倫偉杰 郭慧軍 楊健 金艷 趙董艷
1中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司華北分公司 2上海樂澤環(huán)境工程有限公司3中國石油華北油田采油工程研究院
壓裂返排液回用處理新技術(shù)試驗研究
倫偉杰1郭慧軍1楊健1金艷2趙董艷3
1中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司華北分公司2上海樂澤環(huán)境工程有限公司3中國石油華北油田采油工程研究院
常規(guī)水基壓裂返排液分為水基凍膠(瓜膠)壓裂液和滑溜水/清潔壓裂液。壓裂返排液具有高分子聚合物含量高、油含量高、懸浮物含量高且成分復雜等特點,屬于處理難度很大的廢水。采用IDAF高效氣浮-SUPOX-CMBR新技術(shù)工藝處理壓裂返排液,在最佳運行條件下可使出水的油含量小于3mg/L,SS含量小于2mg/L。處理后的出水回用作復配壓裂液,不僅解決了環(huán)境污染問題,同時又節(jié)約了寶貴的水資源。
壓裂返排液;IDAF氣??;回用;含油量;懸浮物;配膠
壓裂技術(shù)是20世紀40年代發(fā)展起來的一項改造油層滲流特性的工藝技術(shù),是油氣井增產(chǎn)、注水井增注的一項重要措施[1]。壓裂返排液主要由洗井廢水和殘余壓裂液組成,據(jù)統(tǒng)計,一般每口壓裂井每天產(chǎn)生廢水100~200m3[2]。常規(guī)壓裂作業(yè)采用的壓裂液體系以水基壓裂液為主。常規(guī)水基壓裂返排液分為水基凍膠(瓜膠)壓裂液和滑溜水/清潔壓裂液。目前水基凍膠(瓜膠)壓裂液是最主要的壓裂液體系,是以高分子高聚合物為特征的水基體系;滑溜水/清潔壓裂液適用于低滲透油氣田,是水基凍膠(瓜膠)壓裂液體系的補充。
油田壓裂廢液中添加劑種類繁多,處理難度大,含有瓜膠、甲醛、石油類及其他各種添加劑[3]。廢液具有以下特點[4]:①成分復雜、種類多、含量高,該類污水的主要成分是高濃度胍膠/凍膠(包含破膠的和未破膠的)、高分子聚合物和地縫隙中的油類等,以及硫酸鹽還原菌(SRB)、硫化物和總鐵等,總鐵和總硫含量一般在20mg/L左右;②黏度大、乳化程度高,平均黏度為10~20mPa·s。如果將壓裂返排液直接外排,將會對周圍環(huán)境尤其是農(nóng)作物及地表水系造成污染[5]。
壓裂液處理目的主要是達標排放和回用?;赜梅较虬ㄓ米鲝团鋲毫岩汉吞幚砗蠡刈?。將壓裂液處理后回用作復配壓裂液,不但有效解決了環(huán)境污染問題,而且解決了復配壓裂液水源問題,特別在一些水資源缺乏的開采區(qū)域具有非常重要的經(jīng)濟和社會意義。
針對壓裂返排液的水質(zhì)特點,結(jié)合先期工藝試驗,本次中試試驗采用IDAF高效氣浮-SUPOXCMBR聯(lián)合處理工藝,具體流程如圖1所示。
圖1 壓裂返排液回用處理工藝流程
1.1IDAF高效氣浮原理
IDAF氣浮采用渦流高效混合技術(shù),由高效混合器完成高壓空氣溶解、藥劑分子拉伸提效、混凝絮凝攪拌(污染物捕集)、絮體形成、氣泡晶核生成和超輕中空化絮體形成的所有步驟。
傳統(tǒng)氣浮在運行過程中微氣泡直徑范圍在30~60μm之間,很難保持,隨著壓力的降低,氣泡迅速膨脹,難以附著在污染物顆粒上,因此易發(fā)生脫附現(xiàn)象。而IDAF氣浮則保證溶解狀態(tài)下的氣體注滿整個絮體,無數(shù)的微型氣泡在絮體內(nèi)部和周邊生成晶核并生長,其微型氣泡的直徑范圍一般為10μm左右,一旦壓力降低,氣泡會在絮體內(nèi)部迅速膨脹,并有效附著在絮體周邊。
高效混合器的渦流能量調(diào)節(jié)功能可保證IDAF氣浮適應不同進水工況,在污水性質(zhì)、溫度和流量發(fā)生突變時能迅速適應并及時調(diào)整工況,保證出水水質(zhì)穩(wěn)定,可大大減少對后續(xù)處理工藝的沖擊。
1.2SUPOX系統(tǒng)
SUPOX系統(tǒng)的核心技術(shù)是多效電催化氧化,即電氧化技術(shù)能耦合過渡族金屬元素組成的復合催化劑,為了降低能耗同時提高反應效率,反應器中設(shè)計加入氧化劑(氧化劑為氧氣),實際運行中通入空氣即可。
SUPOX系統(tǒng)的工作原理就是電化學氧化的原理。電化學氧化法是20世紀80年代發(fā)展起來的高級氧化技術(shù),以石墨為陰極,鈦涂釕電極為陽極,在不同條件下,陽極上發(fā)生直接或間接反應。
過渡族金屬元素在多效電催化條件下以離子狀態(tài)存在,電氧化的還原反應產(chǎn)生H2O2,H2O2與離子狀態(tài)的過渡族金屬元素發(fā)生化學反應生成·OH,整個過程中發(fā)生的化學反應為:
從上述反應中不難看出,整個SUPOX系統(tǒng)中生成了H2O2、·OH等強氧化劑,其中·OH是除了F2之外氧化性最強的氧化劑。這些強氧化劑將廢水中的稠化物質(zhì)或者其他高分子物質(zhì),直接或間接地分解成小分子有機物或直接礦化成CO2與H2O,從而使廢水的黏稠度降低,CODCr含量和油含量得到降低。
1.3CMBR系統(tǒng)
CMBR系統(tǒng)是一種新型的接觸式膜生物反應器,是傳統(tǒng)MBR膜生物反應器的革新和突破。傳統(tǒng)MBR膜生物反應器要求進水油含量小于5mg/L,建議最好控制在3mg/L以下,因為分離膜都是采用有機材質(zhì)制成,油會對有機膜造成不可逆的污染,導致膜通量下降,最終使整個MBR系統(tǒng)癱瘓。而CMBR系統(tǒng)反應器中培養(yǎng)了高效的活性生物膜,有效阻隔了油脂和高分子有機物等與分離膜的直接接觸,解決了傳統(tǒng)MBR反應器運行過程中膜易受油脂和高分子有機物污染的問題,可確保其有效、穩(wěn)定地處理含油污水。
CMBR系統(tǒng)的主要作用是通過活性生物膜分解采油廢水中的分散油,確保出水水質(zhì)中油含量小于3mg/L。由于活性生物膜生長在超濾膜表面,系統(tǒng)輸水是超濾膜過濾出水,其懸浮物濃度幾乎為零,可保證出水懸浮物小于2mg/L,同時正常出水中不可能存在顆粒粒徑大于1μm的懸浮物,因為超濾膜的膜孔小于0.1μm,所以經(jīng)本系統(tǒng)處理后的出水水質(zhì)可達到油田回用再配液水質(zhì)標準要求。
2.1試驗水質(zhì)
試驗水樣為西北某油田采油廠壓井作業(yè)排出的瓜爾膠壓裂返排液,進水水質(zhì)和設(shè)計出水水質(zhì)如表1所示。
表1 進水以及設(shè)計出水水質(zhì)
2.2試驗藥劑
聚丙烯酰胺(PAM)、H2O2、FeSO4·7H2O、H2SO4以及NaOH,均為市售成品,其中聚丙烯酰胺配成0.1%的水溶液使用。
2.3試驗方法
IDAF氣浮系統(tǒng)的規(guī)模為25t/d,運行過程中停留時間為6min。
SUPOX試驗裝置規(guī)模為2.5t/d,以Ti-Fe合劑為催化劑,浸沒式紫外燈為激發(fā)光源,功率為16W。試驗研究不同曝氣量以及不同廢水停留時間對廢水處理效果的影響,本試驗選擇曝氣量為3m3/h,廢水停留時間為1h。
CMBR試驗裝置規(guī)模為2.5t/d,膜組件采用平板超濾膜,運行方式為抽吸8min、停止2min,CMBR出水可回用為再配膠。
2.4分析與檢測方法
試驗過程中油含量、SS等的分析檢測方法如表2所示。
表2 分析與檢測方法
3.1油含量去除效率
IDAF氣浮、SUPOX以及CMBR出水中油含量的去除率分別如圖2、圖3、圖4所示。由圖中的含油量曲線可以看出,經(jīng)過調(diào)試后,雖然壓裂返排液中的油含量波動較大,IDAF進水的油含量在30~130mg/L之間浮動,但是IDAF高效氣浮對壓裂返排液中的油含量有很好的去除效果,出水油含量都低于20mg/L,平均去除率在83%以上;SUPOX設(shè)備可進一步去除油含量,出水油含量穩(wěn)定在8mg/L以下。SUPOX出水繼續(xù)進入CMBR設(shè)備進行深度處理,使得出水油含量進一步去除至2mg/L以下,平均去除率為78%,滿足作為再配膠時的用水要求。
圖2 IDAF氣浮進出水油含量
圖3 SUPOX進出水油含量
圖4 CMBR進出水油含量
3.2懸浮物去除率
IDAF氣浮、SUPOX以及CMBR出水中懸浮物的去除率分別見圖5、圖6、圖7。由圖中曲線可以看出,經(jīng)過調(diào)試后,由于壓裂返排液中含有大量的高分子瓜爾膠,液體為黏稠狀,對懸浮物的測定有較大的影響,因此IDAF氣浮對壓裂返排液中的懸浮物去除率維持在13%~78%之間;但是SUPOX設(shè)備對壓裂返排液中的SS有非常好的去除效果,當IDAF氣浮出水作為SUPOX的進水進入系統(tǒng)后,經(jīng)過處理后出水SS含量穩(wěn)定在15mg/L以下,平均去除率能達到97%。當SUPOX出水繼續(xù)進入CMBR系統(tǒng)時,經(jīng)過CMBR設(shè)備的深度處理,出水懸浮物含量≤2mg/L,平均去除率為86%;出水濁度≤1 NTU,滿足作為再配膠時的用水要求。
圖5 IDAF氣浮進出水懸浮物含量
圖6 SUPOX進出水懸浮物含量
圖7 CMBR進出水懸浮物含量
3.3工藝系統(tǒng)出水再配膠實驗
經(jīng)過IDAF氣浮→SUPOX→CMBR組合處理工藝,最終處理出水水質(zhì)達到油含量<3mg/L,SS含量≤2mg/L,濁度≤1NTU。將處理后的廢水作為配膠時所需的用水,進行配膠實驗,并最終檢測分析配膠后的黏度變化,確認是否滿足使用要求。
配膠時采用的配方如下:基液為0.25%胍膠粉+0.05%引發(fā)劑;交聯(lián)劑為1%硼砂+0.8%過硫酸銨。
壓裂液黏度要求為:配膠時基液和交聯(lián)劑按100∶5配比得胍膠胨,黏度大于120mPa·s。
取自來水200mL,加2.5g胍膠粉,攪拌溶解后加0.5mL引發(fā)劑攪拌均勻,再加800mL的MBR產(chǎn)水(SS含量<2mg/L,油含量<3mg/L)。用剪切乳化攪拌器攪拌10min,攪拌好后取500mL按100∶5體積比加入交聯(lián)劑配膠,測得黏度為162mPa·s。另500mL放置4h,再按100∶5體積比加交聯(lián)劑配膠,測得黏度為96mPa·s;按100∶6體積比加交聯(lián)劑配膠,測得黏度為156mPa·s,皆滿足要求。
新處理工藝IDAF氣浮-SUPOX-CMBR能有效地處理壓裂返排液,處理后出水的SS含量<2mg/L,
油含量<3mg/L,滿足再配膠時的進水要求。該工藝解決了壓裂返排液的處理問題,同時為再配膠提供了穩(wěn)定回用水水質(zhì),解決了該地區(qū)水資源緊缺問題。
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(欄目主持楊軍)
10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.011
2015-03-25