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油气田压裂返排液治理技术研究

来源:万方期刊网  时间:2014-08-19 11:12:35  点击:

作者:李永东
 

摘要:作为重要的技术手段,压裂技术方便了油气田的勘探与开发,并成为必不可少的水井增注、油气井增产措施。压裂作业完成后,返排液中含有许多的甲醛、胍胶水、石油类等添加剂,若直接排放,则将对环境造成巨大的污染,特别是地表水与农田土壤。同时,压裂液中含有种类繁杂的添加剂,压裂液因使用添加剂具有高黏度、高稳定性与高COD值,尤其是亲水性有机添加剂更是难以从废水中净化。
关键词:油气田;压裂返排液;治理技术


一 压裂返排液概述
残余压裂液与洗井废水构成压裂返排液。据研究显示,单个钻井队平均每天在压裂井中产出100-200m³废水。压裂返排液的特点如下:
成分多样、含量高、污染物种类多。高分子聚合物与浓度较高的胍胶为主要的返排液成分,另外,还含有总铁、硫化物、SRB菌等,其中总硫与总铁含量超过20mg/L。
乳化程度高、黏度大。放喷液粘度是10-20mPa•s,为最高;黏度最低的是近排液。复合型压裂液为压裂材料,乳化恶劣,返排液黏稠、乌黑,静沉出水较难。(万方期刊网)
处理难度大。含油污水常规处理中,悬浮物最难处理,达标困难。返排液性质特殊与构成复杂决定了处理上的困难。
下表是返排液的水质特点,通过观察发现, 石油类污染物、有机物含量很高,并与其他废水相比黏度更大。一般情况下,1x10-3Pa•s为20℃水温黏度,返排液黏度比水黏度高出3至10倍,这也体现返排液处理的困难度。同时,在处理时,返排液中投放的化学药剂很难扩散,传质作用不明显,过长的反应体系,处理效果不尽人意。
色度/倍 P(SS)/
(mg•L-1) pH P(COD)/
(mg•L-1) P(石油类)/
(mg•L-1) 黏度/
(10-2Pa•s)
200-500 50-200 8-9 2000-10000 20-50 3-10

二 治理压裂返排液技术研究
(一)絮凝沉降法
将助凝剂与絮凝剂加入压裂返排液中,沉降悬浮微粒与杂质,分离固液的方法为絮凝沉降法,是重要的水处理分离技术方法。压裂液本身添加了许多高分子聚合物,增加了返排液黏度,絮凝剂不易有效扩散,对悬浮物的沉降聚结力效果减弱,影响化学絮凝效果的发挥。为有效降低成本、减少化学剂添加量、提升处理成效,可以氧化工艺与絮凝沉降法结合应用。(万方期刊网)
比如,王建国研究了桥口油田在压裂、酸化与钻井时产生的废液,采用污泥吸附混凝沉降法处理,以酸液预中和,将有害成分分离出废液,废液处理达标。以平均4万m³/年计算,废水处理成本节约65万,其中设备维修2万,电费节约1万。桂召龙在研究王家岗废液与压裂返排液、洗井废水时,以复配破胶分离化学药剂法做处理。结果显示,破稳分离混合废液的结果和王家岗的采出水配伍性良好,符合实际生产的要求。中间试验证明,为120mg/L与320-400mg/L分别为ZF-II-A与ZF-I-B投加量,罐出水经破稳分离后悬浮物含量小于45mg/L,装置出水小于15mg/L,实现90%以上的去除率,油田采出水处理系统可直接利用处理后的废液。处理效果的好坏因絮凝剂种类有所不同,常用絮凝剂有PAC(聚合氯化铝)、PAM(聚丙烯酰胺)、PFS(聚合硫酸铝)等,复配使用絮凝剂可发挥较好效果。如何红梅将粉煤灰、PHP、PFS复合治理返排液,COD值从2289mg/L降低为596mg/L。
絮凝法受较多因素限制,比如复杂的操作工序;混凝效果受诸多因素影响;悬浮物含量高则絮凝剂用量增多,污泥量也水涨船高等。
(二)生物处理法
通过微生物谢功能,将胶体、溶解形态的有机物转变成无害稳定物质,净化废水,同时将有机物合成为细胞质。微生物细胞质具易凝聚、个体大的特点,可被废液里的物质吸附凝聚一同上浮、沉淀,实现废水分离。培养菌种与废水预处理是压裂液的生物法处理环节。该法可行性与针对性强,成本低,工艺简单,方便管理。但优势菌种寻找困难,花费时间长。何红梅对大港油田某井的返排液以混凝-Fe/C微电解-活性炭吸附法处理,再做生化处理。结果显示,返排液在预处理环节除去了65%的COD,可生化性得到提高,后续生化负荷明显降低;生化处理16d,COD值从6400mg/L下降为93mg/L。刘军在对大港油田某井的返排液以混凝-微电解-吸附为预处理法,再做生化处理。结果显示,经生化处理后,返排液的COD值从8869mg/L下降为69mg/L,实现99.0%的除去率,水质符合国家排放规定。(万方期刊网)
(三)氧化法
AOPs即高级氧化法,有机污染物难以降解通常采取此法。Fenton试剂催化是常用的高级氧化法,用物化与生化法处理困难的有机污染物,则可采取此法。催化剂Fe+2与氧化剂H2O2为活性Fenton试剂成分。在酸性条件,经多种途径产生•OH并氧化降解有机污染物,得到毒性较小的小分子物质,实现COD值的降低。周国娟研究压裂废水时以Fenton氧化-絮凝发处理,结果显示,当废水酸性值为3.0,投入质量分数0.2%的水与(FeSO4)20mg/L,废水经处理pH值变为7.5,废水中含油量为5.21mg/L,悬浮物含量为2.5mg/L,平均细菌含量10个、/mL,平均腐蚀速率0.011mm/a,水质与油田回注水指标一致。
在有机物处理过程中,Fenton法也会产生一些问题,比如H2O2腐蚀性极强,会损坏设备,水的颜色因二甲铁离子加深,水中过量的H2O2残留将对•OH起到抑制作用,不利于处理的进行。
(四)Fe/C微电解组合
该法采用了金属腐蚀理论,通过氧化反应Fe/C原电池实现污染物的降解,原料为废铁屑,实现资源再循环,达到以废治废的目的,操作简单,在处理降解困难的废水中较为适用。电极反应的产物化学活性强,新生态Fe2+与新生原子太[H]可氧化大量废水组分,实现大化小的目的,提高物质易降解度。作为较好的絮凝剂,Fe2+与Fe3+可将废水中污染吸附,在絮体聚结较大后沉降。(万方期刊网)
(五)超滤法
UF(超滤法)为膜分离技术,可分离、净化、浓缩溶液,分离水平在微滤与纳滤之间。500-50000Ou为超滤法的分子量截留定义域,0.002-0.1um为相应孔径,0.1-0.5MPa为静压差。超滤过程其实质就是膜孔径大小的对应筛选。过滤介质为超滤膜,在压力作用下,水流经过膜面,小于膜径的无机盐、水小分子可以直接穿过,蛋白质、胶体、微生物、悬浮物等大分子就被阻拦。超滤技术的优点较多,如有适当大小的孔径,可以截留所有的蛋白质、病毒、细菌、胶体微粒等大分子的有机物;仅以低压推动即可分离,耗能少,工艺设备复杂性明显降低;没有相际间变动,对温度操作无特殊要求;装置结构简单、体积小,管理、操作与维修很方便;在动态运行下不会产生滤饼,稳定的过滤速率保持着平衡值。但是,在膜分离技术中,易产生膜污染与浓差极化,经一定时间运行后,膜的渗透率会降低;更换滤膜较为频繁,因膜成本高,无形阻碍了超滤技术的广泛应用。
(六)活性碳吸附法
活性炭是表面积比巨大、吸附性强、多孔的固体,溶解性有机物的除去多以活性吸附法进行,并改善污水嗅味、色度等有机指标。在返排液处理实践中,吸附法常联合其他技术一起使用。万里平将双氧水与吸附法同时使用,实现90%的COD去除率,污染物含量明显降低。优质活性炭成本高,会增加总处理成本;除了高再生成本外,经高温再生会损失8%的碳,也会降低15%的吸附力。(万方期刊网)

三 研究展望
预处理后回注与达标处理后外排是主流的返排液处理技术。我国的返排液处理技术虽然水平较高,但难免存在缺陷:处理成本高昂、操作复杂、药剂用量大、工艺繁杂、设备投资大等,当前,处理返排液的成本大概为10-100元/m³,废水处理量小,处理周期长,无法满足现场作业,易出现再次污染。返排液成分复杂,体系易变,并无完整的处理高污染压裂液的工艺,难以实现国家规定值排放。所以,要实返排液技术成本的降低,效率的提高,废液处理达标实现环保的目的,应该下面几点做研究:
研制廉价、可靠稳定、新型高效且不会造成再次污染的返排液处理剂。混凝剂应分层效果好、沉降速度快、絮凝能力强、絮凝体的体积小等优势,同时不论是中性或碱性其使用效果要稳定。
应利用综合性工艺处理方法,以避免化学药剂多用,降低资金花费,提升处理成效。比如迟永杰以自然降解-加药预处理-电絮凝机处理-SSF净化污水处理法,用药量明显的降低,由6000mg/L下降为300mg/L,处理返排液的药剂花费从30元/t下降为10元/t,水处理运行资金明显节省。
以新型绿色压裂液体系为研发方向,发展主线为无聚合物、低聚合物压裂液,尽量实现低或无残渣。从源头抓起,做好压裂液处理剂的环保开发,取压裂液难降解现状,从根本上实现环境因压裂遭受最小废液污染。
构建油田制度规章,做好监督排放工作,有组织、有计划的排放处理污染物。(万方期刊网)

四 结语
    油气井为增长通常以压裂作业方式进行,压裂返排液是压裂环节中产生的一种液体污染物。压裂返排液含表面活性剂、交联剂、增黏剂、破胶机等化学成分,稳定性强、COD值大、黏度高。将压裂返排液直接排放会污染环境,造成水体变质、土壤无法耕种,这与环保理念大相径庭。为此,做好压裂返排液的治理工作是油气田单位的责任,本文就治理压裂返排液的技术做了相关的探讨,希望起到抛砖引玉的作用,为绿色生态贡献力量。
 

参考文献:
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