油田壓裂返排液處理技術研究

張 強，田金川

[陜西省榆林市定邊縣定邊采油廠（森豪威），陜西榆林 718699]

1 壓裂返排液主要危害

壓裂返排液危害主要聚焦于以下方面：①對土壤造成的危害相對直接。壓裂返排液處于自然條件，沒有人工干預的情況下，降解難度較大，有機物成分較多，且以酸性和堿性為主要成分，其中的一些具備較大毒性。盡管較短時間內不會對周圍環境產生影響，但是若不經處理，長此以往，很容易引發對土壤的嚴重污染，降低土壤中腐殖質的成分，減少土壤對礦物質（包括氮、磷、鉀）的吸收能力，使土壤肥力降 低[1]。②成分相對復雜。壓裂返排液中含有較多細菌，細菌會留在地層中加速繁殖，對地層中管線、注水井和油井設備等加速腐蝕，微生物逐漸增多的同時，也會形成堵塞現象，對地層滲透率產生較大影響。與此同時，壓裂返排液中添加劑含量較多，如果未經有效處理，排放時不達標，很有可能對地下水和表層水造成嚴重污染。③壓裂返排液處理難度較大。由于壓裂返排液中含有較多復雜物質，內部的膠體鉆井液存在形式為凍膠狀態，很容易提高壓裂返排液的乳化程度，導致處理成本較高，處理難度較大[2]。

2 壓裂返排液處理技術

2.1 物理方法

2.1.1 過濾法

很多污水處理廠的常用方法都是過濾法，可以通過特殊膜的結構，一些較大分子結構會被隔離在特殊膜外面，從而達到去除污水污染物的目的，實現壓裂返排液處理效率的提升。

2.1.2 懸浮法

活性炭是懸浮處理方式的常用物料，以活性炭為代表的物質，能夠令壓裂返排液的雜質在水面上懸浮。其工藝原理在于，通過氣壓性質，使污水表面漂浮一些沉淀難度較大的雜質。后續通過人工或機械方式，去除水體上方雜質。但由于此項技術針對其他污染物去除難度較大，因此依然限制了其實用價值[3]。

2.1.3 絮凝法

絮凝法通常在污染物濃度較大的廢水中相對常用，絮凝法為混凝沉淀法的一種，對于人員的操作水平要求不高，也不用成本較高的裝備。在現實中遇到的最大問題，就是對沉淀物應如何處理。有相關資料顯示，壓裂返排液中絮凝劑沉淀，污水量增加的同時，處理效果也會有一定負面影響。而鑒于壓裂返排液通常具備較大液體黏度，為達到較好的混凝效果，混凝劑的使用難免過量，這不僅會極大增加后續處理難度，導致處理周期延長，而且也會導致二次污染。因此在實踐中，應當聯用吸附法、絮凝法和過濾法等諸多技術，在提高處理效果的同時，令基數造成的污染降至最低[4]。

2.2 化學方法

2.2.1 化學氧化法

化學氧化法是污水處理的重要方式，針對壓裂返排液的處理同樣有較大使用價值。究其原因，是因為壓裂返排液具備復雜的成分，一般的物理方法效果較差，向其中適量加入氧化劑，可加強高分子有機物的降解，避免污染物濃度提升。聚焦于技術的發展情況，現階段使用較多的氧化劑，以次氯酸鈉、雙氧水和高錳酸鉀等為主[5]。其中，次氯酸鈉進入水中，會引發水解反應，產生不穩定次氯酸分子，生成新物質生態氧，全面提升氧化性，對自然降解難度的氧化廢液，可促使污染物的支鏈斷裂，使分子結構進一步改變。

2.2.2 電化學氧化法

電化學氧化法本質上是通過電的干預，促進物質電子的得失，加速污染物的氧化還原反應，從而達到水體凈化目的。氧化方式可分成直接氧化與間接氧化兩種，前者可令污染物直接損失電子，達到降解污染物的目的；后者會多出氧化性中間產物生成的環節，后續通過中間產物的作用，促進氧化降解過程的推進。在實踐中，直接氧化和間接氧化方法的使用并不是涇渭分明的，其優勢可以相互補足。有研究表明，在處理油田廢水時，通過電化學氧化法，可以促進廢水水體中還原性物質含量的降低，防止超出排放標準的同時，可極大降低二次污染的概率，更可通過自動化操作，極大提高工作效率[6]。

2.2.3 臭氧催化氧化法

臭氧同樣是常用的污水處理物質，向水中加入適量臭氧和催化劑，水中能夠生成羥基自由基，該物質具有較強的氧化能力，可有效促進有機物的氧化和降解。在處理壓裂返排液時，通常會先降低壓裂返排液黏度，充分混合之后混凝，向其中加入促進污染物沉淀的物質，后續向水體中加入臭氧，完成降解后，最后加入活性炭[7]。實踐中，催化氧化時間控制在40~50min即可，催化劑可選擇高錳酸鉀，每升污水投放1g即可。這種處理方法可極大減少添加劑投放量，而且不易生成大量污泥，但是處理效果對臭氧發生率依賴性較強。

2.2.4 微電解氧化法

這種方法也有鐵碳微電解法的別稱，綜合性較強，具備電沉積、氧化還原、催化氧化和絮凝吸附等處理方式的優勢。鐵屑和碳粒處于酸性水溶液環境中，本質上可以理解為微小原電池，自身的電場效應盡管不強，但依然會對污水膠體的穩定環境形成一定破壞，從而破壞污染物的懸浮狀態。在外部電極反應介入時，水體中氫離子和二價鐵離子具備活潑的氧化還原反應能力，可以提高廢水高分子有機物的反應能力，破壞發色基團，導致發色能力進一步下降，這也是污水逐漸澄清的重要原因。與此同時，二價鐵離子和三價鐵離子具備較好的絮凝能力，可達到理想的絮凝效果，如果電極反應無法有效處理不溶物，或一些懸浮物質，可再加入二價鐵離子和三價鐵離子，使絮凝后的污水處理效果立竿見影[8]。

2.2.5 光催化氧化法

光照條件下，半導體催化劑會促進污染物質電子躍遷，引發電子空穴現象，導致氫氧基的產生，增加水體氧化能力，進而降解有機物，可配合其他催化劑使用。光催化氧化法催化效果可達到納米級，水體中的污染物含量可降到100mg/mL，進而達到排放要求。這種方法的優勢是，降解效果值得信任，而且污水處理速度較快，但是技術消耗的成本和能耗均較高，因此對使用產生了一定限制[9]。

2.2.6 超聲波氧化法

超聲波相較于普通聲波，束射性更強，功率更大，且具備較大能量，可以令污水中的一些發生難度較大的反應變為可能。超聲波氧化法可通過超聲波加速反應，獲取新化學反應物，實現化學反應速率的提升。該技術原理和空化反應相關，可以在超聲波的作用下，促使水體中生成自由基，加速污染物氧化反應。所謂空化作用，就是液相反應系統在超聲波的作用下，液體分子會出現擴張循環、壓縮等表現，擴張中，液體密度會進一步下降，最后形成撕裂液體介質的效果，導致一些微小空化泡的生成，達到集中聲場能量的效果。壓縮階段，空化泡被大幅壓縮后會崩潰，崩潰時會進一步釋放能量，進而產生瞬時高壓和局部高溫。超聲波氧化法和其他技術相比，技術難度更低，且不會消耗過多成本，因此具備較大的發展前景。

2.3 生物方法

微生物法：微生物法是重要的生物處理手段，相較于物理和化學處理法，往往會極大增加處理成本。舉例來說，厭氧附著膜膨脹床，可以通過反應器中膨脹床載體生物膜，處理無水腫的厭氧生物，以硅藻土和煙道灰等為主要載體。床層可以基于15%的膨脹率條件下運行，極大改善傳質條件，而且載體不具備較大粒徑，可以作為微生物附著生長的重要場所，令反應器中微生物濃度保持恒定，達到較好的處理石化廢水效果。升流式厭氧污泥床同樣應用較多，在實踐中，廢水會向反應器底部流動，污水向上通過污泥床，導致厭氧反應。反應器中可達到較高的污泥濃度，保證有機負荷進一步上升，操作難度較低，而且不會產生較高運行費用。但是反應器啟動時也會產生較大耗時，而且需要嚴格控制顆粒污泥的培養環境。該方法通常在高濃度有機廢水的處理中應用相對廣泛。此外，也可將固定填料置入厭氧固定模反應器中，對厭氧微生物起到附著或截留的效果。此時水體中有機物，會向二氧化碳和甲烷轉化，達到去除污物的效果。這種處理方式具備較強抗沖擊負荷能力，運行管理難度較低，而且微生物停留時間較長。

2.4 固化法處理

固化法處理需要在壓裂返排液中加入固化劑，促進廢液的固化成型作用，這可以降低污染物質的處理難度，令處理效果進一步提升，同時有助于處理流程的簡化，處理之后也可以作為有關環境條件，最大程度利于動植物的生長。但相對的，固化法會提高處理成本，同時會大量占地，因此限制了其在實踐中的使用價值。

2.5 井下氧化處理

廢液往往會因為油氣井長時間開采大量在地層中殘留，究其原因，是因為油氣井開采時間較長，會導致地層壓力降低，進一步降低壓裂液返排率。這不僅會對地下水、地層土壤形成嚴重損害，也會對采油效果產生較大影響。如果采取井下氧化處理方式，便有助于底層中返排液的排出，促進廢液高分子聚合物的降解，令水質在實際排放時達到排放標準要求。

2.6 回注處理技術

壓裂返排液可通過回注處理技術達到排污目的，工藝技術需要先進行氧化破膠，后續混凝沉降過后，對雜質進行過濾。實際操作中，壓裂返排液相較于調儲罐進口位置高度會更低，懸浮固體含量保持在大約350mg/L，含油量保持在550mg/L，在提升泵的作用下，會向氧化破膠撬運輸壓裂返排液，置入胍膠分子鏈，令污水黏度進一步下降，后續依照順序達到斜管沉降撬和絮凝沉降撬等。當污水沉降過后，可以利用水泵提高出水高度，使其和雙濾料過濾器進口位置保持平齊。

2.7 復配處理技術

以新疆油田壓裂返排液為例，其返排液具備相對復雜的成分，主要包括懸浮物、無機鹽和胍膠等。無機鹽主要來源于巖石基質和巖層，以及高濃度溶解性總固體。其中，無機鹽與胍膠能夠在復配壓裂液時循環利用，因此在實踐過程中，應重視科學處理技術的選擇，從而實現返排液回用效率的提升。同時，可以在不影像返排液無機鹽與胍膠含量的基礎上，令水質適應配液標準。此外，可以在壓裂返排液中加入適量凍膠，實現造縫功能的提升[11]。為保證壓裂液不損傷儲層，應以260~290mg/L的標準控制胍膠凍膠參與量，這就需要對返排液中溶解性總固體濃度進行嚴格控制。具體參數見表1。

表1 返排液檢測值和配置壓裂液水質標準

技術的選擇可以從兩方面入手，見油壓裂返排液處理技術：該技術會涉及集輸管線的運載，通過罐車向轉油站運載集輸管線。若是經常性處理作業，會將三相分離器和儲罐放置在轉油站，壓裂返排液在加入破乳劑之后，在三相分離器的作用下，內部的水、氣和油已經有分離跡象。分離結束之后的返排液中，內部含有一定量的胍膠和無機鹽，能夠在后續壓裂液配制的過程中多次利用，避免帶來過大的經濟成本，同時可促進用水量的進一步下降。分離之后的返排液，應當在水緩沖罐中保存，如果有壓裂水需求，可以在水中適當加入殺菌劑，后續向油田運送，輔助完成配制壓裂液相關工作。從轉油站分離的見油壓裂返排液各項技術參數有嚴格要求，通常情況下，硫酸鹽還原菌數量一般為20mg/L，油濃度一般為1mg/L，鐵細菌和腐生菌含量在4 000mg/L左右，腐生菌保持在大約12 500mg/L即可。

不見油返排液處理技術：壓裂單井之后，不見油返排液中胍膠和無機鹽含量較多，一般可達到5MPa·s的平均黏度。應用井場就地處理技術時，可以應用便攜暫放設備，如果有壓裂用水需求，可以向供應清水管線中融入來源于儲液罐中的返排液，并依照1∶1的標準控制返排液和用水比例。

3 結束語

壓裂返排液的處理是油田開采的重要工序，對油田開采的環保至關重要。闡述了當前壓裂返排液的處理技術，可以發現，各項技術均具有一定優勢，并且有獨特的適用場景。對于從業人員而言，應在發揮技術優勢的基礎上，盡量降低技術使用成本，有效回收返排液有效成分，從而達到降本增效的目的。