压裂返排液分离处理装置的设计*

贾 斌，程 伟，周 浩，张栗铭，张 佳

(陕西理工大学 机械工程学院,陕西 汉中 723000)

0 引 言

在石油天然气开采中，普遍采用压裂工艺来提高油、气井产量。通过压裂产生的返排液为水基胶体、石油、天然气、有毒有害气体、泥砂等成分的混合液，如果这种返排废液不经处理而直接向外排放，会对地表水系以及周围环境造成严重污染[1]。目前，应对环境要求采用了许多处理方法，其中采用最多的是：井场放置大量的沉砂罐，返排液注入沉砂罐沉砂，将气体点燃排放在大气中，沉砂后人工将砂子掏出回收利用[2～3]。这种方法劳动强度大，占地面积广，效率低，不能很好地对废液进行处理，很容易造成对环境的二次污染，也不能较好的对返排液进行循环再利用。伴随着石油天然气开采规模的扩大，因压裂工艺产生的返排液引起的污染问题越来越被重视。针对这些问题，设计一种压裂返排液分离处理装置，依靠物理技术实现返排液不落地处理，各种成分循环利用，解决钻井过程中环保问题，同时，实现自动化处理，减轻劳动强度，降低成本。

1 方案设计

压裂返排原液主要由四类物质组成：泥砂、返排胶液、石油和天然气，分别对应了固相、水相、油相和气相这四种相态，由于这四相物质的物理密度不同，因而装置利用物理分离、沉降等方式对原液进行分离。

装置设计的方案采用三步分离模式：①分离压裂砂，并对其进行沉淀与收集；②将除去泥砂的第一级返排液中剩下的三相物质(油相、水相和气相)进行分离，将气相与油相物质抽离；③对第二级返排液中生物胶返排液进行收集。其中有毒有害气体，采用远程处理排放燃烧，对砂子、石油及生物胶返排液进行不同方式回收。分离模式如图1所示。

图1 分离模式

分离处理装置的总体结构主要由串联式旋流除砂器、三相分离仓[4]及回收仓组成，串联式旋流除砂器主要进行泥沙分离和原液减压，三相分离仓对油相、水相和气相这三相物质进行分离处理，回收仓主要完成泥砂回收及返排液的收集。

2 结构设计与实现原理

如图1、2所示，是压裂返排液分离处理装置的结构图。返排原液混合物首先通过原液入口a进入一级旋流除砂器1，依靠切向力做下旋运动，泥砂受到离心力而被甩向除砂器内壁，依靠下旋流沉降至锥底，并随底流从一级出砂口b流出，排入到沉砂仓2，当泥砂颗粒沉积到一定容量时，将泥砂从排砂口i排出。

图2 装置外形图

其中，一级旋流除砂器1的处理液进入二级旋流除砂器2再次进行除砂，此处采用多级旋流除砂器串联形式可提高除砂率；二级旋流除砂器2处理过后的清液，从顶部管道进入三相分离仓4，进入后的液体通过减压挡板12进行减压，再通过一级防浪板19、整流板18和二级防浪板17对液体进行整流稳定，由于密度不同及重力的沉降作用，油液位于上层，水溶液位于下层，气体会处于三相分离仓4内液面上方区域。气体进入集雾器13被其捕集并回流，气体最终通过排气口e排出；出水隔板15与油水隔板16相互作用，使油水分别进入各自排出区域。安装在油水隔板16附近的油水界面液位计14来检测水位和油位高度，通过电控柜9中的控制装置来控制排油口电磁阀6和集水口电磁阀7的开与关，可实现分离系统的自动化控制，使液体得以动态平衡，保证了油水两相混合物的分离彻底；分离出的水相物质，会通过管道进入集水仓20收集起来，可通过水位观察口10对水位进行观察，当水相物质沉积到一定容量时，将其从排水口h排出，进行循环处理。

图3 装置局部剖视示意图

3 结构特点及应用效果

(1) 串联式旋流除砂器 考虑到油田返排液混合物中含有有大量泥砂，传统的单级旋流除砂器面对砂量较大的液体时，难免出现除砂不干净的情况，因而本装置采用了两级旋流除砂器串联的方案。

串联式旋流除砂器由一级旋流除砂器和二级旋流除砂器串联组成。处理过程中，返排原液混合物首先从原液入口a进入一级旋流除砂器，由于原液入口安装在筒体的偏心位置，从而产生切向力使返排原液沿内壁向下做旋转运动，因物质密度不同，泥砂受离心作用被甩向器壁，依靠下旋流沉降至锥底，并随底流从一级出砂口b排出，排入到沉砂仓中。随后一级旋流除砂器的处理液进入二级旋流除砂器再次进行旋流除砂，通过二级旋流除砂器处理过后的清液，从其顶部的出水口d流出，流入到三相分离仓进行下一步处理。

旋流除砂器依靠离心分离原理进行除砂，因而进口液体压强越大，产生的离心力就越大，其除砂效率也随之增强，很适合用于压裂返排的高压液体，装置采用串联式旋流除砂的方案，除砂效率大大提高，从而保证了固体颗粒一次处理干净。同时，除砂装置对原液起到减压作用，帮助随后分离处理时物质的迅速稳定[4]。

(2) 减压稳流装置 由于油田返排液为高压液体，虽然通过旋流除砂器进行旋流处理后压力会损失一部分，但液体进入三相分离仓后仍比较湍急、存在较大的波动性。本装置在三相分离仓进水口设置减压挡板，以缓冲液体进仓后的压力。在仓体内部设置有整流板和防浪板，防浪板为多孔板面，整流器采用波浪条纹结构，两者均起到减弱仓内液体波动性的作用，避免液体由于不稳定而影响沉积和分离效率。

(3) 油水界面液位计的应用 装置在油水隔板附近设置有油水界面液位计，该液位计可同时检测油面、水面高度，并结合电控柜中的控制装置来控制排油口电磁阀和集水口电磁阀，从而实现分离系统的自动化控制，配合三相分离仓中的隔板结构，保证了油水两态混合物的有效自动分离[5]。减轻了劳动强度，节约了劳动力，从而降低处理成本。

4 结 语

随着国家的绿色环保的号召要求，在石油开采行业，返排液的绿色循环、高效处理显得尤为重要。压裂返排液分离处理装置便实现了石油开采工程中返排液的高效绿色可循环处理，符合国家提出的“绿色工业革命”。该分离处理装置可对固相、水相、油相和气相四种相态进行分离，其应用范围不仅有陆地油田采油工程，还可用于其他含砂、含油污水的分离与处理。该分离装置与传统的分离装置相比，具有如下明显优势：装置结构简单紧凑、方便转场作业；操作简便，性能可靠，实现了分离过程的自动化处理，有效的节省劳动力；经济环保，有效降低了返排液处理投入的成本，解决油田生产中，压裂返排废液难以处理对环境造成的污染问题，提高了废液分离处理质量。