含壓裂返排液洗井廢水混凝沉降實(shí)驗(yàn)研究

中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司

為保證油田穩(wěn)定生產(chǎn)，需進(jìn)行壓裂、酸化、洗井等一系列作業(yè)，作業(yè)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生作業(yè)廢水[1]。為了更好地將這一部分廢水進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理，目前采用較多的處理方式為集中到某處單獨(dú)處理或采用移動(dòng)式橇裝設(shè)備進(jìn)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(lèi)（溶解油、乳化油、浮油等）和懸浮固體（泥砂、黏土、結(jié)垢及腐蝕產(chǎn)物）[4]，水質(zhì)情況比較復(fù)雜。壓裂是油田增產(chǎn)的有效措施，壓裂施工結(jié)束后，往往會(huì)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(lián)劑、破膠劑、殺菌劑、防膨劑、助排劑、pH值穩(wěn)定劑等添加劑，返排液成分復(fù)雜[6]，與洗井水混合后，增加了洗井水的處理難度。國(guó)內(nèi)油田作業(yè)廢水處理技術(shù)可分為物理法、化學(xué)法、生物法，具體的技術(shù)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(yè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行洗井作業(yè)，因此回收的洗井水中會(huì)含有部分壓裂返排液。由于壓裂返排液隨著返排時(shí)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(xiàn)場(chǎng)洗井水與壓裂返排液，室內(nèi)按照不同的比例配制混合液，采用絮凝的方法對(duì)混合液進(jìn)行處理，以期找到合適的加藥比例，同時(shí)考察沉降時(shí)間對(duì)絮凝效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料包括聚合氯化鋁（PAC，工業(yè)級(jí)）、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM，相對(duì)分子質(zhì)量800萬(wàn)，陽(yáng)離子度30%）。

實(shí)驗(yàn)儀器包括AL104分析天平、玻璃砂芯過(guò)濾裝置、722E分光光度計(jì)、HH-4恒溫水浴鍋、JJ-1精密電動(dòng)攪拌器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

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

（2）絮凝效果評(píng)價(jià)。采用燒杯絮凝實(shí)驗(yàn)，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(nèi)靜置一定時(shí)間，取水樣進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)化驗(yàn)

分別取現(xiàn)場(chǎng)壓裂返排液和洗井水進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)（表1）。同時(shí)利用微孔膜過(guò)濾器分別對(duì)兩種水樣進(jìn)行過(guò)濾，考察過(guò)濾時(shí)間隨過(guò)濾水樣體積的變化（圖1）以及微孔膜截留雜質(zhì)情況（圖2）。

圖1 水樣過(guò)濾時(shí)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(zhì)Fig.2 Impurities intercepted on the microporous membrance

從表1中數(shù)據(jù)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(guò)濾水樣體積的增加，壓裂液的過(guò)濾時(shí)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(lái)的固體雜質(zhì)也可以看出，微孔膜截留洗井水的雜質(zhì)為黑色，主要為黏土、油類(lèi)等雜質(zhì)，微孔膜截留壓裂返排液中的雜質(zhì)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(duì)聯(lián)合站水處理工藝中過(guò)濾系統(tǒng)有一定的影響，因此必須在前期去除。

2.2 CPAM加量對(duì)絮凝效果的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，壓裂返排液與洗井水的比例不大于30%，室內(nèi)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?jǐn)?shù)）返排液的模擬污水進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃、沉降時(shí)間2 h的條件下，考察不同CPAM加入濃度對(duì)絮凝效果的影響，測(cè)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(zhì)檢測(cè)結(jié)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(shì)變緩，其中含10%返排液水樣在CPAM加入濃度為5 mg/L時(shí)，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(shí)，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(shí)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(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是CPAM加量過(guò)低時(shí)，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(dāng)加量過(guò)高時(shí)，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(tuán)環(huán)繞在膠體的周?chē)纬伤鈿?，將分散相顆粒包裹起來(lái)，對(duì)膠體起到保護(hù)作用，不利于混凝[9]。

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

2.3 PAC加量對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jié)果見(jiàn)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(shí)，水樣的透光率為89.4%；含20%返排液的水樣當(dāng)PAC加入濃度為400 mg/L時(shí)，透光率可達(dá)到95%；含30%返排液水樣當(dāng)PAC加入濃度為450 mg/L時(shí)，透光率為91.5%。根據(jù)含油量和懸浮固體含量檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)水樣的透光率達(dá)到90%以上時(shí)，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(guān)外，還與水樣的沉降時(shí)間有關(guān)，而物理沉降是比較節(jié)約成本的一種水處理方法。基于節(jié)約成本考慮，利用藥劑與物理沉降雙重作用達(dá)到處理指標(biāo)。

2.4 沉降時(shí)間確定

根據(jù)上一階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)已經(jīng)找到了每個(gè)水樣透光率達(dá)到90%的試劑加量，為了降低投入成本，本次考察沉降時(shí)間時(shí)，試劑加量均選擇在透光率低于90%的加量點(diǎn)。考察水樣透光率隨沉降時(shí)間的變化情況，找出水樣吸光度趨于穩(wěn)定及透光率較好時(shí)所需的沉降時(shí)間（圖6）。

表2 各水樣的試劑加量及檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Agent dosage and testing results of water samples

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

由表2和圖6可見(jiàn)，不同返排液含量的水樣（10%、20%、30%）經(jīng)過(guò)4～6 h沉降，透光率均可達(dá)到90%以上，沉降時(shí)間增加會(huì)促進(jìn)水中懸浮固體的聚沉，同時(shí)在聚沉的過(guò)程中懸浮固體對(duì)水中的膠體有一定的攜帶作用。沉降時(shí)間再增加，透光率增幅不大，沉降6～10 h水樣已經(jīng)趨于穩(wěn)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(dá)到＜20 mg/L指標(biāo)，符合現(xiàn)場(chǎng)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(jié)論

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

（2）返排液含量為10%～30%的水樣在CPAM最優(yōu)加量條件下，PAC加量在300～450 mg/L條件下，透光率均可達(dá)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(jīng)過(guò)4 h沉降后的透光率均可達(dá)到90%以上，殘余含油濃度和懸浮固體濃度均可達(dá)到20 mg/L以下。沉降時(shí)間再增加，水樣透光率變化不大。