油田壓裂返排液處理技術(shù)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(yù)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(nèi)不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，但是若不經(jīng)處理，長此以往，很容易引發(fā)對土壤的嚴(yán)重污染，降低土壤中腐殖質(zhì)的成分，減少土壤對礦物質(zhì)（包括氮、磷、鉀）的吸收能力，使土壤肥力降 低[1]。②成分相對復(fù)雜。壓裂返排液中含有較多細(xì)菌，細(xì)菌會留在地層中加速繁殖，對地層中管線、注水井和油井設(shè)備等加速腐蝕，微生物逐漸增多的同時，也會形成堵塞現(xiàn)象，對地層滲透率產(chǎn)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(jīng)有效處理，排放時不達(dá)標(biāo)，很有可能對地下水和表層水造成嚴(yán)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(fù)雜物質(zhì)，內(nèi)部的膠體鉆井液存在形式為凍膠狀態(tài)，很容易提高壓裂返排液的乳化程度，導(dǎo)致處理成本較高，處理難度較大[2]。

2 壓裂返排液處理技術(shù)

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(jié)構(gòu)，一些較大分子結(jié)構(gòu)會被隔離在特殊膜外面，從而達(dá)到去除污水污染物的目的，實現(xiàn)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(zhì)，能夠令壓裂返排液的雜質(zhì)在水面上懸浮。其工藝原理在于，通過氣壓性質(zhì)，使污水表面漂浮一些沉淀難度較大的雜質(zhì)。后續(xù)通過人工或機械方式，去除水體上方雜質(zhì)。但由于此項技術(shù)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(xiàn)實中遇到的最大問題，就是對沉淀物應(yīng)如何處理。有相關(guān)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(fù)面影響。而鑒于壓裂返排液通常具備較大液體黏度，為達(dá)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(xù)處理難度，導(dǎo)致處理周期延長，而且也會導(dǎo)致二次污染。因此在實踐中，應(yīng)當(dāng)聯(lián)用吸附法、絮凝法和過濾法等諸多技術(shù)，在提高處理效果的同時，令基數(shù)造成的污染降至最低[4]。

2.2 化學(xué)方法

2.2.1 化學(xué)氧化法

化學(xué)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(fù)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(shù)的發(fā)展情況，現(xiàn)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(jìn)入水中，會引發(fā)水解反應(yīng)，產(chǎn)生不穩(wěn)定次氯酸分子，生成新物質(zhì)生態(tài)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(jié)構(gòu)進(jìn)一步改變。

2.2.2 電化學(xué)氧化法

電化學(xué)氧化法本質(zhì)上是通過電的干預(yù)，促進(jìn)物質(zhì)電子的得失，加速污染物的氧化還原反應(yīng)，從而達(dá)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(dá)到降解污染物的目的；后者會多出氧化性中間產(chǎn)物生成的環(huán)節(jié)，后續(xù)通過中間產(chǎn)物的作用，促進(jìn)氧化降解過程的推進(jìn)。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(yōu)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(xué)氧化法，可以促進(jìn)廢水水體中還原性物質(zhì)含量的降低，防止超出排放標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)，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(zhì)具有較強的氧化能力，可有效促進(jìn)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(jìn)污染物沉淀的物質(zhì)，后續(xù)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(fā)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(yōu)勢。鐵屑和碳粒處于酸性水溶液環(huán)境中，本質(zhì)上可以理解為微小原電池，自身的電場效應(yīng)盡管不強，但依然會對污水膠體的穩(wěn)定環(huán)境形成一定破壞，從而破壞污染物的懸浮狀態(tài)。在外部電極反應(yīng)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(yīng)能力，可以提高廢水高分子有機物的反應(yīng)能力，破壞發(fā)色基團，導(dǎo)致發(fā)色能力進(jìn)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(dá)到理想的絮凝效果，如果電極反應(yīng)無法有效處理不溶物，或一些懸浮物質(zhì)，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(dǎo)體催化劑會促進(jìn)污染物質(zhì)電子躍遷，引發(fā)電子空穴現(xiàn)象，導(dǎo)致氫氧基的產(chǎn)生，增加水體氧化能力，進(jìn)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(dá)到納米級，水體中的污染物含量可降到100mg/mL，進(jìn)而達(dá)到排放要求。這種方法的優(yōu)勢是，降解效果值得信任，而且污水處理速度較快，但是技術(shù)消耗的成本和能耗均較高，因此對使用產(chǎn)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(fā)生難度較大的反應(yīng)變?yōu)榭赡堋３暡ㄑ趸赏ㄟ^超聲波加速反應(yīng)，獲取新化學(xué)反應(yīng)物，實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)速率的提升。該技術(shù)原理和空化反應(yīng)相關(guān)，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(yīng)。所謂空化作用，就是液相反應(yīng)系統(tǒng)在超聲波的作用下，液體分子會出現(xiàn)擴張循環(huán)、壓縮等表現(xiàn)，擴張中，液體密度會進(jìn)一步下降，最后形成撕裂液體介質(zhì)的效果，導(dǎo)致一些微小空化泡的生成，達(dá)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(jìn)一步釋放能量，進(jìn)而產(chǎn)生瞬時高壓和局部高溫。超聲波氧化法和其他技術(shù)相比，技術(shù)難度更低，且不會消耗過多成本，因此具備較大的發(fā)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(xué)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(yīng)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(zhì)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(yīng)器中微生物濃度保持恒定，達(dá)到較好的處理石化廢水效果。升流式厭氧污泥床同樣應(yīng)用較多，在實踐中，廢水會向反應(yīng)器底部流動，污水向上通過污泥床，導(dǎo)致厭氧反應(yīng)。反應(yīng)器中可達(dá)到較高的污泥濃度，保證有機負(fù)荷進(jìn)一步上升，操作難度較低，而且不會產(chǎn)生較高運行費用。但是反應(yīng)器啟動時也會產(chǎn)生較大耗時，而且需要嚴(yán)格控制顆粒污泥的培養(yǎng)環(huán)境。該方法通常在高濃度有機廢水的處理中應(yīng)用相對廣泛。此外，也可將固定填料置入?yún)捬豕潭７磻?yīng)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(zhuǎn)化，達(dá)到去除污物的效果。這種處理方式具備較強抗沖擊負(fù)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(jìn)廢液的固化成型作用，這可以降低污染物質(zhì)的處理難度，令處理效果進(jìn)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(guān)環(huán)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(dǎo)致地層壓力降低，進(jìn)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(yán)重?fù)p害，也會對采油效果產(chǎn)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(jìn)廢液高分子聚合物的降解，令水質(zhì)在實際排放時達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.6 回注處理技術(shù)

壓裂返排液可通過回注處理技術(shù)達(dá)到排污目的，工藝技術(shù)需要先進(jìn)行氧化破膠，后續(xù)混凝沉降過后，對雜質(zhì)進(jìn)行過濾。實際操作中，壓裂返排液相較于調(diào)儲罐進(jìn)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(jìn)一步下降，后續(xù)依照順序達(dá)到斜管沉降撬和絮凝沉降撬等。當(dāng)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(jìn)口位置保持平齊。

2.7 復(fù)配處理技術(shù)

以新疆油田壓裂返排液為例，其返排液具備相對復(fù)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(zhì)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(fù)配壓裂液時循環(huán)利用，因此在實踐過程中，應(yīng)重視科學(xué)處理技術(shù)的選擇，從而實現(xiàn)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(chǔ)上，令水質(zhì)適應(yīng)配液標(biāo)準(zhǔn)。此外，可以在壓裂返排液中加入適量凍膠，實現(xiàn)造縫功能的提升[11]。為保證壓裂液不損傷儲層，應(yīng)以260~290mg/L的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行嚴(yán)格控制。具體參數(shù)見表1。

表1 返排液檢測值和配置壓裂液水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

技術(shù)的選擇可以從兩方面入手，見油壓裂返排液處理技術(shù)：該技術(shù)會涉及集輸管線的運載，通過罐車向轉(zhuǎn)油站運載集輸管線。若是經(jīng)常性處理作業(yè)，會將三相分離器和儲罐放置在轉(zhuǎn)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(nèi)部的水、氣和油已經(jīng)有分離跡象。分離結(jié)束之后的返排液中，內(nèi)部含有一定量的胍膠和無機鹽，能夠在后續(xù)壓裂液配制的過程中多次利用，避免帶來過大的經(jīng)濟成本，同時可促進(jìn)用水量的進(jìn)一步下降。分離之后的返排液，應(yīng)當(dāng)在水緩沖罐中保存，如果有壓裂水需求，可以在水中適當(dāng)加入殺菌劑，后續(xù)向油田運送，輔助完成配制壓裂液相關(guān)工作。從轉(zhuǎn)油站分離的見油壓裂返排液各項技術(shù)參數(shù)有嚴(yán)格要求，通常情況下，硫酸鹽還原菌數(shù)量一般為20mg/L，油濃度一般為1mg/L，鐵細(xì)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(shù)：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(dá)到5MPa·s的平均黏度。應(yīng)用井場就地處理技術(shù)時，可以應(yīng)用便攜暫放設(shè)備，如果有壓裂用水需求，可以向供應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)控制返排液和用水比例。

3 結(jié)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(huán)保至關(guān)重要。闡述了當(dāng)前壓裂返排液的處理技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，各項技術(shù)均具有一定優(yōu)勢，并且有獨特的適用場景。對于從業(yè)人員而言，應(yīng)在發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，盡量降低技術(shù)使用成本，有效回收返排液有效成分，從而達(dá)到降本增效的目的。