压裂返排液回用处理新技术试验研究

2015-01-03伦伟杰郭慧军杨健金艳赵董艳

油气田地面工程 2015年12期

关键词：水基悬浮物压裂液

伦伟杰　郭慧军　杨健　金艳　赵董艳

1中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司　2上海乐泽环境工程有限公司3中国石油华北油田采油工程研究院

压裂返排液回用处理新技术试验研究

伦伟杰1郭慧军1杨健1金艳2赵董艳3

1中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司2上海乐泽环境工程有限公司3中国石油华北油田采油工程研究院

常规水基压裂返排液分为水基冻胶(瓜胶)压裂液和滑溜水/清洁压裂液。压裂返排液具有高分子聚合物含量高、油含量高、悬浮物含量高且成分复杂等特点，属于处理难度很大的废水。采用IDAF高效气浮-SUPOX-CMBR新技术工艺处理压裂返排液，在最佳运行条件下可使出水的油含量小于3mg/L，SS含量小于2mg/L。处理后的出水回用作复配压裂液，不仅解决了环境污染问题，同时又节约了宝贵的水资源。

压裂返排液；IDAF气浮；回用；含油量；悬浮物；配胶

压裂技术是20世纪40年代发展起来的一项改造油层渗流特性的工艺技术，是油气井增产、注水井增注的一项重要措施[1]。压裂返排液主要由洗井废水和残余压裂液组成，据统计，一般每口压裂井每天产生废水100～200m3[2]。常规压裂作业采用的压裂液体系以水基压裂液为主。常规水基压裂返排液分为水基冻胶(瓜胶)压裂液和滑溜水/清洁压裂液。目前水基冻胶(瓜胶)压裂液是最主要的压裂液体系，是以高分子高聚合物为特征的水基体系；滑溜水/清洁压裂液适用于低渗透油气田，是水基冻胶(瓜胶)压裂液体系的补充。

油田压裂废液中添加剂种类繁多，处理难度大，含有瓜胶、甲醛、石油类及其他各种添加剂[3]。废液具有以下特点[4]：①成分复杂、种类多、含量高，该类污水的主要成分是高浓度胍胶/冻胶（包含破胶的和未破胶的）、高分子聚合物和地缝隙中的油类等，以及硫酸盐还原菌（SRB）、硫化物和总铁等，总铁和总硫含量一般在20mg/L左右；②黏度大、乳化程度高，平均黏度为10～20mPa·s。如果将压裂返排液直接外排，将会对周围环境尤其是农作物及地表水系造成污染[5]。

压裂液处理目的主要是达标排放和回用。回用方向包括用作复配压裂液和处理后回注。将压裂液处理后回用作复配压裂液，不但有效解决了环境污染问题，而且解决了复配压裂液水源问题，特别在一些水资源缺乏的开采区域具有非常重要的经济和社会意义。

1　中试试验工艺

针对压裂返排液的水质特点，结合先期工艺试验，本次中试试验采用IDAF高效气浮-SUPOXCMBR联合处理工艺，具体流程如图1所示。

图1　压裂返排液回用处理工艺流程

1.1IDAF高效气浮原理

IDAF气浮采用涡流高效混合技术，由高效混合器完成高压空气溶解、药剂分子拉伸提效、混凝絮凝搅拌（污染物捕集）、絮体形成、气泡晶核生成和超轻中空化絮体形成的所有步骤。

传统气浮在运行过程中微气泡直径范围在30～60μm之间，很难保持，随着压力的降低，气泡迅速膨胀，难以附着在污染物颗粒上，因此易发生脱附现象。而IDAF气浮则保证溶解状态下的气体注满整个絮体，无数的微型气泡在絮体内部和周边生成晶核并生长，其微型气泡的直径范围一般为10μm左右，一旦压力降低，气泡会在絮体内部迅速膨胀，并有效附着在絮体周边。

高效混合器的涡流能量调节功能可保证IDAF气浮适应不同进水工况，在污水性质、温度和流量发生突变时能迅速适应并及时调整工况，保证出水水质稳定，可大大减少对后续处理工艺的冲击。

1.2SUPOX系统

SUPOX系统的核心技术是多效电催化氧化，即电氧化技术能耦合过渡族金属元素组成的复合催化剂，为了降低能耗同时提高反应效率，反应器中设计加入氧化剂（氧化剂为氧气），实际运行中通入空气即可。

SUPOX系统的工作原理就是电化学氧化的原理。电化学氧化法是20世纪80年代发展起来的高级氧化技术，以石墨为阴极，钛涂钌电极为阳极，在不同条件下，阳极上发生直接或间接反应。

过渡族金属元素在多效电催化条件下以离子状态存在，电氧化的还原反应产生H2O2，H2O2与离子状态的过渡族金属元素发生化学反应生成·OH，整个过程中发生的化学反应为：

从上述反应中不难看出，整个SUPOX系统中生成了H2O2、·OH等强氧化剂，其中·OH是除了F2之外氧化性最强的氧化剂。这些强氧化剂将废水中的稠化物质或者其他高分子物质，直接或间接地分解成小分子有机物或直接矿化成CO2与H2O，从而使废水的黏稠度降低，CODCr含量和油含量得到降低。

1.3CMBR系统

CMBR系统是一种新型的接触式膜生物反应器，是传统MBR膜生物反应器的革新和突破。传统MBR膜生物反应器要求进水油含量小于5mg/L，建议最好控制在3mg/L以下，因为分离膜都是采用有机材质制成，油会对有机膜造成不可逆的污染，导致膜通量下降，最终使整个MBR系统瘫痪。而CMBR系统反应器中培养了高效的活性生物膜，有效阻隔了油脂和高分子有机物等与分离膜的直接接触，解决了传统MBR反应器运行过程中膜易受油脂和高分子有机物污染的问题，可确保其有效、稳定地处理含油污水。

CMBR系统的主要作用是通过活性生物膜分解采油废水中的分散油，确保出水水质中油含量小于3mg/L。由于活性生物膜生长在超滤膜表面，系统输水是超滤膜过滤出水，其悬浮物浓度几乎为零，可保证出水悬浮物小于2mg/L，同时正常出水中不可能存在颗粒粒径大于1μm的悬浮物，因为超滤膜的膜孔小于0.1μm，所以经本系统处理后的出水水质可达到油田回用再配液水质标准要求。

2　试验材料与方法

2.1试验水质

试验水样为西北某油田采油厂压井作业排出的瓜尔胶压裂返排液，进水水质和设计出水水质如表1所示。

表1　进水以及设计出水水质

2.2试验药剂

聚丙烯酰胺（PAM）、H2O2、FeSO4·7H2O、H2SO4以及NaOH，均为市售成品，其中聚丙烯酰胺配成0.1%的水溶液使用。

2.3试验方法

IDAF气浮系统的规模为25t/d，运行过程中停留时间为6min。

SUPOX试验装置规模为2.5t/d，以Ti-Fe合剂为催化剂，浸没式紫外灯为激发光源，功率为16W。试验研究不同曝气量以及不同废水停留时间对废水处理效果的影响，本试验选择曝气量为3m3/h，废水停留时间为1h。

CMBR试验装置规模为2.5t/d，膜组件采用平板超滤膜，运行方式为抽吸8min、停止2min，CMBR出水可回用为再配胶。

2.4分析与检测方法

试验过程中油含量、SS等的分析检测方法如表2所示。

表2　分析与检测方法

3　结果与讨论

3.1油含量去除效率

IDAF气浮、SUPOX以及CMBR出水中油含量的去除率分别如图2、图3、图4所示。由图中的含油量曲线可以看出，经过调试后，虽然压裂返排液中的油含量波动较大，IDAF进水的油含量在30～130mg/L之间浮动，但是IDAF高效气浮对压裂返排液中的油含量有很好的去除效果，出水油含量都低于20mg/L，平均去除率在83%以上；SUPOX设备可进一步去除油含量，出水油含量稳定在8mg/L以下。SUPOX出水继续进入CMBR设备进行深度处理，使得出水油含量进一步去除至2mg/L以下，平均去除率为78%，满足作为再配胶时的用水要求。

图2　IDAF气浮进出水油含量

图3　SUPOX进出水油含量

图4　CMBR进出水油含量

3.2悬浮物去除率

IDAF气浮、SUPOX以及CMBR出水中悬浮物的去除率分别见图5、图6、图7。由图中曲线可以看出，经过调试后，由于压裂返排液中含有大量的高分子瓜尔胶，液体为黏稠状，对悬浮物的测定有较大的影响，因此IDAF气浮对压裂返排液中的悬浮物去除率维持在13%～78%之间；但是SUPOX设备对压裂返排液中的SS有非常好的去除效果，当IDAF气浮出水作为SUPOX的进水进入系统后，经过处理后出水SS含量稳定在15mg/L以下，平均去除率能达到97%。当SUPOX出水继续进入CMBR系统时，经过CMBR设备的深度处理，出水悬浮物含量≤2mg/L，平均去除率为86%；出水浊度≤1 NTU，满足作为再配胶时的用水要求。

图5　IDAF气浮进出水悬浮物含量

图6　SUPOX进出水悬浮物含量

图7　CMBR进出水悬浮物含量

3.3工艺系统出水再配胶实验

经过IDAF气浮→SUPOX→CMBR组合处理工艺，最终处理出水水质达到油含量＜3mg/L，SS含量≤2mg/L，浊度≤1NTU。将处理后的废水作为配胶时所需的用水，进行配胶实验，并最终检测分析配胶后的黏度变化，确认是否满足使用要求。

配胶时采用的配方如下：基液为0.25%胍胶粉+0.05%引发剂；交联剂为1%硼砂+0.8%过硫酸铵。

压裂液黏度要求为：配胶时基液和交联剂按100∶5配比得胍胶胨，黏度大于120mPa·s。

取自来水200mL，加2.5g胍胶粉，搅拌溶解后加0.5mL引发剂搅拌均匀，再加800mL的MBR产水（SS含量＜2mg/L，油含量＜3mg/L）。用剪切乳化搅拌器搅拌10min，搅拌好后取500mL按100∶5体积比加入交联剂配胶，测得黏度为162mPa·s。另500mL放置4h，再按100∶5体积比加交联剂配胶，测得黏度为96mPa·s；按100∶6体积比加交联剂配胶，测得黏度为156mPa·s，皆满足要求。