高含水钻井固废超细颗粒过滤分离实验研究.pdf

第53卷第2 期2024年2 月高含水钻井固废超细颗粒过滤分离实验研究张颖，温钰奇，李辉，庞凯，罗会清!（1.四川轻化工大学机械工程学院，四川宜宾6 430 0 0;2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川广汉6 18 30 0）摘要：针对钻井固废处理的难点在于其含有大量10 m以下的超细颗粒难以分离问题,结合振动筛分和深层过滤处理方法，从减少整体固相含量和分离超细颗粒出发，开发了一种能有效去除高含水钻井固废中超细颗粒的新型处理方法。结果表明，在优选工艺参数下，高含水钻井固废经过振动筛分处理后,10 m以上的较大颗粒被去除，固相含量从30.42%降低至9.55%。筛下液再经过深层过滤处理，9 2.7 7%的超细颗粒被去除。研究结果表明，新型处理方法对高含水钻井固废超细颗粒有良好的去除效果，有利于实现高含水钻井固废回收利用要求。关键词：高含水钻井固废；振动筛分；深层过滤中图分类号：TQ340.9;TE254Investigation on the filtration and separation of ultrafineparticles in high water content drilling solid wasteZHANG Ying,WEN Yu-qil,LI Hui?,PANG Kai,LUO Hui-qing(1.School of Mechanical Engineering,Sichuan University of Science&Engineering,Yibin 643000,China;2.Research Institute of Safety and Environmental Quality Supervision and Inspection,CNPCChuanqing Drilling Engineering Company Limited,Guanghan 618300,China)Abstract:The difficulty in treating drilling solid waste lies in the presence of a large number of ultrafineparticles smaller than 10 m,which are difficult to separate.The methods of vibrating screen separationand deep filtration to develop a novel treatment approach for effectively removing ultrafine particles fromhigh water content drlling solid waste,focusing on reducing the overall solid phase content and separatingultrafine particles.The results demonstrate that under the optimal process parameters,after the high watercontent drilling solid waste undergoes vibrating screen separation,larger particles above 10 m are re-moved,and the solid phase content is reduced from 30.42%to 9.55%.The underflow liquid is then sub-jected to deep filtration treatment,resulting in the removal of 92.77%of ultrafine particles.The researchfindings indicate that the novel treatment method has a favorable removal effect on ultrafine particles inhigh water content drilling solid waste,which is conducive to meeting the requirements for recycling andutilization of such waste.Key words:high water content drilling solid waste;vibrating screen separation;deep filtration近年来，随着新环境保护法和新固废法的实施，如何妥善处理钻井固废已成为制约油气行业发展的重要难题。目前,国内外对钻井固废的处理开展了大量研究，研究出超临界流体萃取、生物处理、电化学法等新技术，但都存在效率低、成本高等问题 13。钻井固废处理的难点在于钻井液类型和钻井深度会影响产生的固废物质，难以研究出普适性处理方法以及超细颗粒利用现场固控设备难以分离,复配回用难度极大 45。本研究从超细颗粒分离人手，提出一种振动筛分结合深层过滤的新技术,可高效分离含水钻井固废中的超细颗粒，具有高效率、低成本和环保等优点，为处理高含水钻井固废提供一种新思路和方法。收稿日期：2 0 2 3-0 5-10基金项目：国家自然科学基金（5197 42 7 1）；四川省重点研发项目（2 0 DYFSY038）作者简介：张颖（198 8），男，四川自贡人，博士，副教授。电话：139342 6 391,Ema i l:h e l l o 913 12 6.c o m通信作者：温钰奇（1999-），男，四川绵阳人，硕士研究生。电话：17 340 455158,E-mail：17 39147 2 6 7 q q.c o m应用化工Applied Chemical Industry4文献标识码：A文章编号：16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 2 93-0 41实验部分1.1材料与仪器实验钻井固废（固相含量为30.42%，中位粒径为48.49 m,平均粒径为54.2 0 m,其中10 m的颗粒含量2 9.35%）,取自四川某气田；不锈钢筛网,购于绍兴市上虞区豪泉筛具厂；丙纶纤维束，购于巩义市绿洁环保材料有限公司。百特BT3000Plus激光粒度仪；科伟永兴DZF型真空干燥箱；SUX-YB80电子数显压力表；艾析XP-200S数显搅拌器。1.2实验装置实验装置见图1，主要由流体输送单元、负压圆盘振动筛单元、纤维束过滤器单元、反冲洗单元和修改稿日期：2 0 2 3-0 7-13Vol.53 No.2Feb.2024294控制单元组成。装置处理能力为150 L/h，整机功率50 kW.占地面积5m。废弃水基钻井液管道筛下钻井液管道反冲洗管道滤液沉积污泥路线砂浆泵原料储罐压力表2压力表3负压圆盘振动筛振动真空泵电机图1超细颗粒分离实验装置Fig.1 Ultrafine particle separation experimental apparatus1.3实验方法1.3.1负压圆盘振动筛实验将高含水钻井固废放入搅拌机中，以10 0 0 r/min转速，搅拌8 min后，备用。将高含水钻井固废倒人原料储罐上层，关闭阀门1,调整振动频率达到实验要求时开始筛分，实验结束后,取少量筛下液进行粒度分布测试，剩余筛下液放人已知质量的烧杯中，送入烘箱中烘干、称量。处理参数主要为筛网孔径。1.3.2超细颗粒分离装置整体实验调整振动频率达到实验要求后进行初步筛分，打开阀门1,将筛下液吸人长纤维束过滤器中进行过滤，实验结束后,将滤液放入已知质量的烧杯中，送入烘箱中烘干、称量。处理参数主要包括过纤维束滤层和堆积密度。1.3.3参数优化对圆盘振动筛和长纤维束过滤器的处理参数进行优化。通过改变筛网孔径、纤维束堆积密度、滤层等参数，探究其对固液分离效果的影响。分离效果的评估指标包括固相含量、筛网堵塞率、颗粒粒径分布、超细颗粒分离效率、过滤压降等。1.3.4性能测试在优选工艺参数下,进行超细颗粒分离装置整体实验，对比处理前后钻井固废的主要性能。主要性能的评估指标包括密度、表观黏度和固相含量。1.4测定方法测定分离前后高含水钻井固废的颗粒粒径分布和固相含量。颗粒粒径分布测定依据GB/T19077.12008粒度分析激光衍射法，测定仪器为百特BT3000Plus激光粒度仪。固相含量测定选用烘干法，其公式为：m2-m1=100%m其中，m为称取污泥样品质量的数值，g；m 为恒重空蒸发皿质量的数值，g；为恒重后蒸发皿加恒重后污泥样品质量的数值，8。筛网堵塞率的测定采用重量法,其公式为：应用化工m=mA其中，m为筛分前钻井固废总质量的数值，g；m4为筛分后筛网与筛上泥饼的重量，g；m 3为清洁废弃水基筛网重量的数值,%。钻井液超细颗粒分离效率的测定选用质量法，其公清水清永泵卫压力表1P纤维束阀门1流量计过滤器变频器2污水泵第53卷m4-m3100%式为：滤液=i-o反冲洗污水沉积泥饼产物储罐(1)(2)(3)其中，为振动筛筛下液的固相含量,无量纲；1为纤维束过滤后滤液的固相含量,无量纲。纤维束过滤压降的计算公式为：AP=Pup-Pdowm其中，Pup、Pd o w n 分别为过滤器纤维滤层上下游压力值,MPa。2结果与讨论2.1筛网孔径对固液分离性能的影响负压圆盘振动筛单元在整体实验装置中的主要功能是通过截留粒径大于筛网孔径的颗粒，实现钻井固废固相含量的大幅下降6-。由图3可知，钻井固废中粒径在2 0 m以上的颗粒对应体积占比显著高于2 0 m以下的颗粒。因此,实验中筛网孔径应选取在2 0 30 m 的范围内。结合前期研究结果和市面上现有筛网的实际情况，研究了筛网孔径为2 1,19,15,13,10 m时,筛网孔径对筛下液固相含量和筛网堵塞率的影响,结果见图2。10.2筛下液固相含量一筛网堵塞率9.8上9.6F9.422图2 筛网孔径对筛下液固相含量和筛网堵塞率的影响Fig.2The influence of screen aperture size on thesolid phase content and screen pluggingrate of the underflow liquid由图2 可知,随着筛网孔径减小，筛下物固相含量降低,筛网堵塞率升高。尽管筛下物固相含量逐渐降低，但数值变化较小，当筛网孔径从2 1m减小到19 m时，固相含量下降幅度最大，减少了0.37%。然而，当筛网孔径进一步减小到13m时,筛网堵塞率陡增,升高11.6 9%，达39.51%。过高堵塞率会导致筛分效率下降和筛网寿命缩短。因此，依据实验结果,筛网孔径选用15m，此时筛下液固相含量为9.55%，筛网堵塞率为2 7.8 2%。2.2参数优化后筛分前后粒度分布对比将筛网孔径为15 m时的振动筛筛下液与高(4)4540353025202018筛网孔径/m16141210第2 期含水固废钻井原料的粒度分布进行对比，结果见图3。25232018530-30.0010.010.1颗粒粒径/m图3参数优化后筛下液与原料的粒度分布对比Fig.3 Particle size distribution comparison betweenunderflow liquid and raw material afterparameter optimization由图3可知,筛分后峰向左偏移,相应的体积分数增大，说明截留颗粒主要为较大颗粒。粒径大于15m的颗粒几乎全部被截留，粒径在15m以上的颗粒体积分数仅占1.8 6%，分析推测是由于筛网在加工生产时存在误差，部分孔径偏大所致。粒径在10 m以下的小颗粒体积分数占比为96.51%，表明经负压圆盘振动筛筛分后，剩余固相颗粒主要为现有固控设备难以分离的超细颗粒。2.3堆积密度对超细颗粒分离性能的影响实验采用的纤维束过滤器为上拉活动孔板式，公称直径30 cm,罐体高度2 0 0 cm,通过调整纤维束填充量和压缩程度可灵活改变纤维束堆积密度和滤层厚度。结合前期研究结果和纤维束污水处理相关文献 9-11 的实验数据，综合分析，初步设定纤维束滤层厚度为30 0 mm,研究纤维束堆积密度为188,226,264,302kg/m时，超细颗粒分离效率和过滤压降随装置运行时间的变化，结果见图4和图5。10090807060188kg/m226kg/m264kg/m40302kg/m300图4堆积密度对超细颗粒分离效率的影响Fig.4 The impact of accumulation density on theseparation efficiency of ultrafine particles由图4可知,纤维束分离效率随着堆积密度的增大而提高,堆积密度为30 2 kg/m时,初始最高分离效率可达9 4.6 2%，比18 8 kg/m时高出12.17%，但当堆积密度达到2 6 4kg/m以上时效率提升不明显,这表明堆积密度达到2 6 4kg/m以后，继续提升堆积密度已不是提高分离效率的最优选张颖等：高含水钻井固废超细颗粒过滤分离实验研究+钻井固废原液振动筛筛下液11010010001000024295择。对于固定堆积密度,纤维束的分离效率随过滤时间的增大而降低，这是因为纤维束过滤机理为深层过滤,随着过滤的进行,悬浮颗粒的不断黏附,滤料间的孔隙逐渐减小，水流速度加快，剪切力增大，最后黏附的颗粒由于黏附力较弱，会优先脱落。随着过滤时间的增加，低堆积密度分离效率下降的趋势更为明显，这是因为低堆积密度下,纤维束会更快达到饱和吸附状态，在相同条件下，堆积密度越高饱和量越大,其下降趋势越小。但是过高的堆积密度也会引起压降的增加,由图5可知,压降随堆积密度的增加而增加,堆积密度为30 2 kg/m时,过滤压降明显高于其余三个考察值，最大压降高达0.858MPa,压降过大会导致过滤效率降低、滤材寿命缩短和运行能耗增加等问题。综合考虑,纤维束堆积密度应确定为2 6 4kg/m，此时最高分离效率为92.7 7%。1.0188 kg/m0.9.226kg/m264 kg/m0.8上0.70.610.50.40.32图5堆积密度对过滤压降的影响Fig.5The effect of accumulation densityon filtration pressure drop2.4纤维束滤层厚度对固液分离性能的影响滤层厚度是影响深层过滤效果的重要因素之一,依据前述研究并结合相关文献 12-14,设定纤维束堆积密度为2 6 4kg/m,研究纤维束滤层厚度为200,300,400,500mm时，超细颗粒分离效率和过滤压降随装置运行时间的变化,结果见图6 和图7。100807060F68101214时间/min302kg/m46时间/min200 mm300mm400 mm50500mm400图6 纤维束滤层厚度对超细颗粒分离效率的影响Fig.6 The influence of fibrous bundle filter layer thicknesson the separation efficiency of ultrafine particles由图6 可知，不同滤层厚度对超细颗粒的分离效率有很大影响，超细颗粒分离效率随滤层厚度的增加而提高,滤层厚度为50 0 mm时,初始分离效率最高，可达9 6.51%，比滤层为2 0 0 mm时的初始分81024121468101214时间/min296离效率高9.7 6%，但当滤层厚度达到30 0 mm以后，效率提升不明显,40 0 mm滤层厚度时的初始分离效率仅比30 0 mm时高出2.14%，分析认为，纤维束滤层近似于理想滤层，滤料间的孔隙率沿水流方向减小，悬浮颗粒沿水流方向被滤料层层拦截，脱落的颗粒以及没有黏附的颗粒也被水流夹带向下层层推移，当滤层厚度为2 0 0 mm时，下层孔隙较大，仅能截留8 6.7 5%的超细颗粒，提升到30 0 mm时，下层孔隙较小，可截留92.7 7%的超细颗粒，但继续增加滤层厚度对滤层截留能力的提升较小。由图7 可知,过滤压降随滤层厚度的增加而提高，这是因为厚度增加时，流体通过滤层的路径会更加曲折，阻力也随之增加。当滤层40 0 mm和50 0 mm时,初始过滤压降分别为0.7 2 2,0.8 6 6 MPa,过滤压降过高。综合考虑,纤维束滤层厚度应确定为30 0 mm。1.00.90.8edN/0.70.6出0.50.40.32图7纤维束滤层厚度对过滤压降的影响Fig.7 The impact of fibrous bundle filter layerthickness on filtration pressure drop2.5高含水钻井固废处理前后性能对比为评价超细颗粒分离装置在钻井固废分离中的表现,根据优化工艺参数，分别对高含水钻井固废振动筛分前后及整体处理前后的关键性能指标展开了实验评估，详细结果见表1。表1高含水钻井固废实验前后性能对比Table 1 Performance comparison of high water contentdrilling solid waste before and after the experiment固相含指标项(kg m-3)处理前1 425筛分后1190过滤后1 042由表1可知,经负压圆盘振动筛处理后，钻井固废的密度、表观黏度和固相含量分别从142 5kg/m、56.4 mPa s、30.42%降至 1 190 kg/m、32.2 mPa s、9.55%。在整体装置处理后，密度、表观黏度、固相含量进一步降低至10 42 kg/m、4.6 m Pa s、0.59%。实验结果表明，高含水钻井固废经振动筛分与深层过滤处理，密度、表观黏度及固相含量明显降低。该处理方法不仅对超细颗粒具有出色的应用化工去除效果,同时还能显著降低整体固相含量，有利于实现高含水钻井固废的回收利用。3结论（1)通过单因素实验法，分别研究了负压圆盘振动筛筛网孔径对固液分离效果的影响以及纤维束过滤器堆积密度，以及滤层厚度对筛下液中超细颗粒分离效率的影响。结果表明，高含水钻井固废处理的优选工艺参数为筛网孔径15m、堆积密度264kg/m和滤层厚度30 0 mm。在此条件下，负压圆盘振动筛的筛下液固相含量仅9.55%，纤维束过滤器的超细颗粒分离效率高达92.7 7%。（2)高含水钻井固废在优选工艺参数下振动筛分及深层过滤处理前后的主要性能变化表明,其密度、表观黏度和固相含量均显著降低，有利于实现高含水钻井固废的回收利用。参考文献：1 陈刚,王鹏，赵毅，等.废弃钻井液处理技术研究与应用进展 J.钻井液与完井液,2 0 2 0,37(1)：1-8.2刘向阳,李慧敏，贾悦，等.高级氧化技术处理钻井废水的应用进展 J.应用化工,2 0 2 1,50（8）：2 2 7 5-2 2 7 9.200 mm300mm400mm500 mm-46时间/min密度/表观黏度/mPas56.432.24.6第53卷3 任雯,刘晓辉，李盛林，等.废弃高性能水基钻井液循环利用电吸附处理方法J.石油钻探技术，2 0 2 0,48(4):50-55.81012量/%30.429.550.59144张淑侠，裴婷，原敏，等.废弃钻井液分类处理及能分析 J.应用化工,2 0 2 1,50(9：2 453-2 456,2 46 2.5 王星媛，欧翔，明显森.威2 0 2 H3平台废弃油基钻井液处理技术 J.钻井液与完井液,2 0 17,34（2）：6 4-6 9.6侯勇俊，李文霞，吴先进，等.负压钻井液振动筛上固相颗粒运移规律研究 J.工程设计学报，2 0 18,2 5(4):465-471.7李文霞.负压振动筛筛分机理研究 D.成都：西南石油大学,2 0 18:58-6 9.8 周思柱，李旭东，吕志鹏，等.负压钻井振动筛的动力特性分析 J.机械设计与制造,2 0 18（10）：43-46.9 杜小磊.纤维球机械过滤器处理含油废水过程优化研究 D.天津：天津工业大学,2 0 18：17-32.10王世和,周飞,璐.长纤维高速过滤器的深层过滤过程与特性 J.中国工程科学,2 0 0 9,11（2)：43-47,52.11王世和,周飞.深层过滤理论与长纤维高速过滤器M.北京：化学工业出版社,2 0 0 8：2 5-31.12 JI F,LI C,DONG X,et al.Separation of oil from oilywastewater by sorption and coalescence technique usingethanol grafted polyacrylonitrile J.Journal of 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