超纯水。

超纯水注入超纯水储罐10，注满终止，随时观察电导盐度计7上的LED盐度显示读数，及浮球液位计8上的LED液位显示读数。

通过打开球阀6-1，即可提供生活用超纯水。

反渗透装置4维护：

关闭球阀6，6-1，6-2以及电磁阀14，14-1，14-2，同时关闭增压泵1和高压泵3电源。

打开电磁阀14-1，使除垢剂储罐11中的除垢剂流入反渗透装置4中；

当反渗透装置4中除垢剂达到预定量时，关闭电磁阀14-1，并使反渗透装置4浸泡约15～30min后，打开浓盐水控制球阀6-2，污垢废液从D口排尽；

打开电磁阀14-2，让超纯水储罐10中的超纯水冲洗反渗透装置4，污垢严重时可打开高压泵3冲洗1～2min。在冲洗过程中注意超纯水储罐10中浮球液位计8上LED液面显示读数，应避免超纯水耗尽。

对除垢剂储罐11应及时添加除垢剂。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种利用海水配置泥浆液的装置，其特征在于，所述装置包括：

预处理系统，所述预处理系统对于海水进行预处理，除去海水中的胶体、杂质和90%以上的盐类；

反渗透装置，所述反渗透装置对经预处理系统处理后的海水进行反渗透处理，形成浓盐水和纯水；

泥浆搅拌装置，所述泥浆搅拌装置利用反渗透装置制成的纯水搅拌配置泥浆液。

2.根据权利要求1所述的一种利用海水配置泥浆液的装置，其特征在于，所述预处理系统由若干活性炭过滤器和纳滤膜过滤器组成。

3.根据权利要求1所述的一种利用海水配置泥浆液的装置，其特征在于，所述反渗透装置包括若干RO组件，所述RO组件之间串联形成反渗透装置，或者所述RO组件之间并联形成反渗透装置，或者所述RO组件之间首先串联形成若干RO组件串联组，若干RO组件串联组之间再并联形成反渗透装置。

4.根据权利要求1所述的一种利用海水配置泥浆液的装置，其特征在于，所述泥浆搅拌装置包括泥浆搅拌池、电动机、搅拌器以及比重计，所述泥浆搅拌池的内壁上设置有刻度，所述搅拌器安置在泥浆搅拌池内，并由电机带动，所述比重计设置在泥浆搅拌池中。

5.根据权利要求1所述的一种利用海水配置泥浆液的装置，其特征在于，所述装置还包括饮用水处理装置，所述饮用水处理装置包括超纯水储罐和EDI分离装置，所述EDI分离装置的进口与反渗透装置的纯水出口相接，EDI分离装置的出口与超纯水储罐的进口相接。

6.根据权利要求5所述的一种利用海水配置泥浆液的装置，其特征在于，所述超纯水储罐中设置有电导率盐度计和浮球液位计。

7.根据权利要求1所述的一种利用海水配置泥浆液的装置，其特征在于，所述装置还包括反渗透装置维护装置，所述反渗透装置维护装置包括除垢剂储罐和设置在除垢剂储罐中的浮球液位计，所述除垢剂储罐与反渗透装置连通。

8.一种利用海水配置泥浆液的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）对天然海水进行预处理，除去海水中的胶体、杂质和90%以上的盐类；

（2）将经预处理后的海水进行反渗透处理，形成浓盐水和纯水；

（3）利用纯水与膨润土配比组成泥浆液。

9.根据权利要求1所述的一种利用海水配置泥浆液的方法，其特征在于，所述方法还包括饮用水制备步骤，该步骤将反渗透处理制成的纯水进行EDI处理，去除水中残留的Na+、Cl^-离子，形成适于饮用的超纯水。

10.根据权利要求1所述的一种利用海水配置泥浆液的方法，其特征在于，所述方法还包括反渗透装置维护步骤，该步骤将除垢剂流入反渗透装置中，并使反渗透装置浸泡约15～30min后，将除垢剂排尽；再用超纯水冲洗反渗透装置，污垢严重时利用高压泵冲洗1～2min。

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