一种超声波技术进行钻完井废液循环利用处理装置与方法

摘要

本发明提供了一种超声波技术进行钻完井废液循环利用处理装置与方法，包括壳体，其特征在于所述壳体内设有斜挡板，所述斜挡板将壳体分隔为空化气浮区和光催化氧化区，所述壳体顶部设有刮渣板、排渣槽、排渣管，所述光催化氧化区下部设有斜板过滤器、出水管。所述光催化氧化区内部设有光催化隔板、紫外灯光管。本发明的优点是，将水力空化装置和超声波空化装置集于一体，解决了气浮装置产生微小气泡不稳定的问题。该处理设备联合了水力空化、超声波、臭氧催化和光催化技术，促使臭氧快速分解产生更多的氧化自由基，提高了有机物的降解速率，同时减少了臭氧投加量，降低了废液处理运行成本，优化了处理工艺程序，对于建设生态油田具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于油气田废液处理技术领域，尤其涉及一种超声波技术进行钻完井废液循环利用处理装置与方法。

背景技术

石油天然气作为重要的能源和战略资源，对我国经济的迅速发展起到了至关重要的作用。近年来，随着石油天然气开采力度不断增大，开采过程中的环境问题也越来越引起重视。随着石油需求量的增加及钻探技术的发展，钻井数目和钻井深度不断增加，为了满足对复杂地质条件和钻完井工程的技术要求，钻完井液的种类不断增加，添加剂也日益增多，使其组成极为复杂。钻完井废液是油气田井场开采过程中产生的一类重要污染物。钻完井废液的主要来源为钻井废弃物内的液相、废弃的钻井液及井场周边的污水和雨水等。

钻完井废液具有高悬浮物、高含油量以及含有一定量有毒有机和无机污染物的特点。钻井废液中的重金属容易在环境中蓄积，对人类和生物的生命安全造成威胁。同时，高含盐量会降低植物在土壤的吸水能力，影响植物生长。因此，在钻完井作业完成后，应对钻完井废液循环利用处理。

由于钻完井废液具有成分复杂的特点，导致钻完井废液无害化处理难度大大提高。钻井液通常为胶体，当前对钻井液较为有效的处理方法为化学破胶法，即通过在废弃钻井液中加入破乳剂及絮凝剂等化学药剂，从而破坏体系稳定性，使其中的油聚并析出，使钻井液无害化，但是化学剂处理后的钻井液通常无法再被利用。其他处理手段，例如填埋法、固化法等，处理后水质液无法达到循环利用的目的，将造成大量钻完井废液的污染和浪费。因此，提出采用超声波技术来进行钻完井废液处理，利用超声波的空化作用，产生氧化自由基，氧化降解钻完井废液中的有机物。

功率超声是指超声波频率在20kHz～100kHz之间的超声波，将其作用在水中会产生一系列理化生效应。超声波作为一种特殊的能量形式，其独特效应主要包括机械作用、空化效应、热效应、化学效应等。其中在超声处理钻完井废液应用中起最主要的效应是空化作用，其基本原理是存在于液体中的微气泡在声场作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后闭合，在气泡闭合时产生冲击波，最终崩溃。空化作用形成高温达5000K，压力达50MPa，使得水蒸气发生分裂和链式反应，产生·OH，·OH同难挥发的有机物进行氧化反应，降解为水和小分子物质。

同时，采用气浮技术来处理钻完井废液中的悬浮物，气浮技术是通过向钻完井废液中鼓入空气，使钻完井废液中产生微小气泡，气泡在重力作用下会上浮，钻完井废液中的油脂及悬浮颗粒会附着在气泡表面，以此达到去除悬浮物的目的。超声波的空化作用会产生大量微小气泡，加快气浮效率。

光催化法是一种低成本、环境友好、反应条件温和并能有效去除钻完井废液中污染物的方法。其降解机理是：光催化材料在光的激发下，产生电子与空穴，然后空穴与氢氧根结合生成羟基自由基，而电子与氧气结合生成超氧自由基，这两种自由基都有很强的氧化性，可以将吸附在光催化材料表面的有机污染物氧化成二氧化碳，水等无机小分子，从而达到净化废水的目的。

然而，现有超声波气浮装置还存在产生的气泡速率过慢、气泡较大、破乳与分离效果不显著的问题；而钻完井废液无害化处理具有工艺复杂，设备占地面积广、能耗大、维修频率高等缺点。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种超声波技术进行钻完井废液循环利用处理装置与方法。该处理设备结构简单、使用操作方便、无污染、能量利用率高、化学需氧量(COD)和油脂去除效果显著。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超声波技术进行钻完井废液循环利用处理装置与方法，包括壳体，其特征在于所述壳体内设有斜挡板，所述斜挡板将壳体分隔为空化气浮区和光催化氧化区，所述空化气浮区和光催化氧化区通过上部连通，所述空化气浮区下部设有污泥区、排泥管，所述空化气浮区侧部与进水管连接，所述进水管设有臭氧进气口、水力空化装置，所述空化气浮区内部设有超声波换能器，所述壳体顶部设有刮渣板、排渣槽、排渣管，所述光催化氧化区下部设有斜板过滤器、出水管。所述光催化氧化区内部设有光催化隔板、紫外灯光管。

优选地，所述壳体为圆柱形，材质为碳钢，立式安装，具有较强的可移动性、占地面积较小。

优选地，所述水力空化装置为文丘里管，所述文丘里管的入口段和出口段长度为20cm；所述收缩段长度为20mm；所述喉部长度为1mm、直径为1mm；扩散段长度为70mm；收缩角α为15°；扩散角θ为7°。

优选地，所述斜挡板倾斜角度为60～80°，可使钻完井废液形成旋流，促进微小气泡与油脂聚合。

优选地，所述超声波换能器通过超声波接线端与壳体外的超声波发生器相连。

优选地，所述超声波换能器采用环形布置和轴向平行固定，并沿着圆周均匀布置8个超声波换能器。

优选地，所述超声波换能器超声频率为20～60kHz，超声功率为150～300W。

优选地，所述刮渣板由刮渣电机驱动旋转，所述排渣槽用于收集刮渣板旋转来的浮渣并通过排渣管向外排出，所述刮渣板的材质为碳钢，刮渣速度0.02m/s，刮渣电机功率为0.75～2.5kw。

优选地，所述光催化氧化区包括至少一个轴向平行固定于壳体的光催化隔板，所述光催化隔板包括基板，以及设置于基板两侧表面的光催化层，相邻光催化隔板之间形成流通道，相邻光催化隔板之间设置有紫外光灯管，所述紫外灯管的功率为150W～200W，钻完井废液经过臭氧和光催化氧化剂TiO

优选地，如上一项所述的一种超声波技术进行钻完井废液循环利用处理装置与方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)钻完井废液从进水管进入水力空化装置，同时向臭氧进气口鼓入臭氧，臭氧与钻完井废液在进水管内混合后，进入空化气浮区。

步骤2)待钻完井废液充满空化气浮区后，打开超声波供电电源，利用超声波发生器产生大功率的脉冲电信号，经超声波接线端传输到超声波换能器，该换能器可实现电声信号的转换，产生的大功率超声波作用于钻完井废液产生空化作用，空化作用产生的微小气泡与鼓入的臭氧气泡与附着在气泡表面的悬浮颗粒及油脂在重力作用下上浮，同时钻完井废液中的污泥在重力作用下沉降。

步骤3)悬浮颗粒及油脂被微小气泡托浮于水面后，打开刮渣电机，刮渣板在刮渣电机驱动下旋转，将水面上的悬浮颗粒及油脂刮入排渣槽中储存起来，待排渣槽被填满后再通过排渣管将污染物排出。

步骤4)随后，钻完井废液进入光催化氧化区，打开紫外光灯管，钻完井废液在重力作用下依次流经各个溢流槽，有机污染物吸附在光催化隔板上，在光催化氧化作用下，钻完井废液中的有机污染物被氧化为水和二氧化碳。

步骤5)经光催化氧化后的钻完井废液仍然含有少量岩屑，再通过斜板过滤器有效截留岩屑，此时处理后的钻完井废液达到循环利用的要求，通过出水管外排。

本发明的工作原理为：利用水力空化装置和超声波装置产生微小气泡，微小气泡将悬浮颗粒和油脂吸附在表面形成浮渣，并通过刮渣板去除。同时斜挡板使钻完井废液产生旋流，在重力作用下将沉淀污泥，促进微小气泡上浮。同时向钻完井废液中通入臭氧与超声波和光催化剂耦合作用去除钻完井废液中的污染有机物，降低钻完井废液中的COD值。

本发明主要有以下几点优势：(1)科学高效。利用水力空化装置和超声装置同时产生的微气泡数量多、直径小，气浮效率高，可控性强。同时超声波产生的空化作用可以提高臭氧氧化钻完井废液中有机物的效率，并结合光催化氧化作用大大降低了钻完井废液中的COD值。(2)经济环保。在该处理设备中通入的臭氧不仅可以产生微小气泡用于气浮处理，还可以耦合超声波及紫外光氧化钻完井废液中的污染物，提高臭氧利用率，减少臭氧成本。(3)工艺简单、占地面积小。气浮技术和高级氧化技术作为污水处理中的一种成熟技术，其工艺和技术都可以应用到钻完井废液处理中。其次，可以根据不同技术的原理，将三种技术耦合使用，设计的一体化处理设备高效低能地处理钻完井废液，且该处理设备工艺简单、所占面积较小。

附图说明：

图1超声波技术进行钻完井废液循环利用的设备示意图

图2水力空化装置示意图

其中，1、臭氧进气口，2、进水管，3、水力空化装置，4、污泥区，5、排泥管，6、空化气浮区，7、超声波接线端，8、超声波换能器，9、壳体，10、刮渣板，11、刮渣电机，12、排渣槽，13、排渣管，14、光催化氧化区，15、紫外灯光管，16、光催化隔板，17、斜挡板，18、出水管，19、斜板过滤器，20、入口段，21、收缩段，22、喉道，23、扩散段，24、出口段。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

一种超声波技术进行钻完井废液循环利用处理装置与方法，如图1所示，该处理设备包括壳体9，在壳体9内设有斜挡板17，所述斜挡板17将壳体9分隔为空化气浮区6和光催化氧化区14，具体地说，空化气浮区6和光催化氧化区14上部连通，所述空化气浮区6下部设有污泥区4、排泥管5，所述空化气浮区6侧部与进水管2连接，所述进水管2包括臭氧进气口1、水力空化装置3，所述空化气浮区6内部设有超声波换能器8，所述壳体9顶部设有刮渣板10、排渣槽12，所述光催化氧化区14下部设有斜板过滤器19、出水管18，所述光催化氧化区14内部设有光催化隔板16、紫外光灯管15。

所述壳体9采用圆柱型，材质碳钢，立式安装，具有较强的可移动性、占地面积较小。

所述的进水管2为切向分布管，钻完井废液从进水管2进入空化气浮区6，在进水管2内部设有水力空化装置3，其中水力空化装置3为文丘里管，所述水力空化装置3包括入口段20、收缩段21、喉道22、扩散段23、出口段24，所述入口段20和出口段24长度为20cm、直径为4mm的管道，是为了钻完井废液在文丘里管的进出口处稳定流动，所述收缩段21长度为20mm，喉部24长度为1mm、直径为1mm，扩散段23长度为70mm，收缩角α为15°，扩散角θ为7°。所述进水管2上部设有臭氧进气口1，用于向壳体内鼓入臭氧，其中臭氧浓度为10～40mg/L。

所述污泥区4，在重力分离下沉淀污泥。所述排泥管5用于排出污泥。

所述斜挡板17设计为上端垂直设计，下端倾斜设计且倾斜面于水平面成60～80°，主要是可以使钻完井废液形成旋流，促进微小气泡与油脂聚合。

所述超声波换能器8通过超声波接线端7与壳体外的超声波发生器相连，其中空化气浮区6上部设置有2组超声波换能器8，采用环形布置和轴向平行固定，每组沿着空化气浮区6内测圆周均匀布置12个超声波换能器，所述超声波换能器8超声频率为20～60kHz，超声功率为150～300W。所述空化气浮区6可利用超声波换能器产生超声空化作用，与水力空化装置产生的空化作用相结合，产生超微气泡将钻完井废液中的油脂、悬浮颗粒等浮渣运送到刮渣板10处。

所述刮渣板10由刮渣电机11驱动旋转，排渣槽12用于收集刮渣板4旋转来的浮渣并通过排渣管13向外排出，所述刮渣板10材质碳钢，刮渣速度0.02m/s，刮渣电机11功率0.75～2.5kw。钻完井废液流经壳体9顶部的刮渣区处理后流向光催化氧化区14。

所述光催化氧化区14包括至少一个轴向平行固定于壳体9的光催化隔板16，光催化隔板16包括基板，以及设置于基板两侧表面的光催化层，相邻光催化隔板16之间形成流通道，相邻光催化隔板16之间设置有紫外光灯管15，所述紫外灯管的功率为150W～200W，钻完井废液经过臭氧和光催化氧化剂TiO2的共同处理后，将吸附在光催化隔板16表面的有机污染物氧化成二氧化碳、水等无机小分子，而处理后的钻完井废液仍然含有少量岩屑，再经过斜板过滤器19后进一步去除悬浮固体，最终处理后的钻完井废液通过出水管18排出。

所述的一种超声波技术进行钻完井废液循环利用处理装置与方法，包括以下步骤：

步骤1)钻完井废液从进水管2进入水力空化装置3，同时向臭氧进气口1鼓入臭氧，臭氧与钻完井废液在进水管2内混合后，进入空化气浮区6。

步骤2)待钻完井废液充满空化气浮区后6，打开超声波供电电源，利用超声波发生器产生大功率的脉冲电信号，经超声波接线端7传输到超声波换能器8，该换能器可实现电声信号的转换，产生的大功率超声波作用于钻完井废液产生空化作用，空化作用产生的微小气泡与鼓入的臭氧气泡与附着在气泡表面的悬浮颗粒及油脂在重力作用下上浮，同时钻完井废液中的污泥在重力作用下沉降。

步骤3)悬浮颗粒及油脂被微小气泡托浮于水面后，打开刮渣电机11，刮渣板10在刮渣电机11驱动下旋转，将水面上的悬浮颗粒及油脂刮入排渣槽12中储存起来，待排渣槽12被填满后再通过排渣管13将污染物排出。

步骤4)随后，钻完井废液进入光催化氧化区14，打开紫外光灯管15，钻完井废液在重力作用下依次流经各个溢流槽，有机污染物吸附在光催化隔板16上，在光催化氧化作用下，钻完井废液中的有机污染物被氧化为水和二氧化碳。

步骤5)经光催化氧化后的钻完井废液仍然含有少量岩屑，再通过斜板过滤器19有效截留岩屑，此时处理后的钻完井废液达到循环利用的要求，通过出水管18外排。

以上是本发明的一个具体实施方式，本发明具体实施方式不能仅限于此，对于本领域内的技术人员来说，在未脱离本发明思路的前提下，还可做出其他类似的改变，而这都应视为本发明技术方案的保护范围。