撬装式气田酸化废液废气自动处理设备

杨少卓，李 琦，刘 江，李小娟

(中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安 710032)

撬装式气田酸化废液废气自动处理设备

杨少卓，李 琦，刘 江，李小娟

(中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安 710032)

油气田开发过程中经常采用的酸化作业，其返排液具有酸性强、腐蚀性强、含铁高、矿化度高，并伴有刺激性气味等特点，是石油天然气工业的主要污染源之一。文章介绍了一种可移动的撬装式酸化废液废气自动处理设备的结构、工作原理、工艺流程、控制方法及使用效果。经实地实验，该设备能快速、经济、有效地处理气田开发过程中的酸化废液及废气，具有占地面积小、迁移方便、安装操作简单等特点。

撬装式；酸化废液；工业污水处理；pH值控制

0 前言

石油天然气的勘探和开发作业过程中，酸化作业是提高油气单井产量以及修复枯竭井的重要措施之一[1]，为各油气田普遍采用。由于酸液体含有盐酸、氢氟酸、硝酸、有机酸等主剂，还有缓蚀剂、缓速剂、铁稳定剂、杀菌剂、黏土稳定剂等多种添加剂。因此，返排酸化废液具有酸性强、腐蚀性强、含铁高、矿化度高，并伴有大量有刺激气味的等特点，是石油天然气工业的主要污染源之一。据统计，每个钻井队每天排放废水约30 m3，每口压裂井产生废水100～200 m3，每口酸化井排放废水10～100 m3。这些废水若不经处理直接外排，必然会带来生产安全隐患，给周边生态环境造成极大危害[1]。

陕北某油田大量井站分布在地貌复杂的偏远山区和荒漠，道路崎岖，酸化废液的拉运集中处理极为困难。亟需一套可就地快速、简单可行且成本低廉的酸化废液和酸雾处理设备。中国重型机械研究院基于酸化废液的中和处理法[2]，研发了一种方便迁移的撬装式酸化废液废气自动处理装置，经济有效地解决了该问题。

1 设备结构、工作原理及技术参数

1.1 设备结构及工作原理

如图1所示，撬装式酸化废液废气自动处理装置主要由在同一底板上的pH粗调池、pH微调池、加药系统、集气系统和控制系统等部分组成。

图1 设备结构示意图

粗调池装有一台返排液提升泵、一台流量计、一个pH值检测仪和一个翻板式液位计。由于返排液的水质变化较大，pH值不稳定(0.5～6)，通过粗调池对pH的调整，使酸化废水的pH值稳定至5～7，以便后续进行pH微调。粗调池内的磁翻板液位计和pH检测仪为控制系统提供信号。池中设有曝气管线，既能起到搅拌作用使酸化返排液与碱性药剂充分中和，又可使Fe(OH)2转化为稳定且容易沉降的Fe(OH)3，达到除铁的目的。

微调池装有一台排水泵、一个pH值检测仪和一个翻板式液位计。通过粗调池的调整，进入微调池的废水水质已相对稳定，pH值接近中性，再次微调，以确保出水pH值为7～8。微调池中内的磁翻板液位计和pH检测仪为控制系统提供信号。同时设有曝气管线，在搅拌的同时，还可使Fe(OH)2进一步被氧化为Fe(OH)3。

加药系统包括两个药剂箱和两台加药泵，两台加药泵由变频器控制加药剂量分别给粗调池和微调池加药，通过调整阀门可从同一个药剂箱中抽取药剂。两个药剂箱交替使用以确保可以连续加药，当其中一个用于提供药剂时，另一个可用来配制药剂。两个药剂箱中设有磁翻板液位计，当液位超过设定值时给出声光报警。药剂箱中设有曝气管线，以保证配制的药剂充分溶解。

集气系统包括集气管线、两座喷淋塔、两台循环泵和一台引风机。集气管线将粗调池和微调池内的酸性气体和曝气搅拌产生的气体引入喷淋塔，喷淋塔内选用塑料鲍尔环作为填料，通过引风机和循环泵使酸性气体和碱性药剂在喷淋塔内逆向流动，酸气从塔底自下而上穿过填料，碱性药剂则通过塔顶的液体分布器沿填料层向下流，至塔底后再由循环泵循环至塔顶。喷淋塔内的碱性药剂pH<9时通过循环泵从药剂箱内抽取药剂进行更换。

控制系统由流量计、液位计、pH检测仪等现场检测仪器和一台控制柜组成。控制柜内装有一套SIEMENS S7-200系列PLC和两台变频器。有手动和自动两种操作方式，手动操作时，由工作人员根据控制柜上显示的pH值、流量、液位等信息手动控制变频器对粗调池和微调池加药；自动操作时由PLC通过分段式变增益PID闭环控制加药剂量。考虑到工作现场可能存在爆炸性气体，所以选用的检测仪器、电机和控制柜等电气设备都符合相关的防爆等级(ExdeIIBT4)。

1.2 设备主要参数

表1 主要设备参数

其他参数：设备外形尺寸(长×宽×高)：8.8 m×2.3 m×2.9 m，该外形尺寸保证设备在运输过程中不会出现超载；设备总重：9 t；总装机容量：18 kW；工作用电：AC 380V/50Hz。

2 工艺流程

(1) 返排液经两相分离器进行气液分离后，由返排液提升泵送入粗调池(受两相分离器工作效率影响，分离后的酸液管路中含有一定量的酸气)。当粗调池中的返排液到达一定液位时，系统根据返排液的pH值开始加药，同时开启曝气风机进行曝气搅拌。返排液的pH>5时，将返排液通过粗调池底部的导流管引入微调池。粗调池和微调池隔板的顶部开有溢流孔，如液位过高时可通过溢流孔流到微调池。

(2) 微调池的液位到达一定高度后，系统根据返排液的pH值开启微调池加药泵。微调池的返排液7

(3)自动运行时，开启设备的同时曝气风机、引风机和循环泵同时开启，返排液中的酸性气体及曝气搅拌产生的气体依次经过一、二级喷淋塔进行中和，中和后的废气通过管道引至安全区域放燃。

(4)药剂箱低液位时给出声光报警，同时设备不能开启。

图2 工艺流程图

3 pH值控制

中和过程中pH滴定曲线在中和点附近具有很高的灵敏度，而远离中和点处灵敏度又很低，具有严重的非线性特性，且反应过程具有滞后性，难以获得精确的数学模型。如果采样传统的PID调节可能出现在粗调池响应速度太慢而产生溢流，或微调池pH值变化太快造成超调。因此，如图3所示，本设备将pH过程按照拐点b和c分为三个区段，用三段折线法来近似表示pH特性曲线，采用了分段式变增益PID控制器，在pH的高增益区采用较低的比例增益，而pH的低增益区采用较高的比例增益，对被控对象的非线性特性进行补偿，实现了对pH过程的最优控制。

图3 酸碱滴定特性曲线

图4 分段式变增益PID控制器

三段式变增益PID控制器的控制规律为

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

(1)

式中，KP为比例增益系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；T为采样周期；f(e(k))为变增益函数。

三段式变增益PID控制器中的增益函数f(e(k))=ki∣e(k)∣(i=1，2，3)，其中k1、k2、k3分别为ab、bc、cd三区段的控制器增益系数，与ab、bc、cd三段增益系数成反比，这样就可以使原来的非线性系统补偿为一个线性系统进行控制，如图4所示。当f(e(k))=1时，即为普通的PID算法。f(e(k))的变化规律为(其中z为低增益区的宽度)：

(2)

考虑到中和过程为纯滞后加一阶惯性环节，其传递函数为

(3)

式中，K为系统静态增益；τ为纯滞后时间常数；T为系统时间常数。

根据现场的工况，取T=10，τ=4对其增益K的三种情况进行仿真分析，通过整定，最终确认K1=11，K2=0.4，K3=9。

4 试用效果

为了对设备的处理效果和性能进行整体综合评价，设备试制成功后，在陕北某气田对本设备进行了现场试用和效果评价。主要内容包括：

(1)现场采集数据，对pH值监控系统、加药系统、喷淋吸收系统及整套装置的运行稳定性进行评价；

(2)对设备运行参数与现场工况的匹配性进行评价；

(3)通过现场取样分析，对该装置的酸液及酸气处理效果进行评价。

本次试用的酸化液主要包括前置液、闭合酸和顶替液，这些工作液中主要含有盐酸，前置液中注交联酸，高压注酸中含有稠化酸，其他酸液中添加了酸化缓蚀剂、缓速剂、起泡剂、铁离子稳定剂和气井助排剂等多种处理剂，中和药剂使用30%NaOH溶液。

试用过程持续大约7 h，全程使用自动操作，设备运行稳定。通过对不同返排时段不同位置的返排液进行采样分析，设备处理效果如表2所示。

表2 返排液处理效果分析

注：“-”表示未测定

由表2可见，返排液在不同时段具有明显的特征差异：前期酸液返排液的酸性强(pH值为0.5)，水样粘度大，泡沫多，且具有较强的刺激性气味。随着返排时间的延长，返排液的pH值不断增大，粘度和总铁逐渐降低。设备对返排液pH值的控制、总铁去除率和降粘率均达到设计要求。另外通过在不同时段对废气排放口进行检测，HCl含量均为0，排放气体无刺激性气味。

通过现场实验，发现返排过程时间较长，返排液流量比预想的要小，加之优化后的PID控制反应速度快，曝气搅拌快速均匀使得系统滞后时间缩短，这些因素使设备的处理能力略显“过剩”，可考虑减小粗调池、微调池及药剂箱的体积，同时在设备外围设计立柱和横梁，使设备整体更加稳固，一方面方便吊装，同时也能避免设备在吊装和运输过程中受到损坏。

5 结束语

油气田开发过程中产生的酸化废液废气对生产环境和人身安全都是一个极大的隐患，鉴于此，国家和石油行业部门的废液废气处理标准也日益严格，这也促使了相关处理设备和技术研究的不断发展。目前的处理方法主要有中和法、絮凝沉淀法、氧化法、吸附法和微电解法等。本文介绍的基于中和法的撬装式酸化废液废气自动处理设备，适合在集中处理废液废气不方便的生产现场使用，具有经济可靠、处理效果理想、自动化水平高、易迁移、安装操作简单等特点，有一定的市场推广价值。

[1] 范青玉，何焕杰，王永红，等．钻井废水和酸化压裂作业废水处理技术研究进展[J].油田化学，2002，19(04)：387-390.

[2] 陈明燕，吴冕，刘宇程．酸化和压裂废液处理技术研究进展[J].环境科学与技术，2010，33(S1)：166-170.

[3] 成大先．机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2010.

[4] 胡宗武，徐履冰，石来德等.非标准机械设备设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[5] 杨照华，杨智，王慧中.两种新型pH值的控制方法研究[J].兰州理工大学学报，2001，27(03)：51-54.

[6] 李力，薛薇.pH过程的模糊控制仿真研究[J].自动化与仪器仪表，2004 (05)：5-7.

[7] 郭红霞.pH值控制方法研究及其控制器的设计[D].西安：西安科技大学，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

杨少卓(1973-)，男，中国重型机械研究院有限公司，工程师。