油田壓裂作業(yè)污水預(yù)處理室內(nèi)試驗(yàn)研究

魏立新，樂昕朋，王志華，李婉青

（東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318） ＊

油田壓裂作業(yè)污水預(yù)處理室內(nèi)試驗(yàn)研究

魏立新，樂昕朋，王志華，李婉青

（東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318）＊

針對(duì)壓裂返排液中化學(xué)藥劑成分較多，具有高黏度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，開展了室內(nèi)試驗(yàn)，通過分析返排液特性研究高效預(yù)處理方法。結(jié)果表明：在30℃左右的常溫，并停留作用時(shí)間24h時(shí)，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的低溫型破膠劑，破膠液黏度可保證在1.5mPa·s以內(nèi)，破膠后殘?jiān)浚?.15%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)，制定出壓裂返排液預(yù)處理工藝流程，對(duì)實(shí)際處理具有一定的指導(dǎo)意義。

壓裂返排液；破膠；預(yù)處理；試驗(yàn)研究

近年來，低滲透油田普遍出現(xiàn)原油產(chǎn)量下降，綜合含水上升等問題［1］。因此，油、氣井增產(chǎn)和注水井增注對(duì)油田開發(fā)有著積極作用。壓裂和酸化是目前增產(chǎn)和增注比較常用的有效措施［2－4］。其中，壓裂過程是利用高壓液體（壓裂液）在井底生產(chǎn)層造成裂縫或擴(kuò)展原始裂紋，再用支撐劑填充，以形成高滲透率區(qū)域［5］。然而，作業(yè)排出的殘余壓裂液中，含有胍膠、甲醛、石油類及其他各種添加劑，具有高COD值、高穩(wěn)定性、高黏度等特點(diǎn)［6］，此類污水若不經(jīng)過處理而直接外排，將會(huì)對(duì)周圍環(huán)境，尤其是農(nóng)作物及地表水系造成嚴(yán)重污染［7］；若直接進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，則將對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，使水質(zhì)無法達(dá)標(biāo)回注，甚至?xí)斐上到y(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重影響生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，油田壓裂作業(yè)污水的預(yù)處理對(duì)于實(shí)現(xiàn)污水處理回注、減輕環(huán)保和管理壓力等問題至關(guān)重要。大慶某外圍油田平均日產(chǎn)壓裂作業(yè)污水45m3，最高達(dá)到300m3／d。本文以該油田產(chǎn)生的作業(yè)污水作為研究對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，分析其水質(zhì)特性，確定處理方法，使該類污水的預(yù)處理達(dá)到滿意的效果。

1 壓裂返排液性質(zhì)分析

1.1 黏度性質(zhì)

將所取樣品編號(hào)，并分別測(cè)量其在30℃與50℃時(shí)的黏度，結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度下壓裂返排液的黏度

由表1可以看出：該類作業(yè)污水在30℃時(shí)的黏度值較高，平均值達(dá)到6.65mPa·s；其中，S－3號(hào)樣品黏度接近15mPa·s。但當(dāng)溫度從30℃升高到50℃時(shí)，樣品黏度均有不同程度的降低。

1.2 流變特性

測(cè)試5種樣品在35℃下的流變性，并繪制其流變特性曲線，如圖1所示。

圖1 壓裂返排液的剪切流變特性曲線（35℃）

由圖1可知：隨著剪切速率增大，污水體系黏度降幅不大，進(jìn)一步說明該類作業(yè)污水具有較為穩(wěn)定的膠體形態(tài)，抗剪切性能好。因此，預(yù)處理的關(guān)鍵是破膠、降低黏度。

2 破膠試驗(yàn)

針對(duì)該類作業(yè)污水黏度大、抗剪切性能好的特征，選擇典型井S－3樣品開展破膠試驗(yàn)。一方面選擇適合的破膠劑類型；另一方面選擇最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)研究其適用的溫度、作用時(shí)間等工藝條件，為預(yù)處理工藝的制定提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2.1 高溫破膠劑

控制破膠過程中該類作業(yè)污水的溫度約在75℃，配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高溫破膠劑與樣品充分破膠，繪制其作用時(shí)間與黏度的關(guān)系曲線，對(duì)比破膠效果，如圖2所示。

圖2 壓裂返排液高溫破膠效果對(duì)比

由圖2可見：對(duì)于高溫破膠劑，在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞0.1%后，破膠液黏度可保證在1.5mPa·s以內(nèi)，處理效果較好。同時(shí)經(jīng)分析，破膠后殘?jiān)浚?.15%，且趨于穩(wěn)定，能夠達(dá)到比較理想的處理效果。

2.2 低溫破膠劑

控制破膠過程中該類作業(yè)污水的溫度約在30℃，配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低溫破膠劑與樣品反應(yīng)，繪制其作用時(shí)間與黏度的關(guān)系曲線，對(duì)比破膠效果，如圖3所示。

如上結(jié)果表明：在此條件下，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，相同作用時(shí)間內(nèi)的破膠液黏度降低，但當(dāng)用量增加到0.1%以上后，破膠液黏度便不在顯著下降。

在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的破膠劑作用下，破膠液殘?jiān)孔兓鐖D4所示。

由圖4可知：當(dāng)破膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞0.1%時(shí)，破膠后的殘?jiān)糠炊兴龆?。因此，該低溫型破膠劑0.1%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以取得與高溫型破膠劑相當(dāng)?shù)钠颇z效果。

圖3 壓裂返排液低溫破膠效果對(duì)比

圖4 不同破膠后的殘?jiān)孔兓?/p>

但考慮到經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等因素，認(rèn)為對(duì)于該類作業(yè)污水破膠降黏的處理應(yīng)優(yōu)選低溫型破膠劑及0.1%的用量，且在保證停留作用時(shí)間24h、約30℃的常溫條件下，即可達(dá)到理想的處理效果。

3 壓裂返排液預(yù)處理工藝

大慶某外圍油田1a將產(chǎn)生8 000m3的壓裂返排液，平均每天產(chǎn)生45m3（按180d計(jì)算），其中最大日產(chǎn)生量為300m3。該油田目前并沒有壓裂返排液的預(yù)處理工藝，因而污水無法進(jìn)入污水處理系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，只能直接外排，對(duì)周圍環(huán)境造成了極大的污染。由此，綜合以上試驗(yàn)研究結(jié)果，并結(jié)合該油田實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)處理工藝研究。

3.1 預(yù)處理工藝及設(shè)計(jì)

3.1.1 預(yù)加熱

由于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)產(chǎn)生的壓裂返排液需通過罐車拖拉至擬建污水預(yù)處理站，因此需設(shè)置集水池，容積為300m3，以滿足壓裂返排液日最大產(chǎn)生量時(shí)，能及時(shí)將來液卸入集水池。集水池邊是為運(yùn)送作業(yè)污水車輛專門設(shè)置的停車平臺(tái)，方便車輛將作業(yè)污水卸入池內(nèi)。集水池內(nèi)設(shè)置電加熱器，以便對(duì)壓裂返排液進(jìn)行預(yù)加熱，同時(shí)可防止在冬季未及時(shí)處理的污水因低溫而凝固，造成無法處理的情況。

3.1.2 破膠降黏

集水池中的壓裂返排液需通過離心泵輸送至破膠處理罐進(jìn)行破膠處理。離心泵選型參數(shù)為：排量Q＝25m3／h，揚(yáng)程H＝20m；以保證在日最大污水產(chǎn)生量的情況下，能在12h內(nèi)完成污水的處理（12 h×25m3／h＝300m3）。處理罐的容積為500m3。處理罐底部設(shè)置加熱盤管，以控制罐內(nèi)壓裂返排液的溫度在35℃左右，從而保證低溫破膠效果。處理罐上部設(shè)置攪拌器，可以保證壓裂返排液與破膠劑充分接觸、作用而達(dá)到良好的破膠效果。泵出口與破膠處理罐入口之間設(shè)置加藥裝置，用于加入優(yōu)選出的低溫破膠劑。

3.1.3 混凝沉降

當(dāng)壓裂返排液在處理罐內(nèi)經(jīng)過破膠處理后，通過泵輸送至混凝沉降罐?；炷两倒奕莘e為500 m3，以保證破膠處理后的壓裂返排液及時(shí)沉降。離心泵選型參數(shù)為：排量Q＝25m3／h，揚(yáng)程H＝20 m。泵與混凝沉降罐之間設(shè)置備用加藥設(shè)施，根據(jù)來液的實(shí)際水質(zhì)情況而加入絮凝劑，使破膠之后的殘?jiān)皯腋∥锏刃跄⒛鄢纱箢w粒，從而沉降至罐底，并定期清理罐底淤積物。

3.1.4 暫時(shí)儲(chǔ)存

由于壓裂返排液的產(chǎn)生時(shí)間及產(chǎn)生量的不確定性，且后續(xù)污水處理站不能保證時(shí)刻都可接收額外污水進(jìn)行處理。因此，設(shè)置緩沖罐以暫時(shí)儲(chǔ)存沒有及時(shí)輸送至后續(xù)污水處理站的污水，緩沖罐容積為1 000m3，滿足污水連續(xù)3d最大產(chǎn)生量且不外輸?shù)那闆r。經(jīng)混凝沉降后的污水通過泵送入緩沖罐，離心泵選型參數(shù)與前述一致。

3.2 預(yù)處理工藝流程（如圖5）

圖5 壓裂返排液預(yù)處理工藝流程

4 結(jié)論

1） 油田作業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的壓裂返排液，此類污水中含有大量的添加劑，對(duì)環(huán)境及生產(chǎn)都有很大危害，需要通過預(yù)處理之后，才能進(jìn)入后續(xù)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2） 對(duì)于壓裂返排液，破膠降黏是預(yù)處理工藝技術(shù)的關(guān)鍵，通過對(duì)比，試驗(yàn)優(yōu)選了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的低溫型破膠劑，停留作用時(shí)間24h，在約30℃常溫下，破膠液黏度即可保證在1.5mPa·s以內(nèi)，破膠后殘?jiān)浚?.15%。

3） 根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，制定出針對(duì)大慶某外圍油田壓裂作業(yè)污水的預(yù)處理工藝流程，該套工藝可實(shí)施性強(qiáng)，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

［1］ 黨建新，鄭 李，劉劍波，等.油田作業(yè)廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展［J］.油氣田環(huán)境保護(hù)，2010，20：66－69.

［2］ 朱 君，翁惠芳，李東陽，等.基于流固耦合技術(shù)的壓裂液管流特性研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（3）：1－5.

［3］ 朱正喜，李永革.水平井裸眼完井分段壓裂技術(shù)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（11）：44－47.

［4］ 李文彬，劉彥龍，葉 賽，等.連續(xù)油管沖砂作業(yè)參數(shù)優(yōu)化［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（11）：58－61.

［5］ 王樹龍，鄒旭東，王榮業(yè)，等.壓裂酸化現(xiàn)場(chǎng)配液技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（4）：67－69.

［6］ 馬 云，何順安，侯亞龍.油田廢壓裂液的危害及其處理技術(shù)研究進(jìn)展［J］.石油化工應(yīng)用，2009，28（8）：1－3.

［7］ 趙 雷，馮明華.陶瓷濾料過濾油田污水技術(shù)試驗(yàn)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（7）：66－69.

Lab Experimental Study on Pre－treatment of Fracturing Wastewater in Oilfield

WEI Li－xin，LE Xin－peng，WANG Zhi－h(huán)ua，LI Wan－qing
（Key Laboratory of Enhanced Oil and Gas Recovery under Ministry of Education，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

According to the characteristic of fracturing liquid which have lots of chemicals，high viscosity and high stability，the features of fracturing liquid through the laboratory experiment was analyzed，and the efficient method of pre－treatment was studied.The results showed that under the room temperature about 30℃and the action time for 24h，the effect of gel breaking was good when using the low temperature gel breaker with the concentration being 0.1%.The viscosity of the flown fluid could be under 1.5mPa·s and the residue content was lower than 0.15%.In addition，according to the experiment and combine with the field，the pre－treatment technological process of the fracturing wastewater and having guiding significance for the actual treatment were worked out.

fracturing wastewater；gel breaking；pre－treatment；experimental study

1001－3482（2012）07－0059－04

TE934.2

A

2009－02－18

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“低滲透油田單管環(huán)狀集油工藝節(jié)能輸送關(guān)鍵技術(shù)研究”資助項(xiàng)目（12511016）

魏立新（1973－），男，河北定州人，教授，博士，主要從事油田地面工程優(yōu)化與節(jié)能降耗技術(shù)研究，E－mail：wlxfyx＠sina.com。