气田压裂返排液微涡流混凝处理效果分析

范 婧 刘 宁 朱 妍 李 岩 蒋继辉

(1.中国石油长庆油田油气工艺研究院；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室)

0 引 言

压裂作业是油气井增产的主要措施之一，其产生的压裂返排液量大，且由于返排液中残存着高分子聚合物、溶解性有机物及返排时所带出地层中的泥沙、盐水等，致使其成分复杂多变，处置不当会对环境产生危害[1-3]。当前长庆油田压裂返排液处理主要采用混凝工艺，且针对油气田处理规模小、区块分散的特点，采用撬装化移动处理装置，解决了区域环境污染、压裂返排液不落地的问题[4-6]。传统混凝处理药剂用量大、混凝不彻底，有研究者发现微涡流混凝通过“涡流凝聚、接触絮凝”的作用，能够提高混凝效果、降低药剂投加量[7]。该工艺已在市政污水处理广泛应用[8]，但在处理压裂返排液方面应用较少。

本次研究采用撬装微涡流混凝装置处理气田压裂返排液，通过试验对混凝处理剂种类、投加量、搅拌时间等参数进行了优选，并对处理剂在设备中的投加位置进行优化，为实现气井压裂返排液不落地处理提供依据。

1 气田压裂返排液特点和处理工艺

1.1 返排液水质特点分析

本次在长庆油田某气井井场开展了胍胶压裂返排液现场处理试验，返排液水质分析结果见表1。

由表1可知，各种添加剂使压裂返排液具有悬浮物含量高、黏度高的特点。

表1 气田压裂返排液水质指标

1.2 微涡流混凝工艺流程

试验采用以撬装微涡流装置为主的处理工艺，见图1。

图1 气田压裂返排液处理工艺流程

该处理工艺主要由管道混合、微涡流混凝、过滤等3个主要工序组成，主要是降低返排液黏度，除悬浮物、离子等，使处理后的出水达到合理使用点。

2 材料与方法

2.1 药品与仪器

药剂：聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铝铁(PAFC)、聚合硅酸铝铁(PSAF)、膨润土、聚丙烯酰胺(PAM)。

仪器：便携式浊度仪、便携式红外测油仪、携式pH计等。

2.2 试验方法

混凝处理剂的筛选、投加量及搅拌时间确定试验在500 mL的烧杯中进行，分别加入不同处理剂，均匀搅拌，静置后，对上清液进行分析。

现场试验部分采用撬装微涡流装置，对装置进水、出水进行采样分析。

pH值、含油、黏度测定采用便携式仪器。悬浮物测定一般采用重量法，但考虑到现场条件限制，为了快速评价处理剂混凝效果，以浊度表征水质处理效果[7]，采用便携式浊度仪测定浊度。

3 结果与讨论

3.1 絮凝剂筛选

PAC、PFS、PAFC、PSAF等4种絮凝剂的混凝效果见图2。

图2 不同絮凝剂的混凝效果

由图2可知，4种絮凝剂的处理效果为：PAC的处理效果最好，固液分层明显且上清液浊度较低，优于PFS和PAFC，而PFS处理效果最差。

3.2 PAC投加量确定

不同剂量PAC的混凝效果见图3。

图3 PAC投加量对混凝效果的影响

随着PAC投加量的增加絮体量增多，聚结程度不断加大，由图3可知，PAC投加量为500 mg/L时，上清液浊度最低。但当PAC投加量继续增加时，絮体开始变得松散，沉降速度显著变慢，上清液变浊。

3.3 膨润土加量对混凝效果的影响

气田压裂返排液混凝过程中发现，产生絮体小、难于沉降，沉降时间须1 h以上，且上清液出水量小，仅占30%～40%。试验发现，在返排液中添加膨润土，可以加快絮体沉降。因此，试验将不同比例的膨润土加入PAC，混凝效果见表2。

表2 膨润土加量对混凝的影响

由表2可知，加入膨润土后能有效降低混凝的沉降时间，这是由于膨润土具有良好的吸附性和较高的密度，能使悬浮固体、有机物及油类吸附到黏土颗粒表面，促进絮体形成，提高絮体密度，加快絮体沉降[9]。当膨润土与PAC复配比例为1∶1时，沉降时间最短，约24 s，比单独使用PAC沉降时间缩短60%。因此，试验采取在混凝前，将PAC和膨润土按1∶1的比例混合溶解后添加至返排液中。

3.4 PAM投加量确定

不同剂量PAM的混凝效果见图4。

图4 PAM投加量对混凝效果的影响

由图4可知，随着PAM投加量的增加，上清液浊度先降低后增加，最佳投加量为20 mg/L。当投加量不足时，不足以将产生的絮体聚结起来，絮体较小；当投加量过多时，由于PAM水解后形成丙烯酰胺和丙烯酸盐的共聚物，一些酰胺基带有负电荷，水解度过高会对PAC的絮凝产生阻碍作用，使得絮体量多且松散，增加了上清液浊度。

3.5 助凝剂搅拌时间确定

试验发现，搅拌时间对混凝效果影响较大，助凝剂搅动时间在压裂返排液处理过程中的影响见表3。

由表3可知，助凝剂投加后搅拌时间为1 min时，搅拌强度最适宜，形成絮团最大，且絮团下沉速度最快。搅拌时间过长，形成的絮团又被搅拌器冲散，无法实现絮团快速下沉。

表3 助凝剂投加后搅拌时间分析

3.6 现场试验

3.6.1 混凝处理剂投加位置确定

采用撬装微涡流装置处理压裂返排液时，混凝处理剂投加位置、时间对处理效果的影响见表4。

表4 混凝处理剂不同投加位置效果对比

由表4可知，在管道混合器处投加PAC+膨润土、在搅拌罐处投加PAM，混凝剂与返排液反应时间更加充足，沉降时间约20 min，混凝沉降效果最好。由此可见“管道混合器+微涡流混凝器+搅拌罐”的处理工艺处理效果最好。

3.6.2 处理效果

在长庆油田某气井井场采用撬装微涡流装置对3口井进行处理，处理后水质见表5，其中SS、油类的去除率达到97.3%和58.1%，黏度可降低52.3%。

表5 气田压裂返排液处理后水质指标

4 结 论

1)撬装微涡流混凝装置处理工艺为“管道混合器+微涡流混凝器+搅拌罐”，处理后水质SS、油类的去除率达到97.3%和58.1%，黏度可降低52.3%。

2)絮凝剂的混凝效果为PAC>PFS>PAFC>PSAF；当膨润土与PAC复配比例为1∶1，投加量为500 mg/L时，混凝效果最好。助凝剂PAM的最佳投加量为20 mg/L，最佳搅拌时间为1 min。

3)采用撬装微涡流混凝装置处理气田压裂返排液时，在管道混合器处投加PAC+膨润土、在搅拌罐处投加PAM，混凝沉降效果最好。

4)通过现场试验发现，随着气田压裂返排持续进行，返排液存放时间的延长也会导致水质恶化、处理难度增加，建议优先开展返排液量大的井施工，随井作业废液处理需提前1～2 d施工，防止水质恶化；同时应进一步研究水处理方法及药剂，以解决返排液长时间存放水质恶化的问题。