含壓裂返排液洗井廢水混凝沉降實驗研究

中海油節能環保服務有限公司

為保證油田穩定生產，需進行壓裂、酸化、洗井等一系列作業，作業的同時會產生作業廢水[1]。為了更好地將這一部分廢水進行達標處理，目前采用較多的處理方式為集中到某處單獨處理或采用移動式橇裝設備進行就地處理[2]。

洗井廢水分為洗油井廢水和洗注水井廢水[3]。洗井廢水中的污染物主要有油類（溶解油、乳化油、浮油等）和懸浮固體（泥砂、黏土、結垢及腐蝕產物）[4]，水質情況比較復雜。壓裂是油田增產的有效措施，壓裂施工結束后，往往會有一部分壓裂液返排到地面[5]，由于壓裂液中含有胍膠、交聯劑、破膠劑、殺菌劑、防膨劑、助排劑、pH值穩定劑等添加劑，返排液成分復雜[6]，與洗井水混合后，增加了洗井水的處理難度。國內油田作業廢水處理技術可分為物理法、化學法、生物法，具體的技術主要包括混凝（絮凝）、催化氧化法、氣浮分離、生物處理、膜分離等[7]。本文主要采用混凝沉降的方式處理含壓裂返排液洗井廢水。

大慶油田某采油廠在壓裂作業的基礎上進行洗井作業，因此回收的洗井水中會含有部分壓裂返排液。由于壓裂返排液隨著返排時間的不同，返排量也不同，而返排液與洗井液不同的混合比例絮凝效果也不相同，因此分別取現場洗井水與壓裂返排液，室內按照不同的比例配制混合液，采用絮凝的方法對混合液進行處理，以期找到合適的加藥比例，同時考察沉降時間對絮凝效果的影響。

1 實驗

1.1 材料和設備

實驗材料包括聚合氯化鋁（PAC，工業級）、陽離子聚丙烯酰胺（CPAM，相對分子質量800萬，陽離子度30%）。

實驗儀器包括AL104分析天平、玻璃砂芯過濾裝置、722E分光光度計、HH-4恒溫水浴鍋、JJ-1精密電動攪拌器。

1.2 實驗方法

（1）水質檢測。含油量和懸浮物的測定參照SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》，透光率的測定依據參考文獻[8]。

（2）絮凝效果評價。采用燒杯絮凝實驗，向500 mL燒杯中加入300 mL配置好的模擬污水，加入一定量的絮凝劑，快速（300 r/min）攪拌1 min，再慢速（150 r/min）攪拌2 min，放入25 ℃水浴內靜置一定時間，取水樣進行測定。

2 結果與討論

2.1 水質化驗

分別取現場壓裂返排液和洗井水進行水質檢測（表1）。同時利用微孔膜過濾器分別對兩種水樣進行過濾，考察過濾時間隨過濾水樣體積的變化（圖1）以及微孔膜截留雜質情況（圖2）。

圖1 水樣過濾時間隨濾液體積變化曲線Fig.1 Curve of water sample filter time changing with filtrate volume

圖2 微孔濾膜上截留的雜質Fig.2 Impurities intercepted on the microporous membrance

從表1中數據可以看出，洗井水和壓裂返排液均呈弱堿性，洗井水含油濃度為127.5 mg/L；壓裂返排液的含油濃度較低，為8 mg/L。壓裂返排液的懸浮固體濃度為213 mg/L，是洗井水懸浮固體濃度的6.6倍。從圖1也可以看出，隨著過濾水樣體積的增加，壓裂液的過濾時間增加明顯，這主要是由于壓裂返排液中的懸浮固體造成的。從微孔膜截留下來的固體雜質也可以看出，微孔膜截留洗井水的雜質為黑色，主要為黏土、油類等雜質，微孔膜截留壓裂返排液中的雜質呈黃色，主要是胍膠破膠后的碎片及部分析出的胍膠，這部分胍膠對聯合站水處理工藝中過濾系統有一定的影響，因此必須在前期去除。

2.2 CPAM加量對絮凝效果的影響

根據現場實際情況，壓裂返排液與洗井水的比例不大于30%，室內配制含不同濃度壓裂返排液的模擬污水，分別配制了含10%、20%、30%（體積分數）返排液的模擬污水進行絮凝實驗。在實驗溫度25 ℃、沉降時間2 h的條件下，考察不同CPAM加入濃度對絮凝效果的影響，測得水樣的透光率隨試劑加入濃度變化曲線（圖3）。

表1 水樣水質檢測結果Tab.1 Testing results of water sample quality

圖3 水樣透光率隨CPAM加入濃度變化曲線Fig.3 Curve of water sample transmittance changing with the concentration of CPAM

從圖3中可以看出，水樣的透光率隨著CPAM加量增加先增大后增加趨勢變緩，其中含10%返排液水樣在CPAM加入濃度為5 mg/L時，透光率為77.5%，加藥量再增加水樣透光率變化緩慢；含20%返排液水樣在CPAM加入濃度為6 mg/L時，水樣透光率為76.5%，再增加加藥量水樣透光率變化緩慢；含30%返排液的水樣在CPAM加入濃度為8 mg/L時水樣透光率為76.9%，再增加加藥量水樣透光率變化緩慢。出現這種現象的原因是CPAM加量過低時，電中和作用明顯，而吸附架橋和卷掃作用比較弱，不能起到很好的絮凝作用；而當加量過高時，許多高分子化合物的一端吸附在同一分散相的表面（圖4），或者是許多高分子線團環繞在膠體的周圍，形成水化外殼，將分散相顆粒包裹起來，對膠體起到保護作用，不利于混凝[9]。

圖4 高分子絮凝劑的聚沉作用和保護作用示意圖Fig.4 Schematic diagram of coagulation effect and protection effect of plomer flocculant

2.3 PAC加量對絮凝效果的影響

在CPAM加量一定的條件下（含10%返排液水樣CPAM加量5 mg/L，含20%返排液水樣CPAM加量6 mg/L，含30%返排液水樣CPAM加量8 mg/L），PAC加入濃度在50～500 mg/L之間變化，實驗溫度25 ℃，絮凝沉降2 h，考察水樣透光率隨PAC加入濃度的變化，具體結果見圖5。

圖5 水樣透光率隨PAC加入濃度變化曲線Fig.5 Curve of water sample transmittance changing with the concentration of PAC

從圖5可以看出，隨著PAC加量的增加，水樣的透光率逐漸增大，其中含10%返排液水樣在PAC加入濃度為300 mg/L時，水樣的透光率為89.4%；含20%返排液的水樣當PAC加入濃度為400 mg/L時，透光率可達到95%；含30%返排液水樣當PAC加入濃度為450 mg/L時，透光率為91.5%。根據含油量和懸浮固體含量檢測結果，當水樣的透光率達到90%以上時，水中的懸浮固體和含油濃度均可以滿足＜20 mg/L的條件，但水樣的絮凝效果除了與試劑加量有關外，還與水樣的沉降時間有關，而物理沉降是比較節約成本的一種水處理方法。基于節約成本考慮，利用藥劑與物理沉降雙重作用達到處理指標。

2.4 沉降時間確定

根據上一階段的實驗結果，在實驗條件為25 ℃條件下，考察含壓裂返排液濃度分別為10%、20%、30%的洗井水加入不同濃度的PAC和CPAM的處理效果（表2）。由于前期實驗已經找到了每個水樣透光率達到90%的試劑加量，為了降低投入成本，本次考察沉降時間時，試劑加量均選擇在透光率低于90%的加量點。考察水樣透光率隨沉降時間的變化情況，找出水樣吸光度趨于穩定及透光率較好時所需的沉降時間（圖6）。

表2 各水樣的試劑加量及檢測結果Tab.2 Agent dosage and testing results of water samples

圖6 水樣透光率隨沉降時間變化曲線Fig.6 Curve of water sample transmittance changing with setting time

由表2和圖6可見，不同返排液含量的水樣（10%、20%、30%）經過4～6 h沉降，透光率均可達到90%以上，沉降時間增加會促進水中懸浮固體的聚沉，同時在聚沉的過程中懸浮固體對水中的膠體有一定的攜帶作用。沉降時間再增加，透光率增幅不大，沉降6～10 h水樣已經趨于穩定。沉降4 h后，三種水樣的懸浮固體濃度和含油濃度均可達到＜20 mg/L指標，符合現場要求。含10%返排液水樣處理后水中含油濃度為7.5 mg/L，懸浮固體濃度為16.5 mg/L；含20%返排液水樣處理后水中含油濃度為6.9 mg/L，懸浮固體濃度為18.9 mg/L；含30%返排液水樣處理后水中含油濃度為7.1 mg/L，懸浮固體濃度為16 mg/L。

3 結論

（1）對于返排液含量為10%～30%的水樣，CPAM加量具有最優值：含10%返排液水樣的CPAM最優加入濃度為5 mg/L，含20%返排液水樣的CPAM最優加入濃度為6 mg/L，含30%返排液水樣的CPAM最優加入濃度為8 mg/L。

（2）返排液含量為10%～30%的水樣在CPAM最優加量條件下，PAC加量在300～450 mg/L條件下，透光率均可達到90%以上。

（3）返排液含量為10%～30%的水樣在合理的CPAM和PAC加量條件下，經過4 h沉降后的透光率均可達到90%以上，殘余含油濃度和懸浮固體濃度均可達到20 mg/L以下。沉降時間再增加，水樣透光率變化不大。