CN203959959U - 一种用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，包括波动平衡装置、旋流除砂装置、消泡式重金属离子混合反应器及动态膜过滤装置；波动平衡装置依次通过管路连接旋流除砂装置、消泡式重金属离子混合反应器、储水罐、提升泵及动态膜过滤装置；在连接旋流除砂装置和消泡式重金属离子混合反应器的管路上，通过一分支管路连接有加药罐。本实用新型将波动平衡、除砂、消泡反应、重金属离子分离及去除、膜法处理几种原理有机结合，处理后水质可达到压裂液配水回用的目的，节约了水资源。同时，整套装置处理效率高，清理维护方便。

Description

一种用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置

技术领域

本实用新型是关于一种页岩气压裂返排废液的处理装置，尤其涉及一种用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置。

背景技术

页岩气不同于常规储层气藏，必须对储层进行压裂才能实现有效开采。最常用的页岩气压裂技术主要集中在水力压裂领域。水力压裂即借助高压将大量水、砂子以及化学物质的混合物通过钻孔打入地下目标储层，对其进行压裂破碎，将其中的天然气储备释放出来的开采方法。

水力压裂方法带来了油气产量的大幅提高，但是，同时也产生了大量的回流水，这些回流水中含有烃类及其他化学物质、重金属、地层水以及压裂井中随着气体回到地面的压裂返排废水等等。页岩气的开采不可避免地消耗了大量的水资源，并危害了环境。其中，页岩气压裂返排废液是一种难处理的高盐高氯有机废水，水量大，成分复杂，可生化性差，如果采用单一的物理或化学方法很难满足处理要求，探寻出一种高效实用的页岩气压裂返排废液处理工艺势在必行。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，以克服现有技术的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，将物理与化学方法有效结合，处理后水质可达到压裂液配水回用的目的，节约了水资源。

本实用新型的另一目的在于提供一种用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，整套装置处理效率高，清理维护方便。

本实用新型的目的是这样实现的，一种用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，包括波动平衡装置、旋流除砂装置、消泡式重金属离子混合反应器及动态膜过滤装置；波动平衡装置依次通过管路连接旋流除砂装置、消泡式重金属离子混合反应器、储水罐、提升泵及动态膜过滤装置；在连接旋流除砂装置和消泡式重金属离子混合反应器的管路上，通过一分支管路连接有加药罐。

在本实用新型的一较佳实施方式中，波动平衡装置包括外罐体和固定于外罐体内的内罐体，所述内、外罐体的上端均为敞开端；所述内罐体上部为圆柱形、下部为上大下小的圆锥形；内罐体的圆柱形外壁相对两侧与外罐体内壁之间对称竖直设置有两个隔板，所述隔板将外罐体上部分隔为第一容置空间和第二容置空间，两容置空间在隔板下方相互连通；内罐体底部设有延伸到外罐体外部的第一排污口；在第一容置空间的内罐体侧壁上设有一沿着内罐体外侧从下向上延伸的溢流通道，溢流通道的下部开口设在内罐体侧壁上且距离内罐体圆柱形底部一定高度的位置，溢流通道的上部开口低于内罐体的顶部；一进水管沿着内罐体圆柱形侧壁的切线方向设置，形成连通到内罐体内腔的切向进水管；外罐体的底部设有第二排污口，在第二容置空间的外罐体侧壁上距离底部一定高度处设有出水口。

在本实用新型的一较佳实施方式中，溢流通道由固定设置在内罐体外壁并与内罐体外壁具有间隙的一竖直围板构成；所述围板的底部和两侧部焊接在内罐体外壁，在内罐体外壁与围板之间的间隙部形成所述溢流通道，围板的顶部低于内罐体顶部，形成溢流通道的上部开口；内罐体侧壁上对应溢流通道底部设有连通溢流通道和内罐体内腔的弧形开口，弧形开口形成所述溢流通道的下部开口。

在本实用新型的一较佳实施方式中，外罐体上部为方形，下部为漏斗形；内罐体的第一排污口伸出外罐体的漏斗形底部。

在本实用新型的一较佳实施方式中，进水管从外罐体侧壁穿入并横穿过内罐体，在靠近内罐体两侧壁处的进水管上连接两个分支进水管，分支进水管从内罐体侧壁切向伸进内罐体内，进水管直管段末端用盲板封闭。

在本实用新型的一较佳实施方式中，内罐体上部的侧壁设有排油口，且排油口伸出到外罐体外；外罐体上部的侧壁上设有溢流口。

在本实用新型的一较佳实施方式中，消泡式重金属离子混合反应器包括一圆筒形旋流混合反应室，所述圆筒形旋流混合反应室中部的侧壁设有切向进水管，切向进水管的进水端设有与其连通的加药管，加药管与所述分支管路连接；旋流混合反应室内壁设有呈螺旋状设置的导流叶片，旋流混合反应室的顶部固定设有消泡板，所述消泡板上贯通设有多个均匀分布的消泡缝；旋流混合反应室的上部外侧围设有圆形、敞口的溢流室，所述消泡板位于溢流室内；所述溢流室的底部设有与切向进水管连通的回流管；旋流混合反应室的中下部外侧围设有反应沉降室，旋流混合反应室底部设有与反应沉降室导通的沉降出口；反应沉降室底部设有排污口，反应沉降室上部设有出水口。

在本实用新型的一较佳实施方式中，旋流混合反应室顶部设有法兰，所述消泡板通过螺栓与法兰固定连接；消泡板上均匀分布有多个大小相同的透孔，与每个透孔对应的位置，通过固定筋固定连接有一上大下小的消泡锥，所述消泡锥的中心与对应的透孔的中心同轴，消泡锥的外径小于透孔的内径，消泡锥的外圆与透孔之间形成缝隙构成所述消泡缝。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述消泡锥呈圆锥形状，消泡锥的尖端朝下。

由上所述，本实用新型将波动平衡、除砂、消泡反应、重金属离子分离及去除、膜法处理几种原理有机结合，处理后水质可达到压裂液配水回用的目的，节约了水资源。同时，整套装置处理效率高，清理维护方便。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1：为本实用新型整体管路连接示意图。

图2：为本实用新型中波动平衡装置的结构示意图。

图3：为本实用新型中波动平衡装置的俯视图。

图4：为本实用新型中波动平衡装置的左视图。

图5：为本实用新型中消泡式重金属离子混合反应器的结构示意图。

图6：为消泡板的剖面图。

图7：为消泡板的俯视图。

图8：为图7中I处的放大视图。

图9：为图8中A-A截面的剖视图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型提供一种用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置100，包括波动平衡装置1、旋流除砂装置2、消泡式重金属离子混合反应器3及动态膜过滤装置4；波动平衡装置1依次通过管路连接旋流除砂装置2、消泡式重金属离子混合反应器3、储水罐5、提升泵6及动态膜过滤装置4；本实施方式中采用两个并联的旋流除砂装置2，在连接旋流除砂装置2和消泡式重金属离子混合反应器3的管路上，通过一分支管路8连接有加药罐9，加药罐9中设有消泡剂和离子反应剂。

具体的，加药罐9中的离子反应剂为：重金属离子沉降剂、氢氧化钠、絮凝剂的混合物，用量分别为：5-10g/l、3-6g/l、20-50g/l。

页岩气压裂返排液从管道进入波动平衡装置1，经过波动平衡装置的流量和压力调节，达到流量和压力的稳定后经管道进入旋流除砂器2，通过旋流除砂器分离出大量固体物质，固体颗粒物从a处管道排出(如图1所示)，液体物质则从b处管道进入消泡式混合反应器3中进行消泡，同时配好的消泡剂和离子反应剂则在加药罐9中通过管道8被吸入到混合反应器3中，消泡处理的同时离子反应剂与水中重金属充分混合反应，生成可被滤除的沉淀物。处理后的水通过管道进入到储水罐5中。储水罐5中的水通过提升泵6经管道进入动态膜过滤装置4进一步处理，动态膜过滤装置4中的筑膜剂根据水质要求调节孔隙度，通过优选合适的筑膜剂，彻底滤除微小沉淀物及悬浮物；具体过程是将按一定比例配制的复合筑膜剂溶液同原液混合，在一定条件下，含有一定浓度筑膜剂的原水通过基膜时，筑膜剂在基膜表面形成具有分离性能的滤饼层，亦称次生膜。在过滤过程中，次生膜拦截、吸附滤浆中的异相成份而将其滤除。通过筑膜剂的动态添加，使滤层中筑膜剂与滤渣交错互混，滤层表面伴随着滤浆中颗粒物的滤除而更新，降低了滤层阻力增长速度，避免滤层表面形成致密薄膜，使滤层始终保持良好的液体透过性，有效地保证了流量的相对稳定和过滤的精度。过滤周期结束后，次生膜连同污染物一同排出系统，不造成二次污染，系统进行下一个周期的次生膜再生，如此循环。处理后的清水通过c处管道输出，并直接用于压裂配水，产生的滤饼干渣则排放到油田现场储渣池进行集中处理。本实用新型将波动平衡、除砂、消泡反应、重金属离子分离及去除、膜法处理几种原理有机结合，处理后水质可达到压裂液配水回用的目的，节约了水资源。同时，处理效率高，清理维护方便。

进一步，如图2、图3及图4所示，波动平衡装置1包括外罐体11和固定于外罐体内的内罐体12，内、外罐体的上端均为敞开端；内罐体12上部为圆柱形、下部为上大下小的圆锥形；内罐体12的圆柱形外壁相对两侧与外罐体11内壁之间对称竖直设置有两个隔板13，两个隔板13将外罐体11上部分隔为第一容置空间14和第二容置空间15，两容置空间在隔板13下方相互连通；内罐体12底部设有延伸到外罐体11外部的第一排污口16；在第一容置空间14的内罐体12侧壁上设有一沿着内罐体外侧从下向上延伸的溢流通道17，溢流通道17的下部开口171设在内罐体12侧壁上且距离内罐体圆柱形底部一定高度的位置，溢流通道17的上部开口172低于内罐体12的顶部；一进水管18沿着内罐体12圆柱形侧壁的切线方向设置，形成连通到内罐体内腔的切向进水管；外罐体11的底部设有第二排污口19，在第二容置空间15的外罐体11侧壁上距离底部一定高度处设有出水口110。

进一步，溢流通道17由固定设置在内罐体12外壁并与内罐体外壁具有间隙的一竖直围板111构成；围板111的底部和两侧部焊接在内罐体12外壁，在内罐体12外壁与围板111之间的间隙部形成溢流通道17，围板111的顶部低于内罐体顶部，形成溢流通道17的上部开口172；内罐体12侧壁上对应溢流通道17底部设有连通溢流通道和内罐体内腔的弧形开口，弧形开口形成溢流通道17的下部开口171。

该波动平衡装置的作用是当来液压力、流量波动较大时，通过压力和流量的调节给下一流程提供稳定的液流；具体工作过程为：来液从进水管18进入装置的内罐体12，通过切向进水管的作用，在内罐体12内形成旋流，一方面使压力得到释放，另一方面页岩气压裂返排液中的部分岩屑和砂粒，迅速沉降到内罐体12底部的第一排污口16，初步除固的液体则通过溢流通道的下部开口171(即内罐体12侧壁上的弧形开口)进入溢流通道17内(即进入围板111和内罐体12外壁之间停留)，当液面的高度高于溢流通道17的上部开口172(即高于围板111的顶部高度)时溢流出来，进入外罐体11的第一容置空间14内；随后液体从外罐体11底部绕过隔板13，进入第二容置空间15内，在隔板13的拦截和缓冲作用下，液流压力和流量进一步平稳；最后液体从第二容置空间15中的出水口110流出。出水口110与溢流通道17相对设置在两个容置空间内，以及采用溢流通道17，其目的都是延长液流通道，获得更平稳的液流。此外，沉降在外罐体11底部的岩屑和砂粒则通过第二排污口19排出。

进一步，外罐体11上部为方形，下部为漏斗形；内罐体12的第一排污口16伸出外罐体11的漏斗形底部；如图2所示，内罐体12的锥形底部焊接在外罐体11的漏斗形底部；外罐体11底部设有支腿114。如图3、图4所示，进水管18从外罐体11侧壁穿入并横穿过内罐体12，在靠近内罐体12两侧壁处的进水管18上通过法兰连接或焊接两个分支进水管181，两个分支进水管181从内罐体12侧壁切向伸进内罐体内形成切向进水管，进水管18直管段末端用盲板封闭。切向进水管的设置可以使液流在进入内罐体时产生旋流，加速岩屑、砂粒与液体的分离、沉降速度。

进一步，如图3、图4所示，内罐体12上部的侧壁设有排油口112，且排油口112伸出到外罐体11外；在内罐体12上层液面堆积的一定厚度的油定期从排油口112排出。外罐体11上部的侧壁上设有溢流口113；多余的液流经过该溢流口113回流至装置的前端，正常液流可以进入下级处理。

进一步，如图5所示，消泡式重金属离子混合反应器3，包括一圆筒形旋流混合反应室31，圆筒形旋流混合反应室31中部的侧壁设有切向进水管32，切向进水管32沿着旋流混合反应室31侧壁的切线方向设置；切向进水管32的进水端设有与其连通的加药管33，加药管33与分支管路8连接；旋流混合反应室31内壁焊接设有呈螺旋状设置的导流叶片312，旋流混合反应室31的顶部固定设有消泡板35，消泡板35上贯通设有多个均匀分布的消泡缝355(如图8所示)；旋流混合反应室31的上部外侧焊接设有圆形、敞口的溢流室36，消泡板35位于溢流室36内；溢流室36的底部设有与切向进水管32连通的回流管34；旋流混合反应室31的中下部外侧焊接设有反应沉降室37，旋流混合反应室31底部设有与反应沉降室37导通的沉降出口311；反应沉降室37上部为圆柱形，底部设为锥形漏斗并在漏斗底部设有排污口371，反应沉降室37上部设有出水口372。

该消泡式重金属离子混合反应器3工作原理如下：经过前级处理的页岩气压裂返排液通过切向进水管32进入旋流混合反应室31，与此同时，药剂(如消泡剂、离子反应剂)通过加药管33进入切向进水管32；切向进水管32使来液形成切向流进入旋流混合反应室31，在导流叶片312的作用下产生旋流，药剂和来液在旋流的作用下进行充分的混合，并使重的颗粒物快速沉降。此外，旋流作用有利于气泡快速上浮、膨胀变大和破裂过程的发生。来液中一部分气泡通过消泡剂的作用去掉，一部分气泡由于浮力作用上升变大，经过消泡板35时，通过消泡缝355的剪切作用将气泡除掉，液体则在重力作用下重新进入旋流混合反应室31；小部分气泡通过消泡板35溢流到溢流室36，敞口的溢流室36使来液中的气泡在溢流室通过压力释放而逃逸、破碎，然后通过回流管34进入切向进水管32进行再处理，确保消泡更彻底。产生的部分絮体和砂粒从沉降出口311进入反应沉降室37进行沉降，未来得及反应的混合液，随着沉降物一起进入反应沉降室37进一步反应沉降，确保反应和沉降更彻底。较为干净的水从出水口372排出；重的颗粒物和生成的重金属絮体沉降物则通过底部排污口371定期排出。

进一步，如图6至图9所示，旋流混合反应室31顶部设有法兰，消泡板35通过螺栓与法兰固定连接；消泡板35上均匀分布有多个大小相同的透孔351，在与每个透孔351对应的位置，通过固定筋焊接有一上大下小的消泡锥352，消泡锥352的中心与对应透孔351的中心同轴，消泡锥352的外径小于透孔351的内径，消泡锥352的外圆与透孔351之间形成缝隙构成消泡缝355，消泡缝355的宽度为2-5mm。消泡锥352的大小不变，透孔351的直径可以根据来液气泡直径分布来确定，从而调节消泡缝355的宽度。其中，消泡锥352可以为圆台形状，也可以为圆锥形状(如图9所示)，呈圆锥形状时消泡锥352的尖端朝下，一方面该结构能对气泡形成剪切作用，辅助加药消泡过程进一步消泡；另一方面锥体的尖端可以刺破气泡。

在本实施方式中，均匀分布的多个透孔351中，每三个相邻透孔的圆心连线呈正三角形，可以增加透孔分布的密度；固定筋包括长固定筋353、短固定筋354，长固定筋353与短固定筋354相互垂直，其中长固定筋353横穿过一排透孔351的中心焊接在消泡板35上，短固定筋354焊接在每个透孔351的圆周两边，且位于通过透孔351的圆心与长固定筋353垂直的直线上，消泡锥352焊接在固定筋上。

在本实施方式中，导流叶片312的螺旋角为18°-25°，即导流叶片312与水平面呈18°-25°的倾角。

在本实施方式中，切向进水管32、加药管33、排污口371和出水口372的接口均设有钢制法兰。油田现场设备的连接一般采用钢制管法兰，采用此设置可以方便与油田现场设备连接。

该消泡式重金属离子混合反应器采用切向进水管和导流叶片，一方面能使药剂和液体充分混合，另一方面使重的颗粒物快速沉降。此外，旋流作用有利于气泡快速上浮、膨胀变大和破裂过程的发生。消泡板上面均布的各个透孔与长、短固定筋和消泡锥共同形成消泡缝，一方面能对气泡形成剪切作用，进一步消泡；另一方面锥体的尖端可以刺破气泡。敞口的溢流室使来液中的气泡在溢流室通过压力释放而逃逸、破碎；回流管的设计保证溢流室中的气泡通过回流再次进入进水管进行消泡，确保消泡彻底。反应沉降室的设置，使旋流混合反应室中未来得及反应的药剂和来液进一步彻底反应，然后在反应沉降室底部的锥形漏斗中沉降，确保反应和沉降更彻底。

综上所述，本实用新型将波动平衡、除砂、消泡反应、重金属离子分离及去除、膜法处理几种原理有机结合，处理后水质可达到压裂液配水回用的目的，节约了水资源。同时，整套装置处理效率高，清理维护方便。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，其特征在于：所述波动膜法处理装置包括波动平衡装置、旋流除砂装置、消泡式重金属离子混合反应器及动态膜过滤装置；波动平衡装置依次通过管路连接旋流除砂装置、消泡式重金属离子混合反应器、储水罐、提升泵及动态膜过滤装置；在连接旋流除砂装置和消泡式重金属离子混合反应器的管路上，通过一分支管路连接有加药罐。

2.如权利要求1所述的用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，其特征在于：所述波动平衡装置包括外罐体和固定于外罐体内的内罐体，所述内、外罐体的上端均为敞开端；所述内罐体上部为圆柱形、下部为上大下小的圆锥形；内罐体的圆柱形外壁相对两侧与外罐体内壁之间对称竖直设置有两个隔板，所述隔板将外罐体上部分隔为第一容置空间和第二容置空间，两容置空间在隔板下方相互连通；内罐体底部设有延伸到外罐体外部的第一排污口；在第一容置空间的内罐体侧壁上设有一沿着内罐体外侧从下向上延伸的溢流通道，溢流通道的下部开口设在内罐体侧壁上且距离内罐体圆柱形底部一定高度的位置，溢流通道的上部开口低于内罐体的顶部；一进水管沿着内罐体圆柱形侧壁的切线方向设置，形成连通到内罐体内腔的切向进水管；外罐体的底部设有第二排污口，在第二容置空间的外罐体侧壁上距离底部一定高度处设有出水口。

3.如权利要求2所述的用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，其特征在于：所述溢流通道由固定设置在内罐体外壁并与内罐体外壁具有间隙的一竖直围板构成；所述围板的底部和两侧部焊接在内罐体外壁，在内罐体外壁与围板之间的间隙部形成所述溢流通道，围板的顶部低于内罐体顶部，形成所述溢流通道的上部开口；内罐体侧壁上对应溢流通道底部设有连通溢流通道和内罐体内腔的弧形开口，弧形开口形成所述溢流通道的下部开口。

4.如权利要求2所述的用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，其特征在于：所述外罐体上部为方形，下部为漏斗形；内罐体的第一排污口伸出外罐体的漏斗形底部。

5.如权利要求2所述的用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，其特征在于：所述进水管从外罐体侧壁穿入并横穿过内罐体，在靠近内罐体两侧壁处的进水管上连接两个分支进水管，分支进水管从内罐体侧壁切向伸进内罐体内，进水管直管段末端用盲板封闭。

6.如权利要求2所述的用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，其特征在于：所述内罐体上部的侧壁设有排油口，且排油口伸出到外罐体外；外罐体上部的侧壁上设有溢流口。

7.如权利要求1所述的用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，其特征在于：所述消泡式重金属离子混合反应器包括一圆筒形旋流混合反应室，所述圆筒形旋流混合反应室中部的侧壁设有切向进水管，切向进水管的进水端设有与其连通的加药管，加药管与所述分支管路连接；旋流混合反应室内壁设有呈螺旋状设置的导流叶片，旋流混合反应室的顶部固定设有消泡板，所述消泡板上贯通设有多个均匀分布的消泡缝；旋流混合反应室的上部外侧围设有圆形、敞口的溢流室，所述消泡板位于溢流室内；所述溢流室的底部设有与切向进水管连通的回流管；旋流混合反应室的中下部外侧围设有反应沉降室，旋流混合反应室底部设有与反应沉降室导通的沉降出口；反应沉降室底部设有排污口，反应沉降室上部设有出水口。

8.如权利要求7所述的用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，其特征在于：所述旋流混合反应室顶部设有法兰，所述消泡板通过螺栓与法兰固定连接；消泡板上均匀分布有多个大小相同的透孔，与每个透孔对应的位置，通过固定筋固定连接有一上大下小的消泡锥，所述消泡锥的中心与对应的透孔的中心同轴，消泡锥的外径小于透孔的内径，消泡锥的外圆与透孔之间形成缝隙构成所述消泡缝。

9.如权利要求8所述的用于页岩气压裂返排废液的波动膜法处理装置，其特征在于：所述消泡锥呈圆锥形状，消泡锥的尖端朝下。