油井压裂返排液处理装置设计
一 选题背景及意义
1. 压裂液的来源
压裂作为油藏的主要增产措施已得到迅速发展和广泛应用。压裂液是压裂技术的重要组成部分。其性能应满足如下施工作业要求：有效的悬浮和输送支撑剂的能力；滤失少；低摩阻；低残渣易返排；热稳定性和抗剪切性能；与地层岩石和地下液体的配伍性。为满足这些性能要求，压裂液体系往往需要十几个种类的添加剂，如：（1）杀菌剂；（2）稳定剂；（3）粘土稳定剂；（4）聚合物；（5）水合缓冲剂；（6）缓冲剂；（7）表面活性剂;(8)苛性碱；（9）延迟添加剂；（10）高温稳定剂；（11）抑铁剂；（12）交联剂；（13）交联稳定剂（活性剂）；（14）破解剂；（15）破解酸等。
2. 压裂反排液的特点
作业排出的残余压裂液中，含有胍胶、甲醛、石油类及其它各
种添加剂。众多添加剂的加入使压裂液具有高的COD 值，高稳定性，高粘度等特点。而且由于添加剂种类繁多，使COD 值的降低难度较大。特别是一些不易净化的亲水性有机添加剂，难以从废水中除去。
3. 压裂反排液的危害
压裂返排液对环境的危害极大。由于其内在污染物成份复杂且较稳定, 在自然力( 如氧气) 的作用下很难被降解。这些化学物质进入水处理系统后将严重扰乱生产系统的正常运行, 如大量消耗水处理药剂或降低水处理剂的处理效果, 影响水体中油及有害离子的去除, 影响水处理过程中所产生的污泥沉降, 严重污染滤料等, 并且其大多矿化度较高, 含有原油、甲醛类及酚类等有害物
质, 对当地的水质有较大影响, 从而造成处理后水质达不到注入水水质要求, 对油田的生产和长远发展造成不可估量的损失。
本设计针对油井的分布和压裂作业的特点，经过认真的考虑、研究，本着所占空间少，方便快捷，处理效率高的原则来制定污水处理方案。
二 设计内容及可行性分析
1、设计内容
设计名称：日处理50m ³油井压裂返排液系统设计
设计规模：日处理50m ³油井压裂返排液
主要设计内容：压裂反排液一体化处理专用车一辆
2、 可行性分析
(1)目前压裂反排液处理的一些方法
（1）微电解法对压裂返排废水的处理
微电解法又称为内电解法, 它集氧化还原、絮凝吸附、催化氧化、络合及电沉积等作用于一体。铸铁屑是由铁素体和碳渗体构成, 在废水中形成许多微原电池。碳的电位高, 形成无数微阴极, 铁的电位低, 成为微阳极。为促进电化学反应, 可在铁屑中混入部分含炭粒料, 铸铁屑与含炭粒料接触, 形成较大的原电池。
由于电化学反应在溶液中形成电场效应, 破坏溶液中分散的胶体粒子的稳定体系, 胶体粒子向相反电荷的电极移动, 沉积或吸附在电极上, 从而去除废水中的悬浮态和胶体态的污染物质。电极反应产物具有高的化学活性, 其中新生原子态的[H]和新生态的Fe2+能与废水中的许多组分发生氧化还原作用, 破坏有机高分子的发色或助色基团, 失去发色能力, 使大分子物质分解为小分子物质, 使难降解的物质转变成易降解的物质。新生态的Fe2+和Fe3+是良好的
絮凝剂, 能进一步吸附废水中的污染物以降低其表面能, 最终聚结成较大的絮体而沉淀。
（2）生物法对压裂返排液的处理
微生物广泛分布于土壤、空气和水体等自然环境中。废水和微生物群体在
处理构筑物中充分接触时, 一方面微生物通过分解代谢, 使废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物被降解而无机化, 使废水得以净化; 另一方面部分有机物则被合成为微生物的细胞质。微生物的细胞质虽然也是有机物质, 但微生物是以悬浮状态存在于水中的, 相对地说个体比较大, 也比较容易凝聚, 可以同废水中的其它一些物质( 包括一些被吸附的有机物和某些无机的氧化产物以及菌体的排泄物) 通过物理凝聚作用一起沉淀或上浮, 从而与废水分离。
（3）固化法
固化技术的机理是利用一定的化学添加剂(固化剂) 使其失稳脱水，固化剂分别与其中的水分发生剧烈的水化反应，与有机物及固相颗粒交联絮凝，形成固相一固化剂一水的水化絮凝体系，通过自凝胶结和包胶作用，转变成不可逆的常态体系。
(4) 混凝法。
常用混凝剂有 PFS Al2(SO4) 3 Fe 2(SO4) 3 FeCl3 AlCl3 PAC
(5) 催化氧化法
Fenton 试剂氧化 次氯酸钠氧化 纳米光催化氧化 超临界 水氧化
（6）过滤吸附法
滤料滤池 压力滤罐 SSF污水净化机 活性炭吸附
(2)目前压裂反排液处理的一些工艺
目前压裂反排液处理主要技术为生物处理、 物化处理和化学处 理，综合
起来可以分成以下五种主要处理工艺：
(1)絮凝离心——微波无极紫外光氧化——内电解工艺；
微波辐射处理环境污染物是近几年来发展起来的又一个新兴的研究领域，目前主要集中在处理土壤、气体中的污染物，以及活性炭吸附再生等方面。孙杰、赵晖、曾庆福把此技术应用于印染污水的处理用使其脱色率一般都能达到95％以上，COD 去除率一般能达到70％以上，废水颜色由深兰色变为无色。由于油田压裂废液与印染污水有许多相似之处，比如污染物分子量过大难以生物降解，COD 值偏高难以去除，颜色较深等特点。因此在油田压裂废液处理中可以借鉴此工艺。另外，内电解法应用于有机废水的处理可以提高废水的可生化性，为难生化性废水的处理创造了有利的条件
（1）混凝一氧化一吸附一光化法处理；
该技术已经在河南油田进行了中试，取得了较好的效果。处理后出水的指标为：pH 值为7．11、含铁为0．5mg ／L 、含油为0．5 mg／L 、含硫为7．6 mg／L 、细菌为76个／mL 、悬浮物为4．7 mg ／L ，达到了回注标准。其中CODcr 、pH 、石油类、悬浮物、色度等达到GB8978—1996二级标准。
（2）混凝一氧化一Fe ／C 微电解一H 2O 2／Fe 2+催化氧化一活性炭吸附；
张宏针对河南油田残余压裂液的特性，研究出了与之相适应的无害化处理方法，使处理后的残余压裂液达到无害化排放标准。且使COD
由原来的12000降到451，色度与清水无异，各项指标均以达到使处理后的水能达标注人地层或排人江河。
五步法处理的优点是处理量大、能对压裂废液进行深度处理。缺点是占地面积过大、一次性投资过高运营费用较高等。6
（3）废液池内自然降解→废液池内加药预处理→电絮凝剂机处理→ SSF污水
净化机处理
（5）中和———微电解———化学氧化———活性炭吸附。
三 设计方法及设计思路
1、设计方法
在了解压滤反排液情况的基础上，参考相关资料文献，同时结合现有的压
滤反排液处理设计实例，提出几种可行性设计方案，最后，从技术，经济效益和环境效益方面考虑，选择可行性高的方案。
压裂反排液一体化机设计应遵循如下原则：
选用技术先进，运行稳定，投资和处理成本合理的污水污泥处理技术，慎重的采用经过实践证明行之有效的新技术，新工艺，新材料和新设备，使污水处理工艺先进，运行可靠，处理后水质稳定的达标排放。应充分考虑安全运行的要求。
四 处理工艺方案比较及选择
此废水具有如下特点：
（1） 成分复杂，化学种类多、含量大。主要成分是高浓度胍胶、高分子聚合物等多种化学药剂，其次才是SRB 菌、硫化物和总铁等，总铁和总硫含量都在20mg/L左右。
（2） 粘度大，乳化程度高。放出的反排液乌黑、粘稠，静沉出水困难。
（3） 反排液处理难度大，特别是悬浮物。
压裂反排液主要的一些检测指标
注：《综合污水排放标准》GB 8978 - 1996
污水处理方案选择
根据污水的水质特点，可设计先进行物化预处理，在进行生化处理的工艺方案。
1. 物化预处理
① 混凝沉降。
混凝剂 PFS Al2(SO4) 3 Fe 2(SO4) 3 FeCl3 AlCl3 PAC
投加量 1000 1000 1000 1000 1000 1000
最佳PH 值 4. 5 5. 0 4. 5 4. 5 5. 0 5. 0
出水CODCr 6204 7392 7956 8256 8712 6732
CODCr 去除率 48. 3 38. 4 33. 7 31. 2 27. 4 43. 9
由实验结果可以看出，聚铁（PFS ）对残余压裂液的混凝效果明显优于其它混凝剂，故选择混凝剂PFS 。
取一定量压裂返排液, 加入一定量的聚铁( PFS) 、阴离子聚合物( PHP) 、
粉煤灰搅拌, 再加氢氧化钠调pH, 静置分层, 取上清液进行后续处理;
② Fe/C 微电解。取混凝出水用硫酸调pH 为2 后, 加入Fe/C 微电解反应器内, 反应一定时间后, 加氢氧化钠去除Fe2+;
③ 活性炭吸附。取微电解出水放入装有粉末状活性炭的反应容器内, 反应一定时间后, 过滤上层废水。
经过预处理后的压裂液, 不仅减少了生化处理的负荷, 而且提高了废水的可生化性。
2. 生化处理
经过预处理，虽然去除了大部分的油类，悬浮物，色度和部分COD ，但因污水原始有机浓度过高，且难生化处理，故考虑采用厌氧工艺——好氧膜生物反应器联合工艺进行后续的生化处理。
（1）厌氧工艺比较选择
由于UASB 处理费用便宜，处理负荷高，占地少，能有效地减少臭气的产生，对氮、磷营养物需求量少，能处理高浓度有机污水，不须稀释，能间断或季节性运行。故采用UASB 工艺。又因本设计是移动处理设备，故采用UASB 罐体设备。
（2）好氧膜反应器（好氧MBR ）
厌氧工艺出水往往达不到排放标准，需要进一步处理，故一般在厌氧处理后串联好氧处理。因MBR 具有出水水质优质稳定，剩余污泥产量少，，占地面积小，不受设置场合限制，可去除氨氮及难降解有机物，操作管理方便，易于实现自动控制等特点。再结合本设计要求，决定采用一体式膜 - 生物反应器（把
膜组件置于生物反应器内部）
工艺流程图
混凝罐，微电解池，活性炭吸附装置，UASB 罐，好氧MBR 器都将产生污泥，将污泥排出收集到污泥罐中，然后固化填埋。 五 设计任务进度及安排
六 参考文献
（1）宁方军，王宝辉，高玺莹 残余压裂液污染防治技术综述(大庆石油学院化学与化工学院，黑龙江大庆163318)
（2）张 宏 残余压裂液无害化处理技术的试验研究（河南油田分公司采油一厂，河南南阳474780 ）
（3）迟永杰，卢克福 压裂反排液回收处理技术概述
（4） 杨衍东，胡永全，赵金洲 压裂液的环保问题初探 （西南石油学院石
油工程学院，四川成都610500。油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500）
（5）王珂昕(大庆油田井下作业分dE) 压裂液和酸化解堵施工残液的无害化处理
（6）钟昇，林孟雄 油气田压裂液处理技术研究进展( 1.西南石油局油气测试中心, 四川德阳618000; 2.西南石油大学, 四川新都610500)
（7）万里平，李治平，王传军，邱杰 油田压裂液无害化处理实验研究(两南石油学院研究生院，四川南充637001；2膏可南油田分公司第一采油厂)