涪陵页岩气钻井污水重复利用研究①

常启新

中国石化江汉油田分公司石油工程技术研究院



涪陵页岩气钻井污水重复利用研究①

常启新

中国石化江汉油田分公司石油工程技术研究院

涪陵页岩气田属于开发初期，开发井数多，皆为长水平井，其产生的大量钻井污水急需处理，而重复利用于压裂现场是最经济最环保的手段。室内通过分析涪陵页岩气田钻井污水性质、研究目前钻井污水重复利用存在的难题，针对性地研究了处理药剂、处理工艺、处理装备和重复利用方案。从钻井污水处理效果和现场重复利用情况看出，优选的水处理药剂满足现场污水处理要求，处理工艺及处理装备简便易行。处理后水质达到重复利用技术指标，与压裂液配伍性良好，能满足涪陵山区复杂地形重复利用工艺要求。

涪陵页岩气田钻井污水重复利用工艺及装备

为实现环境与资源协调发展，钻井污水重复利用逐渐成为各油田发展方向[1]。钻井污水主要由钻井液废水、冲洗废水(振动筛冲洗水、钻井泵冲洗水、钻台钻具机械设备清洗水等)和其他机械废水组成[2]，性质较为复杂。涪陵页岩气钻井污水量大，单井产生钻井污水1 000 m3，且性质复杂、色度高、矿化度高、悬浮物浓度高、细菌浓度高。目前，处理钻井污水时一般选择pH值调节、絮凝、离心等处理方法[3-5]，处理成本较高，且国家和涪陵地方污水排放政策严格，处理后排放困难，环保压力大。重复利用是一个环保且成本低的方法，但钻井污水是不能直接利用的，其配制的压裂液性能差，并存在储层伤害。由此，需根据涪陵页岩气钻井污水特性，研究一套适合于涪陵页岩气钻井污水的重复利用技术。

1　涪陵页岩气钻井污水性质

目前，涪陵页岩气田钻井在导管阶段主要采用膨润土钻井液体系，一开与二开阶段采用膨润土、KCl、聚合物钻井液体系；三开阶段采用柴油与聚合物钻井液体系。由此，主要研究了此类钻井液体系在钻井过程中产生的污水，包括水质特征、处理方法及工艺、重复利用方法。

通过对涪陵焦石坝区块多个平台钻井污水进行分析，了解焦石坝区块钻井污水特性，主要包括水型、矿化度、悬浮物浓度、细菌浓度、油含量等(见表1)。

表1　钻井污水分析结果Table1　Analysisresultsofdrillingwastewater项目A号平台未处理钻井污水B号平台未处理钻井污水C号平台未处理钻井污水D号平台未处理钻井污水ρ(K++Na+)/(mg·L-1)5141.415619.359050.043885.31ρ(Ca2+)/(mg·L-1)186.970.000.00112.18ρ(Mg2+)/(mg·L-1)22.6945.38317.67136.14ρ(Ba2++Sr2+)/(mg·L-1)0.000.000.000.00ρ(Cl-)/(mg·L-1)5835.427567.239882.572541.23ρ(SO2-4)/(mg·L-1)268.87537.740.002150.98ρ(co2-3)/(mg·L-1)141.00141.00253.80211.50ρ(HCO-3)/(mg·L-1)3656.621147.188087.593800.02总矿化度/(mg·L-1)15253.0015057.8827591.6712837.37水型NaHCO3NaHCO3NaHCO3NaHCO3pH值96.8810SRB数量/(个·mL-1)≥2.5×105≥2.5×1054.5×1024.5×102TGB数量/(个·mL-1)≥2.5×105≥2.5×1054.5×1025×102FB数量/(个·mL-1)≥2.5×1054.54.52.5ρ(氧)/(mg·L-1)1.00.81.00.6ρ(悬浮物)/(mg·L-1)6048.001800.002420.002400.00ρ(油)/(mg·L-1)236.7287.8143.7303.4COD值/(mg·L-1)3861578168475245ρ(六价铬)/(mg·L-1)0.0090.0040.0040.007

由实验结果可以看出，未处理钻井污水矿化度较高，为(1.3～3)×104mg/L，水型为NaHCO3，pH值大部分呈碱性和弱碱性，且水体呈棕褐色。钻井污水含有少量的氧，3种细菌浓度较大,ρ(悬浮物)为2 000～6 000 mg/L，油含量亦较高。因其存在一定油含量、COD、六价铬，若不经处理直接排放,将会对周围的环境尤其是农作物及地表水质造成严重污染。在后期处理时需考虑这些因素的影响，从而形成有针对性的对策。

在钻井污水重复利用过程中主要存在下列问题：①配制的减阻水压裂液性能不达标(黏度性能差、减阻性能差)；②减阻剂溶解性能差；③出现沉淀或者絮状物。这主要是由钻井污水悬浮物多、细菌浓度高引起的。

2　污水处理及工艺

2.1钻井污水常见处理方法

钻井污水一般通过pH值调节、脱稳反应、气浮、絮凝沉降、过滤等处理过程，最后实现外排或重复利用。目前，对钻井污水处理单元设备进行污水移动式处理，在撬装装置上增加混凝、自控系统、气浮、沉降等装置，通过合理的工艺配置,并配以优选的絮凝、气浮药剂,这种流程也可收到较为理想的处理效果[6]。

根据实验效果，对于钻井污水重复利用时，主要采取pH值调节、絮凝处理，若细菌较多，则进一步杀菌处理。通过pH值调节剂实验得到NaOH加量为(300～350)×10-6(w)，需进一步优选其他处理剂。

2.2絮凝剂实验

采用某平台预处理后钻井污水，pH值调节剂采用NaOH，絮凝剂采用CLJ-1和CLJ-2，开展絮凝沉降实验。实验完成后观察底部絮体厚度和絮体致密程度，并抽取上层清液,检测其悬浮物浓度(见表2、图1和图2)。

表2　絮凝剂浓度实验Table2　Effectsofflocculantdosages水样w(CLJ-1)/10-6w(CLJ-2)/10-6絮体情况ρ(上层清液悬浮物)/(mg·L-1)①103厚2.5cm，较致密65.5②203厚2.2cm，致密15.8③503厚2.0cm，致密22.6④1003厚2.8cm，较致密22.0⑤2003厚3.1cm，较疏松24.7

絮凝形成大量的絮状沉淀，卷扫或网捕胶体颗粒，共同沉降。絮凝剂的需要量同水中的杂质数量有关。从实验结果可以看出，调节pH值及絮凝后上层清液清澈，从絮体致密情况看，当w(絮凝剂)为(20～50)×10-6时，絮体致密。

2.3助凝剂实验

采用某平台预处理钻井污水，开展助凝剂浓度实验。助凝剂起吸附架桥、改善絮体结构、形成粗大密实的絮体的作用(见表3和图3)。

从表3可以看出，当CLJ-2加量为3×10-6(w)和5×10-6(w)时，沉降速度快，絮体致密，上清液清澈。从图3可以看出,随着时间的延长，絮体压实程度增大。2天后，絮体致密程度变化不大;7天后，絮体所占体积比最低值仅为13%。

表3　助凝剂试验Table3　Effectsoftheflocculantaiddosages水样w(NaOH)/10-6w(CLJ-10/10-6w(CLJ-2)/10-6絮体沉积厚度/mm外观①35050120上清液清澈②35050318上清液清澈③35050517上清液清澈④350501021上清液清澈

2.4杀菌剂实验

采用某平台预处理后钻井污水，开展杀菌剂实验，分别测试空白水样、加药后水样的细菌数量(见表4)。

表4　杀菌剂评选Table4　ComparisonofthebiocidesinTGB，FB，andSRBkilling杀菌剂w/10-6TGBFBSRB细菌数量/(个·mL-1)杀菌率/%细菌数量/(个·mL-1)杀菌率/%细菌数量/(个·mL-1)杀菌率/%空白45.04.5×1044.5CLJ-310045.00.0950.097.945.00.0CLJ-41000.499.195.099.80.393.3CLJ-51000.0100.0250.099.42.544.4CLJ-610040.011.1200.099.62.544.4CLJ-710040.011.10.499.90.491.1CLJ-81000.698.70.999.90.0100.0

由表4可见，杀菌剂CLJ-8杀菌效果最好，其次为CLJ-4,对3种细菌的杀菌率均达93%以上。

选取处理后上层清液进行分析，分析结果见表5。对比3.2节表7中钻井污水重复利用水质指标，已经达标，在重复利用时进一步稀释后使用。

2.5水处理工艺流程设计

(1) 在污水pH值约为6时，调节剂加量为(300～350)×10-6(w)，将pH值调至8左右。

表5　处理后上层清液分析Table5　Analysisoftreatedwastewater项目处理后水质ρ(K++Na+)/(mg·L-1)3846.20ρ(Ca2+)/(mg·L-1)1105.34ρ(Mg2+)/(mg·L-1)30.81ρ(Ba2++Sr2+)/(mg·L-1)0.00ρ(Cl-)/(mg·L-1)8341.52ρ(SO2-4)/(mg·L-1)38.36ρ(co2-3)/(mg·L-1)0.00ρ(HCO-3)/(mg·L-1)421.84总矿化度/(mg·L-1)13784.07水型CaCl2ρ(悬浮物)/(mg·L-1)15.60pH值7.24SRB数量/(个·mL-1)0.0TGB数量/(个·mL-1)0.7FB数量/(个·mL-1)0.0ρ(油)/(mg·L-1)0.00

(2) CLJ-1加量为(20～50)×10-6(w)，CLJ-2加量为(3～5)×10-6(w)，CLJ-8加量为100×10-6(w)，处理时间为2天。为达到现场污水处理效果，处理工艺后端加入过滤工艺(见图4)。

2.6撬装处理设备设计

将处理工艺流程中的加药(pH值调节、絮凝等)、循环、沉淀、过滤等工序组合在同一装置内，每小时处理水量为20～35 m3。凡与水接触部分(如器壁、填料、石英砂滤料等)用料均采用对水质无污染、对人体无害的材料，并符合国家有关卫生标准(见图5)。

2.6.1装备组合

撬装处理设备采用加药、水力碰撞反应、斜板沉淀、多层滤料压力式分池过滤4个部分。

(1) 加药装置。加药箱采用PE材质，耐酸碱程度好；配不锈钢搅拌器，加快溶解速度；配进口计量泵，加药精确。设备中集成加药计量设备，可以人工投入絮凝剂，以配合后续的絮凝、沉淀等工序更好地进行。

(2) 反应室。反应室是由小波板组成，高效波形板是应用于絮凝反应池内的一种高效反应填料。水流在通过波形板组中缩口时，形成高速流，高流速水流形成涡流，给水中颗粒相互碰撞提供了机会和条件，大大提高了反应速率，得到更好的反应效果,并可节省大量的絮凝剂。

(3) 沉淀室。沉淀室是由大波板组成，它的原理是采用浅层沉淀原理，可减少设备体积，使单位产水量增大；水流采用侧向流，利用波峰波谷，水往侧上流，泥往下滑，自动分离，分离速度快，保证出水质量。沉淀室下部设集泥斗，使每块波板的波谷滑泥时不受水流的影响，泥直接进入斗式收泥斗中进行自沉，降低了污泥含水率，延长排泥周期。

相比传统方式下进水，上出水的沉淀形式，侧向流斜板沉淀避免了进水对沉淀物滑落的干扰，达到了高效沉淀的效果。

(4) 过滤室。采用多层滤料，分格式过滤，可实现自动反冲洗。根据水质情况，处理装备采用无烟煤和石英砂两种滤料，进一步将水中的悬浮物去除。

2.6.2装备处理效率

设计处理规模为20～35 m3/d；处理后水质的pH值为5.5～8.5、ρ(油)小于10 mg/L、COD值小于100 mg/L、ρ(悬浮物)小于50 mg/L、细菌数量小于20 个/mL。

3　重复利用试验及现场应用

3.1重复利用试验

焦页X平台采用撬装设备处理钻井污水后，室内分析其性质并开展污清混配试验，完善污水重复利用试验。采用TX-500C全量程界面张力仪和RS600旋转流变仪测试配制的减阻水表面张力、界面张力和动力黏度性能(见图6和表6)。

从表6可以看出，污水配制的减阻水性能较差，污水稀释比例越高，黏度性能越好。污清比为(1∶3)～(1∶7)范围时，减阻水性能与清水相当，建议污清比高于1∶7。

表6　重复利用试验Table6　Technicalperformanceofthefracturingfluidpreparingwiththetreatedwastewater实验项目表面张力/(mN·m-1)界面张力/(mN·m-1)黏度/(mPa·s)0.1%减阻水(污水)28.010.693.70.1%减阻水(污清体积比1∶1)27.970.844.60.1%减阻水(污清体积比1∶3)27.830.956.50.1%减阻水(污清体积比1∶5)28.280.726.30.1%减阻水(污清体积比1∶7)27.560.638.70.1%减阻水(清水)29.251.868.6

3.2现场应用

焦页X平台钻井污水量为1 000 m3，水体呈棕褐色，有刺激性气味。其中，可重复利用量约为850 m3，剩余150 m3为废渣和絮体。废渣统一进行固化处理。现场取污水池中下部水样进行离子、悬浮物、细菌等检测，结果见表7。

表7　焦页X平台污水处理前后分析及评价Table7　Analysisandevaluationofthewastewaterbeforeandafterthetreatment实验项目污水处理前分析及评价污水处理后分析及评价钻井污水重复利用指标颜色棕褐色无色无色或浅黄色pH值9.47.35.5～8.5ρ(悬浮物)/(mg·L-1)645.7341.00≤50.00SRB数量/(个·mL-1)≥2.5×1050.00.0FB数量/(个·mL-1)≥2.5×1050.3≤20.0TGB数量/(个·mL-1)≥2.5×1056.5≤20.0ρ(油)/(mg·L-1)0.840.000.00与减阻水压裂液配伍性外观褐色不透明，压裂液不起黏，与压裂液体系配伍性差外观清澈透明，与压裂液体系配伍性好，不产生沉淀清澈透明，与减阻水配伍性好，不产生沉淀0.1%减阻剂黏度/(mPa·s)96～10

从上述分析结果可以看出，焦页X平台处理后污水基本达到重复利用水质指标，与压裂液配伍性好，配制0.1%减阻水黏度为9 mPa·s，稀释后重复利用于焦页aHF、焦页bHF和焦页cHF等6口井。

从室内实验、现场水处理效果和现场应用情况看出，研发的水处理药剂满足现场污水处理要求，处理工艺及装备简便易行。处理后水质达到重复利用技术指标，与压裂液配伍性好，现场得到成功应用。

4　结论与建议

(1) 涪陵页岩气钻井污水重复利用时，其悬浮物、细菌浓度是引起减阻水压裂液溶解性能差、黏度等性能差的主要原因。

(2) 通过对钻井污水性质的分析，优选出水处理剂。pH值调节剂加量为(300～350)×10-6(w)，絮凝剂CLJ-1加量为(20～50)×10-6(w)、CLJ-2加量为(3～5)×10-6(w)，杀菌剂CLJ-8加量为100×10-6(w)。根据该配方处理后的污水达到重复利用配液指标，与压裂液配伍性好，配制0.1%减阻水黏度为6～10 mPa·s。

(3) 突破复杂山地井场条件制约，形成了一套经济、高效水处理工艺流程并研制出撬装处理设备。现场处理焦页X平台污水1 000 m3，处理后污水达到了重复利用水质指标，成功应用压裂6井次。

(4) 涪陵页岩气钻井污水重复利用技术可以快速、经济地解决现场钻井污水难处理问题，处理工艺简便易行，建议推广应用。

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Research on reusing the Fuling shale gas drilling wastewater

Chang Qixin

(PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofSinopecJianghanOilfield,Wuhan430000,China)

Currently, Fuling shale gas field is in the early stages of development with a large number of development well, and most of which are long horizontal wells. Drilling these wells would generate enormous wastewater， and reusing them for fracturing is considered as the most economical and environmental way of disposing. In this paper, the characteristics of Fuling drilling wastewater was analyzed, as well as the technical barriers of reusing the drilling wastewater. Correspondingly, the treatment chemicals, technical process, processing equipment, and reusing program were developed. According to the effects of the treatment and further reuse, selected chemicals could satisfy the drilling wastewater treatment in the field. The technical process and processing equipment were simple and easily operated. Treated wastewater could meet the water quality requirements of reusing, show good compatibility with the fracturing fluid, is also adaptable to the complex terrain in Fuling mountainous area.

Fuling shale gas field, drilling wastewater, reuse, technology and equipment

中国石化江汉油田科研项目“涪陵页岩气钻井污水重复利用技术研究”(CKO06)。

常启新(1982-)，男，湖北荆州人，现就职于中国石化江汉油田石油工程技术研究院，主要从事油气田储层改造及环境保护方面工作。E-mail：changqixin@126.com

X703.1

ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.021

2016-04-08；编辑：钟国利