常啟新

中國石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院

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涪陵頁巖氣鉆井污水重復(fù)利用研究①

常啟新

中國石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院

涪陵頁巖氣田屬于開發(fā)初期，開發(fā)井?dāng)?shù)多，皆為長水平井，其產(chǎn)生的大量鉆井污水急需處理，而重復(fù)利用于壓裂現(xiàn)場是最經(jīng)濟最環(huán)保的手段。室內(nèi)通過分析涪陵頁巖氣田鉆井污水性質(zhì)、研究目前鉆井污水重復(fù)利用存在的難題，針對性地研究了處理藥劑、處理工藝、處理裝備和重復(fù)利用方案。從鉆井污水處理效果和現(xiàn)場重復(fù)利用情況看出，優(yōu)選的水處理藥劑滿足現(xiàn)場污水處理要求，處理工藝及處理裝備簡便易行。處理后水質(zhì)達到重復(fù)利用技術(shù)指標(biāo)，與壓裂液配伍性良好，能滿足涪陵山區(qū)復(fù)雜地形重復(fù)利用工藝要求。

涪陵頁巖氣田鉆井污水重復(fù)利用工藝及裝備

為實現(xiàn)環(huán)境與資源協(xié)調(diào)發(fā)展，鉆井污水重復(fù)利用逐漸成為各油田發(fā)展方向[1]。鉆井污水主要由鉆井液廢水、沖洗廢水(振動篩沖洗水、鉆井泵沖洗水、鉆臺鉆具機械設(shè)備清洗水等)和其他機械廢水組成[2]，性質(zhì)較為復(fù)雜。涪陵頁巖氣鉆井污水量大，單井產(chǎn)生鉆井污水1 000 m3，且性質(zhì)復(fù)雜、色度高、礦化度高、懸浮物濃度高、細菌濃度高。目前，處理鉆井污水時一般選擇pH值調(diào)節(jié)、絮凝、離心等處理方法[3-5]，處理成本較高，且國家和涪陵地方污水排放政策嚴(yán)格，處理后排放困難，環(huán)保壓力大。重復(fù)利用是一個環(huán)保且成本低的方法，但鉆井污水是不能直接利用的，其配制的壓裂液性能差，并存在儲層傷害。由此，需根據(jù)涪陵頁巖氣鉆井污水特性，研究一套適合于涪陵頁巖氣鉆井污水的重復(fù)利用技術(shù)。

1　涪陵頁巖氣鉆井污水性質(zhì)

目前，涪陵頁巖氣田鉆井在導(dǎo)管階段主要采用膨潤土鉆井液體系，一開與二開階段采用膨潤土、KCl、聚合物鉆井液體系；三開階段采用柴油與聚合物鉆井液體系。由此，主要研究了此類鉆井液體系在鉆井過程中產(chǎn)生的污水，包括水質(zhì)特征、處理方法及工藝、重復(fù)利用方法。

通過對涪陵焦石壩區(qū)塊多個平臺鉆井污水進行分析，了解焦石壩區(qū)塊鉆井污水特性，主要包括水型、礦化度、懸浮物濃度、細菌濃度、油含量等(見表1)。

表1　鉆井污水分析結(jié)果Table1　Analysisresultsofdrillingwastewater項目A號平臺未處理鉆井污水B號平臺未處理鉆井污水C號平臺未處理鉆井污水D號平臺未處理鉆井污水ρ(K++Na+)/(mg·L-1)5141.415619.359050.043885.31ρ(Ca2+)/(mg·L-1)186.970.000.00112.18ρ(Mg2+)/(mg·L-1)22.6945.38317.67136.14ρ(Ba2++Sr2+)/(mg·L-1)0.000.000.000.00ρ(Cl-)/(mg·L-1)5835.427567.239882.572541.23ρ(SO2-4)/(mg·L-1)268.87537.740.002150.98ρ(co2-3)/(mg·L-1)141.00141.00253.80211.50ρ(HCO-3)/(mg·L-1)3656.621147.188087.593800.02總礦化度/(mg·L-1)15253.0015057.8827591.6712837.37水型NaHCO3NaHCO3NaHCO3NaHCO3pH值96.8810SRB數(shù)量/(個·mL-1)≥2.5×105≥2.5×1054.5×1024.5×102TGB數(shù)量/(個·mL-1)≥2.5×105≥2.5×1054.5×1025×102FB數(shù)量/(個·mL-1)≥2.5×1054.54.52.5ρ(氧)/(mg·L-1)1.00.81.00.6ρ(懸浮物)/(mg·L-1)6048.001800.002420.002400.00ρ(油)/(mg·L-1)236.7287.8143.7303.4COD值/(mg·L-1)3861578168475245ρ(六價鉻)/(mg·L-1)0.0090.0040.0040.007

由實驗結(jié)果可以看出，未處理鉆井污水礦化度較高，為(1.3～3)×104mg/L，水型為NaHCO3，pH值大部分呈堿性和弱堿性，且水體呈棕褐色。鉆井污水含有少量的氧，3種細菌濃度較大,ρ(懸浮物)為2 000～6 000 mg/L，油含量亦較高。因其存在一定油含量、COD、六價鉻，若不經(jīng)處理直接排放,將會對周圍的環(huán)境尤其是農(nóng)作物及地表水質(zhì)造成嚴(yán)重污染。在后期處理時需考慮這些因素的影響，從而形成有針對性的對策。

在鉆井污水重復(fù)利用過程中主要存在下列問題：①配制的減阻水壓裂液性能不達標(biāo)(黏度性能差、減阻性能差)；②減阻劑溶解性能差；③出現(xiàn)沉淀或者絮狀物。這主要是由鉆井污水懸浮物多、細菌濃度高引起的。

2　污水處理及工藝

2.1鉆井污水常見處理方法

鉆井污水一般通過pH值調(diào)節(jié)、脫穩(wěn)反應(yīng)、氣浮、絮凝沉降、過濾等處理過程，最后實現(xiàn)外排或重復(fù)利用。目前，對鉆井污水處理單元設(shè)備進行污水移動式處理，在撬裝裝置上增加混凝、自控系統(tǒng)、氣浮、沉降等裝置，通過合理的工藝配置,并配以優(yōu)選的絮凝、氣浮藥劑,這種流程也可收到較為理想的處理效果[6]。

根據(jù)實驗效果，對于鉆井污水重復(fù)利用時，主要采取pH值調(diào)節(jié)、絮凝處理，若細菌較多，則進一步殺菌處理。通過pH值調(diào)節(jié)劑實驗得到NaOH加量為(300～350)×10-6(w)，需進一步優(yōu)選其他處理劑。

2.2絮凝劑實驗

采用某平臺預(yù)處理后鉆井污水，pH值調(diào)節(jié)劑采用NaOH，絮凝劑采用CLJ-1和CLJ-2，開展絮凝沉降實驗。實驗完成后觀察底部絮體厚度和絮體致密程度，并抽取上層清液,檢測其懸浮物濃度(見表2、圖1和圖2)。

表2　絮凝劑濃度實驗Table2　Effectsofflocculantdosages水樣w(CLJ-1)/10-6w(CLJ-2)/10-6絮體情況ρ(上層清液懸浮物)/(mg·L-1)①103厚2.5cm，較致密65.5②203厚2.2cm，致密15.8③503厚2.0cm，致密22.6④1003厚2.8cm，較致密22.0⑤2003厚3.1cm，較疏松24.7

絮凝形成大量的絮狀沉淀，卷掃或網(wǎng)捕膠體顆粒，共同沉降。絮凝劑的需要量同水中的雜質(zhì)數(shù)量有關(guān)。從實驗結(jié)果可以看出，調(diào)節(jié)pH值及絮凝后上層清液清澈，從絮體致密情況看，當(dāng)w(絮凝劑)為(20～50)×10-6時，絮體致密。

2.3助凝劑實驗

采用某平臺預(yù)處理鉆井污水，開展助凝劑濃度實驗。助凝劑起吸附架橋、改善絮體結(jié)構(gòu)、形成粗大密實的絮體的作用(見表3和圖3)。

從表3可以看出，當(dāng)CLJ-2加量為3×10-6(w)和5×10-6(w)時，沉降速度快，絮體致密，上清液清澈。從圖3可以看出,隨著時間的延長，絮體壓實程度增大。2天后，絮體致密程度變化不大;7天后，絮體所占體積比最低值僅為13%。

表3　助凝劑試驗Table3　Effectsoftheflocculantaiddosages水樣w(NaOH)/10-6w(CLJ-10/10-6w(CLJ-2)/10-6絮體沉積厚度/mm外觀①35050120上清液清澈②35050318上清液清澈③35050517上清液清澈④350501021上清液清澈

2.4殺菌劑實驗

采用某平臺預(yù)處理后鉆井污水，開展殺菌劑實驗，分別測試空白水樣、加藥后水樣的細菌數(shù)量(見表4)。

表4　殺菌劑評選Table4　ComparisonofthebiocidesinTGB，F(xiàn)B，andSRBkilling殺菌劑w/10-6TGBFBSRB細菌數(shù)量/(個·mL-1)殺菌率/%細菌數(shù)量/(個·mL-1)殺菌率/%細菌數(shù)量/(個·mL-1)殺菌率/%空白45.04.5×1044.5CLJ-310045.00.0950.097.945.00.0CLJ-41000.499.195.099.80.393.3CLJ-51000.0100.0250.099.42.544.4CLJ-610040.011.1200.099.62.544.4CLJ-710040.011.10.499.90.491.1CLJ-81000.698.70.999.90.0100.0

由表4可見，殺菌劑CLJ-8殺菌效果最好，其次為CLJ-4,對3種細菌的殺菌率均達93%以上。

選取處理后上層清液進行分析，分析結(jié)果見表5。對比3.2節(jié)表7中鉆井污水重復(fù)利用水質(zhì)指標(biāo)，已經(jīng)達標(biāo)，在重復(fù)利用時進一步稀釋后使用。

2.5水處理工藝流程設(shè)計

(1) 在污水pH值約為6時，調(diào)節(jié)劑加量為(300～350)×10-6(w)，將pH值調(diào)至8左右。

表5　處理后上層清液分析Table5　Analysisoftreatedwastewater項目處理后水質(zhì)ρ(K++Na+)/(mg·L-1)3846.20ρ(Ca2+)/(mg·L-1)1105.34ρ(Mg2+)/(mg·L-1)30.81ρ(Ba2++Sr2+)/(mg·L-1)0.00ρ(Cl-)/(mg·L-1)8341.52ρ(SO2-4)/(mg·L-1)38.36ρ(co2-3)/(mg·L-1)0.00ρ(HCO-3)/(mg·L-1)421.84總礦化度/(mg·L-1)13784.07水型CaCl2ρ(懸浮物)/(mg·L-1)15.60pH值7.24SRB數(shù)量/(個·mL-1)0.0TGB數(shù)量/(個·mL-1)0.7FB數(shù)量/(個·mL-1)0.0ρ(油)/(mg·L-1)0.00

(2) CLJ-1加量為(20～50)×10-6(w)，CLJ-2加量為(3～5)×10-6(w)，CLJ-8加量為100×10-6(w)，處理時間為2天。為達到現(xiàn)場污水處理效果，處理工藝后端加入過濾工藝(見圖4)。

2.6撬裝處理設(shè)備設(shè)計

將處理工藝流程中的加藥(pH值調(diào)節(jié)、絮凝等)、循環(huán)、沉淀、過濾等工序組合在同一裝置內(nèi)，每小時處理水量為20～35 m3。凡與水接觸部分(如器壁、填料、石英砂濾料等)用料均采用對水質(zhì)無污染、對人體無害的材料，并符合國家有關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(見圖5)。

2.6.1裝備組合

撬裝處理設(shè)備采用加藥、水力碰撞反應(yīng)、斜板沉淀、多層濾料壓力式分池過濾4個部分。

(1) 加藥裝置。加藥箱采用PE材質(zhì)，耐酸堿程度好；配不銹鋼攪拌器，加快溶解速度；配進口計量泵，加藥精確。設(shè)備中集成加藥計量設(shè)備，可以人工投入絮凝劑，以配合后續(xù)的絮凝、沉淀等工序更好地進行。

(2) 反應(yīng)室。反應(yīng)室是由小波板組成，高效波形板是應(yīng)用于絮凝反應(yīng)池內(nèi)的一種高效反應(yīng)填料。水流在通過波形板組中縮口時，形成高速流，高流速水流形成渦流，給水中顆粒相互碰撞提供了機會和條件，大大提高了反應(yīng)速率，得到更好的反應(yīng)效果,并可節(jié)省大量的絮凝劑。

(3) 沉淀室。沉淀室是由大波板組成，它的原理是采用淺層沉淀原理，可減少設(shè)備體積，使單位產(chǎn)水量增大；水流采用側(cè)向流，利用波峰波谷，水往側(cè)上流，泥往下滑，自動分離，分離速度快，保證出水質(zhì)量。沉淀室下部設(shè)集泥斗，使每塊波板的波谷滑泥時不受水流的影響，泥直接進入斗式收泥斗中進行自沉，降低了污泥含水率，延長排泥周期。

相比傳統(tǒng)方式下進水，上出水的沉淀形式，側(cè)向流斜板沉淀避免了進水對沉淀物滑落的干擾，達到了高效沉淀的效果。

(4) 過濾室。采用多層濾料，分格式過濾，可實現(xiàn)自動反沖洗。根據(jù)水質(zhì)情況，處理裝備采用無煙煤和石英砂兩種濾料，進一步將水中的懸浮物去除。

2.6.2裝備處理效率

設(shè)計處理規(guī)模為20～35 m3/d；處理后水質(zhì)的pH值為5.5～8.5、ρ(油)小于10 mg/L、COD值小于100 mg/L、ρ(懸浮物)小于50 mg/L、細菌數(shù)量小于20 個/mL。

3　重復(fù)利用試驗及現(xiàn)場應(yīng)用

3.1重復(fù)利用試驗

焦頁X平臺采用撬裝設(shè)備處理鉆井污水后，室內(nèi)分析其性質(zhì)并開展污清混配試驗，完善污水重復(fù)利用試驗。采用TX-500C全量程界面張力儀和RS600旋轉(zhuǎn)流變儀測試配制的減阻水表面張力、界面張力和動力黏度性能(見圖6和表6)。

從表6可以看出，污水配制的減阻水性能較差，污水稀釋比例越高，黏度性能越好。污清比為(1∶3)～(1∶7)范圍時，減阻水性能與清水相當(dāng)，建議污清比高于1∶7。

表6　重復(fù)利用試驗Table6　Technicalperformanceofthefracturingfluidpreparingwiththetreatedwastewater實驗項目表面張力/(mN·m-1)界面張力/(mN·m-1)黏度/(mPa·s)0.1%減阻水(污水)28.010.693.70.1%減阻水(污清體積比1∶1)27.970.844.60.1%減阻水(污清體積比1∶3)27.830.956.50.1%減阻水(污清體積比1∶5)28.280.726.30.1%減阻水(污清體積比1∶7)27.560.638.70.1%減阻水(清水)29.251.868.6

3.2現(xiàn)場應(yīng)用

焦頁X平臺鉆井污水量為1 000 m3，水體呈棕褐色，有刺激性氣味。其中，可重復(fù)利用量約為850 m3，剩余150 m3為廢渣和絮體。廢渣統(tǒng)一進行固化處理。現(xiàn)場取污水池中下部水樣進行離子、懸浮物、細菌等檢測，結(jié)果見表7。

表7　焦頁X平臺污水處理前后分析及評價Table7　Analysisandevaluationofthewastewaterbeforeandafterthetreatment實驗項目污水處理前分析及評價污水處理后分析及評價鉆井污水重復(fù)利用指標(biāo)顏色棕褐色無色無色或淺黃色pH值9.47.35.5～8.5ρ(懸浮物)/(mg·L-1)645.7341.00≤50.00SRB數(shù)量/(個·mL-1)≥2.5×1050.00.0FB數(shù)量/(個·mL-1)≥2.5×1050.3≤20.0TGB數(shù)量/(個·mL-1)≥2.5×1056.5≤20.0ρ(油)/(mg·L-1)0.840.000.00與減阻水壓裂液配伍性外觀褐色不透明，壓裂液不起黏，與壓裂液體系配伍性差外觀清澈透明，與壓裂液體系配伍性好，不產(chǎn)生沉淀清澈透明，與減阻水配伍性好，不產(chǎn)生沉淀0.1%減阻劑黏度/(mPa·s)96～10

從上述分析結(jié)果可以看出，焦頁X平臺處理后污水基本達到重復(fù)利用水質(zhì)指標(biāo)，與壓裂液配伍性好，配制0.1%減阻水黏度為9 mPa·s，稀釋后重復(fù)利用于焦頁aHF、焦頁bHF和焦頁cHF等6口井。

從室內(nèi)實驗、現(xiàn)場水處理效果和現(xiàn)場應(yīng)用情況看出，研發(fā)的水處理藥劑滿足現(xiàn)場污水處理要求，處理工藝及裝備簡便易行。處理后水質(zhì)達到重復(fù)利用技術(shù)指標(biāo)，與壓裂液配伍性好，現(xiàn)場得到成功應(yīng)用。

4　結(jié)論與建議

(1) 涪陵頁巖氣鉆井污水重復(fù)利用時，其懸浮物、細菌濃度是引起減阻水壓裂液溶解性能差、黏度等性能差的主要原因。

(2) 通過對鉆井污水性質(zhì)的分析，優(yōu)選出水處理劑。pH值調(diào)節(jié)劑加量為(300～350)×10-6(w)，絮凝劑CLJ-1加量為(20～50)×10-6(w)、CLJ-2加量為(3～5)×10-6(w)，殺菌劑CLJ-8加量為100×10-6(w)。根據(jù)該配方處理后的污水達到重復(fù)利用配液指標(biāo)，與壓裂液配伍性好，配制0.1%減阻水黏度為6～10 mPa·s。

(3) 突破復(fù)雜山地井場條件制約，形成了一套經(jīng)濟、高效水處理工藝流程并研制出撬裝處理設(shè)備。現(xiàn)場處理焦頁X平臺污水1 000 m3，處理后污水達到了重復(fù)利用水質(zhì)指標(biāo)，成功應(yīng)用壓裂6井次。

(4) 涪陵頁巖氣鉆井污水重復(fù)利用技術(shù)可以快速、經(jīng)濟地解決現(xiàn)場鉆井污水難處理問題，處理工藝簡便易行，建議推廣應(yīng)用。

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Research on reusing the Fuling shale gas drilling wastewater

Chang Qixin

(PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofSinopecJianghanOilfield,Wuhan430000,China)

Currently, Fuling shale gas field is in the early stages of development with a large number of development well, and most of which are long horizontal wells. Drilling these wells would generate enormous wastewater， and reusing them for fracturing is considered as the most economical and environmental way of disposing. In this paper, the characteristics of Fuling drilling wastewater was analyzed, as well as the technical barriers of reusing the drilling wastewater. Correspondingly, the treatment chemicals, technical process, processing equipment, and reusing program were developed. According to the effects of the treatment and further reuse, selected chemicals could satisfy the drilling wastewater treatment in the field. The technical process and processing equipment were simple and easily operated. Treated wastewater could meet the water quality requirements of reusing, show good compatibility with the fracturing fluid, is also adaptable to the complex terrain in Fuling mountainous area.

Fuling shale gas field, drilling wastewater, reuse, technology and equipment

中國石化江漢油田科研項目“涪陵頁巖氣鉆井污水重復(fù)利用技術(shù)研究”(CKO06)。

常啟新(1982-)，男，湖北荊州人，現(xiàn)就職于中國石化江漢油田石油工程技術(shù)研究院，主要從事油氣田儲層改造及環(huán)境保護方面工作。E-mail：changqixin@126.com

X703.1

ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.021

2016-04-08；編輯：鐘國利