國(guó)外頁(yè)巖氣壓裂返排液處理新技術(shù)綜述

范紅良

（西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院四川成都610500）

國(guó)外頁(yè)巖氣壓裂返排液處理新技術(shù)綜述

范紅良

（西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院四川成都610500）

本文概述了頁(yè)巖氣壓裂返排液國(guó)內(nèi)外處理現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了三種國(guó)外返排液處理新技術(shù)，分別為電絮凝技術(shù)、MVR蒸餾技術(shù)和臭氧催化氧化技術(shù)。這些技術(shù)均能有效地處理頁(yè)巖氣壓裂返排液，不僅節(jié)約成本，還可避免對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成損害。

頁(yè)巖氣；壓裂返排液；電絮凝；MVR蒸餾；臭氧催化氧化

1　前言

近年來，隨著中國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)取得突破，作為一種非常規(guī)油氣資源的頁(yè)巖氣，正被政府和相關(guān)油氣公司重視。目前，頁(yè)巖氣開采多采用長(zhǎng)井段水平井、分段射孔和滑溜水體積壓裂技術(shù)。水力壓裂中壓裂液耗水量巨大(每口水平井需7 600 m3～19 000m3清水)，此外，滑溜水壓裂液中還含有多種化學(xué)添加劑，包括防垢劑、降阻劑、殺菌劑、表面活性劑和粘土穩(wěn)定劑等。壓裂作業(yè)后，體積占注入壓裂液60%～80%的返排液逐漸返排至地表[1]。返排液具有高化學(xué)需氧量（COD）、高懸浮物（TSS）、高礦化度（TDS）、難生物降解和成分復(fù)雜等特點(diǎn)。頁(yè)巖氣返排液產(chǎn)生量巨大，如不采取有效處理方式加以處理，容易對(duì)土壤、地表水、地下水甚至人類健康造成嚴(yán)重?fù)p害[2]。

2　國(guó)內(nèi)外處理現(xiàn)狀

目前，返排液處置方式主要有三種：（1）深井回注；（2）處理后外排；（3）處理后回用。國(guó)內(nèi)對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液的處置方法主要是深井回注和重復(fù)利用。近年來，國(guó)內(nèi)加大了對(duì)頁(yè)巖氣返排液處理技術(shù)研究和應(yīng)用的力度，但總體上還處于起步階段，與國(guó)外在工藝和裝備方面相比還有較大的差距。

美國(guó)頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)較早，是頁(yè)巖氣商業(yè)開發(fā)最成功的國(guó)家，其返排液處理方法主要是重復(fù)利用。美國(guó)頁(yè)巖氣壓裂返排液處理技術(shù)的發(fā)展由市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)，其市場(chǎng)上存在許多污水處理公司，且大部分為民營(yíng)企業(yè)，由于市場(chǎng)需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的促進(jìn)，這些公司開發(fā)出的返排液處理技術(shù)處于全球領(lǐng)先地位，且有多家公司開發(fā)出了可移動(dòng)或模塊化的處理設(shè)備，具有移動(dòng)靈活、占地面積小和處理高效等特點(diǎn)。

3　返排液處理新技術(shù)

3.1電絮凝技術(shù)

電絮凝裝置由電源、反應(yīng)器和過濾器等部件組成，反應(yīng)過程中產(chǎn)生電化學(xué)和電凝聚、點(diǎn)氣浮的協(xié)同作用，主要去除返排液中的TSS和重金屬離子。其工作原理如下：首先電絮凝裝置通電后，反應(yīng)器中作為陽(yáng)極的鋁板或鐵板經(jīng)電解后失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)生成鋁、鐵離子，然后這些離子經(jīng)過一系列水解、聚合和亞鐵氧化反應(yīng)后產(chǎn)生各種絮凝劑（如氫氧化物、羥基絡(luò)合物、多核羥基絡(luò)合物等），水中的懸浮物、膠體物質(zhì)與絮凝劑發(fā)生電性中和、吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃作用而脫穩(wěn)，產(chǎn)生肉眼可見的大絮體，最終通過物理分離而達(dá)到凈化污水的目的。

目前，商業(yè)化比較成功的為美國(guó)Halliburton公司開發(fā)的CleanWaveR裝置，該裝置采用水質(zhì)調(diào)節(jié)—電絮凝—過濾技術(shù)流程，處理流量達(dá)到240m3/h，出水滿足重新配制壓裂液要求。

3.2MVR蒸餾技術(shù)

MVR指機(jī)械蒸汽再壓縮，該技術(shù)由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)和換熱器等部件組成，主要去除返排液中的金屬離子。MVR技術(shù)與傳統(tǒng)蒸餾技術(shù)相比，在節(jié)源方面有優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在：蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)被第一次利用后，產(chǎn)生的二次蒸汽中蘊(yùn)含的大部分低品質(zhì)能量，經(jīng)過壓縮機(jī)并花費(fèi)較小的電能后，這部分二次蒸汽被提升為高品質(zhì)能量，送回到蒸發(fā)器作為熱源繼續(xù)使用，達(dá)到了能源的循環(huán)利用。

目前，美國(guó)的Aqua-pure公司研發(fā)的NOMAD 2000裝置利用MVR技術(shù)，已在Marcellus和Barnett等頁(yè)巖盆地返排液處理工程中推廣應(yīng)用，其日處理能力約為1600 m3～9500m3，處理后出水既可外排，又可回用于配制壓裂液。

3.3臭氧催化氧化技術(shù)

傳統(tǒng)的臭氧氧化技術(shù)在應(yīng)用上有一定的局限性，臭氧對(duì)污染物的去除是選擇性的。新型的臭氧催化氧化技術(shù)引入催化作用，該技術(shù)產(chǎn)生的羥基自由基（OH·）具有最高的氧化電位（2.80V），能夠沒有選擇性地氧化有機(jī)物?；钚蕴俊⒊暡ǖ瓤膳c臭氧組成臭氧催化氧化體系。

目前，美國(guó)Hydrozonix公司研發(fā)的HydrozonixEF80系統(tǒng)利用臭氧催化氧化技術(shù)處理返排液，能去除返排液中的細(xì)菌、硬度、有機(jī)物和硫化氫等。該系統(tǒng)的工作流程為：首先返排液進(jìn)入反應(yīng)器發(fā)生水力空化現(xiàn)象而產(chǎn)生數(shù)大量微小氣泡，這些微小氣泡崩潰產(chǎn)生的高溫高壓使水熱化學(xué)分解而產(chǎn)生OH·，進(jìn)而將有機(jī)物分解；然后向反應(yīng)器中通入臭氧，將細(xì)菌殺死并氧化重金屬；之后向返排液中通入電流發(fā)生電化學(xué)作用，將鈣、鎂等金屬離子沉淀下來；接著，對(duì)返排液施以超聲波，反應(yīng)器產(chǎn)生高頻振動(dòng)而使返排液產(chǎn)生超聲空化，由震動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)以萬計(jì)的微小氣泡逐漸長(zhǎng)大后發(fā)生劇烈碰撞而崩潰，將上述鈣、鎂離子產(chǎn)生的沉淀瓦解為納米級(jí)別大小的顆粒而去除；最后，出水從反應(yīng)器流出，可以重新配置成壓裂液。該系統(tǒng)為車載模塊化形式，處理流量可達(dá)760m3/h，具有移動(dòng)靈活、使用方便等特點(diǎn)。

4　結(jié)語(yǔ)

返排液具有間歇式排放、污染物濃度高和成分復(fù)雜等特點(diǎn)，直接排放會(huì)對(duì)環(huán)境和人類健康造成巨大的傷害。本文綜述了三種目前國(guó)外返排液處理的新技術(shù)，以期對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液處理裝置的開發(fā)提供參考。

[1]付茜,彭其勇.頁(yè)巖氣壓裂返排液對(duì)環(huán)境的影響及思考[J].油氣田環(huán)境保護(hù),2015,03:60-63+74.

[2]吳青蕓,鄭猛,胡云霞.頁(yè)巖氣開采的水污染問題及其綜合治理技術(shù)[J].科技導(dǎo)報(bào),2014,13:74-83.

范紅良（1989—），男，漢，北京市平谷區(qū)人，在讀碩士研究生，研究方向：水處理理論與技術(shù)。