摘要：鉆井廢水、鉆井柴油機(jī)廢氣污染物和排氣噪聲是石油天然氣鉆探作業(yè)環(huán)境保護(hù)的主要治理對(duì)象。根據(jù)熱力學(xué)原理和氣液動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞相變機(jī)理，研發(fā)了鉆井廢水廢氣同步消減新技術(shù)。其技術(shù)原理為：鉆井廢水與柴油機(jī)廢氣兩相流直接接觸傳熱傳質(zhì)，廢氣余熱消減廢水，廢水吸收廢氣煙塵同時(shí)使廢氣降溫降噪減阻，替代柴油機(jī)排氣消聲器。為此，設(shè)計(jì)了與鉆井190型渦輪增壓柴油機(jī)配套的ST系列廢水廢氣現(xiàn)場(chǎng)同步處理示范裝置，并在四川龍崗和新疆克拉瑪依等多種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的油氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。結(jié)果表明，單臺(tái)810kW柴油機(jī)1200r/min工況下平均消減廢水能力為0.538m³/h，廢氣煙塵基本消除，降噪效果比消聲器提高4.2%～23.7%(倍頻帶)而背壓降低70%以上，柴油機(jī)功率損失比減少1%。實(shí)踐證明，該技術(shù)改變了鉆井廢水末端治理的現(xiàn)狀，以源頭治理方式實(shí)現(xiàn)鉆井現(xiàn)場(chǎng)廢水不加藥、不外排、不轉(zhuǎn)運(yùn)，為提高鉆探作業(yè)環(huán)保水平提供了可靠的技術(shù)保障，對(duì)建立石油天然氣鉆探清潔生產(chǎn)體系具有重要意義，并可以大幅度減少鉆井現(xiàn)場(chǎng)廢水池征地和基建投資，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：鉆井廢水；柴油機(jī)廢氣；同步處理；源頭治理；環(huán)境保護(hù)；節(jié)能減排

   世界各國(guó)對(duì)石油天然氣鉆采環(huán)保采取越來(lái)越嚴(yán)格的措施，歐洲北海油氣田、科威特大布爾甘油田和美國(guó)馬塞勒斯頁(yè)巖氣田等不同國(guó)家與類(lèi)型油氣鉆采廢水管理均傾向于零排放和循環(huán)利用，規(guī)避環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)^[1～3]。我國(guó)鉆井廢水處理技術(shù)近10年來(lái)有很大進(jìn)展，但仍以末端治理、達(dá)標(biāo)排放為主^[4～6]。為適應(yīng)我國(guó)日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)和公眾的環(huán)保要求，石油行業(yè)“十一五”規(guī)劃提出了增產(chǎn)不增污，建立環(huán)境友好石油天然氣鉆采清潔生產(chǎn)體系的任務(wù)^[7]。

   四川大學(xué)承擔(dān)國(guó)家“863”計(jì)劃課題對(duì)鉆井廢水源頭治理技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，與廣漢欣欣實(shí)業(yè)有限公司共同開(kāi)發(fā)了鉆井廢水廢氣同步消減新技術(shù)及成套橇裝設(shè)備^[8]。本文基于在四川龍崗和新疆克拉瑪依等多種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的油氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)示范應(yīng)用中積累的原始資料，介紹該技術(shù)的原理、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果及其產(chǎn)生的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)氣液兩相流直接接觸傳熱傳質(zhì)等焓過(guò)程原理^[9]，設(shè)柴油機(jī)排氣溫度(t)、濕含量(H)、比熱(C_p)，與廢水傳熱傳質(zhì)達(dá)到飽和溫度(t_s)、飽和濕含量(H_s)，廢水汽化熱(γ)，則單位質(zhì)量廢氣飽和增濕量理論值為：

 

按上式繪制的t-△w和t-t_s曲線見(jiàn)圖1。

 

    由t-△w曲線可見(jiàn)，廢氣飽和增濕量與柴油機(jī)排氣溫度呈線性關(guān)系，在240～450℃的排氣溫區(qū)△w變化范圍為0.084～0.175(kg/kg廢氣)，增長(zhǎng)約1倍。190型渦輪增壓柴油機(jī)額定工況(810kW)排氣量Q=5275kg/h，排氣溫度t=330℃，對(duì)應(yīng)△w=0.123(kg/kg廢氣)，則排氣消減廢水量理論值為：

   W_max=△w×Q=0.123×5275≈649(kg/h)    (2)

對(duì)應(yīng)的廢熱回收與柴油機(jī)輸出軸功率之比為：

 

圖1的t-t_s曲線還提供了與柴油機(jī)排氣溫度(t)相對(duì)應(yīng)的飽和溫度(t_s)，若實(shí)測(cè)同步處理后廢氣溫度下降到t_out，則根據(jù)式(3)定義的設(shè)備運(yùn)行效率可判斷運(yùn)行狀態(tài)，一般應(yīng)在90%～98%范圍。

 

    本技術(shù)原理流程如圖2所示。廢水池來(lái)的原水與柴油機(jī)廢氣逆流進(jìn)入設(shè)備，氣-液兩相交叉流傳熱傳質(zhì)，廢水蒸發(fā)濃縮，廢氣降溫增濕且所含煙塵等有害物質(zhì)被廢水吸收排往沉積池。

 

    上述過(guò)程同步產(chǎn)生排氣降噪減阻功能，可替代消聲器并減少柴油機(jī)功率損失。研究顯示^[10]，額定工況下190型渦輪增壓柴油機(jī)排氣消聲器阻力損失為2.3～2.5kPa，其功率損失比為1.6%～4.0%。本技術(shù)利用廢水廢氣同步消減裝置氣-液傳熱傳質(zhì)表面吸波、氣體體積收縮和流道結(jié)構(gòu)自振頻率低等效應(yīng)，可有效降低排氣噪聲(尤其是高頻)。這種內(nèi)源式降噪機(jī)理可使消聲阻力降至原有消聲器的1/3～1/4，即小于或等于0.8kPa，柴油機(jī)功率損失比減小至少1%。設(shè)計(jì)依據(jù)流體阻力計(jì)算公式^[8]：

 

    通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得保證△p≤0.8kPa的參數(shù)如下：

    阻力系數(shù)λ為0.02～0.03；

    廢氣表觀流速u≤12m/s；

    裝置附屬直管長(zhǎng)度L≤20m；

    裝置內(nèi)部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度∑L_e≤40m；

    裝置流道當(dāng)量直徑d_e≥0.3m。

其中，∑L_e是氣-液兩相交叉流流道局部阻力的總和，當(dāng)量直徑d_e按非圓型截面流道定義：

 

    按此設(shè)計(jì)的ST系列鉆井廢水廢氣同步處理裝置，柴油機(jī)配帶后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)排氣背壓均低于0.8kPa。

    圖3是ST-A型裝置(單機(jī)配帶)在LG17井現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)運(yùn)行實(shí)況，圖4是ST-C型裝置(三機(jī)配帶)在合川001-6-X3井現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)況，均隨鉆井全周期同步運(yùn)行，取得了廢水源頭治理和廢氣消煙、降溫降噪的良好效果。

 

2008年6月LG17井3#柴油機(jī)配帶ST-A型廢水廢氣同步消減裝置(圖3)替代排氣消聲器，與2#機(jī)對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。鉆井隊(duì)按慣例輪換使用3臺(tái)柴油機(jī)，劃眼、鉆進(jìn)、起下鉆及啟動(dòng)、停車(chē)等不同階段全程運(yùn)行驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。記錄(表1)顯示，3#機(jī)累計(jì)運(yùn)行46.2h(劃眼7h、鉆進(jìn)39.2h)，ST-A型裝置消減廢水累計(jì)量23.9m³，平均消減能力為0.517m³/h。鉆進(jìn)階段柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1200r/min，平均消減廢水0.538m³/h；劃眼階段柴油機(jī)轉(zhuǎn)速900r/min，平均消減廢水0.40m³/h。

 

    2009年10～11月合川001-6-X3井(井深2476m)3臺(tái)鉆井柴油機(jī)配帶ST-C型廢水廢氣同步消減裝置，鉆井全程井場(chǎng)產(chǎn)生廢水量201m³，本技術(shù)消減廢水量187m³，廢水池僅剩余14m³。

    LG17井38機(jī)配帶ST-A型廢水廢氣同步消減裝置與2#機(jī)對(duì)比，排氣背壓(表1)與噪聲(表2)同步下降。鉆進(jìn)工況為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1200r/min，2#機(jī)排氣背壓實(shí)測(cè)值2.3～2.5kPa，3#機(jī)僅660Pa，降低70%以上。該工況下按噪聲監(jiān)測(cè)規(guī)范在3個(gè)方位分別檢測(cè)單開(kāi)3#機(jī)和單開(kāi)2#機(jī)的噪聲頻譜(表2)，3#機(jī)倍頻帶消聲效果均優(yōu)于2#機(jī)，2kHz以上高頻段降噪效果更明顯，4kHz降幅達(dá)最大值-23.7%。

 

    鉆井廢水廢氣同步消減技術(shù)具有源頭消減廢水和柴油機(jī)排氣污染物、消聲降噪減阻和減少柴油機(jī)功率損耗等多方面效益。本文僅以鉆井廢水源頭治理效果分析其環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

    該技術(shù)回收利用柴油機(jī)排氣廢熱消減鉆井廢水，不外加任何物質(zhì)與能量，與化學(xué)處理或外運(yùn)、回注等方法相比，具有如下顯著優(yōu)勢(shì)：

    1) 廢水消減與鉆井作業(yè)同步進(jìn)行日集日清。

    2) 單機(jī)實(shí)測(cè)平均消減鉆井廢水0.517m³/h，即平均12.4m³/d(24h)，大于目前井場(chǎng)鉆井廢水產(chǎn)生量，可以確保廢水不外排、不外運(yùn)、不累積，進(jìn)行源頭治理。

    由此可見(jiàn)本技術(shù)環(huán)境效益顯著，尤其對(duì)既不具備廢水回注條件、又不便于長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)你@井作業(yè)區(qū)建立廢水零排放清潔生產(chǎn)體系具有重大意義。

    以LG氣田5000～6000m深井為例，目前三廢池總池容約2500m³(廢水池約占50%)，征地及基建投資約80萬(wàn)元。鉆井作業(yè)期120～150d，產(chǎn)生廢水總量900～1200m³。原有處理方法是部分外運(yùn)集中處理，部分在現(xiàn)場(chǎng)隨廢漿廢渣固化，平均處理成本超過(guò)200元/m³。以上合計(jì)單井費(fèi)用超過(guò)100萬(wàn)元。

    本技術(shù)裝置設(shè)計(jì)使用年限5年，單井?dāng)備N(xiāo)費(fèi)用低于10萬(wàn)元，且處理過(guò)程不加藥，運(yùn)行管理費(fèi)顯著低于其他方法。該技術(shù)可以保障鉆井廢水日集日清，廢水池功能僅為短周期循環(huán)，可使其總?cè)莘e縮減1/3，從而大幅度減少井場(chǎng)征地與基建投資。由此，采用本技術(shù)對(duì)鉆井廢水進(jìn)行源頭治理，與現(xiàn)有技術(shù)相比可以節(jié)約成本30%～50%，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

    1) 利用柴油機(jī)排氣廢熱消減鉆井廢水，190型鉆井柴油機(jī)單機(jī)在額定工況(1300r/min)下消減廢水理論值為649kg/h、實(shí)測(cè)值(1200r/min)為538kg/h，并且消減排氣煙塵。

    2) 鉆井廢水廢氣同步消減裝置的降噪功能比原有柴油機(jī)排氣消聲器提高4.2%0～23.7%，同時(shí)使排氣背壓降低70%以上，功率損失比減小至少1%。

    3) 鉆井現(xiàn)場(chǎng)示范運(yùn)行結(jié)果表明，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆井廢水源頭治理，對(duì)不具備回注條件、不便于長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)你@井作業(yè)區(qū)建立廢水零排放清潔生產(chǎn)體系意義重大。

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(本文作者：朱德浩¹ 周勇¹ 夏素蘭¹ 夏小全² 向啟貴³ 易暢³ 凌立蘇⁴ 1.四川大學(xué)化工學(xué)院；2.中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)監(jiān)督中心；3.中國(guó)石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院；4.中國(guó)石油新疆油田公司勘探公司)