壓裂返排液處理技術研究

周道琛 ，史曉瓊 ，李 斌 ，王飛航 ，2

（1.核工業二0三研究所，陜西咸陽 712000；2.陜西中核地礦油氣工程有限公司，陜西延安 716000）

目前，我國石油天然氣開發已進入中后期階段，開發成本與難度愈加增大，為了提高油氣田產能，壓裂工藝作為主要的增產措施在各油田廣泛應用。

壓裂工藝廣泛的應用于低滲透、非常規油氣藏開發過程中，利用壓裂工藝可有效地改善油氣儲層的滲透力與流動性[1-4]。壓裂技術在新井試油、老井增產及非常規油氣開發、頁巖氣開發中發揮著重要作用。在壓裂過程中最常用的是水基壓裂液及其他化合物，而壓裂之后隨著時間的不斷推移，儲層中的壓裂液需要逐漸返排出井口，其廢液具有污染物，成分復雜、濃度高、黏度大，處理難度大，是油田較難處理污染物之一。如不處理直接排放，會干擾后續的生產，并造成區域環境污染、井筒堵塞等，嚴重則影響油田正常生產（見圖1）。

油氣田污水處理常用的方法有混凝法、鐵、碳微電解法、酸堿中和法、生物處理法等[5-7]。壓裂返排液的成分較為復雜多樣，可降解性比較低，在實際應用處理過程中，需要通過多種方式方法來進行綜合處理，已達到凈化的效果（見表1）。

表1 壓裂返排液污水性質

1 油氣田壓裂廢液的危害分析

壓裂返排液中除了含有摻合物與添加劑外，還有從儲層中返排過程中攜帶了大量的細菌、有機化合物以及各類雜質，與鉆井泥漿污水、固井液污水等相比具有污染物濃度大，種類多、成分復雜、礦化度高等特點。

返排液如果不經過有效的處理，將會對地層與周邊環境造成很大的危害，導致地區生態環境破壞。

2 國內壓裂返排液處理技術

2.1 混凝法處理技術

該工藝的經濟實用型比較好，它是在壓裂返排液中加入一些絮凝劑，去除返排液中的可溶性物質與固體物質，最終達到固體顆粒和液體的分離效果。該工藝的不足在于不能很好的處理化學耗氧量（COD）。在油氣田返排液的實際處理過程中，一般會加入較多的混凝劑以達到預期的處理效果，但是過量會造成淤泥過多造成二次污染，而且大量淤泥減慢了沉淀的速度，造成廢水處理時間過長。因此，此種方法大多數應用在前期的預處理當中。

2.2 鐵、碳微電解法

該工藝一般稱作零價鐵法電解技術，其廣泛應用于油氣產業廢液處理當中，取得了很好的處理效果。該技術涉及氧化還原、電極反應、絮凝、鐵離子的絡合作用等，來處理油氣田中的廢液。廢鐵屑的主要成分是鐵和碳，當將其浸入電解質溶液中時，由于Fe和C之間存在1.2 V的電極電位差，因而會形成無數的微電池系統，在其作用空間構成一個電場，陽極反應生成大量的Fe2+進入廢水，進而氧化成Fe3+，形成具有較高吸附絮凝活性的絮凝劑。

陰極反應產生大量新生態的[H]和[O]，在偏酸性的條件下，這些活性成分均能與廢水中的許多組分發生氧化還原反應，使有機大分子發生斷鏈降解，從而消除了有機物尤其是印染廢水的色度，提高了廢水的可生化度，且陰極反應消耗了大量的H+生成了大量的OH-，這使得廢水的pH值也有所提高，而由Fe2+氧化生成的Fe3+逐漸水解生成聚合度大的Fe（OH）3膠體絮凝劑，可以有效地吸附、凝聚水中的污染物，從而增強對廢水的凈化效果。

該微電解過程通常在常溫下就可以進行，但為了達到最好的電解效果，需要找到一個合適的溫度。

2.3 生物法

生物法主要是借助微生物來處理廢液的一種工藝方法，同時利用其很好的代謝能力來降解廢液中的有機物質，產生對區域環境無害且穩定的物質。此外，極易生成一些凝聚起來的微生物細胞質，因此，利用凝聚物也可以達到凈水的目的。生物法具有針對性強、工藝簡單、方便運移與管理等特點，其最大的特點是成本相對比較低。

圖1 不同壓裂返排水樣

2.4 中和作用

中和的目的主要是利用加入一些生石灰與返排液中酸液進行反應，調節返排液的酸堿度，使其便于鐵、碳微電解法的運行；同時在中和過程中也可以消除返排液中的一些雜質，使其沉降，起到一定的凈化作用。

2.5 活性炭吸附

該工藝是整個返排液處理的最后一道工序，利用活性炭吸附一些細小的污染物。活性炭的比表面積與表面化學特征決定了其吸附性能，活性炭與極性物質或非極性物質之間的作用力由其表面化學特性來控制，而其吸附容量由比表面積來決定。活性炭的使用可以有效地對返排液中的細小污染物進行分離與提純。

3 結論

壓裂返排液的處理工序較為復雜，費用較高、工藝流程繁瑣，國內各大油田也在不斷的更新工藝與設備，如長慶、吐哈、大慶等油田，都在不斷的開發新技術新方法，盡量做到對返排液的無害化處理。

國外對于壓裂返排液的處理技術研究起步早，技術成熟，實際應用效果較好，如Barnett，Marcellus頁巖氣田的壓裂返排液主要處置方式是回收重復利用，隨著國家能源發展戰略，節能減排，重復利用將是我國發展的趨勢和目標，壓裂返排液對于各大油田來說，做到無害化處理或重復利用將是未來的一個發展方向，也是油氣田開發的必然選擇。因此，建議從以下方面開展研究工作：

（1）借鑒并吸收國外的先進技術工藝，改善國內固有的方式方法，解決目前各大油田所面臨的技術難題。

（2）開發綠色低污染或無污染的化學添加劑。

（3）由于開發現場多處于野外，需研制模塊化的可方便移動的處理設備，提高處理效率，降低處理成本。