大規(guī)模壓裂采出液脫出水處理技術(shù)研究

夏福軍， 王慶吉

（大慶油田建設(shè)設(shè)計(jì)研究院， 黑龍江 大慶 163712）

隨著大規(guī)模壓裂成為外圍油田難采儲(chǔ)量開(kāi)采的重要技術(shù)措施， 伴隨而來(lái)的是大規(guī)模壓裂作業(yè)后，壓裂液只能返排30%左右， 油井投產(chǎn)后， 70%左右的壓裂液隨采出液進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)［1］， 給采出液的油水處理帶來(lái)困難， 形成大量含壓裂液的采出液脫出水（簡(jiǎn)稱(chēng)壓裂采出水）， 壓裂采出水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)后， 嚴(yán)重影響系統(tǒng)正常運(yùn)行， 導(dǎo)致污水中懸浮固體含量超標(biāo)［2］。 為此， 針對(duì)壓裂采出水的水質(zhì)特點(diǎn)，本研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定了合適的處理藥劑及其投加量， 并運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其實(shí)際處理效果。

1 大規(guī)模壓裂采出液脫出水水質(zhì)特點(diǎn)

某壓裂井壓裂作業(yè)完成15 d 后斷塞， 與同區(qū)塊非壓裂井進(jìn)行采出液脫出水的基本特性對(duì)比， 取樣間隔時(shí)間為24 h， 多次取樣的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1 可知， 壓裂采出水的懸浮固體含量明顯升高， 粘度增大， 其他指標(biāo)未見(jiàn)明顯規(guī)律， 并且經(jīng)室內(nèi)沉降試驗(yàn)得知， 6 h 沉降后壓裂采出水相較于常規(guī)水驅(qū)采出水油的質(zhì)量濃度高51.9%， 懸浮固體的質(zhì)量濃度高21.6%， 說(shuō)明含壓裂采出水分離難度高于普通水驅(qū)采出水。

2 室內(nèi)藥劑試驗(yàn)

油田采出水的常規(guī)處理工藝一般為兩段沉降－顆粒濾料過(guò)濾（一級(jí)或多級(jí)）［3］， 對(duì)于壓裂采出水，常規(guī)的大罐沉降對(duì)油及懸浮固體的處理效果變差，而后續(xù)的顆粒濾料過(guò)濾對(duì)壓裂液中藥劑殘?jiān)慕亓粜Ч膊患眩?］， 另外， 藥劑殘?jiān)旧泶蟠笤黾恿瞬沙鏊械膽腋」腆w含量［5］， 為此考慮投加助濾劑來(lái)提高常規(guī)顆粒濾料過(guò)濾器的處理效果。 由于壓裂采出水中懸浮固體變得細(xì)小且其含量逐漸增加， 因此，應(yīng)在采出水化學(xué)處理的過(guò)程中盡可能避免再生成大量的懸浮固體［6］， 選擇可有效改變?yōu)V料表面潤(rùn)濕性的藥劑， 保證濾料對(duì)水中油珠的截留， 同時(shí)選擇可中和濾料表面電荷的藥劑， 降低石英砂濾料與胍膠殘?jiān)g的電荷斥力， 促使胍膠殘?jiān)粸V料截留［7］。以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采出水為介質(zhì)， 對(duì)7 種藥劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)試驗(yàn)， 得到處理含壓裂采出水效果較好的助濾劑，以在40 ℃下沉降6 h 后的現(xiàn)場(chǎng)采出水作為過(guò)濾的原水， 助濾劑加藥量為10 mg／L， 評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 壓裂井與非壓裂井采出水基本特性檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of basic characteristics of produced water from fracturing well and non fracturing well

表2 助濾劑配方評(píng)價(jià)結(jié)果Tab. 2 Evaluation results of filter aid formula

由表2 可知， Z-1 編號(hào)配方使用效果最好， 濾后水中油的質(zhì)量濃度為16 mg／L， 懸浮固體質(zhì)量濃度為12 mg／L， 配方命名為FA1060。 對(duì)助濾劑FA1060進(jìn)行加藥量?jī)?yōu)化， 試驗(yàn)條件同前， 結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3 可知， 空白樣濾后水中油的質(zhì)量濃度為15 mg／L， 懸浮固體的質(zhì)量濃度14 mg／L， 助濾劑FA1060 最佳投加量為20 mg／L， 使得濾后水中油的質(zhì)量濃度降至7 mg／L， 懸浮固體的質(zhì)量濃度降至3 mg／L， 處理效果顯著提升。

3 大規(guī)模壓裂采出液脫出水處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)選在受大規(guī)模壓裂返排液影響較大的站場(chǎng)， 大慶油田外圍采油廠某聯(lián)合站受大規(guī)模壓裂的影響較大， 該站油系統(tǒng)采用游離水脫除器與電脫水器串聯(lián)， 污水處理系統(tǒng)采用兩級(jí)沉降罐與兩級(jí)過(guò)濾器串聯(lián)， 從工藝流程方面來(lái)說(shuō)， 在油田具有代表性。 試驗(yàn)期間采出水中的壓裂液占2.98%～4.92%，來(lái)水油的質(zhì)量濃度為35 ～120 mg／L， 懸浮固體的質(zhì)量濃度為20 ～106 mg／L， 裝置最終出水需達(dá)到SY／T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)》中低滲透指標(biāo)要求［8］， 即ρ（油） ＜8 mg／L， ρ（懸浮固體）＜3 mg／L， 粒徑中值＜2 μm。

表3 不同加藥量下助濾劑FA1060 的使用效果Tab. 3 Application effect of filter aid FA1060 with different dosage

試驗(yàn)裝置處理量按5 m3／h 設(shè)計(jì)； 一次沉降停留時(shí)間為4 h， 氣浮沉降罐停留時(shí)間為2 h， 氣浮裝置氣水比為15 ∶1； 一級(jí)濾速為10 m／h， 二級(jí)濾速為6 m／h。

3.2 試驗(yàn)流程

根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果， 當(dāng)采出水摻混一定比例的壓裂液后， 對(duì)最終出水的達(dá)標(biāo)率產(chǎn)生影響， 尤其是懸浮固體含量波動(dòng)較為明顯［9］， 考慮到氣浮技術(shù)在壓裂返排液?jiǎn)为?dú)處理的應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果［10］， 因此利用沉降罐加氣浮技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)效果驗(yàn)證試驗(yàn)， 與普通沉降效果進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)流程采用“一次沉降→氣浮沉降→一次過(guò)濾→二次過(guò)濾”， 在一次過(guò)濾罐前端投加一定量的助濾劑， 采用氣水反沖洗的方式進(jìn)行濾料清洗以加強(qiáng)過(guò)濾效果， 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要工藝流程Fig. 1 Main process flow of field test

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 空白試驗(yàn)

空白不加藥的情況下出水效果見(jiàn)圖2， 其中圖2（a）中采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

由圖2 可知， 現(xiàn)場(chǎng)裝置空白試驗(yàn)的濾后水中油的質(zhì)量濃度為1.16 mg／L、 粒徑中值為1.40 μm，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求； 而濾后水中懸浮固體的平均質(zhì)量濃度為5.76 mg／L， 不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求， 因此考慮投加藥劑進(jìn)一步提高出水水質(zhì)。

圖2 空白試驗(yàn)中油、 懸浮物固體、 粒徑中值處理效果Fig. 2 Treatment effect of oil, suspended solid and median partical diameter in blank test

3.3.2 投加助濾劑試驗(yàn)

考察助濾劑對(duì)最終出水懸浮固體濃度的影響，投加位置是一次過(guò)濾前端， 藥劑投加量分別為5 ～10、 10 ～50 mg／L， 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 投加助濾劑后懸浮固體處理效果Fig. 3 Treatment effect of suspended solid after filter aid added

由圖3 可見(jiàn)， 不投加助濾劑FA1060， 濾后水懸浮固體質(zhì)量濃度超過(guò)4 mg／L， 不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求；投加助濾劑FA1060 后， 濾后水懸浮固體質(zhì)量濃度小于3 mg／L， 達(dá)到指標(biāo)要求。 當(dāng)助濾劑投加量為10 ～50 mg／L， 濾后水懸浮固體濃度較其投加量為5 ～10 mg／L 時(shí)改善并不明顯， 出水效果差別不大。因此， 沉降-氣浮-兩級(jí)過(guò)濾工藝條件下最佳助濾劑投加量為5 ～10 mg／L， 工藝各單元處理效果見(jiàn)圖4。

圖4 工藝各單元處理效果Fig. 4 Treatment effect of each process unit

4 結(jié)論

（1） 氣浮技術(shù)可一定程度上提高壓裂采出水的處理效果， 建議有大量壓裂返排液排入計(jì)劃的新建污水站采用氣浮機(jī)， 而已建污水站根據(jù)實(shí)際情況，從“減少改造工程量以達(dá)到降本增效”的角度出發(fā)，利用沉降罐加氣浮技術(shù)對(duì)已有沉降罐進(jìn)行改造。

（2） 為進(jìn)一步增強(qiáng)處理效果， 使最終出水懸浮固體達(dá)標(biāo)， 需在濾前投加一定量的助濾劑， 投加量依據(jù)來(lái)水水質(zhì)及壓裂液含量不同進(jìn)行調(diào)節(jié)， 當(dāng)來(lái)水的懸浮固體質(zhì)量濃度不超過(guò)140 mg／L 時(shí)， 助濾劑的最佳投加量不應(yīng)超過(guò)10 mg／L。