國外頁巖氣壓裂返排液處理新技術綜述

范紅良

（西南石油大學土木工程與建筑學院四川成都610500）

國外頁巖氣壓裂返排液處理新技術綜述

范紅良

（西南石油大學土木工程與建筑學院四川成都610500）

本文概述了頁巖氣壓裂返排液國內外處理現狀，重點介紹了三種國外返排液處理新技術，分別為電絮凝技術、MVR蒸餾技術和臭氧催化氧化技術。這些技術均能有效地處理頁巖氣壓裂返排液，不僅節約成本，還可避免對生態環境和人類健康造成損害。

頁巖氣；壓裂返排液；電絮凝；MVR蒸餾；臭氧催化氧化

1　前言

近年來，隨著中國頁巖氣開發技術取得突破，作為一種非常規油氣資源的頁巖氣，正被政府和相關油氣公司重視。目前，頁巖氣開采多采用長井段水平井、分段射孔和滑溜水體積壓裂技術。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添加劑，包括防垢劑、降阻劑、殺菌劑、表面活性劑和粘土穩定劑等。壓裂作業后，體積占注入壓裂液60%～80%的返排液逐漸返排至地表[1]。返排液具有高化學需氧量（COD）、高懸浮物（TSS）、高礦化度（TDS）、難生物降解和成分復雜等特點。頁巖氣返排液產生量巨大，如不采取有效處理方式加以處理，容易對土壤、地表水、地下水甚至人類健康造成嚴重損害[2]。

2　國內外處理現狀

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。國內對頁巖氣壓裂返排液的處置方法主要是深井回注和重復利用。近年來，國內加大了對頁巖氣返排液處理技術研究和應用的力度，但總體上還處于起步階段，與國外在工藝和裝備方面相比還有較大的差距。

美國頁巖氣的勘探開發較早，是頁巖氣商業開發最成功的國家，其返排液處理方法主要是重復利用。美國頁巖氣壓裂返排液處理技術的發展由市場經濟主導，其市場上存在許多污水處理公司，且大部分為民營企業，由于市場需求和市場競爭的促進，這些公司開發出的返排液處理技術處于全球領先地位，且有多家公司開發出了可移動或模塊化的處理設備，具有移動靈活、占地面積小和處理高效等特點。

3　返排液處理新技術

3.1電絮凝技術

電絮凝裝置由電源、反應器和過濾器等部件組成，反應過程中產生電化學和電凝聚、點氣浮的協同作用，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，反應器中作為陽極的鋁板或鐵板經電解后失電子，發生氧化反應生成鋁、鐵離子，然后這些離子經過一系列水解、聚合和亞鐵氧化反應后產生各種絮凝劑（如氫氧化物、羥基絡合物、多核羥基絡合物等），水中的懸浮物、膠體物質與絮凝劑發生電性中和、吸附架橋和網捕卷掃作用而脫穩，產生肉眼可見的大絮體，最終通過物理分離而達到凈化污水的目的。

目前，商業化比較成功的為美國Halliburton公司開發的CleanWaveR裝置，該裝置采用水質調節—電絮凝—過濾技術流程，處理流量達到240m3/h，出水滿足重新配制壓裂液要求。

3.2MVR蒸餾技術

MVR指機械蒸汽再壓縮，該技術由蒸發器、壓縮機和換熱器等部件組成，主要去除返排液中的金屬離子。MVR技術與傳統蒸餾技術相比，在節源方面有優勢，體現在：蒸汽在蒸發器內被第一次利用后，產生的二次蒸汽中蘊含的大部分低品質能量，經過壓縮機并花費較小的電能后，這部分二次蒸汽被提升為高品質能量，送回到蒸發器作為熱源繼續使用，達到了能源的循環利用。

目前，美國的Aqua-pure公司研發的NOMAD 2000裝置利用MVR技術，已在Marcellus和Barnett等頁巖盆地返排液處理工程中推廣應用，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

傳統的臭氧氧化技術在應用上有一定的局限性，臭氧對污染物的去除是選擇性的。新型的臭氧催化氧化技術引入催化作用，該技術產生的羥基自由基（OH·）具有最高的氧化電位（2.80V），能夠沒有選擇性地氧化有機物。活性炭、超聲波等可與臭氧組成臭氧催化氧化體系。

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

4　結語

返排液具有間歇式排放、污染物濃度高和成分復雜等特點，直接排放會對環境和人類健康造成巨大的傷害。本文綜述了三種目前國外返排液處理的新技術，以期對頁巖氣壓裂返排液處理裝置的開發提供參考。

[1]付茜,彭其勇.頁巖氣壓裂返排液對環境的影響及思考[J].油氣田環境保護,2015,03:60-63+74.

[2]吳青蕓,鄭猛,胡云霞.頁巖氣開采的水污染問題及其綜合治理技術[J].科技導報,2014,13:74-83.

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