大規模壓裂采出液脫出水處理技術研究

夏福軍， 王慶吉

（大慶油田建設設計研究院， 黑龍江 大慶 163712）

隨著大規模壓裂成為外圍油田難采儲量開采的重要技術措施， 伴隨而來的是大規模壓裂作業后，壓裂液只能返排30%左右， 油井投產后， 70%左右的壓裂液隨采出液進入生產系統［1］， 給采出液的油水處理帶來困難， 形成大量含壓裂液的采出液脫出水（簡稱壓裂采出水）， 壓裂采出水進入污水處理系統后， 嚴重影響系統正常運行， 導致污水中懸浮固體含量超標［2］。 為此， 針對壓裂采出水的水質特點，本研究通過室內試驗確定了合適的處理藥劑及其投加量， 并運用于現場試驗驗證其實際處理效果。

1 大規模壓裂采出液脫出水水質特點

某壓裂井壓裂作業完成15 d 后斷塞， 與同區塊非壓裂井進行采出液脫出水的基本特性對比， 取樣間隔時間為24 h， 多次取樣的對比結果見表1。

由表1 可知， 壓裂采出水的懸浮固體含量明顯升高， 粘度增大， 其他指標未見明顯規律， 并且經室內沉降試驗得知， 6 h 沉降后壓裂采出水相較于常規水驅采出水油的質量濃度高51.9%， 懸浮固體的質量濃度高21.6%， 說明含壓裂采出水分離難度高于普通水驅采出水。

2 室內藥劑試驗

油田采出水的常規處理工藝一般為兩段沉降－顆粒濾料過濾（一級或多級）［3］， 對于壓裂采出水，常規的大罐沉降對油及懸浮固體的處理效果變差，而后續的顆粒濾料過濾對壓裂液中藥劑殘渣的截留效果也不佳［4］， 另外， 藥劑殘渣本身大大增加了采出水中的懸浮固體含量［5］， 為此考慮投加助濾劑來提高常規顆粒濾料過濾器的處理效果。 由于壓裂采出水中懸浮固體變得細小且其含量逐漸增加， 因此，應在采出水化學處理的過程中盡可能避免再生成大量的懸浮固體［6］， 選擇可有效改變濾料表面潤濕性的藥劑， 保證濾料對水中油珠的截留， 同時選擇可中和濾料表面電荷的藥劑， 降低石英砂濾料與胍膠殘渣間的電荷斥力， 促使胍膠殘渣被濾料截留［7］。以現場實際采出水為介質， 對7 種藥劑進行了評價試驗， 得到處理含壓裂采出水效果較好的助濾劑，以在40 ℃下沉降6 h 后的現場采出水作為過濾的原水， 助濾劑加藥量為10 mg／L， 評價結果見表2。

表1 壓裂井與非壓裂井采出水基本特性檢測數據Tab.1 Test data of basic characteristics of produced water from fracturing well and non fracturing well

表2 助濾劑配方評價結果Tab. 2 Evaluation results of filter aid formula

由表2 可知， Z-1 編號配方使用效果最好， 濾后水中油的質量濃度為16 mg／L， 懸浮固體質量濃度為12 mg／L， 配方命名為FA1060。 對助濾劑FA1060進行加藥量優化， 試驗條件同前， 結果見表3。

由表3 可知， 空白樣濾后水中油的質量濃度為15 mg／L， 懸浮固體的質量濃度14 mg／L， 助濾劑FA1060 最佳投加量為20 mg／L， 使得濾后水中油的質量濃度降至7 mg／L， 懸浮固體的質量濃度降至3 mg／L， 處理效果顯著提升。

3 大規模壓裂采出液脫出水處理現場試驗

3.1 現場概況

試驗地點選在受大規模壓裂返排液影響較大的站場， 大慶油田外圍采油廠某聯合站受大規模壓裂的影響較大， 該站油系統采用游離水脫除器與電脫水器串聯， 污水處理系統采用兩級沉降罐與兩級過濾器串聯， 從工藝流程方面來說， 在油田具有代表性。 試驗期間采出水中的壓裂液占2.98%～4.92%，來水油的質量濃度為35 ～120 mg／L， 懸浮固體的質量濃度為20 ～106 mg／L， 裝置最終出水需達到SY／T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質推薦指標》中低滲透指標要求［8］， 即ρ（油） ＜8 mg／L， ρ（懸浮固體）＜3 mg／L， 粒徑中值＜2 μm。

表3 不同加藥量下助濾劑FA1060 的使用效果Tab. 3 Application effect of filter aid FA1060 with different dosage

試驗裝置處理量按5 m3／h 設計； 一次沉降停留時間為4 h， 氣浮沉降罐停留時間為2 h， 氣浮裝置氣水比為15 ∶1； 一級濾速為10 m／h， 二級濾速為6 m／h。

3.2 試驗流程

根據前期現場監測及室內試驗結果， 當采出水摻混一定比例的壓裂液后， 對最終出水的達標率產生影響， 尤其是懸浮固體含量波動較為明顯［9］， 考慮到氣浮技術在壓裂返排液單獨處理的應用中取得了不錯的效果［10］， 因此利用沉降罐加氣浮技術進行了現場效果驗證試驗， 與普通沉降效果進行對比，現場試驗流程采用“一次沉降→氣浮沉降→一次過濾→二次過濾”， 在一次過濾罐前端投加一定量的助濾劑， 采用氣水反沖洗的方式進行濾料清洗以加強過濾效果， 現場試驗主要工藝流程見圖1。

圖1 現場試驗主要工藝流程Fig. 1 Main process flow of field test

3.3 試驗結果

3.3.1 空白試驗

空白不加藥的情況下出水效果見圖2， 其中圖2（a）中采用對數坐標。

由圖2 可知， 現場裝置空白試驗的濾后水中油的質量濃度為1.16 mg／L、 粒徑中值為1.40 μm，滿足標準要求； 而濾后水中懸浮固體的平均質量濃度為5.76 mg／L， 不滿足標準要求， 因此考慮投加藥劑進一步提高出水水質。

圖2 空白試驗中油、 懸浮物固體、 粒徑中值處理效果Fig. 2 Treatment effect of oil, suspended solid and median partical diameter in blank test

3.3.2 投加助濾劑試驗

考察助濾劑對最終出水懸浮固體濃度的影響，投加位置是一次過濾前端， 藥劑投加量分別為5 ～10、 10 ～50 mg／L， 試驗結果見圖3。

圖3 投加助濾劑后懸浮固體處理效果Fig. 3 Treatment effect of suspended solid after filter aid added

由圖3 可見， 不投加助濾劑FA1060， 濾后水懸浮固體質量濃度超過4 mg／L， 不滿足標準要求；投加助濾劑FA1060 后， 濾后水懸浮固體質量濃度小于3 mg／L， 達到指標要求。 當助濾劑投加量為10 ～50 mg／L， 濾后水懸浮固體濃度較其投加量為5 ～10 mg／L 時改善并不明顯， 出水效果差別不大。因此， 沉降-氣浮-兩級過濾工藝條件下最佳助濾劑投加量為5 ～10 mg／L， 工藝各單元處理效果見圖4。

圖4 工藝各單元處理效果Fig. 4 Treatment effect of each process unit

4 結論

（1） 氣浮技術可一定程度上提高壓裂采出水的處理效果， 建議有大量壓裂返排液排入計劃的新建污水站采用氣浮機， 而已建污水站根據實際情況，從“減少改造工程量以達到降本增效”的角度出發，利用沉降罐加氣浮技術對已有沉降罐進行改造。

（2） 為進一步增強處理效果， 使最終出水懸浮固體達標， 需在濾前投加一定量的助濾劑， 投加量依據來水水質及壓裂液含量不同進行調節， 當來水的懸浮固體質量濃度不超過140 mg／L 時， 助濾劑的最佳投加量不應超過10 mg／L。