压裂液余液处理工艺的研究

陈雁南，吴　萌，王永光，万用波（北京矿冶研究总院，北京　102628）



压裂液余液处理工艺的研究

陈雁南，吴萌，王永光，万用波
（北京矿冶研究总院，北京102628）

摘要：油气田开采过程中需要配制大量压裂液用于增产，压裂液在使用过程中会产生部分不符合使用要求的余液。余液具有较高黏度以及化学需氧量，外排会对周边土壤以及水环境造成极大污染，常规方法较难处理。针对这种情况，研究了一种针对压裂液余液的处理技术，将处理后的水用于回注，减少了环境污染。

关键词：压裂液余液；水处理；循环使用

在石油能源的开发过程中，压裂是油气藏改造增产的重要手段之一，在油气田的开采作业中占据着越来越重要的地位，目前全世界正在开采的油气井中，80 %以上需要采用压裂施工开采，而我国现在有超过90 %的油气井在使用压裂方式开采。压裂开采生产能力旺盛，经济效益较高，采收率在30 %～40 %，而在众多的压裂开采方式中以水力压裂为主，水基压裂液在使用过程中会产生约10 %余液以及不能正常使用的残液，其中含有胍胶、甲醛、石油类及其他各种添加剂，如果不经过处理而外排，将会对周围环境，尤其是农作物及地表水系造成污染。众多添加剂的加入使压裂液具有高的CODCr值、高稳定性、高黏度等特点，而且由于添加剂种类繁多，使CODCr值的降低难度较大。特别是一些不易净化的亲水性有机添加剂，难以从废水中除去[1]。本文采用一系列的处理方式对压裂液余液进行处理，使其达到回注标准避免污染环境。

1　实验部分

1.1水质分析

实验对象为延长油田作业现场取回的不能正常使用的压裂液余液，水质分析结果（见表1）表明该种废液具有高黏度，高矿化度，高有机物含量的特点。

表1　分析结果Tab.1 Analysis results

1.2破胶实验

1.2.1破胶剂的选择

（1）实验仪器：高速搅拌器，恒温水浴，电子天平，Fann35黏度计。

（2）实验原料：羟丙基瓜尔胶（工业级），过硫酸铵（化学纯），氯化钾（工业级），碳酸钠（工业级），黏土稳定剂（工业级），助排剂（工业级），酶破胶剂（工业级）。

（3）实验步骤：量取500 mL水，在高速搅拌下加入1.75 g羟丙基瓜尔胶，1.5 g氯化钾，0.5 g碳酸钠，1.5 g助排剂，1.5 g黏土稳定剂，高速搅拌5 min，作为余液样品。向余液样品中分别加入不同浓度的过硫酸铵在不同温度下进行破胶，每隔1 h用Fann35黏度计测试黏度，当黏度为0时，视为完全破胶，记录破胶时间。室温下，向余液样品中加入不同种类的酶破胶剂，按照厂家提供的参考浓度进行实验，每隔1 h用Fann35黏度计测试黏度，当黏度为0时，视为完全破胶，记录破胶时间（见表2、表3）。

表2　过硫酸铵对破胶时间的影响Tab.2 The influence of（NH4）2S2O8on breakdown time

表3　新型破胶剂的破胶实验Tab.3 The breaking test of new gel breaker

表2与表3对比采用氧化型破胶剂过硫酸铵，用量大，破胶时间长且温度高，处理过程能耗大，且破胶后溶液中残留大量硫酸根，用于再次配液时与地层水混合后会形成沉淀，堵塞裂缝造成地层伤害[2]，新型破胶剂的破胶实验在实验室温下进行，破胶速度快且彻底。开发的新型破胶剂，优点在于用量少，反应条件温和，处理成本低；反应速率快[3，4]，可大大降低反应停留时间，减少设备占用面积。本文主要应用新型破胶剂进行余液的前处理，并对整体处理工艺进行研究。

1.2.2破胶条件的优化（见图1～图3）

图1　40℃时不同浓度对黏度的影响Fig.1 The influence of temperature on viscosity at 40℃

图2　25℃时不同浓度对黏度的影响Fig.2 The influence of temperature on viscosity at 25℃

图3　5℃时不同浓度对黏度的影响Fig.3 The influence of temperature on viscosity at 5℃

上述实验在各种添加剂用量相同的情况下，模拟了自然条件下四季的普遍温度5℃，25℃，40℃，考察温度对酶降解速率的影响。在自然条件下，随着温度的升高破胶剂的活性增强，在低温条件（5℃）下活性较低，即使在较高浓度下（10 mg/L），降解3 h后仍不能使瓜尔胶溶液完全破胶，由上述实验可以看出在低温下增加破胶剂的用量对降解效果的提高已不是很明显，因此若通过继续增加破胶剂的浓度以实现完全破胶会大大增加成本且降解所需要的时间较长，因此建议温度较低的情况下（如冬季）在进行降解的过程中，进行适当的加热，使溶液的温度达到15℃～20℃，即可以减少用量，加快降解速度。

综合上述三组实验，随着破胶剂用量的增加破胶时间缩短，在其加入量过低时（低于2 mg/L）即使在较高温度下，较长时间内也不能完成破胶，综合成本与破胶时间两项因素，建议破胶剂的用量采用10 mg/L。

1.3混凝处理

通过混凝的方式对破胶液进行进一步处理，以上清液的透光度作为评价絮凝效果的标准[5-7]，透光率越高，表明水中的悬浮物越少，水处理效果越好，当处理后水透光率达到99 %时，对其进行全面注水水质分析[8]，随着絮凝剂加量的增加，透光度增加，当絮凝剂加量达到一定程度时透光度不再变化或开始下降，此时的加量即为最佳投加量。通过实验确定最佳混凝条件：以聚合氯化铝（PAC）为絮凝剂，用量为500 mg/L；反应pH值为8；助凝剂为PAM，用量为2 mg/L，处理后上清液透过率可达99 %以上（见表4）。

表4　混凝效果优选Tab.4 The optimal selection of coagulation effect

2　水质评价

经混凝处理后的余液经过气浮、杀菌、过滤后完成整个处理流程。对处理后的水按照SY/T5329-94《碎屑岩油田回注水标准》进行评价（见表5）。表5所测结果表明经该工艺处理后的水可用于回注。

表5　水质评价Tab.5 Water quality assessment

3　应用实例

本工艺现已推广应用，已建成固定站式处理站3个，处理水质均达标。压裂液余液为高黏难处理水质，对环境污染极大，经该工艺快速有效处理后进行回注，大大减轻了油气田开采过程中对环境的污染。

参考文献：

［1］万里平，李治平，王传军，等.油田压裂液无害化处理实验研究［J］.河南石油，2002，16（6）:39-42.

［2］张建国，等.油层水配制压裂液研究及性能评价［J］.西安石油大学学报（自然科学版），2011，26（2）:60-63.

［3］贺晓军，李君，李宁涛，等.过硫酸铵与生物压裂酶破胶技术对比研究［J］.石油化工应用，2012，31（4）:81-83.

［4］李明志，刘新全，汤致胜，等.聚合物降解产物伤害与糖苷键特异酶破胶技术［J］.油田化学，2002，19（1）:89-96.

［5］何红梅，赵立志，黄禹忠.高分子絮凝剂对压裂返排液处理的研究［J］.化工时刊，2003，17（11）：51-53.

［6］张爱涛，卜龙利，廖建波.微波工艺处理油田酸化压裂废水的应用［J］.化工进展，2009，28（22）:138-142.

［7］甑玉东.含油污水处理研究-混凝剂的选择与应用［J］.轴矿冶，2001，（11）:264-267.

［8］郭艳，党娟华，李树斌，等.长庆油田水处理新技术研究［J］.油气田环境保护，2004，14（2）:12-15.

2035年前化石燃料仍将主导全球能源市场

英国石油公司（BP）最新发布的2016年版《全球能源市场展望报告》称，2014-2035年期间，全球能源需求预计将增长34 %，年均增速为1.4 %。其中，化石燃料仍将占据能源市场的主导地位。BP预计到2035年前，化石燃料将满足全球新增能源需求的60 %，届时化石燃料将占据全球能源供应总量的近80 %。预测期内，天然气将成为化石燃料中需求增长最快的能源品种，年均增速将达到1.8 %。而石油需求的年均增长速度将稳定在0.9 %，其中全球能源构成中所占的比例正在下降。

（摘自中国化工信息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

作者简介：陈雁南，女（1984-），工程师，硕士，师从四川大学江波教授，主要研究方向为天然高分子改性研究，邮箱：yannan1218@163.com。

*收稿日期：2016-01-29

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.024

中图分类号：TE357.12

文献标识码：A

文章编号：1673-5285（2016）03-0092-03