魏立新，樂昕朋，王志華，李婉青

（東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶163318） ＊

油田壓裂作業(yè)污水預處理室內試驗研究

魏立新，樂昕朋，王志華，李婉青

（東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶163318）＊

針對壓裂返排液中化學藥劑成分較多，具有高黏度、高穩(wěn)定性等特點，開展了室內試驗，通過分析返排液特性研究高效預處理方法。結果表明：在30℃左右的常溫，并停留作用時間24h時，選用質量分數0.1%的低溫型破膠劑，破膠液黏度可保證在1.5mPa·s以內，破膠后殘渣含量＜0.15%。根據試驗結果并結合現場，制定出壓裂返排液預處理工藝流程，對實際處理具有一定的指導意義。

壓裂返排液；破膠；預處理；試驗研究

近年來，低滲透油田普遍出現原油產量下降，綜合含水上升等問題［1］。因此，油、氣井增產和注水井增注對油田開發(fā)有著積極作用。壓裂和酸化是目前增產和增注比較常用的有效措施［2－4］。其中，壓裂過程是利用高壓液體（壓裂液）在井底生產層造成裂縫或擴展原始裂紋，再用支撐劑填充，以形成高滲透率區(qū)域［5］。然而，作業(yè)排出的殘余壓裂液中，含有胍膠、甲醛、石油類及其他各種添加劑，具有高COD值、高穩(wěn)定性、高黏度等特點［6］，此類污水若不經過處理而直接外排，將會對周圍環(huán)境，尤其是農作物及地表水系造成嚴重污染［7］；若直接進入污水處理系統(tǒng)，則將對穩(wěn)定運行的系統(tǒng)產生較大影響，使水質無法達標回注，甚至會造成系統(tǒng)癱瘓，嚴重影響生產系統(tǒng)的安全運行。因此，油田壓裂作業(yè)污水的預處理對于實現污水處理回注、減輕環(huán)保和管理壓力等問題至關重要。大慶某外圍油田平均日產壓裂作業(yè)污水45m3，最高達到300m3／d。本文以該油田產生的作業(yè)污水作為研究對象，進行室內試驗研究，分析其水質特性，確定處理方法，使該類污水的預處理達到滿意的效果。

1 壓裂返排液性質分析

1.1 黏度性質

將所取樣品編號，并分別測量其在30℃與50℃時的黏度，結果如表1所示。

表1 不同溫度下壓裂返排液的黏度

由表1可以看出：該類作業(yè)污水在30℃時的黏度值較高，平均值達到6.65mPa·s；其中，S－3號樣品黏度接近15mPa·s。但當溫度從30℃升高到50℃時，樣品黏度均有不同程度的降低。

1.2 流變特性

測試5種樣品在35℃下的流變性，并繪制其流變特性曲線，如圖1所示。

圖1 壓裂返排液的剪切流變特性曲線（35℃）

由圖1可知：隨著剪切速率增大，污水體系黏度降幅不大，進一步說明該類作業(yè)污水具有較為穩(wěn)定的膠體形態(tài)，抗剪切性能好。因此，預處理的關鍵是破膠、降低黏度。

2 破膠試驗

針對該類作業(yè)污水黏度大、抗剪切性能好的特征，選擇典型井S－3樣品開展破膠試驗。一方面選擇適合的破膠劑類型；另一方面選擇最佳質量分數，同時研究其適用的溫度、作用時間等工藝條件，為預處理工藝的制定提供基礎依據。

2.1 高溫破膠劑

控制破膠過程中該類作業(yè)污水的溫度約在75℃，配制不同質量分數的高溫破膠劑與樣品充分破膠，繪制其作用時間與黏度的關系曲線，對比破膠效果，如圖2所示。

圖2 壓裂返排液高溫破膠效果對比

由圖2可見：對于高溫破膠劑，在其質量分數＞0.1%后，破膠液黏度可保證在1.5mPa·s以內，處理效果較好。同時經分析，破膠后殘渣含量＜0.15%，且趨于穩(wěn)定，能夠達到比較理想的處理效果。

2.2 低溫破膠劑

控制破膠過程中該類作業(yè)污水的溫度約在30℃，配制不同質量分數的低溫破膠劑與樣品反應，繪制其作用時間與黏度的關系曲線，對比破膠效果，如圖3所示。

如上結果表明：在此條件下，隨著質量分數增加，相同作用時間內的破膠液黏度降低，但當用量增加到0.1%以上后，破膠液黏度便不在顯著下降。

在不同質量分數的破膠劑作用下，破膠液殘渣含量變化如圖4所示。

由圖4可知：當破膠劑質量分數＞0.1%時，破膠后的殘渣含量反而有所增多。因此，該低溫型破膠劑0.1%的質量分數可以取得與高溫型破膠劑相當的破膠效果。

圖3 壓裂返排液低溫破膠效果對比

圖4 不同破膠后的殘渣含量變化

但考慮到經濟、環(huán)境等因素，認為對于該類作業(yè)污水破膠降黏的處理應優(yōu)選低溫型破膠劑及0.1%的用量，且在保證停留作用時間24h、約30℃的常溫條件下，即可達到理想的處理效果。

3 壓裂返排液預處理工藝

大慶某外圍油田1a將產生8 000m3的壓裂返排液，平均每天產生45m3（按180d計算），其中最大日產生量為300m3。該油田目前并沒有壓裂返排液的預處理工藝，因而污水無法進入污水處理系統(tǒng)進行深度處理，只能直接外排，對周圍環(huán)境造成了極大的污染。由此，綜合以上試驗研究結果，并結合該油田實際情況進行預處理工藝研究。

3.1 預處理工藝及設計

3.1.1 預加熱

由于現場作業(yè)產生的壓裂返排液需通過罐車拖拉至擬建污水預處理站，因此需設置集水池，容積為300m3，以滿足壓裂返排液日最大產生量時，能及時將來液卸入集水池。集水池邊是為運送作業(yè)污水車輛專門設置的停車平臺，方便車輛將作業(yè)污水卸入池內。集水池內設置電加熱器，以便對壓裂返排液進行預加熱，同時可防止在冬季未及時處理的污水因低溫而凝固，造成無法處理的情況。

3.1.2 破膠降黏

集水池中的壓裂返排液需通過離心泵輸送至破膠處理罐進行破膠處理。離心泵選型參數為：排量Q＝25m3／h，揚程H＝20m；以保證在日最大污水產生量的情況下，能在12h內完成污水的處理（12 h×25m3／h＝300m3）。處理罐的容積為500m3。處理罐底部設置加熱盤管，以控制罐內壓裂返排液的溫度在35℃左右，從而保證低溫破膠效果。處理罐上部設置攪拌器，可以保證壓裂返排液與破膠劑充分接觸、作用而達到良好的破膠效果。泵出口與破膠處理罐入口之間設置加藥裝置，用于加入優(yōu)選出的低溫破膠劑。

3.1.3 混凝沉降

當壓裂返排液在處理罐內經過破膠處理后，通過泵輸送至混凝沉降罐?；炷两倒奕莘e為500 m3，以保證破膠處理后的壓裂返排液及時沉降。離心泵選型參數為：排量Q＝25m3／h，揚程H＝20 m。泵與混凝沉降罐之間設置備用加藥設施，根據來液的實際水質情況而加入絮凝劑，使破膠之后的殘渣及懸浮物等絮凝、凝聚成大顆粒，從而沉降至罐底，并定期清理罐底淤積物。

3.1.4 暫時儲存

由于壓裂返排液的產生時間及產生量的不確定性，且后續(xù)污水處理站不能保證時刻都可接收額外污水進行處理。因此，設置緩沖罐以暫時儲存沒有及時輸送至后續(xù)污水處理站的污水，緩沖罐容積為1 000m3，滿足污水連續(xù)3d最大產生量且不外輸的情況。經混凝沉降后的污水通過泵送入緩沖罐，離心泵選型參數與前述一致。

3.2 預處理工藝流程（如圖5）

圖5 壓裂返排液預處理工藝流程

4 結論

1） 油田作業(yè)過程中會產生大量的壓裂返排液，此類污水中含有大量的添加劑，對環(huán)境及生產都有很大危害，需要通過預處理之后，才能進入后續(xù)污水處理系統(tǒng)進行處理。

2） 對于壓裂返排液，破膠降黏是預處理工藝技術的關鍵，通過對比，試驗優(yōu)選了質量分數為0.1%的低溫型破膠劑，停留作用時間24h，在約30℃常溫下，破膠液黏度即可保證在1.5mPa·s以內，破膠后殘渣含量＜0.15%。

3） 根據試驗研究結果，制定出針對大慶某外圍油田壓裂作業(yè)污水的預處理工藝流程，該套工藝可實施性強，可以進行現場試驗。

［1］ 黨建新，鄭 李，劉劍波，等.油田作業(yè)廢水處理技術研究進展［J］.油氣田環(huán)境保護，2010，20：66－69.

［2］ 朱 君，翁惠芳，李東陽，等.基于流固耦合技術的壓裂液管流特性研究［J］.石油礦場機械，2010，39（3）：1－5.

［3］ 朱正喜，李永革.水平井裸眼完井分段壓裂技術研究［J］.石油礦場機械，2011，40（11）：44－47.

［4］ 李文彬，劉彥龍，葉 賽，等.連續(xù)油管沖砂作業(yè)參數優(yōu)化［J］.石油礦場機械，2011，40（11）：58－61.

［5］ 王樹龍，鄒旭東，王榮業(yè)，等.壓裂酸化現場配液技術研究與應用［J］.石油礦場機械，2005，34（4）：67－69.

［6］ 馬 云，何順安，侯亞龍.油田廢壓裂液的危害及其處理技術研究進展［J］.石油化工應用，2009，28（8）：1－3.

［7］ 趙 雷，馮明華.陶瓷濾料過濾油田污水技術試驗研究［J］.石油礦場機械，2011，40（7）：66－69.

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

WEI Li－xin，LE Xin－peng，WANG Zhi－h(huán)ua，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

黑龍江省教育廳科學技術研究項目“低滲透油田單管環(huán)狀集油工藝節(jié)能輸送關鍵技術研究”資助項目（12511016）

魏立新（1973－），男，河北定州人，教授，博士，主要從事油田地面工程優(yōu)化與節(jié)能降耗技術研究，E－mail：wlxfyx＠sina.com。