氣田壓裂返排液微渦流混凝處理效果分析

范 婧 劉 寧 朱 妍 李 巖 蔣繼輝

(1.中國石油長慶油田油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室)

0 引 言

壓裂作業是油氣井增產的主要措施之一，其產生的壓裂返排液量大，且由于返排液中殘存著高分子聚合物、溶解性有機物及返排時所帶出地層中的泥沙、鹽水等，致使其成分復雜多變，處置不當會對環境產生危害[1-3]。當前長慶油田壓裂返排液處理主要采用混凝工藝，且針對油氣田處理規模小、區塊分散的特點，采用撬裝化移動處理裝置，解決了區域環境污染、壓裂返排液不落地的問題[4-6]。傳統混凝處理藥劑用量大、混凝不徹底，有研究者發現微渦流混凝通過“渦流凝聚、接觸絮凝”的作用，能夠提高混凝效果、降低藥劑投加量[7]。該工藝已在市政污水處理廣泛應用[8]，但在處理壓裂返排液方面應用較少。

本次研究采用撬裝微渦流混凝裝置處理氣田壓裂返排液，通過試驗對混凝處理劑種類、投加量、攪拌時間等參數進行了優選，并對處理劑在設備中的投加位置進行優化，為實現氣井壓裂返排液不落地處理提供依據。

1 氣田壓裂返排液特點和處理工藝

1.1 返排液水質特點分析

本次在長慶油田某氣井井場開展了胍膠壓裂返排液現場處理試驗，返排液水質分析結果見表1。

由表1可知，各種添加劑使壓裂返排液具有懸浮物含量高、黏度高的特點。

表1 氣田壓裂返排液水質指標

1.2 微渦流混凝工藝流程

試驗采用以撬裝微渦流裝置為主的處理工藝，見圖1。

圖1 氣田壓裂返排液處理工藝流程

該處理工藝主要由管道混合、微渦流混凝、過濾等3個主要工序組成，主要是降低返排液黏度，除懸浮物、離子等，使處理后的出水達到合理使用點。

2 材料與方法

2.1 藥品與儀器

藥劑：聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)、聚合氯化鋁鐵(PAFC)、聚合硅酸鋁鐵(PSAF)、膨潤土、聚丙烯酰胺(PAM)。

儀器：便攜式濁度儀、便攜式紅外測油儀、攜式pH計等。

2.2 試驗方法

混凝處理劑的篩選、投加量及攪拌時間確定試驗在500 mL的燒杯中進行，分別加入不同處理劑，均勻攪拌，靜置后，對上清液進行分析。

現場試驗部分采用撬裝微渦流裝置，對裝置進水、出水進行采樣分析。

pH值、含油、黏度測定采用便攜式儀器。懸浮物測定一般采用重量法，但考慮到現場條件限制，為了快速評價處理劑混凝效果，以濁度表征水質處理效果[7]，采用便攜式濁度儀測定濁度。

3 結果與討論

3.1 絮凝劑篩選

PAC、PFS、PAFC、PSAF等4種絮凝劑的混凝效果見圖2。

圖2 不同絮凝劑的混凝效果

由圖2可知，4種絮凝劑的處理效果為：PAC的處理效果最好，固液分層明顯且上清液濁度較低，優于PFS和PAFC，而PFS處理效果最差。

3.2 PAC投加量確定

不同劑量PAC的混凝效果見圖3。

圖3 PAC投加量對混凝效果的影響

隨著PAC投加量的增加絮體量增多，聚結程度不斷加大，由圖3可知，PAC投加量為500 mg/L時，上清液濁度最低。但當PAC投加量繼續增加時，絮體開始變得松散，沉降速度顯著變慢，上清液變濁。

3.3 膨潤土加量對混凝效果的影響

氣田壓裂返排液混凝過程中發現，產生絮體小、難于沉降，沉降時間須1 h以上，且上清液出水量小，僅占30%～40%。試驗發現，在返排液中添加膨潤土，可以加快絮體沉降。因此，試驗將不同比例的膨潤土加入PAC，混凝效果見表2。

表2 膨潤土加量對混凝的影響

由表2可知，加入膨潤土后能有效降低混凝的沉降時間，這是由于膨潤土具有良好的吸附性和較高的密度，能使懸浮固體、有機物及油類吸附到黏土顆粒表面，促進絮體形成，提高絮體密度，加快絮體沉降[9]。當膨潤土與PAC復配比例為1∶1時，沉降時間最短，約24 s，比單獨使用PAC沉降時間縮短60%。因此，試驗采取在混凝前，將PAC和膨潤土按1∶1的比例混合溶解后添加至返排液中。

3.4 PAM投加量確定

不同劑量PAM的混凝效果見圖4。

圖4 PAM投加量對混凝效果的影響

由圖4可知，隨著PAM投加量的增加，上清液濁度先降低后增加，最佳投加量為20 mg/L。當投加量不足時，不足以將產生的絮體聚結起來，絮體較小；當投加量過多時，由于PAM水解后形成丙烯酰胺和丙烯酸鹽的共聚物，一些酰胺基帶有負電荷，水解度過高會對PAC的絮凝產生阻礙作用，使得絮體量多且松散，增加了上清液濁度。

3.5 助凝劑攪拌時間確定

試驗發現，攪拌時間對混凝效果影響較大，助凝劑攪動時間在壓裂返排液處理過程中的影響見表3。

由表3可知，助凝劑投加后攪拌時間為1 min時，攪拌強度最適宜，形成絮團最大，且絮團下沉速度最快。攪拌時間過長，形成的絮團又被攪拌器沖散，無法實現絮團快速下沉。

表3 助凝劑投加后攪拌時間分析

3.6 現場試驗

3.6.1 混凝處理劑投加位置確定

采用撬裝微渦流裝置處理壓裂返排液時，混凝處理劑投加位置、時間對處理效果的影響見表4。

表4 混凝處理劑不同投加位置效果對比

由表4可知，在管道混合器處投加PAC+膨潤土、在攪拌罐處投加PAM，混凝劑與返排液反應時間更加充足，沉降時間約20 min，混凝沉降效果最好。由此可見“管道混合器+微渦流混凝器+攪拌罐”的處理工藝處理效果最好。

3.6.2 處理效果

在長慶油田某氣井井場采用撬裝微渦流裝置對3口井進行處理，處理后水質見表5，其中SS、油類的去除率達到97.3%和58.1%，黏度可降低52.3%。

表5 氣田壓裂返排液處理后水質指標

4 結 論

1)撬裝微渦流混凝裝置處理工藝為“管道混合器+微渦流混凝器+攪拌罐”，處理后水質SS、油類的去除率達到97.3%和58.1%，黏度可降低52.3%。

2)絮凝劑的混凝效果為PAC>PFS>PAFC>PSAF；當膨潤土與PAC復配比例為1∶1，投加量為500 mg/L時，混凝效果最好。助凝劑PAM的最佳投加量為20 mg/L，最佳攪拌時間為1 min。

3)采用撬裝微渦流混凝裝置處理氣田壓裂返排液時，在管道混合器處投加PAC+膨潤土、在攪拌罐處投加PAM，混凝沉降效果最好。

4)通過現場試驗發現，隨著氣田壓裂返排持續進行，返排液存放時間的延長也會導致水質惡化、處理難度增加，建議優先開展返排液量大的井施工，隨井作業廢液處理需提前1～2 d施工，防止水質惡化；同時應進一步研究水處理方法及藥劑，以解決返排液長時間存放水質惡化的問題。