为实现环境与资源协调发展，钻井污水重复利用逐渐成为各油田发展方向[1]。钻井污水主要由钻井液废水、冲洗废水(振动筛冲洗水、钻井泵冲洗水、钻台钻具机械设备清洗水等)和其他机械废水组成[2]，性质较为复杂。涪陵页岩气钻井污水量大，单井产生钻井污水1 000 m3，且性质复杂、色度高、矿化度高、悬浮物浓度高、细菌浓度高。目前，处理钻井污水时一般选择pH值调节、絮凝、离心等处理方法[3-5]，处理成本较高，且国家和涪陵地方污水排放政策严格，处理后排放困难，环保压力大。重复利用是一个环保且成本低的方法，但钻井污水是不能直接利用的，其配制的压裂液性能差，并存在储层伤害。由此，需根据涪陵页岩气钻井污水特性，研究一套适合于涪陵页岩气钻井污水的重复利用技术。
目前，涪陵页岩气田钻井在导管阶段主要采用膨润土钻井液体系，一开与二开阶段采用膨润土、KCl、聚合物钻井液体系；三开阶段采用柴油与聚合物钻井液体系。由此，主要研究了此类钻井液体系在钻井过程中产生的污水，包括水质特征、处理方法及工艺、重复利用方法。
通过对涪陵焦石坝区块多个平台钻井污水进行分析，了解焦石坝区块钻井污水特性，主要包括水型、矿化度、悬浮物浓度、细菌浓度、油含量等(见表 1)。
由实验结果可以看出，未处理钻井污水矿化度较高，为(1.3~3)×104 mg/L，水型为NaHCO3，pH值大部分呈碱性和弱碱性，且水体呈棕褐色。钻井污水含有少量的氧，3种细菌浓度较大, ρ(悬浮物)为2 000~6 000 mg/L，油含量亦较高。因其存在一定油含量、COD、六价铬，若不经处理直接排放, 将会对周围的环境尤其是农作物及地表水质造成严重污染。在后期处理时需考虑这些因素的影响，从而形成有针对性的对策。
在钻井污水重复利用过程中主要存在下列问题：①配制的减阻水压裂液性能不达标(黏度性能差、减阻性能差)；②减阻剂溶解性能差；③出现沉淀或者絮状物。这主要是由钻井污水悬浮物多、细菌浓度高引起的。
钻井污水一般通过pH值调节、脱稳反应、气浮、絮凝沉降、过滤等处理过程，最后实现外排或重复利用。目前，对钻井污水处理单元设备进行污水移动式处理，在撬装装置上增加混凝、自控系统、气浮、沉降等装置，通过合理的工艺配置, 并配以优选的絮凝、气浮药剂, 这种流程也可收到较为理想的处理效果[6]。
根据实验效果，对于钻井污水重复利用时，主要采取pH值调节、絮凝处理，若细菌较多，则进一步杀菌处理。通过pH值调节剂实验得到NaOH加量为(300~350)×10-6(w)，需进一步优选其他处理剂。
采用某平台预处理后钻井污水，pH值调节剂采用NaOH，絮凝剂采用CLJ-1和CLJ-2，开展絮凝沉降实验。实验完成后观察底部絮体厚度和絮体致密程度，并抽取上层清液, 检测其悬浮物浓度(见表 2、图 1和图 2)。
絮凝形成大量的絮状沉淀，卷扫或网捕胶体颗粒，共同沉降。絮凝剂的需要量同水中的杂质数量有关。从实验结果可以看出，调节pH值及絮凝后上层清液清澈，从絮体致密情况看，当w(絮凝剂)为(20~50)×10-6时，絮体致密。
采用某平台预处理钻井污水，开展助凝剂浓度实验。助凝剂起吸附架桥、改善絮体结构、形成粗大密实的絮体的作用(见表 3和图 3)。
从表 3可以看出，当CLJ-2加量为3×10-6(w)和5×10-6(w)时，沉降速度快，絮体致密，上清液清澈。从图 3可以看出, 随着时间的延长，絮体压实程度增大。2天后，絮体致密程度变化不大; 7天后，絮体所占体积比最低值仅为13%。
采用某平台预处理后钻井污水，开展杀菌剂实验，分别测试空白水样、加药后水样的细菌数量(见表 4)。
由表 4可见，杀菌剂CLJ-8杀菌效果最好，其次为CLJ-4, 对3种细菌的杀菌率均达93%以上。
选取处理后上层清液进行分析，分析结果见表 5。对比3.2节表 7中钻井污水重复利用水质指标，已经达标，在重复利用时进一步稀释后使用。
(1) 在污水pH值约为6时，调节剂加量为(300~350)×10-6(w)，将pH值调至8左右。
(2) CLJ-1加量为(20~50)×10-6(w)，CLJ-2加量为(3~5)×10-6(w)，CLJ-8加量为100×10-6(w)，处理时间为2天。为达到现场污水处理效果，处理工艺后端加入过滤工艺(见图 4)。
将处理工艺流程中的加药(pH值调节、絮凝等)、循环、沉淀、过滤等工序组合在同一装置内，每小时处理水量为20~35 m3。凡与水接触部分(如器壁、填料、石英砂滤料等)用料均采用对水质无污染、对人体无害的材料，并符合国家有关卫生标准(见图 5)。
撬装处理设备采用加药、水力碰撞反应、斜板沉淀、多层滤料压力式分池过滤4个部分。
(1) 加药装置。加药箱采用PE材质，耐酸碱程度好；配不锈钢搅拌器，加快溶解速度；配进口计量泵，加药精确。设备中集成加药计量设备，可以人工投入絮凝剂，以配合后续的絮凝、沉淀等工序更好地进行。
(2) 反应室。反应室是由小波板组成，高效波形板是应用于絮凝反应池内的一种高效反应填料。水流在通过波形板组中缩口时，形成高速流，高流速水流形成涡流，给水中颗粒相互碰撞提供了机会和条件，大大提高了反应速率，得到更好的反应效果, 并可节省大量的絮凝剂。
(3) 沉淀室。沉淀室是由大波板组成，它的原理是采用浅层沉淀原理，可减少设备体积，使单位产水量增大；水流采用侧向流，利用波峰波谷，水往侧上流，泥往下滑，自动分离，分离速度快，保证出水质量。沉淀室下部设集泥斗，使每块波板的波谷滑泥时不受水流的影响，泥直接进入斗式收泥斗中进行自沉，降低了污泥含水率，延长排泥周期。
相比传统方式下进水，上出水的沉淀形式，侧向流斜板沉淀避免了进水对沉淀物滑落的干扰，达到了高效沉淀的效果。
(4) 过滤室。采用多层滤料，分格式过滤，可实现自动反冲洗。根据水质情况，处理装备采用无烟煤和石英砂两种滤料，进一步将水中的悬浮物去除。
设计处理规模为20~35 m3/d；处理后水质的pH值为5.5~8.5、ρ(油)小于10 mg/L、COD值小于100 mg/L、ρ(悬浮物)小于50 mg/L、细菌数量小于20个/mL。
焦页X平台采用撬装设备处理钻井污水后，室内分析其性质并开展污清混配试验，完善污水重复利用试验。采用TX-500C全量程界面张力仪和RS600旋转流变仪测试配制的减阻水表面张力、界面张力和动力黏度性能(见图 6和表 6)。
从表 6可以看出，污水配制的减阻水性能较差，污水稀释比例越高，黏度性能越好。污清比为(1:3)~(1:7)范围时，减阻水性能与清水相当，建议污清比高于1:7。
焦页X平台钻井污水量为1 000 m3，水体呈棕褐色，有刺激性气味。其中，可重复利用量约为850 m3，剩余150 m3为废渣和絮体。废渣统一进行固化处理。现场取污水池中下部水样进行离子、悬浮物、细菌等检测，结果见表 7。
从上述分析结果可以看出，焦页X平台处理后污水基本达到重复利用水质指标，与压裂液配伍性好，配制0.1%减阻水黏度为9 mPa·s，稀释后重复利用于焦页aHF、焦页bHF和焦页cHF等6口井。
从室内实验、现场水处理效果和现场应用情况看出，研发的水处理药剂满足现场污水处理要求，处理工艺及装备简便易行。处理后水质达到重复利用技术指标，与压裂液配伍性好，现场得到成功应用。
(1) 涪陵页岩气钻井污水重复利用时，其悬浮物、细菌浓度是引起减阻水压裂液溶解性能差、黏度等性能差的主要原因。
(2) 通过对钻井污水性质的分析，优选出水处理剂。pH值调节剂加量为(300~350)×10-6(w)，絮凝剂CLJ-1加量为(20~50)×10-6(w)、CLJ-2加量为(3~5)×10-6(w)，杀菌剂CLJ-8加量为100×10-6(w)。根据该配方处理后的污水达到重复利用配液指标，与压裂液配伍性好，配制0.1%减阻水黏度为6~10 mPa·s。
(3) 突破复杂山地井场条件制约，形成了一套经济、高效水处理工艺流程并研制出撬装处理设备。现场处理焦页X平台污水1 000 m3，处理后污水达到了重复利用水质指标，成功应用压裂6井次。
(4) 涪陵页岩气钻井污水重复利用技术可以快速、经济地解决现场钻井污水难处理问题，处理工艺简便易行，建议推广应用。
2016, Vol. 45 Issue (5): 95-99, 106
2016, Vol. 45 Issue (5): 95-99, 106