陳雁南，吳　萌，王永光，萬(wàn)用波（北京礦冶研究總院，北京　102628）

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壓裂液余液處理工藝的研究

陳雁南，吳萌，王永光，萬(wàn)用波
（北京礦冶研究總院，北京102628）

摘要：油氣田開采過(guò)程中需要配制大量壓裂液用于增產(chǎn)，壓裂液在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生部分不符合使用要求的余液。余液具有較高黏度以及化學(xué)需氧量，外排會(huì)對(duì)周邊土壤以及水環(huán)境造成極大污染，常規(guī)方法較難處理。針對(duì)這種情況，研究了一種針對(duì)壓裂液余液的處理技術(shù)，將處理后的水用于回注，減少了環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：壓裂液余液；水處理；循環(huán)使用

在石油能源的開發(fā)過(guò)程中，壓裂是油氣藏改造增產(chǎn)的重要手段之一，在油氣田的開采作業(yè)中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位，目前全世界正在開采的油氣井中，80 %以上需要采用壓裂施工開采，而我國(guó)現(xiàn)在有超過(guò)90 %的油氣井在使用壓裂方式開采。壓裂開采生產(chǎn)能力旺盛，經(jīng)濟(jì)效益較高，采收率在30 %～40 %，而在眾多的壓裂開采方式中以水力壓裂為主，水基壓裂液在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生約10 %余液以及不能正常使用的殘液，其中含有胍膠、甲醛、石油類及其他各種添加劑，如果不經(jīng)過(guò)處理而外排，將會(huì)對(duì)周圍環(huán)境，尤其是農(nóng)作物及地表水系造成污染。眾多添加劑的加入使壓裂液具有高的CODCr值、高穩(wěn)定性、高黏度等特點(diǎn)，而且由于添加劑種類繁多，使CODCr值的降低難度較大。特別是一些不易凈化的親水性有機(jī)添加劑，難以從廢水中除去[1]。本文采用一系列的處理方式對(duì)壓裂液余液進(jìn)行處理，使其達(dá)到回注標(biāo)準(zhǔn)避免污染環(huán)境。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1水質(zhì)分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為延長(zhǎng)油田作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)取回的不能正常使用的壓裂液余液，水質(zhì)分析結(jié)果（見(jiàn)表1）表明該種廢液具有高黏度，高礦化度，高有機(jī)物含量的特點(diǎn)。

表1　分析結(jié)果Tab.1 Analysis results

1.2破膠實(shí)驗(yàn)

1.2.1破膠劑的選擇

（1）實(shí)驗(yàn)儀器：高速攪拌器，恒溫水浴，電子天平，F(xiàn)ann35黏度計(jì)。

（2）實(shí)驗(yàn)原料：羥丙基瓜爾膠（工業(yè)級(jí)），過(guò)硫酸銨（化學(xué)純），氯化鉀（工業(yè)級(jí)），碳酸鈉（工業(yè)級(jí)），黏土穩(wěn)定劑（工業(yè)級(jí)），助排劑（工業(yè)級(jí)），酶破膠劑（工業(yè)級(jí)）。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟：量取500 mL水，在高速攪拌下加入1.75 g羥丙基瓜爾膠，1.5 g氯化鉀，0.5 g碳酸鈉，1.5 g助排劑，1.5 g黏土穩(wěn)定劑，高速攪拌5 min，作為余液樣品。向余液樣品中分別加入不同濃度的過(guò)硫酸銨在不同溫度下進(jìn)行破膠，每隔1 h用Fann35黏度計(jì)測(cè)試黏度，當(dāng)黏度為0時(shí)，視為完全破膠，記錄破膠時(shí)間。室溫下，向余液樣品中加入不同種類的酶破膠劑，按照廠家提供的參考濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每隔1 h用Fann35黏度計(jì)測(cè)試黏度，當(dāng)黏度為0時(shí)，視為完全破膠，記錄破膠時(shí)間（見(jiàn)表2、表3）。

表2　過(guò)硫酸銨對(duì)破膠時(shí)間的影響Tab.2 The influence of（NH4）2S2O8on breakdown time

表3　新型破膠劑的破膠實(shí)驗(yàn)Tab.3 The breaking test of new gel breaker

表2與表3對(duì)比采用氧化型破膠劑過(guò)硫酸銨，用量大，破膠時(shí)間長(zhǎng)且溫度高，處理過(guò)程能耗大，且破膠后溶液中殘留大量硫酸根，用于再次配液時(shí)與地層水混合后會(huì)形成沉淀，堵塞裂縫造成地層傷害[2]，新型破膠劑的破膠實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室溫下進(jìn)行，破膠速度快且徹底。開發(fā)的新型破膠劑，優(yōu)點(diǎn)在于用量少，反應(yīng)條件溫和，處理成本低；反應(yīng)速率快[3，4]，可大大降低反應(yīng)停留時(shí)間，減少設(shè)備占用面積。本文主要應(yīng)用新型破膠劑進(jìn)行余液的前處理，并對(duì)整體處理工藝進(jìn)行研究。

1.2.2破膠條件的優(yōu)化（見(jiàn)圖1～圖3）

圖1　40℃時(shí)不同濃度對(duì)黏度的影響Fig.1 The influence of temperature on viscosity at 40℃

圖2　25℃時(shí)不同濃度對(duì)黏度的影響Fig.2 The influence of temperature on viscosity at 25℃

圖3　5℃時(shí)不同濃度對(duì)黏度的影響Fig.3 The influence of temperature on viscosity at 5℃

上述實(shí)驗(yàn)在各種添加劑用量相同的情況下，模擬了自然條件下四季的普遍溫度5℃，25℃，40℃，考察溫度對(duì)酶降解速率的影響。在自然條件下，隨著溫度的升高破膠劑的活性增強(qiáng)，在低溫條件（5℃）下活性較低，即使在較高濃度下（10 mg/L），降解3 h后仍不能使瓜爾膠溶液完全破膠，由上述實(shí)驗(yàn)可以看出在低溫下增加破膠劑的用量對(duì)降解效果的提高已不是很明顯，因此若通過(guò)繼續(xù)增加破膠劑的濃度以實(shí)現(xiàn)完全破膠會(huì)大大增加成本且降解所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，因此建議溫度較低的情況下（如冬季）在進(jìn)行降解的過(guò)程中，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜?，使溶液的溫度達(dá)到15℃～20℃，即可以減少用量，加快降解速度。

綜合上述三組實(shí)驗(yàn)，隨著破膠劑用量的增加破膠時(shí)間縮短，在其加入量過(guò)低時(shí)（低于2 mg/L）即使在較高溫度下，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)也不能完成破膠，綜合成本與破膠時(shí)間兩項(xiàng)因素，建議破膠劑的用量采用10 mg/L。

1.3混凝處理

通過(guò)混凝的方式對(duì)破膠液進(jìn)行進(jìn)一步處理，以上清液的透光度作為評(píng)價(jià)絮凝效果的標(biāo)準(zhǔn)[5-7]，透光率越高，表明水中的懸浮物越少，水處理效果越好，當(dāng)處理后水透光率達(dá)到99 %時(shí)，對(duì)其進(jìn)行全面注水水質(zhì)分析[8]，隨著絮凝劑加量的增加，透光度增加，當(dāng)絮凝劑加量達(dá)到一定程度時(shí)透光度不再變化或開始下降，此時(shí)的加量即為最佳投加量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳混凝條件：以聚合氯化鋁（PAC）為絮凝劑，用量為500 mg/L；反應(yīng)pH值為8；助凝劑為PAM，用量為2 mg/L，處理后上清液透過(guò)率可達(dá)99 %以上（見(jiàn)表4）。

表4　混凝效果優(yōu)選Tab.4 The optimal selection of coagulation effect

2　水質(zhì)評(píng)價(jià)

經(jīng)混凝處理后的余液經(jīng)過(guò)氣浮、殺菌、過(guò)濾后完成整個(gè)處理流程。對(duì)處理后的水按照SY/T5329-94《碎屑巖油田回注水標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行評(píng)價(jià)（見(jiàn)表5）。表5所測(cè)結(jié)果表明經(jīng)該工藝處理后的水可用于回注。

表5　水質(zhì)評(píng)價(jià)Tab.5 Water quality assessment

3　應(yīng)用實(shí)例

本工藝現(xiàn)已推廣應(yīng)用，已建成固定站式處理站3個(gè)，處理水質(zhì)均達(dá)標(biāo)。壓裂液余液為高黏難處理水質(zhì)，對(duì)環(huán)境污染極大，經(jīng)該工藝快速有效處理后進(jìn)行回注，大大減輕了油氣田開采過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染。

參考文獻(xiàn)：

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2035年前化石燃料仍將主導(dǎo)全球能源市場(chǎng)

英國(guó)石油公司（BP）最新發(fā)布的2016年版《全球能源市場(chǎng)展望報(bào)告》稱，2014-2035年期間，全球能源需求預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)34 %，年均增速為1.4 %。其中，化石燃料仍將占據(jù)能源市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。BP預(yù)計(jì)到2035年前，化石燃料將滿足全球新增能源需求的60 %，屆時(shí)化石燃料將占據(jù)全球能源供應(yīng)總量的近80 %。預(yù)測(cè)期內(nèi)，天然氣將成為化石燃料中需求增長(zhǎng)最快的能源品種，年均增速將達(dá)到1.8 %。而石油需求的年均增長(zhǎng)速度將穩(wěn)定在0.9 %，其中全球能源構(gòu)成中所占的比例正在下降。

（摘自中國(guó)化工信息2016年第5期）

Study on the treatment of waste fracturing fluid

CHEN Yannan，WU Meng，WANG Yongguang，WAN Yongbo
（Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy，Beijing 102628，China）

Abstract:Fracturing fluid is applied widely in gas and oil fields.The waste fracturing fluid which can't meet the requirement is produced in the process.The discharge of waste fracturing fluid with high viscosity and high COD will pollute the soil and the headwaters.The processing technology of waste fracturing fluid has been proposed in this paper.The treated wastewater can be used for reinjection.

Key words：waste fracturing fluid；water treatment；recycling

作者簡(jiǎn)介：陳雁南，女（1984-），工程師，碩士，師從四川大學(xué)江波教授，主要研究方向?yàn)樘烊桓叻肿痈男匝芯?，郵箱：yannan1218@163.com。

*收稿日期：2016-01-29

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.024

中圖分類號(hào)：TE357.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5285（2016）03-0092-03