油田压裂作业污水预处理室内试验研究

魏立新，乐昕朋，王志华，李婉青

（东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318） ＊

油田压裂作业污水预处理室内试验研究

魏立新，乐昕朋，王志华，李婉青

（东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318）＊

针对压裂返排液中化学药剂成分较多，具有高黏度、高稳定性等特点，开展了室内试验，通过分析返排液特性研究高效预处理方法。结果表明：在30℃左右的常温，并停留作用时间24h时，选用质量分数0.1%的低温型破胶剂，破胶液黏度可保证在1.5mPa·s以内，破胶后残渣含量＜0.15%。根据试验结果并结合现场，制定出压裂返排液预处理工艺流程，对实际处理具有一定的指导意义。

压裂返排液；破胶；预处理；试验研究

近年来，低渗透油田普遍出现原油产量下降，综合含水上升等问题［1］。因此，油、气井增产和注水井增注对油田开发有着积极作用。压裂和酸化是目前增产和增注比较常用的有效措施［2－4］。其中，压裂过程是利用高压液体（压裂液）在井底生产层造成裂缝或扩展原始裂纹，再用支撑剂填充，以形成高渗透率区域［5］。然而，作业排出的残余压裂液中，含有胍胶、甲醛、石油类及其他各种添加剂，具有高COD值、高稳定性、高黏度等特点［6］，此类污水若不经过处理而直接外排，将会对周围环境，尤其是农作物及地表水系造成严重污染［7］；若直接进入污水处理系统，则将对稳定运行的系统产生较大影响，使水质无法达标回注，甚至会造成系统瘫痪，严重影响生产系统的安全运行。因此，油田压裂作业污水的预处理对于实现污水处理回注、减轻环保和管理压力等问题至关重要。大庆某外围油田平均日产压裂作业污水45m3，最高达到300m3／d。本文以该油田产生的作业污水作为研究对象，进行室内试验研究，分析其水质特性，确定处理方法，使该类污水的预处理达到满意的效果。

1 压裂返排液性质分析

1.1 黏度性质

将所取样品编号，并分别测量其在30℃与50℃时的黏度，结果如表1所示。

表1 不同温度下压裂返排液的黏度

由表1可以看出：该类作业污水在30℃时的黏度值较高，平均值达到6.65mPa·s；其中，S－3号样品黏度接近15mPa·s。但当温度从30℃升高到50℃时，样品黏度均有不同程度的降低。

1.2 流变特性

测试5种样品在35℃下的流变性，并绘制其流变特性曲线，如图1所示。

图1 压裂返排液的剪切流变特性曲线（35℃）

由图1可知：随着剪切速率增大，污水体系黏度降幅不大，进一步说明该类作业污水具有较为稳定的胶体形态，抗剪切性能好。因此，预处理的关键是破胶、降低黏度。

2 破胶试验

针对该类作业污水黏度大、抗剪切性能好的特征，选择典型井S－3样品开展破胶试验。一方面选择适合的破胶剂类型；另一方面选择最佳质量分数，同时研究其适用的温度、作用时间等工艺条件，为预处理工艺的制定提供基础依据。

2.1 高温破胶剂

控制破胶过程中该类作业污水的温度约在75℃，配制不同质量分数的高温破胶剂与样品充分破胶，绘制其作用时间与黏度的关系曲线，对比破胶效果，如图2所示。

图2 压裂返排液高温破胶效果对比

由图2可见：对于高温破胶剂，在其质量分数＞0.1%后，破胶液黏度可保证在1.5mPa·s以内，处理效果较好。同时经分析，破胶后残渣含量＜0.15%，且趋于稳定，能够达到比较理想的处理效果。

2.2 低温破胶剂

控制破胶过程中该类作业污水的温度约在30℃，配制不同质量分数的低温破胶剂与样品反应，绘制其作用时间与黏度的关系曲线，对比破胶效果，如图3所示。

如上结果表明：在此条件下，随着质量分数增加，相同作用时间内的破胶液黏度降低，但当用量增加到0.1%以上后，破胶液黏度便不在显著下降。

在不同质量分数的破胶剂作用下，破胶液残渣含量变化如图4所示。

由图4可知：当破胶剂质量分数＞0.1%时，破胶后的残渣含量反而有所增多。因此，该低温型破胶剂0.1%的质量分数可以取得与高温型破胶剂相当的破胶效果。

图3 压裂返排液低温破胶效果对比

图4 不同破胶后的残渣含量变化

但考虑到经济、环境等因素，认为对于该类作业污水破胶降黏的处理应优选低温型破胶剂及0.1%的用量，且在保证停留作用时间24h、约30℃的常温条件下，即可达到理想的处理效果。

3 压裂返排液预处理工艺

大庆某外围油田1a将产生8 000m3的压裂返排液，平均每天产生45m3（按180d计算），其中最大日产生量为300m3。该油田目前并没有压裂返排液的预处理工艺，因而污水无法进入污水处理系统进行深度处理，只能直接外排，对周围环境造成了极大的污染。由此，综合以上试验研究结果，并结合该油田实际情况进行预处理工艺研究。

3.1 预处理工艺及设计

3.1.1 预加热

由于现场作业产生的压裂返排液需通过罐车拖拉至拟建污水预处理站，因此需设置集水池，容积为300m3，以满足压裂返排液日最大产生量时，能及时将来液卸入集水池。集水池边是为运送作业污水车辆专门设置的停车平台，方便车辆将作业污水卸入池内。集水池内设置电加热器，以便对压裂返排液进行预加热，同时可防止在冬季未及时处理的污水因低温而凝固，造成无法处理的情况。

3.1.2 破胶降黏

集水池中的压裂返排液需通过离心泵输送至破胶处理罐进行破胶处理。离心泵选型参数为：排量Q＝25m3／h，扬程H＝20m；以保证在日最大污水产生量的情况下，能在12h内完成污水的处理（12 h×25m3／h＝300m3）。处理罐的容积为500m3。处理罐底部设置加热盘管，以控制罐内压裂返排液的温度在35℃左右，从而保证低温破胶效果。处理罐上部设置搅拌器，可以保证压裂返排液与破胶剂充分接触、作用而达到良好的破胶效果。泵出口与破胶处理罐入口之间设置加药装置，用于加入优选出的低温破胶剂。

3.1.3 混凝沉降

当压裂返排液在处理罐内经过破胶处理后，通过泵输送至混凝沉降罐。混凝沉降罐容积为500 m3，以保证破胶处理后的压裂返排液及时沉降。离心泵选型参数为：排量Q＝25m3／h，扬程H＝20 m。泵与混凝沉降罐之间设置备用加药设施，根据来液的实际水质情况而加入絮凝剂，使破胶之后的残渣及悬浮物等絮凝、凝聚成大颗粒，从而沉降至罐底，并定期清理罐底淤积物。

3.1.4 暂时储存

由于压裂返排液的产生时间及产生量的不确定性，且后续污水处理站不能保证时刻都可接收额外污水进行处理。因此，设置缓冲罐以暂时储存没有及时输送至后续污水处理站的污水，缓冲罐容积为1 000m3，满足污水连续3d最大产生量且不外输的情况。经混凝沉降后的污水通过泵送入缓冲罐，离心泵选型参数与前述一致。

3.2 预处理工艺流程（如图5）

图5 压裂返排液预处理工艺流程

4 结论

1） 油田作业过程中会产生大量的压裂返排液，此类污水中含有大量的添加剂，对环境及生产都有很大危害，需要通过预处理之后，才能进入后续污水处理系统进行处理。

2） 对于压裂返排液，破胶降黏是预处理工艺技术的关键，通过对比，试验优选了质量分数为0.1%的低温型破胶剂，停留作用时间24h，在约30℃常温下，破胶液黏度即可保证在1.5mPa·s以内，破胶后残渣含量＜0.15%。

3） 根据试验研究结果，制定出针对大庆某外围油田压裂作业污水的预处理工艺流程，该套工艺可实施性强，可以进行现场试验。

［1］ 党建新，郑 李，刘剑波，等.油田作业废水处理技术研究进展［J］.油气田环境保护，2010，20：66－69.

［2］ 朱 君，翁惠芳，李东阳，等.基于流固耦合技术的压裂液管流特性研究［J］.石油矿场机械，2010，39（3）：1－5.

［3］ 朱正喜，李永革.水平井裸眼完井分段压裂技术研究［J］.石油矿场机械，2011，40（11）：44－47.

［4］ 李文彬，刘彦龙，叶 赛，等.连续油管冲砂作业参数优化［J］.石油矿场机械，2011，40（11）：58－61.

［5］ 王树龙，邹旭东，王荣业，等.压裂酸化现场配液技术研究与应用［J］.石油矿场机械，2005，34（4）：67－69.

［6］ 马 云，何顺安，侯亚龙.油田废压裂液的危害及其处理技术研究进展［J］.石油化工应用，2009，28（8）：1－3.

［7］ 赵 雷，冯明华.陶瓷滤料过滤油田污水技术试验研究［J］.石油矿场机械，2011，40（7）：66－69.

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

WEI Li－xin，LE Xin－peng，WANG Zhi－hua，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

黑龙江省教育厅科学技术研究项目“低渗透油田单管环状集油工艺节能输送关键技术研究”资助项目（12511016）

魏立新（1973－），男，河北定州人，教授，博士，主要从事油田地面工程优化与节能降耗技术研究，E－mail：wlxfyx＠sina.com。