消泡-吸收法处理酸化返排液技术研究及应用

陈亚联，费节高，张 冕，周建柱，陈文博，李大维，张亚刚，白 茹

（1.咸阳川庆鑫源工程技术有限公司，陕西 西安 712000；2.川庆钻探长庆井下技术作业公司，陕西 西安 712000）

压裂酸化技术是油气田改造的重要手段之一，对于渗透率较低的储层，单一水力压裂难以实现有效的改造，因此常使用酸化、酸化+压裂等工艺来获得高效的改造效果。而酸化液中以盐酸、土酸等为主要工作液，在酸化结束后会有大量的酸液、酸气混合物存在[1-2]。压裂酸化液粘度大并含有一定量的有机物，外排时会在水面形成薄膜，使水体缺氧，导致鱼类及其他水生动物死亡。从井筒返排出来的酸化液因温度较高，伴有大量的HCl酸气，对作业人员及大气造成巨大危害[3-4]。国内有关HCl酸气处理方法有干法、湿法两种。干法处理工艺一般用反应器如固定床反应器等，较适宜于烟气、工厂的尾气处理，不宜在油气作业现场等流动场所使用。湿法处理工艺包含冷凝法、碱液吸收法、水吸收法等。冷凝法主要通过水冷却的方式降低酸液、酸气温度，以达到回收残酸的目的，适用于高浓度酸气处理；碱液吸收法则通过化学反应使酸液酸气与碱液发生化学反应，处理速率较快且彻底，形成较为稳定的无机盐，一般通过二级反应即可达到较好的处理效果，设备体积小，适用于酸液酸气混合物处理，而水吸收法则通过水与酸气接触发生物理吸收，形成残酸残液，适用于酸气处理[5-8]。

1 处理工艺设计与研究

1.1 工艺流程的确定

针对长庆区块压裂酸化返排液中含有大量的气体、作业区块较为分散、施工周期短等特点，本文设计了管道混合反应+喷淋反应主体处理工艺，其流程如图1所示。

图1 酸气、酸液处理工艺流程

酸气、酸液混合物经消泡后进入管道反应器，与液碱快速反应，将50%～70%的酸液及30%～40%酸气反应掉，然后进入喷淋塔进行接触吸收反应。喷淋塔中设置多个喷淋器，可根据酸气量调节喷淋器雾化大小，格栅板使碱液雾化充分，增加酸性气体与碱液的接触面积，提高设备的传质系数。在喷淋塔中约70%的酸气被中和掉，中和后液相则经过缓冲池缓冲后进入回收罐待用[9-10]。

1.2 吸收塔的选型

吸收塔对于酸气的处理效果非常明显，酸化返排液经管道反应器反应后大部分酸液被中和，同时气液两相温度也有所下降，得到良好冷却。

填料塔能够实现气-液、液-液之间的传质，气液相接触较充分，压差小，操作压力小，适用工艺条件较广，处理效率高，结构简单，便于维保[11-13]。考虑到油田现场酸气、酸液量大，作业周期短等特点，选用填料吸收塔作为吸收系统较为适宜。

1.3 消泡剂用量的优化

酸化返排液带有大量泡沫，且泡沫较持久，增加了酸化返排液处理难度，因此选择性能优越的消泡剂至关重要。通过文献调研可知，有机硅类消泡剂效果较佳，因此选择2 种有机硅消泡剂GX-1、GX-2 进行实验，优化药剂用量和反应时间[14-16]。改变药剂用量为25～150 mg/L，反应时间为0.6～1.4 min，研究药剂用量、反应时间对消泡效果影响，实验结果如图2、图3所示。

图2 GX-1药剂用量、反应时间对消泡效果的影响

图3 GX-2药剂用量、反应时间对消泡效果的影响

从图2～图3 可知：当GX-1 用量在25～150 mg/L 变化时，消泡效果随着消泡剂用量增加呈先增加而后变化较小的趋势，随着反应时间的增加，消泡效果愈好，且在反应时间大于1.2 min 时，消泡效果趋于稳定，其中当GX-1 用量为125 mg/L、反应时间为1.4 min 时，残留泡沫量约为40%，仍有一定量的泡沫存在，消泡效果较差。当GX-2 用量在125 mg/L、反应时间为1.4 min 时，仅有5%的泡沫，消泡效果较佳。因而，选用GX-2消泡剂较为适宜。

1.4 工艺参数的优化

1.4.1 喷淋时间的优化

当气相中氯化氢含量为1 350 mg/m3时，改变吸收塔喷淋时间，测定气相中氯化氢含量及液相pH值，优化喷淋效果，实验结果如图4所示。

图4 处理后气相中氯化氢含量随喷淋时间的变化

从图4 可知，当喷淋时间从0.2 min 增加至1.2 min时，气相中的氯化氢浓度从1 200 mg/m3降低至1.8 mg/m3，且在喷淋时间为1.2 min时，处理效果较好。

从图5 可知，当喷淋时间从0.2 min 增加至1.2 min时，液相溶液pH 从1.0 升至7.1，且当喷淋时间在1.0～1.2 min 时，pH 在7.1～7.3 变化，变化幅度小且趋于中性，因此较适宜的喷淋时间为1.0～1.2 min。

图5 处理后液相pH随喷淋时间的变化

总之，从气相处理效果考虑，喷淋时间越长，气相中氯化氢的净化效果越好；从液相处理效果考虑，液相pH控制在7～7.5 之间较为适宜，因此，综合考虑较为适宜的喷淋时间为1.2 min。

1.4.2 喷淋量的优化

固定喷淋时间为1.2 min，改变喷淋量，考查气相氯化氢去除效果，实验结果如图6所示。

图6 喷淋量对气相中氯化氢去除效果的影响

从图6 可知，当喷淋量从2.5 m3/h 增加至8.5 m3/h，气相中氯化氢含量从900 mg/m3降低至3.0 mg/m3，且当喷淋量大于7.5 m3/h时，气相中氯化氢含量随着喷淋量的增加下降幅度较小，从经济角度考虑较适宜的喷淋量为7.5 m3/h。

从图7 可知，当喷淋量从2.5 m3/h 增加至7.5 m3/h，处理后液相pH 从1.0 升至7.2，处理后溶液最终接近中性，表明在喷淋量为7.5 m3/h时，处理效果良好。

图7 喷淋量对液相pH的影响

2 现场试验

2018年8～9 月采用该技术在苏里格气田苏14-1*、苏6-2*井场进行了现场试验，消泡反应时间为1.4 min，碱液喷淋时间为1.2 min时，调整消泡剂用量及喷淋量，以优化处理工艺及方案，试验结果如表1、表2。

表1 苏14-1*井组返排酸液酸气处理工艺参数

表2 苏6-2*井返排酸液酸气处理工艺参数

由表1、表2 可知，消泡剂反应时间为1.4 min，碱液喷淋时间为1.2 min时，调整喷淋量可有效去除酸液、酸气中的HCl。当气相中HCl含量为277.5 mg/m3时，在消泡剂用量为100 mg/L，喷淋量为7.5 m3/h时，处理效果较好，处理后气相中HCl 含量为1.95 mg/m3。当气相中HCl 含量为720 mg/m3时，在消泡剂用量为125 mg/L，喷淋量为9.5 m3/h时，处理后气相中HCl含量为5.7 mg/m3，处理效果较好，均无酸气气味。

2018～2021 年该技术在苏里格气田、长庆油田采气一厂、长庆油田采气三厂、长庆油田采气四厂等现场应用了100 井次，累计处理酸化返排液14 000 m3，处理后酸化返排液95%用于后续施工作业，具有良好的环保效应。

3 结论

通过对消泡剂的筛选、喷淋时间、喷淋量等工艺参数的实验研究，形成了消泡-管道混合反应-喷淋反应-缓冲的处理工艺，实现了酸化返排液综合处理，缓解了现场酸液酸气带来的安全环保风险。

（1）填料吸收塔处理量大，参数适用范围广，适用于作为油气田酸化返排液处理核心工艺单元。

（2）综合气相氯化氢处理效果及液相溶液pH二因素，较适宜喷淋时间为1.2 min。

（3）随着喷淋量增加，气相中氯化氢含量逐渐减小，且当喷淋量大于等于7.5 m3/h 时，气相中氯化氢含量降低幅度较小，液相pH约为7.2，接近中性，因此较为适宜的喷淋量为7.5 m3/h。

（4）消泡剂宜选用GX-2，且当GX-2用量为125 mg/L，反应时间为1.4 min时，消泡效果较佳，泡沫量为5%。

（5）现场试验结果表明，在消泡剂反应时间为1.4 min，碱液喷淋时间为1.2 min 时，调节消泡剂用量为100～125 mg/L，喷淋量为6.5～9.5 m3/h 时，对氯化氢处理效果良好。现场处理14 000 m3酸化返排液，处理后返排液回用率达到95%，具有良好的环保效应。