页岩气压裂返排液处理技术的调研与展望

刘子源1  宋亮1  凌子茹2

1. 四川省能投矿业投资开发有限公司 四川 成都 610000 2. 四川页岩气勘探开发有限责任公司 四川 内江 641100

摘要：通过对近年来国内外页岩气压裂返排液处理方式的调研，提出围绕“预处理+生化+深度处理”进行进一步研究的建议。针对对页岩气滚动开发的特点提出展望：在开发初期和中期采用“平台-管网-储存池中心站-预处理-复配”的，以提高水资源的利用率；在开发后期建议采用“预处理+生化处理+深度处理”的方式，结合集中式污水处理厂，使之能达到排放标准，降低对环境的压力。

关键词：页岩气 压裂返排液 水处理  

1 压裂返排液与水资源压力

与常规油气开采相比，在页岩气过程中，水资源的耗损非常大，是油气开采的50至100倍[1]，尤其是页岩气资源大多分布于人口相对密集的地区，比如四川盆地，面临严重的水资源压力。返排液的构成非常复杂，呈现出高悬浮物（TSS）、高化学需氧量（COD）、高矿化度（TDS）、成分复杂以及难生物降解等特性[2]。2 国外压裂返排液处理现状

2013年，K.L.Hickenbottom[3]等采用正渗透膜方法对压裂返排液的进行深度处理。结果显示，正渗透博能有效截留压裂返排液中中有机与无机污染物。Miller等[4]用“超滤+反渗透”组合工艺对压裂返排液进行深度处理，该组合工艺产水水质稳定，同时大幅降低了矿化度。2014年，Mauter等[5]提通过对比现场处理重复利用和深井回注，提出最经济的方式是现场处理重复利用。2016年，Estrada等[6]采用“pH调节-絮凝-软化”的组合工艺对北美页岩气开采中所产生的压裂返排液和气井产出水进行处理再回用。其中软化主要是去除压裂返排液中含量较高的二价金属阳离子，以防止在回用过程中产生结垢现象。NOMAD2000（Aqua-pure公司研制）是典型的机械式蒸汽再压缩系统（MVR），可实现1600m3至9500m3的处理水平，压裂返排液经系统处理后，不但可达标外排，还能够再次进行压裂液配制[7]。Veolia公司开发出的OPUS处理工艺，其中包含了混凝沉淀、媒介过滤、离子交换和RO反渗透。经该工艺处理出水，TDS和TOC去除率达99%。Hydrozonix公司研发的EF80系统是利用臭氧催化氧化技术对压裂返排液进行处理[8]。Thermoenergy公司的TurboFrac采用了真空蒸发闪蒸技术。闪蒸的使用可以降低结垢，同时真空蒸馏可降低蒸发温度。其缺点是需要进行预处理，如除气、混凝和使用多介质过滤器移除硫化氢气体、化 290

学添加剂与悬浮颗粒[9]。从国外的研究现状可以看出，其研究主要集中在以下几个方面：（1）膜系统——新型材料的研发，如正渗透膜、超耐高温高压纳米滤膜、脱盐生物滤膜。（2）电凝系统——优化组合工艺如“pH调节-絮凝-软化”、“水质调节-电絮凝-过滤”和“聚沉凝结-磁过滤”和“水质调节-电絮凝-过滤”。（3）蒸发系统——对经反渗透RO膜处理后产出的更高矿化度的水进行处理。（4）适用于现场的设备研发制造，如Hydrozonix公司的EF80系统和Halliburton公司的CleanWave水处理车载装置。（5）使用互联网和大数据对水处理系统进行分析决策。3 国内压裂返排液处理技术现状

近些年，随着我国页岩气的大规模开发，页岩气压裂返排液的处理研究也逐渐增多。2015年，中原石油工程公司以返排液再利用为目标，提出了4种不同的处理工艺，经试验“复合混凝-过滤-吸附联合净化”组合工艺效果最好。同时针对该组合工艺研制了撬装式处理设备，该设备共有复合絮凝、板框分离、过滤和吸附4个模块单元，可根据配置胶液和减阻水进行不同的组合，处理能力为20~25m3/h[10]。杨志刚[11]等提出了出“四步法”组合工艺：隔油除砂-氧化-絮凝沉降-膜过滤，用作降低鄂尔多斯盆地页岩气压裂返排液总铁、黏度、悬浮物、细菌四项指标，经过该组合工艺的产出水能满足复配胍胶和滑溜水的用水技术指标。其中使用了一步法膜过滤替代了传统的多级过滤。2016年，陈龙利等[12]针对前期回用提出了“pH调节/预氧化—混凝”罐装车处理技术，针对后期排放提出了“pH调节/预氧化-混凝-高级氧化-反渗透-浓水处理”撬装设备技术，根据实际情况采用两种技术进行组合，来对涪陵地区的压裂返排液进行处理。李中文[13]引入利用静电凝聚的VIEC（内2020年第12期置绝缘电极电脱设备）技术，优化了美国IWT公司FracPure技术中的预处理环节，解决了FracPure技术对50~200μm范围颗粒去除不佳的情况。范红良[14]提出了“絮凝-Fenton”处理技术对川东地区页岩气压裂返排液进行处理，同时对处理后出水进行了适应性评价，该方法出水满足相关回用指标。王磊磊等[15]对比分析了现有应用在压裂返排液处理中的膜分离处理技术和蒸馏处理技术，介绍了正渗透技术的应用。2017年，刘宇程等[16]针对新页HF-1井页岩气压裂返排液经“预氧化-湿式氧化（PO-WAO）”工艺的出水COD不达标、矿化度高的情况，引入膜蒸馏技术对现有工艺出水进行深度处理后，COD值达标，电导率下降至62μS·cm-1。2018年，冯栩[17]等人采用用序批式活性污泥反应器（SBR）和序批式生物膜反应器（SBBR）2种方式分别对四川某地区压裂返排液进行驯化试验，试验显示SBBR系统相比SBR系统耐冲击力强且运行稳定，不仅对COD有良好的去除效果，同时对其中的SS、石油类和金属离子也有较好的去除效果。但对页岩气压裂返排液生物处理方面的微生物还有待进一步的研究。2018年，魏云锦[18]等通过对长宁地区的生产废水管理研究，提出现场首先经储水池集中收集返排液体，待自然沉降后，综合采用澄清＋软化＋混凝／絮凝＋斜板沉降＋袋式过滤工艺，控制阳离子及悬浮物，获得达到配制滑溜水标准的处理液体。并通过建立处理站，在开发区内，通过SCADA管理系统对区域产水进行统计、分析和调度，以提高压裂返排液的使用率。2018年，吴俊奇[19]等通过pH调节对压裂返排液进行脱盐和降COD预处理，再与沉淀、臭氧、蒸馏、活性炭填料臭氧组合工艺进行深度处理，得到出水COD仅为73mg/L，去除率高达94.90%。同时提出开发压裂返排液水质模拟软件的建议，辅助水质实时监测。2019年，熊春平[20]等通过对压裂返排液回用处理技术，回注处理技术、循环冷却水处理及脱盐浓缩液的处置技术、垃圾渗滤液及其浓缩液的处理技术进行分析对比。提出压裂返排液处理的新途径，即集中处理与一体化橇装装置处理2种方式相结合，气田内可采用用“高级氧化＋絮凝沉降”“预氧化＋厌氧/好氧MBR”等处理工艺。在页岩气开发后期，除采用已证明经济可行的脱盐技术处理外，还可以适当配送至集中式污水处理厂进行生化处理。建议开展以生化法作为最终的处理方式。2019年，王兵等[21]以长宁县某页岩气井场产生的压裂返排液作为研究对象，通过混凝剂PAC和硅藻土的“混凝-吸附联用”强化混凝技术进行预处科学管理理，其中硅藻土可增加吸附架桥作用，产生高密可沉降絮体。使得研究对象中的有机污染物从43种降低到21种，COD去除率达57%，浊度降低87%。从国内的研究现状可以看出，其研究主要集中在以下几个方面：（1）氧化还原——氧化还原的目的在于对压裂返排液中的有机物进行深度处理，降低COD，如臭氧催化氧化、Fe/C微电解、微波催化氧化和光催化氧化。（2）絮凝技术——其操作简单，成本较低，使用范围广，对压裂返排液中的沉淀物有较好的去除作用。在混凝过程中形成的絮体在沉降过程中可以吸附部分有机物，对COD值得降低有一定作用，但是作用有限，一般作为深度处理前的预处理方式。絮凝的方式一般是添加絮凝剂，同时可以增加电极形成电絮凝来增强效果，使沉渣更密实，去除的污染物更多。（3）膜处理——在水处理过程中，膜过滤逐渐替代了传统多级过滤工艺，由也使其称为为处理流程中的一项重要的环节，能同时起到除杂和除盐的作用。是一项可对压裂返排液进行深度处理的物理方法。目前在压裂返排液处理的研究中用到的膜技术有反渗透技术、超滤技术、正渗透技术和DTRO技术（4）蒸发脱盐技术——对于深度处理后余留的高浓度水，目前常用的方式是蒸发技术，如机械式蒸汽再压缩系统（MVR）、真空蒸发闪蒸技术；（5） 生化法——生化法常用于集中式污水处理厂，可以大规模的对水体进行处理，处理量大，同时较为稳定。（6）回用技术——通过对压裂返排液进行预处理后，使水质满足再进行配置压裂液的技术指标，从而使水资源的利用率提高；4 展望

通过对国内外页岩气返排液处理方式的调研和分析，对压裂返排液处理的方向提出展望。综合国内外返排液处理方式主要是围绕“预处理+生化+深度处理”，根据页岩气开采滚动开发的特点，在页岩气开发前期和中期是尽最大可能的提高水资源的重复利用率，即采用简便的预处理的方式来对返排液进行处理，使之满足复配压裂液的技术指标。同时可对页岩气井区内井位部署、开发计划和路网等实际因素进行运筹学分析，在优选的位置建立万方级储存池和处理站以及连接“平台—储存池—平台”管网。通过SCADA数字化体系对产水和用水进行分析调度。在预处理环节，则需要以对复配压裂液影响小的广谱性絮凝剂、电絮凝节能作为研究方向，以 291

科学管理降低处理成本。在页岩气开发后期，则需要考虑到返排液的深度处理。此时的返排液液量大，污染程度较高，可借鉴垃圾渗滤液的处理方式，即通过集中式污水处理厂对压裂返排液进行生化处理+深度处理。在生化处理方向，需要使得压裂返排液进行预处理使之达到可生化条件，同时试验对压裂返排液适应性强的生化处理方式。在深度处理方向，膜材料的性能和机械式蒸汽再压缩的效率是值得研究的方向。参考文献

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2020年第12期solutions.

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