頁巖氣壓裂返排液處理技術(shù)的研究綜述

劉斌 吳惠梅 汪晉

【摘要】開采頁巖氣的一般規(guī)律表現(xiàn)為初期產(chǎn)量較高，經(jīng)過一段時(shí)間的開發(fā)后產(chǎn)量呈快速遞減趨勢，進(jìn)入開發(fā)后期之后氣井具有低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、生產(chǎn)周期長的特點(diǎn)。為提高頁巖氣井采收率，通常需要采用壓裂技術(shù)，但在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)可產(chǎn)生具有高污染性的返排液。本文綜述了返排液的處理技術(shù)情況，包括物理處理技術(shù)，化學(xué)處理技術(shù)，生物處理技術(shù)；同時(shí)簡單闡述了新處理技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。

【關(guān)鍵詞】返排液；壓裂；頁巖氣；綜述

頁巖氣屬于非常規(guī)形式的天然氣，主要存在于有機(jī)質(zhì)豐富、孔隙率及滲透率極低的頁巖儲(chǔ)集層當(dāng)中，由于在開采頁巖氣的過程中需要采用人工的方法進(jìn)行大型儲(chǔ)層造縫或造網(wǎng)處理，因此頁巖氣也有人造氣藏之稱。在造縫或造網(wǎng)時(shí)需要應(yīng)用壓裂技術(shù)，應(yīng)用壓裂技術(shù)后產(chǎn)生的返排液必須進(jìn)行特殊的處理。本文對近年來處理返排液的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了綜述，具體如下。

1、壓裂返排液處理技術(shù)綜述

1.1 物理處理技術(shù)綜述

處理返排液時(shí)可以采用的物理技術(shù)包括自然蒸發(fā)、凍融、過濾等。凍融指的是對返排液進(jìn)行冷凍處理，使返排液結(jié)冰，結(jié)冰的過程中可析出鹽類物質(zhì)，因此可降低冰中鹽的濃度，隨后加熱冰塊獲得鹽濃度較低的鹽水，并由此分離水、鹽類物質(zhì)。凍融技術(shù)對于氣候條件的要求較高，因此目前沒有得到大規(guī)模的使用。自然蒸發(fā)指的是利用日照產(chǎn)生的能量去除返排液中的水分，在水分完全蒸發(fā)后，對剩余的淤泥及鹽類物質(zhì)進(jìn)行固化處理即可。自然蒸發(fā)技術(shù)的處理成本較低，但處理能力相對較小，且需要的時(shí)間較長，土地與溫度等自然條件均可對處理過程與效果產(chǎn)生影響，因此適用范圍較小。目前自然蒸發(fā)技術(shù)被應(yīng)用于我國沙漠地區(qū)與美國西部地區(qū)僅需要處理少量返排液的頁巖氣開發(fā)工程中。過濾技術(shù)指的是分離返排液中的液體與固體，從而將液體中的脂類物質(zhì)、油類物質(zhì)、懸浮物及機(jī)械雜質(zhì)等去除，在進(jìn)行過濾處理的過程中通常需要使用活性炭，以增強(qiáng)對于固體小顆粒的吸附作用。濾芯孔徑與濾網(wǎng)孔徑是決定過濾效果的主要因素，如過濾器的孔徑較小，則孔道容易被細(xì)菌黏液堵塞，需要清洗濾網(wǎng)才能有效保證返排液的處理效果達(dá)到要求。目前國內(nèi)、國外的頁巖氣井中均應(yīng)用到了過濾處理技術(shù)，但該技術(shù)通常需要與其他技術(shù)聯(lián)合使用，以改善處理效果。

1.2 化學(xué)處理技術(shù)綜述

處理返排液時(shí)常用的化學(xué)技術(shù)包括中和技術(shù)、氧化技術(shù)及混凝技術(shù)等。中和技術(shù)適用于處理酸化返排液，處理時(shí)可將Na2CO3、NaOH及CaO等作為中和劑，NaOH與CaO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后可生成具有污水凈化與絮凝作用的Ca（OH）。目前已有相關(guān)研究證實(shí)，結(jié)合中和技術(shù)、污泥吸附技術(shù)與混凝沉降技術(shù)對頁巖氣井中的返排液進(jìn)行處理后，能夠高效去除返排液中的鹽類物質(zhì)等有害成分，且經(jīng)過處理后的廢液水質(zhì)可達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)。混凝技術(shù)是處理頁巖氣井返排液時(shí)常用的一種工藝，該技術(shù)具有成本低、效果好及操作簡單的特點(diǎn)，主要在預(yù)處理階段使用，應(yīng)用混凝法可以高效去除返排液中的部分懸浮物與有機(jī)物等。例如，聯(lián)合應(yīng)用混凝技術(shù)、過濾技術(shù)與氧化處理技術(shù)中的H2O2或O3技術(shù)對返排液進(jìn)行處理后可以確保出水水質(zhì)達(dá)到GB8978中的二級排放標(biāo)準(zhǔn)。氧化技術(shù)分為初級氧化處理技術(shù)、高級氧化處理技術(shù)。初級技術(shù)指的是將H2O2、KMnO4、NaClO及Ca（ClO）2等氧化劑加入到待處理的返排液當(dāng)中，以初步去除易降解類有機(jī)物，對于難降解類有機(jī)物，則實(shí)施深度氧化處理。目前我國的河南油田與中原油田聯(lián)合應(yīng)用絮凝技術(shù)與氧化處理技術(shù)對返排液進(jìn)行處理后，有效降低了返排液中有害成分的含量。例如，采用氧化劑KMnO4對返排液進(jìn)行預(yù)處理后聯(lián)合混凝技術(shù)、深度氧化處理技術(shù)可以將高錳酸鹽的去除率提升至86.5%，同時(shí)能將返排液的嗅味去除、將濁度降低。氧化處理中的高級技術(shù)指的是采用活性較強(qiáng)的自由基降解難溶性有機(jī)物質(zhì)，使有機(jī)物質(zhì)被氧化成低毒性或無毒性物質(zhì)，如H2O及CO2等，目前常用的高級技術(shù)包括電催化、光催化及Fenton氧化技術(shù)等。例如，采用Fenton氧化技術(shù)與絮凝技術(shù)回注處理返排液時(shí)，可有效降低返排液中的細(xì)菌含量、含油量與固體懸浮物含量。

2、新技術(shù)發(fā)展動(dòng)向

在研發(fā)返排液的新型處理技術(shù)時(shí)需要綜合考慮頁巖氣的勘探開發(fā)特點(diǎn)與綜合治理返排液污染中面臨的難題。目前國外正積極開展高效處理返排液、回用返排液及綜合利用返排液方面的技術(shù)攻關(guān)。國外一項(xiàng)研究將就地處理頁巖氣井中的返排液作為技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)，在2012.5月該項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入中期研究階段，在該研究階段中獲得的成果包括利用納米濾膜技術(shù)保證返排液處理過程中的熱動(dòng)力處于穩(wěn)定狀態(tài)，在熱動(dòng)力處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，就可以高效回用返排液。除了能夠回用經(jīng)過處理的返排液之外，還能在處理返排液后獲得鹽鹵水，鹽鹵水的濃度為14萬mg/L左右，可用于工業(yè)生產(chǎn)。美國的Eltron公司正在積極研發(fā)用于處理頁巖氣井返排液的納米濾膜技術(shù)，該納米濾膜需具有較強(qiáng)的耐高壓與耐高溫能力，且脫鹽效果較好，可用于處理含鹽度較高的頁巖氣井返排液。在采用該納米濾膜脫鹽處理返排液后，產(chǎn)出水還可以用于其他工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，因此能夠有效節(jié)省含鹽量高的返排液的處理成本。該公司目前生產(chǎn)的濾膜過濾返排液中MgSO4及NaCl的比例已經(jīng)分別達(dá)到了80%、50%以上。此外，目前也有利用人工濕地生態(tài)系統(tǒng)對返排液進(jìn)行處理的研究，該研究項(xiàng)目指出，可以利用濕地的凈化功能降解頁巖氣井返排液中的石油類、有機(jī)離子及金屬離子等污染物。

3、結(jié)語

綜上所述，壓裂施工返排液中含有大量添加劑，包括調(diào)節(jié)劑、交聯(lián)劑及增稠劑等，具有高黏度、高穩(wěn)定性及高COD值等特征，如直接排放，則會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成破壞。目前在處理頁巖氣井返排液時(shí)可以采用的技術(shù)主要包括物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)與生物技術(shù)，上述三種技術(shù)通常被聯(lián)合使用，以改善廢液的處理效果。此外，目前國內(nèi)外也正在積極研究新型處理工藝，爭取在降低處理成本的基礎(chǔ)上改善處理效果。

參考文獻(xiàn)：

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