含压裂返排液洗井废水混凝沉降实验研究

中海油节能环保服务有限公司

为保证油田稳定生产，需进行压裂、酸化、洗井等一系列作业，作业的同时会产生作业废水[1]。为了更好地将这一部分废水进行达标处理，目前采用较多的处理方式为集中到某处单独处理或采用移动式橇装设备进行就地处理[2]。

洗井废水分为洗油井废水和洗注水井废水[3]。洗井废水中的污染物主要有油类（溶解油、乳化油、浮油等）和悬浮固体（泥砂、黏土、结垢及腐蚀产物）[4]，水质情况比较复杂。压裂是油田增产的有效措施，压裂施工结束后，往往会有一部分压裂液返排到地面[5]，由于压裂液中含有胍胶、交联剂、破胶剂、杀菌剂、防膨剂、助排剂、pH值稳定剂等添加剂，返排液成分复杂[6]，与洗井水混合后，增加了洗井水的处理难度。国内油田作业废水处理技术可分为物理法、化学法、生物法，具体的技术主要包括混凝（絮凝）、催化氧化法、气浮分离、生物处理、膜分离等[7]。本文主要采用混凝沉降的方式处理含压裂返排液洗井废水。

大庆油田某采油厂在压裂作业的基础上进行洗井作业，因此回收的洗井水中会含有部分压裂返排液。由于压裂返排液随着返排时间的不同，返排量也不同，而返排液与洗井液不同的混合比例絮凝效果也不相同，因此分别取现场洗井水与压裂返排液，室内按照不同的比例配制混合液，采用絮凝的方法对混合液进行处理，以期找到合适的加药比例，同时考察沉降时间对絮凝效果的影响。

1 实验

1.1 材料和设备

实验材料包括聚合氯化铝（PAC，工业级）、阳离子聚丙烯酰胺（CPAM，相对分子质量800万，阳离子度30%）。

实验仪器包括AL104分析天平、玻璃砂芯过滤装置、722E分光光度计、HH-4恒温水浴锅、JJ-1精密电动搅拌器。

1.2 实验方法

（1）水质检测。含油量和悬浮物的测定参照SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》，透光率的测定依据参考文献[8]。

（2）絮凝效果评价。采用烧杯絮凝实验，向500 mL烧杯中加入300 mL配置好的模拟污水，加入一定量的絮凝剂，快速（300 r/min）搅拌1 min，再慢速（150 r/min）搅拌2 min，放入25 ℃水浴内静置一定时间，取水样进行测定。

2 结果与讨论

2.1 水质化验

分别取现场压裂返排液和洗井水进行水质检测（表1）。同时利用微孔膜过滤器分别对两种水样进行过滤，考察过滤时间随过滤水样体积的变化（图1）以及微孔膜截留杂质情况（图2）。

图1 水样过滤时间随滤液体积变化曲线Fig.1 Curve of water sample filter time changing with filtrate volume

图2 微孔滤膜上截留的杂质Fig.2 Impurities intercepted on the microporous membrance

从表1中数据可以看出，洗井水和压裂返排液均呈弱碱性，洗井水含油浓度为127.5 mg/L；压裂返排液的含油浓度较低，为8 mg/L。压裂返排液的悬浮固体浓度为213 mg/L，是洗井水悬浮固体浓度的6.6倍。从图1也可以看出，随着过滤水样体积的增加，压裂液的过滤时间增加明显，这主要是由于压裂返排液中的悬浮固体造成的。从微孔膜截留下来的固体杂质也可以看出，微孔膜截留洗井水的杂质为黑色，主要为黏土、油类等杂质，微孔膜截留压裂返排液中的杂质呈黄色，主要是胍胶破胶后的碎片及部分析出的胍胶，这部分胍胶对联合站水处理工艺中过滤系统有一定的影响，因此必须在前期去除。

2.2 CPAM加量对絮凝效果的影响

根据现场实际情况，压裂返排液与洗井水的比例不大于30%，室内配制含不同浓度压裂返排液的模拟污水，分别配制了含10%、20%、30%（体积分数）返排液的模拟污水进行絮凝实验。在实验温度25 ℃、沉降时间2 h的条件下，考察不同CPAM加入浓度对絮凝效果的影响，测得水样的透光率随试剂加入浓度变化曲线（图3）。

表1 水样水质检测结果Tab.1 Testing results of water sample quality

图3 水样透光率随CPAM加入浓度变化曲线Fig.3 Curve of water sample transmittance changing with the concentration of CPAM

从图3中可以看出，水样的透光率随着CPAM加量增加先增大后增加趋势变缓，其中含10%返排液水样在CPAM加入浓度为5 mg/L时，透光率为77.5%，加药量再增加水样透光率变化缓慢；含20%返排液水样在CPAM加入浓度为6 mg/L时，水样透光率为76.5%，再增加加药量水样透光率变化缓慢；含30%返排液的水样在CPAM加入浓度为8 mg/L时水样透光率为76.9%，再增加加药量水样透光率变化缓慢。出现这种现象的原因是CPAM加量过低时，电中和作用明显，而吸附架桥和卷扫作用比较弱，不能起到很好的絮凝作用；而当加量过高时，许多高分子化合物的一端吸附在同一分散相的表面（图4），或者是许多高分子线团环绕在胶体的周围，形成水化外壳，将分散相颗粒包裹起来，对胶体起到保护作用，不利于混凝[9]。

图4 高分子絮凝剂的聚沉作用和保护作用示意图Fig.4 Schematic diagram of coagulation effect and protection effect of plomer flocculant

2.3 PAC加量对絮凝效果的影响

在CPAM加量一定的条件下（含10%返排液水样CPAM加量5 mg/L，含20%返排液水样CPAM加量6 mg/L，含30%返排液水样CPAM加量8 mg/L），PAC加入浓度在50～500 mg/L之间变化，实验温度25 ℃，絮凝沉降2 h，考察水样透光率随PAC加入浓度的变化，具体结果见图5。

图5 水样透光率随PAC加入浓度变化曲线Fig.5 Curve of water sample transmittance changing with the concentration of PAC

从图5可以看出，随着PAC加量的增加，水样的透光率逐渐增大，其中含10%返排液水样在PAC加入浓度为300 mg/L时，水样的透光率为89.4%；含20%返排液的水样当PAC加入浓度为400 mg/L时，透光率可达到95%；含30%返排液水样当PAC加入浓度为450 mg/L时，透光率为91.5%。根据含油量和悬浮固体含量检测结果，当水样的透光率达到90%以上时，水中的悬浮固体和含油浓度均可以满足＜20 mg/L的条件，但水样的絮凝效果除了与试剂加量有关外，还与水样的沉降时间有关，而物理沉降是比较节约成本的一种水处理方法。基于节约成本考虑，利用药剂与物理沉降双重作用达到处理指标。

2.4 沉降时间确定

根据上一阶段的实验结果，在实验条件为25 ℃条件下，考察含压裂返排液浓度分别为10%、20%、30%的洗井水加入不同浓度的PAC和CPAM的处理效果（表2）。由于前期实验已经找到了每个水样透光率达到90%的试剂加量，为了降低投入成本，本次考察沉降时间时，试剂加量均选择在透光率低于90%的加量点。考察水样透光率随沉降时间的变化情况，找出水样吸光度趋于稳定及透光率较好时所需的沉降时间（图6）。

表2 各水样的试剂加量及检测结果Tab.2 Agent dosage and testing results of water samples

图6 水样透光率随沉降时间变化曲线Fig.6 Curve of water sample transmittance changing with setting time

由表2和图6可见，不同返排液含量的水样（10%、20%、30%）经过4～6 h沉降，透光率均可达到90%以上，沉降时间增加会促进水中悬浮固体的聚沉，同时在聚沉的过程中悬浮固体对水中的胶体有一定的携带作用。沉降时间再增加，透光率增幅不大，沉降6～10 h水样已经趋于稳定。沉降4 h后，三种水样的悬浮固体浓度和含油浓度均可达到＜20 mg/L指标，符合现场要求。含10%返排液水样处理后水中含油浓度为7.5 mg/L，悬浮固体浓度为16.5 mg/L；含20%返排液水样处理后水中含油浓度为6.9 mg/L，悬浮固体浓度为18.9 mg/L；含30%返排液水样处理后水中含油浓度为7.1 mg/L，悬浮固体浓度为16 mg/L。

3 结论

（1）对于返排液含量为10%～30%的水样，CPAM加量具有最优值：含10%返排液水样的CPAM最优加入浓度为5 mg/L，含20%返排液水样的CPAM最优加入浓度为6 mg/L，含30%返排液水样的CPAM最优加入浓度为8 mg/L。

（2）返排液含量为10%～30%的水样在CPAM最优加量条件下，PAC加量在300～450 mg/L条件下，透光率均可达到90%以上。

（3）返排液含量为10%～30%的水样在合理的CPAM和PAC加量条件下，经过4 h沉降后的透光率均可达到90%以上，残余含油浓度和悬浮固体浓度均可达到20 mg/L以下。沉降时间再增加，水样透光率变化不大。