楊少卓，李 琦，劉 江，李小娟

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

撬裝式氣田酸化廢液廢氣自動處理設備

楊少卓，李 琦，劉 江，李小娟

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

油氣田開發(fā)過程中經(jīng)常采用的酸化作業(yè)，其返排液具有酸性強、腐蝕性強、含鐵高、礦化度高，并伴有刺激性氣味等特點，是石油天然氣工業(yè)的主要污染源之一。文章介紹了一種可移動的撬裝式酸化廢液廢氣自動處理設備的結構、工作原理、工藝流程、控制方法及使用效果。經(jīng)實地實驗，該設備能快速、經(jīng)濟、有效地處理氣田開發(fā)過程中的酸化廢液及廢氣，具有占地面積小、遷移方便、安裝操作簡單等特點。

撬裝式；酸化廢液；工業(yè)污水處理；pH值控制

0 前言

石油天然氣的勘探和開發(fā)作業(yè)過程中，酸化作業(yè)是提高油氣單井產(chǎn)量以及修復枯竭井的重要措施之一[1]，為各油氣田普遍采用。由于酸液體含有鹽酸、氫氟酸、硝酸、有機酸等主劑，還有緩蝕劑、緩速劑、鐵穩(wěn)定劑、殺菌劑、黏土穩(wěn)定劑等多種添加劑。因此，返排酸化廢液具有酸性強、腐蝕性強、含鐵高、礦化度高，并伴有大量有刺激氣味的等特點，是石油天然氣工業(yè)的主要污染源之一。據(jù)統(tǒng)計，每個鉆井隊每天排放廢水約30 m3，每口壓裂井產(chǎn)生廢水100～200 m3，每口酸化井排放廢水10～100 m3。這些廢水若不經(jīng)處理直接外排，必然會帶來生產(chǎn)安全隱患，給周邊生態(tài)環(huán)境造成極大危害[1]。

陜北某油田大量井站分布在地貌復雜的偏遠山區(qū)和荒漠，道路崎嶇，酸化廢液的拉運集中處理極為困難。亟需一套可就地快速、簡單可行且成本低廉的酸化廢液和酸霧處理設備。中國重型機械研究院基于酸化廢液的中和處理法[2]，研發(fā)了一種方便遷移的撬裝式酸化廢液廢氣自動處理裝置，經(jīng)濟有效地解決了該問題。

1 設備結構、工作原理及技術參數(shù)

1.1 設備結構及工作原理

如圖1所示，撬裝式酸化廢液廢氣自動處理裝置主要由在同一底板上的pH粗調池、pH微調池、加藥系統(tǒng)、集氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。

圖1 設備結構示意圖

粗調池裝有一臺返排液提升泵、一臺流量計、一個pH值檢測儀和一個翻板式液位計。由于返排液的水質變化較大，pH值不穩(wěn)定(0.5～6)，通過粗調池對pH的調整，使酸化廢水的pH值穩(wěn)定至5～7，以便后續(xù)進行pH微調。粗調池內的磁翻板液位計和pH檢測儀為控制系統(tǒng)提供信號。池中設有曝氣管線，既能起到攪拌作用使酸化返排液與堿性藥劑充分中和，又可使Fe(OH)2轉化為穩(wěn)定且容易沉降的Fe(OH)3，達到除鐵的目的。

微調池裝有一臺排水泵、一個pH值檢測儀和一個翻板式液位計。通過粗調池的調整，進入微調池的廢水水質已相對穩(wěn)定，pH值接近中性，再次微調，以確保出水pH值為7～8。微調池中內的磁翻板液位計和pH檢測儀為控制系統(tǒng)提供信號。同時設有曝氣管線，在攪拌的同時，還可使Fe(OH)2進一步被氧化為Fe(OH)3。

加藥系統(tǒng)包括兩個藥劑箱和兩臺加藥泵，兩臺加藥泵由變頻器控制加藥劑量分別給粗調池和微調池加藥，通過調整閥門可從同一個藥劑箱中抽取藥劑。兩個藥劑箱交替使用以確保可以連續(xù)加藥，當其中一個用于提供藥劑時，另一個可用來配制藥劑。兩個藥劑箱中設有磁翻板液位計，當液位超過設定值時給出聲光報警。藥劑箱中設有曝氣管線，以保證配制的藥劑充分溶解。

集氣系統(tǒng)包括集氣管線、兩座噴淋塔、兩臺循環(huán)泵和一臺引風機。集氣管線將粗調池和微調池內的酸性氣體和曝氣攪拌產(chǎn)生的氣體引入噴淋塔，噴淋塔內選用塑料鮑爾環(huán)作為填料，通過引風機和循環(huán)泵使酸性氣體和堿性藥劑在噴淋塔內逆向流動，酸氣從塔底自下而上穿過填料，堿性藥劑則通過塔頂?shù)囊后w分布器沿填料層向下流，至塔底后再由循環(huán)泵循環(huán)至塔頂。噴淋塔內的堿性藥劑pH<9時通過循環(huán)泵從藥劑箱內抽取藥劑進行更換。

控制系統(tǒng)由流量計、液位計、pH檢測儀等現(xiàn)場檢測儀器和一臺控制柜組成。控制柜內裝有一套SIEMENS S7-200系列PLC和兩臺變頻器。有手動和自動兩種操作方式，手動操作時，由工作人員根據(jù)控制柜上顯示的pH值、流量、液位等信息手動控制變頻器對粗調池和微調池加藥；自動操作時由PLC通過分段式變增益PID閉環(huán)控制加藥劑量。考慮到工作現(xiàn)場可能存在爆炸性氣體，所以選用的檢測儀器、電機和控制柜等電氣設備都符合相關的防爆等級(ExdeIIBT4)。

1.2 設備主要參數(shù)

表1 主要設備參數(shù)

其他參數(shù)：設備外形尺寸(長×寬×高)：8.8 m×2.3 m×2.9 m，該外形尺寸保證設備在運輸過程中不會出現(xiàn)超載；設備總重：9 t；總裝機容量：18 kW；工作用電：AC 380V/50Hz。

2 工藝流程

(1) 返排液經(jīng)兩相分離器進行氣液分離后，由返排液提升泵送入粗調池(受兩相分離器工作效率影響，分離后的酸液管路中含有一定量的酸氣)。當粗調池中的返排液到達一定液位時，系統(tǒng)根據(jù)返排液的pH值開始加藥，同時開啟曝氣風機進行曝氣攪拌。返排液的pH>5時，將返排液通過粗調池底部的導流管引入微調池。粗調池和微調池隔板的頂部開有溢流孔，如液位過高時可通過溢流孔流到微調池。

(2) 微調池的液位到達一定高度后，系統(tǒng)根據(jù)返排液的pH值開啟微調池加藥泵。微調池的返排液7

(3)自動運行時，開啟設備的同時曝氣風機、引風機和循環(huán)泵同時開啟，返排液中的酸性氣體及曝氣攪拌產(chǎn)生的氣體依次經(jīng)過一、二級噴淋塔進行中和，中和后的廢氣通過管道引至安全區(qū)域放燃。

(4)藥劑箱低液位時給出聲光報警，同時設備不能開啟。

圖2 工藝流程圖

3 pH值控制

中和過程中pH滴定曲線在中和點附近具有很高的靈敏度，而遠離中和點處靈敏度又很低，具有嚴重的非線性特性，且反應過程具有滯后性，難以獲得精確的數(shù)學模型。如果采樣傳統(tǒng)的PID調節(jié)可能出現(xiàn)在粗調池響應速度太慢而產(chǎn)生溢流，或微調池pH值變化太快造成超調。因此，如圖3所示，本設備將pH過程按照拐點b和c分為三個區(qū)段，用三段折線法來近似表示pH特性曲線，采用了分段式變增益PID控制器，在pH的高增益區(qū)采用較低的比例增益，而pH的低增益區(qū)采用較高的比例增益，對被控對象的非線性特性進行補償，實現(xiàn)了對pH過程的最優(yōu)控制。

圖3 酸堿滴定特性曲線

圖4 分段式變增益PID控制器

三段式變增益PID控制器的控制規(guī)律為

u(k)=u(k-1)+f(|e(k)|)

(1)

式中，KP為比例增益系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；T為采樣周期；f(e(k))為變增益函數(shù)。

三段式變增益PID控制器中的增益函數(shù)f(e(k))=ki∣e(k)∣(i=1，2，3)，其中k1、k2、k3分別為ab、bc、cd三區(qū)段的控制器增益系數(shù)，與ab、bc、cd三段增益系數(shù)成反比，這樣就可以使原來的非線性系統(tǒng)補償為一個線性系統(tǒng)進行控制，如圖4所示。當f(e(k))=1時，即為普通的PID算法。f(e(k))的變化規(guī)律為(其中z為低增益區(qū)的寬度)：

(2)

考慮到中和過程為純滯后加一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為

(3)

式中，K為系統(tǒng)靜態(tài)增益；τ為純滯后時間常數(shù)；T為系統(tǒng)時間常數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場的工況，取T=10，τ=4對其增益K的三種情況進行仿真分析，通過整定，最終確認K1=11，K2=0.4，K3=9。

4 試用效果

為了對設備的處理效果和性能進行整體綜合評價，設備試制成功后，在陜北某氣田對本設備進行了現(xiàn)場試用和效果評價。主要內容包括：

(1)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，對pH值監(jiān)控系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、噴淋吸收系統(tǒng)及整套裝置的運行穩(wěn)定性進行評價；

(2)對設備運行參數(shù)與現(xiàn)場工況的匹配性進行評價；

(3)通過現(xiàn)場取樣分析，對該裝置的酸液及酸氣處理效果進行評價。

本次試用的酸化液主要包括前置液、閉合酸和頂替液，這些工作液中主要含有鹽酸，前置液中注交聯(lián)酸，高壓注酸中含有稠化酸，其他酸液中添加了酸化緩蝕劑、緩速劑、起泡劑、鐵離子穩(wěn)定劑和氣井助排劑等多種處理劑，中和藥劑使用30%NaOH溶液。

試用過程持續(xù)大約7 h，全程使用自動操作，設備運行穩(wěn)定。通過對不同返排時段不同位置的返排液進行采樣分析，設備處理效果如表2所示。

表2 返排液處理效果分析

注：“-”表示未測定

由表2可見，返排液在不同時段具有明顯的特征差異：前期酸液返排液的酸性強(pH值為0.5)，水樣粘度大，泡沫多，且具有較強的刺激性氣味。隨著返排時間的延長，返排液的pH值不斷增大，粘度和總鐵逐漸降低。設備對返排液pH值的控制、總鐵去除率和降粘率均達到設計要求。另外通過在不同時段對廢氣排放口進行檢測，HCl含量均為0，排放氣體無刺激性氣味。

通過現(xiàn)場實驗，發(fā)現(xiàn)返排過程時間較長，返排液流量比預想的要小，加之優(yōu)化后的PID控制反應速度快，曝氣攪拌快速均勻使得系統(tǒng)滯后時間縮短，這些因素使設備的處理能力略顯“過剩”，可考慮減小粗調池、微調池及藥劑箱的體積，同時在設備外圍設計立柱和橫梁，使設備整體更加穩(wěn)固，一方面方便吊裝，同時也能避免設備在吊裝和運輸過程中受到損壞。

5 結束語

油氣田開發(fā)過程中產(chǎn)生的酸化廢液廢氣對生產(chǎn)環(huán)境和人身安全都是一個極大的隱患，鑒于此，國家和石油行業(yè)部門的廢液廢氣處理標準也日益嚴格，這也促使了相關處理設備和技術研究的不斷發(fā)展。目前的處理方法主要有中和法、絮凝沉淀法、氧化法、吸附法和微電解法等。本文介紹的基于中和法的撬裝式酸化廢液廢氣自動處理設備，適合在集中處理廢液廢氣不方便的生產(chǎn)現(xiàn)場使用，具有經(jīng)濟可靠、處理效果理想、自動化水平高、易遷移、安裝操作簡單等特點，有一定的市場推廣價值。

[1] 范青玉，何煥杰，王永紅，等．鉆井廢水和酸化壓裂作業(yè)廢水處理技術研究進展[J].油田化學，2002，19(04)：387-390.

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[3] 成大先．機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[4] 胡宗武，徐履冰，石來德等.非標準機械設備設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[5] 楊照華，楊智，王慧中.兩種新型pH值的控制方法研究[J].蘭州理工大學學報，2001，27(03)：51-54.

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[7] 郭紅霞.pH值控制方法研究及其控制器的設計[D].西安：西安科技大學，2008.

A removable skid-mounted acidizing waste fluidand gas automatic processing unit

YANG Shao-zhuo,LI Qi，LIU Jiang,LI Xiao-juan

(China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd,Xi’an710032，China)

Acidizing operation is one of the frequently employed process in oil-gas exploitation, but the return acidizing fluid is characterized by strong acidic and corrosive,high iron content and salinity, and with irritating smell, which made it being one of the main pollution sources of the oil and gas industry. A removable skid-mounted automatic processing unit is proposed to treat this return acidizing liquid wastes in this paper. it can treat the waste liquid and gas generated during the acidizing operation quickly, economic and effectively, and with the features of smaller floor area need,convenient to removal,easy erection and operating. After trial test and field use, the equipment can meet the design requirements for pH control, iron removal rate, and viscosity reduction rate of the return acidizing fluid.

removable skid-mounted;acidizing waste fluid;industrial sewage processing;pH control

X703

A

1001-196X(2017)05-0015-05

2017-04-05；

2017-06-19

楊少卓(1973-)，男，中國重型機械研究院有限公司，工程師。