CN105540697B - 一种高温高压对钻井废液的处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种高温高压对钻井废液的处理装置及方法，设置两个或多个并联的反应釜，在并联反应釜内均设置进样、控温、控压、泄压系统，通过自动控制系统控制多个反应釜同时进行高温高压反应与常压气液分离过程。本发明成功改进了目前国内现有钻井废液的处理技术，在原处理单元的基础上，增设高温高压处理装置，有效降低钻井废液的高浓度的有机污染物，改变有机物污染物分子结构，提高钻井废液BOD/COD比值，增加钻井废液的可生化性，节约成本。与国内现有技术相比具有结构紧凑、节约空间、自动化程度高、操作简便、便于运输流动、处理效率高、具备大规模应用的优点，因此，本发明具有很高的实际应用价值。

Description

一种高温高压对钻井废液的处理装置及方法

技术领域

本发明专利涉及油气田钻井废液回收处理领域，具体涉及一种高温高压对钻井废液的处理装置及方法。

背景技术

在油气田钻井作业过程中所产生的废液以钻井废水和废弃钻井液居多，遇到特殊的作业还可能产生少量的有毒废弃流体，比如有机烃、酸液、高盐流体等。伴随油气田开采规模的不断扩大，油田每年因钻井作业产生的废水至少有500km³。而为了满足钻井施工作业的需要，钻井液体系中往往需要加入降滤失剂、增粘剂、降粘剂、页岩抑制剂、润滑剂、消泡剂、解卡剂、堵漏剂、杀菌剂、加重材料等化学添加剂，因此有机物含量高且种类繁多。经初步分析，钻井废液中含有苯系物、石油类、高浓度有机物、无机盐、重金属及其他有机物添加剂，如果未经处理而排放到地面或掩埋，会对土壤和地下水造成污染。有机物含量高对微生物有很强的毒性和抑制作用，直接排入生化系统会对其造成很大伤害。重金属含量高是又一重要特征，它一般不易因水的作用而迁移，也不可能被微生物降解，并有可能转化为毒性更大的甲基类化合物，如有机铅、有机镉、有机锡、甲基汞等，因此可能成为一种终结污染。另外，表面活性剂、消泡剂、页岩抑制剂等低分子聚合物造成了钻井液废水总氮含量高的特点，这也是影响钻井废水化学需氧量(COD_Cr)排放不达标的主要原因之一。因此，废弃的钻井液和钻井废水应该禁止不加处理而随意排放。

目前，大多钻井废液的水处理多采用物化法(喷雾干燥法、低压蒸馏法、热化学破乳-离心法等)、化学法(混凝沉淀法与氧化法)。其中混凝沉淀法虽投资低，处理容量大，但不能机动性应对不同类型的钻井废液。而氧化法中臭氧氧化技术、Fenton氧化技术、高深度氧化法、催化氧化法等虽对大多数废水处理效果良好，且对高浓度的有机废水处理比较彻底，但氧化剂与氧化条件的构建常常造成能耗大，处理成本提高，增加处理流程，不利于大规模开发运用，所以有必要根据油气田实际特点建立一种对钻井废液有着高效处理能力的高温高压的处理装置。

申请号为CN201510479026.3的发明专利公开了一种水下低温等离子体废水处理方法及装置，由预处理装置(即过滤池和调节池)、高压脉冲电源、内置导电电极的低温等离子箱体等组成，一对导电电极的两个放电端的间距位于固定导流板中心孔的正上方或正下方。利用高压脉冲电源通过导电电极直接对预处理后的污水进行放电，放电产生高温高压的冲击波、臭氧、紫外线、高能电子、原子及活性自由基等使大量难降解有机物得到充分降解。同时可根据废水处理规模及处理程度，选择多个反应器串联或并联。本发明专利的有益效果是：能有效去除废水中有毒难降解有机物，并对废水进行杀菌消毒和除味除藻，具有结构简单、氧化充分、等离子体稳定、成本较低等特点，但对于钻井废液处理效果未知，同时设备的高级氧化技术在钻井作业过程中会受到一定局限性，无法大规模运用。

申请号为CN201410226349.7的中国发明专利公开了一种废弃乳化切削液资源化处理方法，其特征在于：在高温高压下，利用双氧水引发水和压缩空气中的氧气生成强氧化剂，使用该强氧化剂使废弃乳化切削液中的非离子表面活性剂失去表面活性，进而得到油/水分层的产物；所述的高温高压为：温度≥100℃；压力≥0.3MPa。本发明专利的有益效果是：将废弃乳化切削液资源化利用，减少对环境的污染，合理重新利用了石油资源，同时可产生良好的效益，但未提出对钻井废液无害化处理的技术路线。

申请号为CN201310642972.6的中国发明专利公开了一种超临界水氧化法处理高浓度难降解有机废水的装置，该装置包括夹套式反应釜(1)、液压装置(2)、反应釜压力联锁控制装置(3)、吸附剂装填装置(4)、压缩机(5)、增压泵(6)、升温加热系统(7)、冷却器(8)、回压控制阀(9)、气液分离器(10)；本发明借助在有机废水中投加一定量的吸附剂(活性硅粉体)，通过搅拌器使二者均匀混合在一起，进入反应器内，活性硅粉末粒度很小，不会对管路造成堵塞，且能够在反应器内对反应所生成的无机盐进行吸附，然后随产物一起流出反应器进入沉淀池，通过添加絮凝剂或者自然沉淀，在沉淀池内实现吸附剂与处理后液体的分离。本超临界装置通过夹套式和液压系统的配合，减少了超临界状态下设备的腐蚀，降低了设备成本；同时通过添加吸附剂，避免了无机盐析出对设备的堵塞问题，易于实现工业化。该装置虽可提高处理高浓度难降解有机废水处理效率，但是装置流程中添加吸附剂，不适用于钻井废液的复杂体系处理。

申请号为CN201310595431.2的中国发明专利公开了一种超临界水氧化技术处理难降解废水的方法是将预热后的废水流入盐分离器进行超临界脱盐，氧化剂经换热器进行预热后进入加热器加热到所需的温度，加热后的氧化剂与脱盐后的废水分别从反应器两端流入超临界水氧化反应器，系统压力由背压阀控制，发生超临界水氧化反应，废水中的污染物降解为CO₂、N₂和H₂O等无毒害物质；反应后清洁的高温高压流体进入换热器与废水和氧化剂分别进行热交换，之后降温、分离，过量的氧化剂返回超临界水氧化反应器，液体进入常压气液分离器，CO₂、N₂等气体由常压气液分离器顶部排出，处理后的清洁水由常压气液分离器底部排出。本发明具有废水处理效率高，无二次污染，适于处理不同浓度的难降解废水的优点。但对钻井废液的复杂体系的处理，还需要进一步改进。

申请号为CN201310595431.2的中国发明专利公开了一种强化水射流空化降解含苯酚废水的设备，储水池、高压泵、射流空化喷嘴通过管道依顺序连接，射流空化喷嘴安装在反应容器的进水端，反应容器的出水端通过回流管与储水池相连，反应容器内设有一空化射流靶盘，空化射流靶盘距射流空化喷嘴的距离为射流空化喷嘴的喷射孔直径的20～40倍，空化射流靶盘与一调节杆连接固定，调节杆的外伸端连接操纵装置。它使从射流空化喷嘴喷出的空化泡与空化射流靶盘撞击，加速空化泡溃灭，将空化泡的溃灭集中在射流空化喷嘴与空化射流靶盘之间区域，使空化泡溃灭产生的极端高热聚集在该区域，形成一个相对集中高温高压的溃灭区，加速含苯酚废水中苯酚有机物的分解，由此提高含苯酚废水的处理效果，但本发明专利未对混合难降解化合物降解率进行试验分析，无法对钻井废液的具体处理效果进行评价。

发明专利内容

本发明专利提供了一种高温高压对钻井废液的处理装置及方法，反应釜高温高压反应与常压气液分离过程同步进行，结构紧凑，节约空间、自动化程度高，操作简便，有效降低钻井废液的高浓度的有机污染物，改变有机物污染物分子结构，提高钻井废液可生化性。

一种高温高压对钻井废液的处理装置，包括依次连接的样品罐与进样控制阀，储气罐与进气控制阀，增压泵，单向阀，反应釜，高温高压电磁阀，常压气液分离器；

所述样品罐、储气罐与反应釜之间通过管线连接，且反应釜外侧设置加热器；

所述反应釜至少并联两个，交替使用，通过控制单元调节阀门开关，使处理过程连续进行；

所述常压气液分离器上部设置排气孔与气体收集装置，下部连接出样管线，设置样品采集阀；

所述处理装置还设有检测所述反应釜压力的压力表与压力传感器，检测所述反应釜温度的温度传感器以及根据压力表与压力传感器与温度传感器的信号驱动进样控制阀、进气控制阀、增压泵、加热器与高温高压电磁阀的控制单元。

所述控制单元优选为可编程逻辑控制器PLC，设定进样时间、进气时间、升温时间、反应时间与泄压时间，PLC采集各系统的设定信号并分析，控制进样控制阀、进气控制阀、增压泵、加热器与高温高压电磁阀的打开或关闭，使多个反应釜进行钻井废液高温高压处理和反应釜常压气液分离过程能够同时进行，依次启动各个反应釜，使废水的处理连续进行。

所述储气罐所储气体为CO₂、N₂、O₂或空气。

本发明还提供了一种高温高压对钻井废液的处理方法，包括：

设置相互并联的N个反应釜，其中N为大于等于2的整数，首先将钻井废液通过增压泵打入第一个反应釜中，充入气体加压，然后达到预设压力与温度时停留一定时间，接着打开第一个反应釜的高温高压电磁阀泄压，同时钻井废液随泄压形成的空化气流高速进入常压气液分离器，部分气体从排气孔进入气体收集装置循环利用，最后处理后的钻井废液通过样品采集阀排出收集；

针对每一个反应釜均交替的进行进样、加压、升温、反应、泄压空化射流的过程，且所有反应釜按顺序依次启动，使启动第N个反应釜进行钻井废液高温高压处理时，第一个反应釜恰好完成常压气液分离过程。

反应釜的个数N根据进样时间、进气时间与升温时间总和与反应时间与泄压时间总和的比例确定，优选地，当进样时间、进气时间与升温时间总和与反应时间与泄压时间总和的比例为m∶1或1∶m时，N＝m+1，其中m优选为2或3，即N优选为3或4

所述反应釜工作压力为≥0.2MPa，温度为≥100℃，操作时间5～40min。

所述反应釜泄压速率为≥10m/s。

优选地，所述处理装置在运行一定时间12～48h后，需进行清洗，预防设备腐蚀。

本发明专利的有益效果：

本发明专利公开了一种高温高压对钻井废液的处理装置及方法，成功改进了目前国内现有钻井废液的处理技术，在原处理单元基础上，增设高温高压处理装置，有效降低钻井废液的高浓度的有机污染物，改变有机物污染物分子结构，降低钻井废液的COD，提高钻井废液BOD/COD比值，增加钻井废液的可生化性，节约成本。与国内现有技术相比具有结构紧凑、节约空间、自动化程度高、操作简便、便于运输流动、处理效率高、具备大规模应用的优点，因此，本发明具有很高的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明专利的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种高温高压对钻井废液的处理装置，它包括依次连接的样品罐1与进样控制阀302，储气罐2与进气控制阀301，增压泵4，单向阀303，反应釜7，高温高压电磁阀304，常压气液分离器11，以下以设计两个反应釜7对本发明的装置进行说明。

样品罐1、储气罐2与反应釜7之间通过管线连接，且反应釜7外侧设置加热器8，本实施方式中，反应釜设计容积为1L。并联两个反应釜7，交替使用，通过控制单元6调节阀门开关，使处理过程连续进行。

常压气液分离器11上部设置排气孔与气体收集装置10，下部连接出样管线，设置样品采集阀305；

处理装置还设有检测所述反应釜压力的压力表与压力传感器5，检测所述反应釜温度的温度传感器9以及根据压力表与压力传感器与温度传感器的信号驱动进样控制阀302、进气控制阀301、增压泵4、加热器8与高温高压电磁阀304的控制单元6。

控制单元6优选为可编程逻辑控制器PLC，设定进样时间、进气时间、升温时间、反应时间与泄压时间，PLC采集各系统的设定信号斌分析，控制选样控制阀302、进气控制阀301、增压泵4、加热器8与高温高压电磁阀304的打开或关闭，使多个反应釜进行钻井废液高温高压处理和反应釜常压气液分离过程能够同时进行，依次启动各个反应釜7，使废水的处理连续进行。

反应釜的个数N根据进样时间、进气时间与升温时间总和与反应时间与泄压时间总和的比例确定，优选地，当进样时间、进气时间与升温时间总和与反应时间与泄压时间总和的比例为m∶1或1∶m时，N＝m+1，其中m优选为2或3，即N优选为3或4，本实施例1与实施例2中，分别设置反应釜个数为三个与四个。

储气罐2所储气体为CO₂、N₂、O₂或空气，本实施例1与实施例2中储气罐所储气体为N₂。

反应釜7处理钻井废液时控制工作压力为≥0.2MPa，温度为≥100℃，操作时间5～40min。

反应釜7泄压速率为≥10m/s。

以两个反应釜为例，本发明处理控制过程如下：

设置相互并联的2个反应釜，首先将钻井废液通过增压泵4打入第一个反应釜7中，充入气体加压，然后达到预设压力与温度时停留一定时间，接着打开第一个反应釜7的高温高压电磁阀304泄压，同时钻井废液随泄压形成的空化气流高速进入常压气液分离器11，部分气体从排气孔10进入气体收集装置循环利用，最后处理后的钻井废液通过样品采集阀305排出收集。

针对每一个反应釜均交替的进行进样、加压、升温、反应、泄压空化射流的过程，且所有反应釜按顺序依次启动，使启动第二个反应釜进行钻井废液高温高压处理时，第一个反应釜恰好完成常压气液分离过程。

处理装置在运行一定时间12～48h后，需进行清洗，预防设备腐蚀。

本发明中，为了提高反应效率，反应釜的设置数量根据进样时间、进气时间与升温时间总和与反应时间与泄压时间总和的比例进行调整，可同时设置多个并联的反应釜，使多个反应釜依次进行工作，以下实施例1和实施例2为根据时间总和比例分别设置三个和四和反应釜的工作过程和处理效果。

实施例1

反应釜设计容积为1L，储气罐所储气体为N₂，反应釜7处理钻井废液时控制工作压力为0.5MPa，温度为150℃，操作时间30min，反应釜泄压速率为≥20m/s，进样时间、进气时间与升温时间总和与反应时间与泄压时间总和的比例接近1∶2，分别约为15.5min和31min，根据时间和之比，需并联三个反应釜，当第一个反应釜开始工作15.5min后，开启第二个反应釜进行进样、进气、升温同时第一个反应釜进行高温反应与泄压过程，在第二个反应釜工作15.5min之后，开启第三个反应釜进行进样、进气、升温同时第二个反应釜进行高温高压反应与泄压过程，当第三个反应釜开始工作15.5min后，关闭第一个反应釜高温高压电磁阀进行进样、进气、升温同时第三个反应釜进行高温高压反应与泄压过程，当第一个反应釜开始工作15.5min后，关闭第二个反应釜高温高压电磁阀进行进样、进气、升温同时第一个反应釜进行高温高压反应与泄压过程，反应釜工作依次进行。定期根据水样出水COD与理化性质确定系统的进样时间、进气时间与升温时间总和与反应时间与泄压时间总和的比例，保证出水水质。试验结果如表1所示：

表1 钻井废液高温高压处理效果

此系统运行24h后，需进行清洗，预防设备腐蚀。设备运行一个月后，处理后出水BOD/COD比值较为稳定，提高钻井废液的后期生化处理性能。

实施例2

反应釜设计容积为1L，储气罐所储气体为N2，加量为100mg/L反应釜7处理钻井废液时控制工作压力为7.5MPa，温度为200℃，操作时间30min，反应釜泄压速率为≥25m/s，进样时间、进气时间与升温时间总和与反应时间与泄压时间总和的比例接近1∶3，分别约为11min和33min，根据时间和之比，需并联四个反应釜，当第一个反应釜开始工作11min后，开启第二个反应釜进行进样、进气、升温同时第一个反应釜进行高温反应与泄压过程，在第二个反应釜工作11min之后，开启第三个反应釜进行进样、进气、升温同时第二个反应釜进行高温高压反应与泄压过程，当第三个反应釜开始工作11min后，开启第四个反应釜进行进样、进气、升温同时第三个反应釜进行高温高压反应与泄压过程，第四个反应釜工作11min后，关闭第一个反应釜高温高压电磁阀进行进样、进气、升温同时第四个反应釜进行高温高压反应与泄压过程，当第一个反应釜开始工作11min后，关闭第二个反应釜高温高压电磁阀进行进样、进气、升温同时第一个反应釜进行高温高压反应与泄压过程，反应釜工作依次进行。定期根据水样出水COD与理化性质确定系统的进样时间、进气时间与升温时间总和与反应时间与泄压时间总和的比例，保证出水水质。试验结果如表2所示：

表2 钻井废液高温高压处理效果

此系统运行12h后，需进行清洗，预防设备腐蚀。设备运行一个月后，处理后出水BOD/COD比值较为稳定，提高钻井废液的后期生化处理性能。

Claims (6)

1.一种高温高压对钻井废液的处理装置，其特征在于：它包括依次连接的样品罐(1)与进样控制阀(302)，储气罐(2)与进气控制阀(301)，增压泵(4)，单向阀(303)，反应釜(7)，高温高压电磁阀(304)，常压气液分离器(11)；

所述样品罐(1)、储气罐(2)与反应釜(7)之间通过管线连接，且反应釜(7)外侧设置加热器(8)；

所述反应釜(7)至少并联两个，交替使用，通过控制单元调节阀门开关，使处理过程连续进行；

所述常压气液分离器(11)上部设置排气孔与气体收集装置(10)，下部连接出样管线，设置样品采集阀(305)；

所述处理装置还设有检测所述反应釜(7)压力的压力表与压力传感器(5)，检测所述反应釜(7)温度的温度传感器(9)以及根据压力表与压力传感器(5)与温度传感器(9)的信号驱动进样控制阀(302)、进气控制阀(301)、增压泵(4)、加热器(8)与高温高压电磁阀(304)的控制单元(6)；

所述处理装置在运行12～48h后，需进行清洗，预防设备腐蚀。

2.根据权利要求1所述的一种高温高压对钻井废液的处理装置，其特征在于，所述储气罐(2)所储气体为CO2、N2、O2或空气。

3.根据权利要求1所述的一种高温高压对钻井废液的处理装置，其特征在于，所述控制单元(6)为可编程逻辑控制器。

4.一种高温高压对钻井废液的处理方法，其特征在于，引用权利要求1中所述的一种高温高压对钻井废液的处理装置，包括：设置相互并联的N个反应釜，其中N为大于等于2的整数，首先将钻井废液通过增压泵打入第一个反应釜中，充入气体加压，然后达到预设压力与温度时停留一定时间，接着打开第一个反应釜的高温高压电磁阀泄压，同时钻井废液随泄压形成的空化气流高速进入常压气液分离器，部分气体从排气孔进入气体收集装置循环利用，最后处理后的钻井废液通过样品采集阀排出收集；

针对每一个反应釜均交替的进行进样、加压、升温、反应、泄压空化射流的过程，且所有反应釜按顺序依次启动，使启动第N个反应釜进行钻井废液高温高压处理时，第一个反应釜恰好完成常压气液分离过程。

5.根据权利要求4所述的一种高温高压对钻井废液的处理方法，其特征在于，所述反应釜(7)工作压力为≥0.2MPa，温度为≥100℃，操作时间5～40min。

6.根据权利要求4所述的一种高温高压对钻井废液的处理方法，其特征在于，所述反应釜(7)泄压速率为≥10m/s。