王振東，楊 燦

（川慶鉆探工程有限公司重慶運輸總公司，重慶 404100）

0 引言

隨著國家對環(huán)境保護的重視力度加大，釋放了強列的關(guān)注環(huán)境保護、資源循環(huán)利用、節(jié)能減排等相關(guān)領(lǐng)域的信號。在這個大背景下，川慶鉆探工程有限公司提出了改變試井作業(yè)中產(chǎn)生工作液的回收處置方式，原工藝流程是通過回注的方式處置工作液，伴隨工作液噴出的天然氣直接點火燃燒。經(jīng)過調(diào)查研究，設(shè)計利用天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量蒸發(fā)工作液中的水分，實現(xiàn)固液分離和殘渣（即壓裂砂）回收處置的目的。

1 工作液處置工藝設(shè)計

試井過程中產(chǎn)生的工作液和天然氣等通過排酸筒排出到回收罐中，在排酸筒口開始放噴后點燃天然氣，工作液首先在回收罐中進行沉淀，通過管道流入地埋罐，由地埋罐中的循環(huán)泵將工作液輸送至回收罐的循環(huán)管道中，工作液在壓力的作用下通過噴淋口噴出形成液滴團，在回收罐底部火焰的高溫條件下汽化，同時未汽化的工作液回到回收罐底部集液池，再通過連接地埋罐的管道回到地埋罐中進行下一次循環(huán)。

該套設(shè)備由回收罐、20方地埋罐（即容積為20 m3的地埋罐）、5方地埋罐（即容積為5 m3的地埋罐）、柴油發(fā)電機、循環(huán)泵、連接管線組成（圖1）。

圖1 工作液處理流程

2 現(xiàn)場效果評估

在第一套實驗性工作液一體化處置系統(tǒng)生產(chǎn)完成后，2019年3月1日，在蘇6-8-13井進行了現(xiàn)場試驗和效果評估?；厥展薰ぷ? h，原有工作液12.5 m3，期間排酸筒排出工作液約14 m3，試驗結(jié)束后回收罐及地埋罐內(nèi)仍有剩余工作液約18 m3，即工作效率僅為2.1 m3/h，遠未達到設(shè)計目標(biāo)。

現(xiàn)場試驗還暴露出以下3個問題：①排酸筒在放噴排液過程中沖擊力較大，在氣流的帶動下返出的液體容易從燃燒罐內(nèi)噴灑至外部，易發(fā)生環(huán)境糾紛；②排液過程中，井內(nèi)壓裂砂會隨工作液返出至回收罐內(nèi)，目前使用的回收罐內(nèi)溝槽較多，清理較為困難；③回收罐系統(tǒng)配備的循環(huán)泵功率小，在回收罐的循環(huán)管道中未形成足夠的工作壓力，導(dǎo)致噴淋口處水壓不足，工作液呈水柱流出而不是液滴狀噴出。

3 影響回收罐工作效率的因素

回收罐工作效率的高低主要是看工作液的蒸發(fā)效率，物理學(xué)上影響蒸發(fā)效率的主要因素有3個，即液體溫度的高低、液體與氣體間接觸的表面積大小以及液面上氣體流動的速度。

3.1 溫度因素的影響

溫度越高，蒸發(fā)越快?？茖W(xué)研究證明，無論在什么溫度下，液體中總有一些速度很大的分子飛出液面而成為汽分子，因此液體在任何溫度下都能蒸發(fā)。如果液體的溫度升高，分子的平均動能增大，從液面飛出去的分子數(shù)量就會增多，所以液體的溫度越高蒸發(fā)的就越快。

該套設(shè)備的熱源主要是排酸筒放噴出的天然氣燃燒形成，自然環(huán)境溫度的影響可忽略不計，而天然氣燃燒的熱值是一定的，只與放噴出天然氣量的多少有關(guān)。天然氣的排放量根據(jù)井位不同有區(qū)別且無法控制。

因此，通過升高溫度來大幅提高液體的蒸發(fā)效率的可能性不高，而盡量減少回收罐外壁的熱流失可能會有積極作用。

3.2 液氣接觸面因素的影響

如果液體表面面積增大，處于液體表面附近的分子數(shù)目增加，在相同的時間里從液面飛出的分子數(shù)就增多，所以液面面積增大，蒸發(fā)就會加快。

液體接觸面應(yīng)從兩方面加以區(qū)分：一是工作液與空氣的接觸面大小，這方面的影響因素主要是工作液是以液柱狀還是液滴狀噴出，相對于液滴狀和霧狀，液柱狀與空氣的接觸面是指數(shù)倍小于霧狀液滴；二是工作液滴與加熱源的接觸面大小，接觸面越大蒸發(fā)越快，接觸面越小蒸發(fā)越慢。

因此增大回收罐內(nèi)循環(huán)管道的壓力，迫使工作液呈液滴或液霧狀態(tài)噴出，充分與回收罐內(nèi)及上部的空氣混合，可以顯著增大水分子與空氣的接觸面。另外在排酸筒形成的火焰上方鋪設(shè)一塊活動的加熱鋼板，可以擴大與加熱源的接觸面，同時還能削弱工作液直射排酸筒對火焰燃燒的影響。

3.3 液面上氣體流動因素的影響

當(dāng)飛入空氣里的水蒸氣分子和空氣分子或其他水蒸氣分子發(fā)生碰撞時，有可能被碰回到液體中來。如果液面周圍的空氣流動快、通風(fēng)好，水蒸氣分子重新返回液體的機會越小蒸發(fā)就越快。另外，空氣濕度越大蒸發(fā)越慢，空氣濕度越小蒸發(fā)越快。

氣體流動與風(fēng)力大小和空氣濕度大小密切相關(guān)，自然環(huán)境的實時風(fēng)力和空氣濕度無法控制，考慮到內(nèi)蒙古地區(qū)戶外無風(fēng)的情況較少、環(huán)境的空氣濕度小，因此在這方面無法人工干預(yù)，也不需要通過人工干預(yù)來提升蒸發(fā)效率。

4 改進方法

4.1 直接因素方面的改進方法

（1）降低回收罐熱流失。在回收罐兩側(cè)及尾部罐壁設(shè)置與回收罐等高的夾壁層，利用回收罐的循環(huán)系統(tǒng)往夾壁內(nèi)注入工作液。這樣做的益處有3個：①減少回收罐整體的熱流失，提高蒸發(fā)效率；②起到隔熱層的作用，預(yù)防工作人員不小心觸碰外壁導(dǎo)致燙燒傷；③保護兩側(cè)及尾部罐壁不因長時間高溫烘烤導(dǎo)致罐體變形或破損，工作液泄漏產(chǎn)生環(huán)保風(fēng)險，另外還能延長回收罐使用壽命。

（2）提高系統(tǒng)內(nèi)配備的循環(huán)泵有效揚程，增大循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)液體壓力。原工作液一體化處置系統(tǒng)設(shè)計配備的循環(huán)泵為電驅(qū)動，功率9 kW，揚程10 m。經(jīng)現(xiàn)場測量，泵口經(jīng)活動軟管連接至回收罐注水口長度約15 m，再加上回收罐內(nèi)循環(huán)管道長約20 m，導(dǎo)致循環(huán)泵工作時回收罐內(nèi)循環(huán)管道內(nèi)液體壓力不足，在噴淋口不能形成較好的液滴狀噴淋。將其額定揚程提高至40 m以上，每小時流量10～100 m3。

（3）優(yōu)化噴淋口的設(shè)計，形成液滴團。原系統(tǒng)在回收罐內(nèi)的循環(huán)管道上依次設(shè)置單孔噴淋口，間距0.8 m，每個噴淋口直徑為1 cm。通過優(yōu)化設(shè)計，將其改為環(huán)形噴淋口，中間主噴淋口直徑為0.5 cm，周圍環(huán)繞分布8個輔助噴淋口，直徑為0.3 cm，間距設(shè)置不變。

（4）增加輔助活動加熱鋼板，擴大液滴與加熱源的接觸面。原設(shè)計是工作液從回收罐循環(huán)管道中直接噴淋到排酸筒口天然氣燃燒形成的火焰上方，直接與火焰接觸后吸熱蒸發(fā)，熱利用效率較低。改為在火焰上方增設(shè)火焰擋板，由一塊固定鋼板與一塊活動鋼板組成，拉開后長度約8 m，將火焰與工作液滴阻隔，火焰直接加熱擋板，增大了與加熱源的接觸面，提高了熱利用效率。

4.2 其他方面的改進方法

（1）增加防滲漏底座。主要是考慮到回收罐長期處于酸性液體和高溫高熱的工作環(huán)境，容易導(dǎo)致罐體底部和焊縫破損造成工作液泄漏、發(fā)生環(huán)保事件，在回收罐底部增加一個防滲漏的船型底座，可以有效降低泄漏風(fēng)險。

（2）優(yōu)化回收罐底部設(shè)計，方便沉積的殘渣清理。原設(shè)計回收罐底部溝槽較多，排酸筒排液過程中帶出的壓裂砂等殘渣易沉積在溝槽內(nèi)，完井后清理極為困難。將回收罐底部設(shè)計成平面，同時調(diào)整回收罐出液口高低，方便清理完井后殘渣的清理和處置。

5 改進后的情況對比

2019年，按照以上方案對工作液一體化處置系統(tǒng)進行改進，經(jīng)過現(xiàn)場5井次的試驗，新系統(tǒng)的蒸發(fā)效率平均達到了6.22 m3/h，日均可處理工作液149.3 m3（24 h不間斷作業(yè)的理想條件下），完井后平均每組回收罐內(nèi)分離產(chǎn)生壓裂砂殘渣4.3 m3，達到了設(shè)計指標(biāo)（表1）。

表1 改進后現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

另外，作業(yè)完成后殘渣的清理也較為方便，增加的防滲漏底座還能防止噴濺出的工作液污染環(huán)境。