压裂返排液的无害化处理技术研究

路建萍 ，谢 元 ，雷 海 ，思伟军 ，杨 勃 ，王 佳

（1.陕西省石油化工研究设计院，陕西省石油精细化学品重点实验室，陕西西安 710054；2.延长油田股份有限公司吴起采油厂，陕西延安 717600；3.延长油田股份有限公司杏子川采油厂，陕西延安 717400；4.陕西延长石油（集团）有限责任公司油气勘探公司，陕西延安 716000）

压裂返排液的无害化处理技术研究

路建萍1，谢 元1，雷 海2，思伟军3，杨 勃4，王 佳1

（1.陕西省石油化工研究设计院，陕西省石油精细化学品重点实验室，陕西西安 710054；2.延长油田股份有限公司吴起采油厂，陕西延安 717600；3.延长油田股份有限公司杏子川采油厂，陕西延安 717400；4.陕西延长石油（集团）有限责任公司油气勘探公司，陕西延安 716000）

针对压裂返排液的高黏度、高悬浮物含量、高含油量等特点，本文提出了“氧化破胶-絮凝脱稳-改性纤维球过滤”综合处理工艺对压裂返排液进行处理。经综合处理后，SS去除率高达99.4%，油含量去除率高达92.3%，黏度下降了86.6%。同时研发了一套撬装式压裂返排液处理装置，现场应用效果良好，各项指标均能达到油田回注水标准，处理后的返排液可作为油田回注水水源之一，实现了其无害化处理利用。

压裂返排液；氧化破胶；絮凝脱稳；回注；无害化处理；撬装式装置

压裂液是油气藏增产的重要工作液，压裂液的破胶好坏以及返排液处理成为世界各国逐步重视的问题。压裂液返排液中添加剂种类繁多，其成分较复杂[1]，具有黏度高、悬浮物含量高、油含量高、乳化程度高、稳定性高、处理难度大等特点[2]。目前压裂返排液常常不经处理直接外排或者放置坑、池内自然降解，这样会带来很大的污染隐患[3]。随着国家环保力度的加大以及注水采油方式的日趋普遍化，压裂返排液经处理后回注油田地层的形式越来越受关注。为此，笔者系统分析了压裂返排液的特性，并提出了“氧化破胶-絮凝脱稳-改性纤维球过滤”综合工艺处理压裂返排液，并研发撬装式装置应用现场，使其达到油田回注水标准，从而进行油田回注，实现压裂返排液的无害化处理。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

JJ-1精密电动搅拌，WMZK-01温度控制仪，FA2004电子天平，101-A型干燥箱、pHS-3C pH酸度计、容量瓶、移液管、品氏黏度计、过硫酸铵、过硫酸钾、H2O2、胶囊破胶剂、破胶剂HK458（自制），均为分析纯；聚合氯化铁（PFC）、聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铁（PFS）、聚合硫酸铝（PAS）、聚合氯化铝铁（PAFC）、聚丙烯酰胺（PAM），均为工业品；压裂返排液，现场取样；实验用水为去离子水。

1.2 实验方法

平均腐蚀速率、悬浮物含量、油含量的测定参照标准《碎屑岩石注入水水质推荐指标及分析方法》（SY/T 5329-2012）；浊度的测定参照标准《水质浊度的测定》（GB 13200-91）；絮凝实验参照标准《絮凝剂评定方法》（SY/T 5796-1993）。

2 结果与讨论

2.1 压裂返排液特性分析

压裂返排液组分复杂，其颜色主要呈现出黄色到黑色不透明液体，一般为中性或弱碱性[4]。取陕北某油田3个不同井口的压裂返排液进行特性分析，结果（见表1）。从表1可看出，3口井的压裂返排液的矿化度在1.0×104mg/L～2.0×104mg/L，表观黏度在 11 mPa·s左右，SS高于300 mg/L，油含量在50 mg/L左右。此外，其浊度、平均腐蚀率较大[5]。

表1 压裂返排液特性分析结果Tab.1 The characteristics analysis results of fracturing fluid

2.2 氧化破胶工艺优化

2.2.1 破胶剂的选择 实验条件：取压裂返排液置于6个烧杯中，向内分别加入不同破胶剂，投加量以 500 mg/L、1 000 mg/L、1 500 mg/L、2 000 mg/L、2 500 mg/L、3 000 mg/L逐步增加。常温搅拌条件下破胶120 min后，取上清液测定其黏度，通过黏度指标来选择合适破胶剂。不同破胶剂在不同投加量下的黏度变化（见图1）。由图1可看出，随着破胶剂投加量的增加，压裂返排液的黏度呈现先大幅度降低后缓慢降低的趋势，几种破胶剂相比，HK458破胶效果较好，而Na2S2O4破胶效果最差。这是因为HK458可产生活性较强的羟基自由基，这些自由基可以降解破坏胍胶有机大分子长链，大大降低了压裂返排液的黏度、有机物浓度。因此优选破胶剂为HK458。

图1 不同破胶剂在不同投加量下的黏度变化Fig.1 The viscosity changes of different breaker in different dosage

2.2.2 破胶工艺参数的确定 为确定破胶工艺的最佳参数，以破胶剂投加量、反应时间、体系pH为实验因素，以黏度作为评价指标，按L9（33）正交表安排正交实验。其具体因素水平和实验结果（见表2）。由表2可知，影响黏度的各因素主次顺序为：A＞B＞C，最优水平组合为A2B3C3，即破胶剂投加量2 000 mg/L，反应时间为120 min，pH为8。

表2 正交实验结果及直观分析Tab.2 The results and intuitive analysis of orthogonal experiment

2.3 絮凝脱稳工艺优化

2.3.1 絮凝剂选择 实验条件：取压裂返排液置于5个烧杯中，向内分别加入不同絮凝剂，投加量为100 mg/L。先150 r/min下搅拌5 min，再40 r/min搅拌20 min后，观察其絮体大小、沉降速度、沉降时间、上清液清澈度，并测定上清液的透光率，其结果（见表3）。

表3 不同絮凝剂的沉降性能Tab.3 The sedimentation performance of different flocculants

从表3可看出，5种絮凝剂都属于高分子絮凝剂，均可通过吸附、桥架、交联作用，使细小胶体絮体凝聚成较大絮体加速沉降以达到净水目的。PFS与PFC相比，形成的矾花颗粒重，沉降较快；PAS与PAC相比，亦是如此。PAFC是由铝盐和铁盐混凝水解而成的新型高效絮凝剂，它集铝盐和铁盐各自优点，具有协同增效作用，形成絮体较大且速度快、沉降快。因此，选择絮凝剂为PAFC。

2.3.2 絮凝剂投加量对处理效果的影响 实验条件：取经破胶工艺处理后的压裂返排液，向其中投加不同量的PAFC进行絮凝实验。先150 r/min下搅拌5 min，再40 r/min搅拌20 min，沉降1 h后，取上清液测定油含量和SS含量，并计算其含油去除率和SS去除率。PAFC投加量对水处理效果的影响（见图2）。从图2可看出，随着投加量的增加，含油去除率和SS去除率均呈现先迅速增加后缓慢减小的趋势。这是因为随着PAFC浓度的增大，其“桥联”作用随之增强[6]，而当浓度过高时，大量的高分子物质吸附在胶体颗粒的表面，会在表面形成空间保护层，阻止了架桥结构的形成，致使絮凝不易发生[7]。因此，选择最佳投加量为100 mg/L。

图2 PAFC投加量对处理效果的影响Fig.2 The influences of PAFC dosing on treatment effect

2.3.3 助凝剂投加量对处理效果的影响 实验条件：取经PAFC絮凝处理后的压裂返排液，向内加入不同量的助凝剂PAM进行复合混凝实验[8]。以40 r/min搅拌30 min，沉降1 h后，取上清液测定油含量和SS含量，并计算其含油去除率和SS去除率。PAM投加量对水处理效果的影响（见图3）。

图3 PAM投加量对处理效果的影响Fig.3 The influences of PAM dosing on treatment effect

图4 压裂返排液处理工艺流程图Fig.4 The flow chart of fracturing treatment

表4 压裂返排液经综合处理后的水质指标结果Tab.4 The results of the water quality index after the comprehensive treatment of fracturing

从图3可看出，PAM存在最佳投加量，当其投加量为1.2 mg/L时，含油去除率高达91.4%，SS去除率高达94.1%。这是因为PAM兼有“桥联”和表面电中和的机理[9]，其絮凝效果随着投加量的增加而提高，但当投加量超过一定值后，助凝剂包裹了架桥作用所必须的离子表面吸附活性点，使“桥联”作用变得困难，吸附效率降低[10]。因此，选择助凝剂PAM最佳投加量为1.2 mg/L。

2.4 过滤工艺

经氧化破胶、絮凝脱稳工艺处理后的压裂返排液进一步地进行改性纤维球过滤，改性后的纤维球具有亲水疏油的特性，其比表面积大、密度大且不粘油、过滤速度快且精度高，在直接拦截、惯性拦截和电化学吸附的作用下可高效地去油除杂[11]。

压裂返排液经“氧化破胶-絮凝脱稳-改性纤维球过滤”综合工艺处理后，SS去除率高达99.4%，油含量去除率高达92.3%，黏度下降了86.6%，各项指标均能达到油田回注水标准。

2.5 现场应用

在室内研究的基础上，开发出“氧化破胶-絮凝脱稳-改性纤维球过滤”处理工艺，对相关工艺参数和设备进行优化，并现场处理了10 000 m3的压裂返排液，处理后注水回用。其流程（见图4）。

设备调试中，对4个月的运行结果进行水质测试跟踪，结果（见表4）。从表4可知，处理后水质较稳定，压裂返排液的SS、油含量、表观黏度均能达到油田回注水标准。

3 结论

（1）针对高黏度、高悬浮物含量、高含油量的压裂返排液，本文提出了“氧化破胶-絮凝脱稳-改性纤维球过滤”综合处理工艺。

（2）氧化破胶工艺的破胶条件为：破胶剂HK458投加量为2 000 mg/L，反应时间为120 min，pH为8；絮凝脱稳工艺采用100 mg/L的PAFC和1.2 mg/L的PAM复合絮凝沉降；过滤工艺利用改性纤维球进行精细过滤。

（3）压裂返排液经综合工艺处理后，SS去除率高达99.4%，油含量去除率高达92.3%，黏度下降了86.6%，各项指标均能达到油田回注水标准，可作为油田回注水水源之一。

（4）采用撬装式压裂返排液处理装置处理压裂返排液，现场应用效果良好。

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A study on the harmless treatment technology of fracturing fluid flowback

LU Jianping1，XIE Yuan1，LEI Hai2，SI Weijun3，YANG Bo4，WANG Jia1
（1.Shanxi Key Laboratory of Fine Petroleum Chemicals，Shanxi Research Design Institute of Petroleum and Chemical Industry，Xi'an Shanxi 710054，China；2.Wuqi Production Plant，Yanchang Oilfield Co.，Ltd.，Yan'an Shanxi 717600，China；3.Xingzichuan Production Plant，Yanchang Oilfield Co.，Ltd.，Yan'an Shanxi 717400，China；4.Shanxi Yanchang Petroleum（Group）Co.，Ltd.，Oil and Gas Exploration Company，Yan'an Shanxi 716000，China）

Aiming at the characteristics of high viscosity,high suspended matter content and high COD content of fractured backflow liquid,this paper put forward a comprehensive treatment process of"oxidative cracking-flocculation and stabilization-modified fiber ball filtration"．After comprehensively processing of fracturing fluid flowback,the removal rate of SS was 99.4%,the removal rate of oil was 92.3%,the viscosity decreased by 86.6%．Meanwhile,a set of skid-mounted fracturing flowback fluid device was developed．The field application effect was good.All the indexes could reach the standard of oilfield water flooding back．It could be used as one of the oil return water sources,to achieve its harmless treatment.

fracturing fluid flowback；oxidative gel breaking；flocculation and stabilization；reinjection；harmless treatment；skid-mounted device

TE357.12

A

1673-5285（2017）10-0005-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.002

2017－09-19

陕西省技术转移与重点科技成果推广计划项目，项目编号：2016CG-20。

路建萍，女（1987-），硕士研究生，从事压裂返排液处理研究工作，邮箱：lujianping711@163.com。