CN106145437B - 一种油气田钻井压裂返排液的处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种油气田钻井压裂返排液的处理方法，包括如下步骤：1、废压裂返排液在管式反应器与酸液混合后进入多羟自氧化反应撬中与多羟自氧化载体接触；2、从多羟自氧化反应撬排出的废压裂返排液进入混凝破胶撬中与混凝剂、破胶剂混合后，将絮凝剂加入混合液中继续搅拌；3、将步骤2中的废压裂返排液进行固液分离，排出的污泥进行固化处理；4、微纳米气泡发生泵将步骤3的液体与臭氧氧化剂混合后送入微纳米臭氧氧化撬中进行氧化；5、经过氧化的液体进入超滤中；超滤浓水返回微纳米臭氧氧化撬；滤出液进行低压反渗透；反渗透的浓水用于污泥固化的补充水，清水排出。本发明的处理方法简化了工艺流程，降低了处理费用。

Description

一种油气田钻井压裂返排液的处理方法及系统

技术领域

本发明涉及环保高盐高聚合物浓度的钻井压裂返排液的处理技术领域，尤其是涉及一种油气田钻井压裂返排液处理的方法及系统。

背景技术

目前，随着油气资源的开发，给当地生态环境带来了巨大的压力，不仅大量使用当地的地下水资源，还有在作业过程中排出的大量未经严格处理或未经处理的钻井液、钻屑、泥浆、废压裂液排放到周围的环境中，带来的污染，将会严重制约我国钻井行业的可持续性发展。压裂返排液的显著特征是高盐、高SS(悬浮物)、高COD(化学需氧量)、高有机物浓度，采用目前污水处理的一般工艺技术难于达到排放标准的要求，因此，压裂返排液的无害化处理、实现废水达标排放或回用的技术已是迫在眉睫。

油气田开发过程采用水力压裂的作业方式，对水资源的需求量比较大。一个典型的油气田水平钻井在钻探和水力压裂过程中需使用4000-15000吨的水，而其中50％-70％的水在该过程中会被消耗。

压裂返排液是指水力压裂作业结束后首先返排回地表的液体，其水量较大，返排期一般持续几天到几周不等；返排后期以产出水为主，包括少量返排液和大量的地层水，其出水量较小，返排期一直持续该井整个生产过程。压裂返排液具有盐度高、组成复杂等特点。

在水力压裂作业中大量使用的压裂液成分复杂，含有大量高分子聚合物、高盐。在完成压裂作业后，部分压裂液和产出水一起返排至地面，其成分除含有压裂液的组分外，还含有高分子聚合物剩余产物、溶解性COD、泥砂、石油类和硫化亚铁等污染物，盐浓度尤其是氯化钠浓度高，部分地区返排液还可能从地下携带出重金属和放射性元素。如果返排至地面的压裂废液不经过处理而直接外排，将会对周围环境，尤其是农作物及地表水系统造成污染；若进入市政污水处理系统，将严重影响污水处理效果。

由于压裂返排液高盐、高COD、高聚合物，处理难度大，目前国内外压裂返排液处理的工艺技术流程长，采用的固液分离设备体积庞大、处理精度低、反冲洗及过滤介质更换频繁，出水极难达到国家《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级排放标准。

2015年1月1日起实施的修订的《环境保护法》已经严格明确了污染责任及执法依据，4月2日国务院发布的《水污染防治行动计划》更是强调了完善法规标准、加大执法力度。因此，为了保证油气田钻井产业的健康、可持续发展，保护生态环境和资源，研制、开发一套技术先进、处理效果好、操作方便、运行连续、抗冲击能力强的油气田钻井压裂返排液处理方法及系统是迫在眉睫的。

发明内容

本发明的目的是解决现有环保污水处理技术中存在的部分问题，提供一种油气田钻井压裂返排液的处理方法及系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种油气田钻井压裂返排液的处理方法，包括如下步骤：

步骤1、预酸化多羟自氧化：废压裂返排液在管式反应器与酸液混合后进入多羟自氧化反应撬中与多羟自氧化载体接触，空气由多羟自氧化载体的下部通入；

步骤2、混凝破胶：从多羟自氧化反应撬排出的废压裂返排液进入混凝破胶撬中与混凝剂、破胶剂在搅拌器的作用下充分混合后，将絮凝剂加入混合液中继续搅拌；

步骤3、固液分离：将步骤2完成的充分混合反应并形成大量矾花的废压裂返排液通过泵提升至高速卧螺机中进行固液分离，排出的污泥进行固化处理；

步骤4、微纳米臭氧氧化：由步骤3排出的液体进入废液接收罐中，微纳米气泡发生泵将废液接收罐中的液体与臭氧发生器中的臭氧氧化剂混合后送入微纳米臭氧氧化撬中进行氧化；

步骤5、深度过滤：经过氧化的液体经供水泵进入超滤中，超滤采用陶瓷膜；超滤浓水返回微纳米臭氧氧化撬；超滤滤出液由增压泵增压提升至反渗透中进行低压反渗透；反渗透的浓水用于步骤3中污泥固化的补充水，清水排出。

优选地，所述步骤1中管式反应器2内的流体速度梯度为500-1000s^-1，反应时间为1.0-30分钟；所述管式反应器的末端由pH计对废压裂返排液的pH值进行监控，通过控制酸液流量使得管式反应器出口的pH值为4.5-6.0；所述空气通入量与废压裂返排液的体积比为0.8-3:1；所述步废压裂返排液在多羟自氧化反应撬中的停留时间为0.5小时-1.0小时。

优选地，所述步骤1中多羟自氧化载体由金属元素与非金属元素组成；其中金属元素为铜、铁、锌、镁中的一种或多种；非金属元素为硫酸根、碳酸根、碳的一种或多种；所述金属元素与非金属元素的重量比为1.0-3.0:1.0。

所述步骤2中搅拌器转速为40-120转/分钟，时间为0.5-1.5小时。所述混凝剂为硫酸铝、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铝铁、聚硅酸铝铁中的一种或多种；加入量为废压裂返排液体积的0.5％至1％；所述破胶剂为镁、铁、铝、钙的一种或多种化合物的复合物；加入量为废压裂返排液体积的1％-2％；所述絮凝剂为阳离子、阴离子、非离子聚丙烯酰胺中的一种或多种；加入量为废液体积的1％-2％。

优选地，所述步骤3中高速卧螺机的转速在3400转/分钟以上，分离因数高于3700；，所述污泥固化通过在污泥混拌机中加入固化剂、反渗透浓水一并混拌完成；所述固化剂为水泥、石灰。

优选地，所述步骤4中臭氧发生器排出的臭氧浓度不低于30mg/L，工作压力为0.04MPa-0.1MPa，加入量为废液体积的0.1％至1％。

优选地，所述步骤4中混合通过叶轮旋转进行，臭氧在叶轮的切割下形成了20nm-200μm的臭氧气泡。

优选地，所述步骤4中微纳米臭氧氧化撬分为氧化区和混合区，二者的容积比为3-5:1；微纳米臭氧氧化撬内的氧化时间为0.5-2小时。

优选地，所述步骤5中超滤浓水分别进入微纳米臭氧氧化撬的氧化区和混合区，流量体积比为10-15:1；所述陶瓷膜的平均孔径为120μm和50nm。

用于上述处理方法的装置，包括管式反应器、多羟自氧化反应撬、混凝破胶撬、高速卧螺机、废液接收罐、微纳米臭氧氧化撬、超滤、反渗透、螺旋输送机I、螺旋输送机II、污泥混拌机、溶药撬和臭氧发生器；所述管式反应器依次连接多羟自氧化反应撬、混凝破胶撬、高速卧螺机、废液接收罐、微纳米臭氧氧化撬、超滤、反渗透、污泥混拌机；所述臭氧发生器分别连接废液接收罐和螺旋输送机I；所述螺旋输送机I、螺旋输送机II、污泥混拌机依次衔接；所述管式反应器末端设置有pH计；所述多羟自氧化反应撬设置有多羟自氧化载体和位于其下部的空气管；所述混凝破胶撬内设置有搅拌器；所述溶药撬包括酸液槽、混凝剂槽、破胶剂槽和絮凝剂槽；所述溶药撬每一组分的溶药槽均配有搅拌装置和加药泵；所述混凝破胶撬和高速卧螺机之间设置有泵；所述废液接收罐和微纳米臭氧氧化撬设置有微纳米气泡发生泵；所述纳米臭氧氧化撬之间超滤设置有供水泵；所述超滤和反渗透之间设置有增压泵。

本发明的有益效果：对废压裂返排液进行精度过滤，用于固液分离，对高悬浮物、含油废水有极高的承受能力，但同样存在膜通道堵塞的现象。膜通道堵塞后需要在线洁净水反冲洗或定期离线药物冲洗，甚至更换膜组件。通过微纳米气泡发生泵将微米及纳米气泡充入废液中，将此废液通过陶瓷膜进行过滤分离，由于微纳米气泡在水中均匀分布，且内部压力较大，稳定性较强，存在于水中降低了废水的密度，过滤时快速通过膜表面，形成了对膜表面的快速冲刷，降低膜污染的机会，同时，微纳米气泡表面带有电性与废水中存在的细小悬浮物SS形成了电性中和而凝聚在一起，并随着错流出水带出过滤通道，从而降低膜污染。

本发明可以使油气田钻井压裂返排液进行高效的破胶、氧化、固液分离，提高破胶效率15％至25％，破胶剂用量减少10％至20％，离心机处理能力提高5％至15％，陶瓷膜清洗周期延长10倍至100倍，陶瓷膜滤过能力提高10％至30％，从而提高系统的处理能力、降低运行费用。经破胶脱水后的污泥加入固化剂无害化处理，可做井场地面的免烧砖或填埋。经分离的液体经微纳米氧化，降解大分子有机物、陶瓷膜深度过滤除微细杂质、反渗透除盐后，废压裂返排液可达标(《污水综合排放标准》GB8978-1996一级标准)排放或回用配置压裂液。固相固化处理后浸出液也满足《污水综合排放标准》GB8978-1996一级标准的要求。同时，废压裂返排液处理工艺流程简化、可实现撬装式组合，能耗降低，处理水可循环利用及达标排放。

进一步地，该发明是针对油气田压裂返排液的一种处理方法及系统，该系统可以采用撬装组合式设备。

附图说明

图1是是一种油气田压裂返排液处理方法的工艺流程图。

图2是一种油气田压裂返排液处理系统的结构图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1、2所示，一种油气田钻井压裂返排液的处理方法及系统，包括以下几个步骤：

步骤1，预酸化多羟自氧化：压裂返排液由物料输送泵1提升至管式反应器2并与由进口21进入的酸液进行充分混合，其中管式反应器2内的流体速度梯度在720s^-1，在管式反应器2的末端由在线pH计19对废压裂返排液的pH值进行监控，并将监测的信号反馈到酸液供给泵142控制流量。调节pH后的压裂返排液通过多羟自氧化反应撬3的入口31进入多羟自氧化反应撬3中，多羟自氧化反应撬3由自导流的多个腔体组成，避免形成短流，使被处理的压裂返排液与其中填充的具有多羟自氧化载体34充分接触。该多羟自氧化载体34由多种金属与非金属元素组成，并制成一定尺寸的颗粒。其中的金属元素如铜、和或铁、和或锌、和或镁，非金属元素及化合物如硫酸根、和或碳酸根、和或碳。载体组分中的金属元素与非金属元素的重量比为1.7:1.0。多羟自氧化载体34下部铺设有空气管33，用于增加液体与载体表面的接触与更新，同时更多地促进羟基产生，其中空气由空压机供给。供气量与废压裂返排液的体积比为1.22:1。多羟自氧化反应撬为撬装式，便于吊装、运输及现场使用。

在此过程中压裂返排液中的高分子有机物在具有强氧化性的羟基作用下被部分分解，黏度降低22％，COD去除19％，不容易产生泡沫。

废压裂返排液在多羟自氧化反应撬3中的停留时间为0.5小时。

管式反应器2内废压裂返排液的反应时间为10分钟。

管式反应器2出口的pH控制条件为5.5。

经多羟自氧化后的压裂返排液由多羟自氧化反应撬3出口32自流排出。

步骤2，混凝破胶：自多羟自氧化反应撬3出口32自流排出的压裂返排液由入口41进入混凝破胶撬4中，混凝破胶撬4内装有搅拌器42，其转速在65转/分钟，向废压裂返排液中加入混凝剂、破胶剂后充分混合、反应，向废压裂返排液中加入絮凝剂，加入量为废液体积的1.1％，在搅拌状态下破坏废压裂返排液中的瓜胶及其它有机物并形成便于分离的大颗粒矾花。

废压裂返排液混凝破胶的时间为1.0小时。

混凝剂可以是硫酸铝、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铝铁、聚硅酸铝铁。加入量为废压裂返排液体积的0.5％。

破胶剂为镁、铁、铝、钙等的一种或多种化合物的复合物。加入量为废压裂返排液体积的1.2％。

溶药撬14由酸液槽、混凝剂槽、破胶剂槽和絮凝剂槽组成。溶药撬14中每一组分的溶药槽均配有搅拌装置141和加药泵。加药泵142用于投加酸液，加药泵143用于投加混凝剂，加药泵144用于投加破胶剂，加药泵145用于投加絮凝剂。

步骤3，固液分离：将步骤2完成的充分混合反应并形成大量矾花的压裂返排液由出口43通过泵5提升至高速卧螺机6中进行固液分离，在离心力的作用下，固体与液体分别由出口61和62重力排出。

高速卧螺机的转速为3500转/分钟，分离因数为3700。

脱水后的污泥自泥饼出口61重力排出。

分离固相后是废液自废水排出口62排出。

排出的固体进行固化处理，排出的液体进行深度处理。

步骤4，微纳米臭氧氧化：废水中的有机物一般是通过微生物或强氧化剂氧化成简单有机化合物或无机物质。有机物的氧化过程也是有机物与微生物或氧化剂固液、气液、液液接触、传质的过程，接触面积越大，碰撞、反应机会就越大，反应效果就越好，有机物被氧化的就越彻底。在用氧化剂氧化有机物的过程中，上述现象的存在有利于氧化剂的充分利用。

自出口62排出的废压裂返排液自流进废液接收罐7中。微纳米气泡发生泵8自出口71吸入废液，同时也吸入臭氧，并通过叶轮的高速旋转使臭氧与液体充分混合，溶入及混入的臭氧在叶轮的切割下形成了20nm至200μm的臭氧气泡，废压裂返排液与臭氧微纳米气泡在管道内混合、接触、反应，并通过入口91进入微纳米臭氧氧化撬9。

微纳米臭氧氧化撬9内部分为两个区：氧化区和混合区，氧化区与混合区容积比为3.2:1。

进口93、94均为超滤浓水，且分别进入氧化区与混合区。两个流量的体积比值为11:1。

微纳米臭氧氧化撬9内氧化时间为0.65小时。

在微纳米臭氧氧化撬9内微纳米级的臭氧氧化剂与废压裂返排液充分混合、反应，使废压裂返排液中的有机物被充分氧化、降解。氧化剂的投加量为废液体积的0.32％。

微纳米臭氧氧化撬9中所用臭氧来自于臭氧发生器15，空气或纯氧为气源在电场中放电产生的臭氧通过出口151引入微纳米臭氧氧化撬9。臭氧发生器15排出的臭氧浓度为32mg/L，工作压力为0.04MPa。

步骤5，深度过滤：深度过滤由超滤与反渗透部分组合而成。

超滤采用平均孔径为120μm和50nm的陶瓷膜，具有耐污染、耐盐、耐有机物、耐油的特点。反渗透采用低压反渗透，可以除去废压裂返排液中的有机物及部分盐。

经微纳米臭氧氧化后的废压裂返排液由供水泵10自微纳米臭氧氧化撬9的出口92及进口111供给给超滤11中，经超滤分离后，浓水由出口112部分返回微纳米臭氧氧化撬9氧化区，部分返回微纳米臭氧氧化撬9混合区。

超滤11的滤出液自出口113排出并由增压泵12提升至反渗透13中进一步分离。

超滤11的滤出液经增压泵12增压后由入口131进入反渗透13中进行反渗透分离。

反渗透13的浓水自压由出口133排出。浓水用于脱水机脱出污泥固化拌合的补充水。

反渗透13的清水自压由出口132排出，满足国家《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级排放标准的要求可以排放。

对废压裂返排液进行精度过滤，用于固液分离，对高悬浮物、含油废水有极高的承受能力，但同样存在膜通道堵塞的现象。膜通道堵塞后需要在线洁净水反冲洗或定期离线药物冲洗，甚至更换膜组件。通过微纳米气泡发生泵8将微米及纳米气泡充入废液中，将此废液通过陶瓷膜进行过滤分离，由于微纳米气泡在水中均匀分布，且内部压力较大，稳定性较强，存在于水中降低了废水的密度，过滤时快速通过膜表面，形成了对膜表面的快速冲刷，降低膜污染的机会，同时，微纳米气泡表面带有电性与废水中存在的细小悬浮物SS形成了电性中和而凝聚在一起，并随着错流出水带出过滤通道，从而降低膜污染。

步骤6，污泥固化：固液分离中产生的污泥加入固化剂进行混拌、固化无害化处理。

高速卧螺机6脱出污泥自出泥口61中重力排出并由螺旋输送机16的接料口161承接，在电机162的作用下将污泥提升至出口163重力排入污泥混拌机17中。污泥、固化剂173及由入口171进入的反渗透浓水一并混拌，使污泥固化，并将污泥及反渗透浓水中的重金属、盐类络合固定。

混拌后的物料自出口172排出并由螺旋输送机18的接料口181承接，在电机182的作用下将污泥提升至出口183重力排出，现场固化成型或装车集中固化成型。

混凝剂可以是聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铝铁、聚硅酸铝铁。

絮凝剂可以是阳离子、阴离子、非离子聚丙烯酰胺。

本发明采用微纳米气泡泵产生微纳米气泡，本发明采用的气源为臭氧。

固化剂一般为水泥、石灰。

系统检测数据：

指标

CODcr

BOD<sub>5</sub>

SS

石油类

色度

PH

单位

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

(倍)

无量纲

原水

1520

32

1083

32.0

278

5.5

出水

48.3

4.5

12.0

ND

5.0

6.9

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种油气田钻井压裂返排液的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、预酸化及多羟自氧化：废压裂返排液在管式反应器与酸液混合后进入多羟自氧化反应撬中与多羟自氧化载体接触，空气由多羟自氧化载体的下部通入；

步骤2、混凝破胶：从多羟自氧化反应撬排出的废压裂返排液进入混凝破胶撬中与混凝剂、破胶剂在搅拌器的作用下充分混合后，将絮凝剂加入混合液中继续搅拌；

步骤3、固液分离：将步骤2完成的充分混合反应并形成大量矾花的废压裂返排液通过泵提升至高速卧螺机中进行固液分离，排出的污泥进行固化处理；

步骤4、微纳米臭氧氧化：由步骤3排出的液体进入废液接收罐中，微纳米气泡发生泵将废液接收罐中的液体与臭氧发生器中的臭氧氧化剂混合后送入微纳米臭氧氧化撬中进行氧化；

步骤5、深度过滤：经过氧化的液体经供水泵进入超滤中，超滤采用陶瓷膜；超滤浓水返回微纳米臭氧氧化撬；超滤滤出液由增压泵增压提升至反渗透中进行低压反渗透；反渗透的浓水用于步骤3中污泥固化的补充水，清水排出。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤1中管式反应器内的流体速度梯度为500-1000s^-1，反应时间为1.0-30分钟；所述管式反应器的末端由pH计对废压裂返排液的pH值进行监控，通过控制酸液流量使得管式反应器出口的pH值为4.5-6.0；所述空气通入量与废压裂返排液的体积比为0.8-3∶1；所述废压裂返排液在多羟自氧化反应撬中的停留时间为0.5小时-1.0小时。

3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤1中多羟自氧化载体由金属元素与非金属元素组成；其中金属元素为铜、铁、锌、镁中的一种或多种；非金属元素为硫酸根、碳酸根、碳的一种或多种；所述金属元素与非金属元素的重量比为1.0-3.0∶1.0。

4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤2中搅拌器转速为40-120转/分钟，时间为0.5-1.5小时；所述混凝剂为硫酸铝、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铝铁、聚硅酸铝铁中的一种或多种；加入量为废压裂返排液体积的0.5％至1％；所述破胶剂为镁、铁、铝、钙的一种或多种化合物的复合物；加入量为废压裂返排液体积的1％-2％；所述絮凝剂为阳离子、阴离子、非离子聚丙烯酰胺中的一种或多种；加入量为废液体积的1％-2％。

5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤3中高速卧螺机的转速在3400转/分钟以上，分离因数高于3700；所述污泥固化通过在污泥混拌机中加入固化剂、反渗透浓水一并混拌完成；所述固化剂为水泥、石灰。

6.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤4中臭氧发生器排出的臭氧浓度不低于30mg/L，工作压力为0.04MPa-0.1MPa，加入量为废液体积的0.1％至1％。

7.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤4中混合通过叶轮旋转进行，臭氧在叶轮的切割下形成了20nm-200μm的臭氧气泡。

8.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤4中微纳米臭氧氧化撬分为氧化区和混合区，二者的容积比为3-5∶1；微纳米臭氧氧化撬内的氧化时间为0.5-2小时。

9.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于，所述步骤5中超滤浓水分别进入微纳米臭氧氧化撬的氧化区和混合区，流量体积比为10-15∶1；所述陶瓷膜的平均孔径为120μm和50nm。

10.用于权利要求1所述的处理方法的装置，其特征在于，包括管式反应器、多羟自氧化反应撬、混凝破胶撬、高速卧螺机、废液接收罐、微纳米臭氧氧化撬、超滤、反渗透、螺旋输送机I、螺旋输送机II、污泥混拌机、溶药撬和臭氧发生器；所述管式反应器依次连接多羟自氧化反应撬、混凝破胶撬、高速卧螺机、废液接收罐、微纳米臭氧氧化撬、超滤、反渗透、污泥混拌机；所述臭氧发生器分别连接废液接收罐和螺旋输送机I；所述螺旋输送机I、螺旋输送机II、污泥混拌机依次衔接；所述管式反应器末端设置有pH计；所述多羟自氧化反应撬设置有多羟自氧化载体和位于其下部的空气管；所述混凝破胶撬内设置有搅拌器；所述溶药撬包括酸液槽、混凝剂槽、破胶剂槽和絮凝剂槽；所述溶药撬每一组分的溶药槽均配有搅拌装置和加药泵；所述混凝破胶撬和高速卧螺机之间设置有泵；所述废液接收罐和微纳米臭氧氧化撬之间设置有微纳米气泡发生泵；所述微纳米臭氧氧化撬和超滤之间设置有供水泵；所述超滤和反渗透之间设置有增压泵。