页岩气是一种重要的非常规能源。典型的页岩气开发包括钻井、水力压裂和反排三个阶段。页岩气钻井废水主要产生于水基钻井过程中,伴随着地层产出水、钻井平台清洗废水等。垃圾成分复杂,COD高,含盐量高,可生化性差,难以处理。页岩气井压裂后返回液约占注入压裂液的60%~80%。压裂液的组成取决于以下因素:压裂液的性质、压裂液的化学成分、储层的地质化学成分、地层水的水质以及返排液在地下和地面的放置时间。压裂返排液中多种添加剂的使用使其具有较高的COD、TDS和TSS。如果直接排放,容易对周边环境造成严重污染。
由于水力压裂过程耗水量大,势必会给页岩气田周边或区域带来严峻的水资源挑战,因此有必要提高压裂返排液的再利用效率,降低处理成本。页岩气开发废水中的化学添加剂、石油和高价金属离子会影响回用,因此需要破胶失稳来选择性去除悬浮物和高价离子。
本研究利用稳定度仪对化学絮凝和电絮凝处理的页岩气开发废水的不稳定性进行了分析,并对不稳定指数、分离速度等进行了表征。直观、定量地解释了不同方法对絮体形成状态和分离过程的影响。
1.页岩气开发废水失稳试验。
1.1废水来源
水样为西南地区不同页岩气产区的两种压裂返流液和一种钻井废水。压裂返排液样A来自挡路C,初期微黄略浊;压裂液B来自挡路W,简单沉降后部分压裂液重复使用。样品B为重复压裂后的废水,呈灰黑色,悬浮物明显;钻井废水C来自挡路N,三开阶段产出,水样为油状悬浮物。
1.2实验方法
实验使用的化学物质为盐酸、氢氧化钠和聚合氯化铝(PAC,含量为26%)。电絮凝实验装置是一种自制的小型试验装置,可自动曝气调节电流、电压。预处理方法采用调酸曝气,失稳方法采用化学絮凝和电絮凝,通过投加不同浓度的聚合氯化铝来控制参数,控制电絮凝反应时间和反应后的pH值。
分析设备为LUMiSizer611型全功能稳定性分析仪器和WGZ-1B型便携式浊度仪。其中,全功能稳定性分析的参数设置为:SOP(线)=200s,采样间隔=5s,转速=500rpm/min,样品室为Lum-10 mmPa管,形状类似长方体。
2.页岩气开发废水失稳结果分析。
2.1原水的稳定性
三个样品的原水水质稳定性特征如表1所示,稳定性图如图1所示,图中红线为检测前期采集的光谱线,绿线为检测后期采集的光谱线;纵坐标为透过率,横坐标为样本池中的位置,左边为样本池的口,右边为样本池的底部。谱线间距越大,透光率变化越大,透光率越高越清晰。根据图1和表1,失稳难度从低到高依次为压裂回流液B(0.363)、钻井废水C(0.173)、压裂回流液A(0.061)。压裂返排液B和钻井废水C型表现出明显的分离状态,前者是上部悬浮物的下沉,后者是漂浮的分离方式。
2.2化学不稳定效应
三种水样的压裂返排液在单独添加絮凝剂PAC时都有明显的絮凝效果。治疗前后的稳定性特征如表2所示,稳定性图如图2所示。
从图2可以看出,加入PAC后的水样分离达到了不稳定的效果。2号和3号水样的透光率在样池底部增大,表明絮体漂浮。随着PAC投加量的增加,沉降速率变慢,2号和3号水样的谱线越来越密集,也表明分离速度变慢。可见,加入PAC后,絮体可以部分上浮,增加投加量可以改善失稳效果,但分离速度变慢。
针对阿集3号压裂回水的处理,即加PAC