国外页岩气压裂返排液处理新技术综述

范红良

（西南石油大学土木工程与建筑学院四川成都610500）

国外页岩气压裂返排液处理新技术综述

范红良

（西南石油大学土木工程与建筑学院四川成都610500）

本文概述了页岩气压裂返排液国内外处理现状，重点介绍了三种国外返排液处理新技术，分别为电絮凝技术、MVR蒸馏技术和臭氧催化氧化技术。这些技术均能有效地处理页岩气压裂返排液，不仅节约成本，还可避免对生态环境和人类健康造成损害。

页岩气；压裂返排液；电絮凝；MVR蒸馏；臭氧催化氧化

1　前言

近年来，随着中国页岩气开发技术取得突破，作为一种非常规油气资源的页岩气，正被政府和相关油气公司重视。目前，页岩气开采多采用长井段水平井、分段射孔和滑溜水体积压裂技术。水力压裂中压裂液耗水量巨大(每口水平井需7 600 m3～19 000m3清水)，此外，滑溜水压裂液中还含有多种化学添加剂，包括防垢剂、降阻剂、杀菌剂、表面活性剂和粘土稳定剂等。压裂作业后，体积占注入压裂液60%～80%的返排液逐渐返排至地表[1]。返排液具有高化学需氧量（COD）、高悬浮物（TSS）、高矿化度（TDS）、难生物降解和成分复杂等特点。页岩气返排液产生量巨大，如不采取有效处理方式加以处理，容易对土壤、地表水、地下水甚至人类健康造成严重损害[2]。

2　国内外处理现状

目前，返排液处置方式主要有三种：（1）深井回注；（2）处理后外排；（3）处理后回用。国内对页岩气压裂返排液的处置方法主要是深井回注和重复利用。近年来，国内加大了对页岩气返排液处理技术研究和应用的力度，但总体上还处于起步阶段，与国外在工艺和装备方面相比还有较大的差距。

美国页岩气的勘探开发较早，是页岩气商业开发最成功的国家，其返排液处理方法主要是重复利用。美国页岩气压裂返排液处理技术的发展由市场经济主导，其市场上存在许多污水处理公司，且大部分为民营企业，由于市场需求和市场竞争的促进，这些公司开发出的返排液处理技术处于全球领先地位，且有多家公司开发出了可移动或模块化的处理设备，具有移动灵活、占地面积小和处理高效等特点。

3　返排液处理新技术

3.1电絮凝技术

电絮凝装置由电源、反应器和过滤器等部件组成，反应过程中产生电化学和电凝聚、点气浮的协同作用，主要去除返排液中的TSS和重金属离子。其工作原理如下：首先电絮凝装置通电后，反应器中作为阳极的铝板或铁板经电解后失电子，发生氧化反应生成铝、铁离子，然后这些离子经过一系列水解、聚合和亚铁氧化反应后产生各种絮凝剂（如氢氧化物、羟基络合物、多核羟基络合物等），水中的悬浮物、胶体物质与絮凝剂发生电性中和、吸附架桥和网捕卷扫作用而脱稳，产生肉眼可见的大絮体，最终通过物理分离而达到净化污水的目的。

目前，商业化比较成功的为美国Halliburton公司开发的CleanWaveR装置，该装置采用水质调节—电絮凝—过滤技术流程，处理流量达到240m3/h，出水满足重新配制压裂液要求。

3.2MVR蒸馏技术

MVR指机械蒸汽再压缩，该技术由蒸发器、压缩机和换热器等部件组成，主要去除返排液中的金属离子。MVR技术与传统蒸馏技术相比，在节源方面有优势，体现在：蒸汽在蒸发器内被第一次利用后，产生的二次蒸汽中蕴含的大部分低品质能量，经过压缩机并花费较小的电能后，这部分二次蒸汽被提升为高品质能量，送回到蒸发器作为热源继续使用，达到了能源的循环利用。

目前，美国的Aqua-pure公司研发的NOMAD 2000装置利用MVR技术，已在Marcellus和Barnett等页岩盆地返排液处理工程中推广应用，其日处理能力约为1600 m3～9500m3，处理后出水既可外排，又可回用于配制压裂液。

3.3臭氧催化氧化技术

传统的臭氧氧化技术在应用上有一定的局限性，臭氧对污染物的去除是选择性的。新型的臭氧催化氧化技术引入催化作用，该技术产生的羟基自由基（OH·）具有最高的氧化电位（2.80V），能够没有选择性地氧化有机物。活性炭、超声波等可与臭氧组成臭氧催化氧化体系。

目前，美国Hydrozonix公司研发的HydrozonixEF80系统利用臭氧催化氧化技术处理返排液，能去除返排液中的细菌、硬度、有机物和硫化氢等。该系统的工作流程为：首先返排液进入反应器发生水力空化现象而产生数大量微小气泡，这些微小气泡崩溃产生的高温高压使水热化学分解而产生OH·，进而将有机物分解；然后向反应器中通入臭氧，将细菌杀死并氧化重金属；之后向返排液中通入电流发生电化学作用，将钙、镁等金属离子沉淀下来；接着，对返排液施以超声波，反应器产生高频振动而使返排液产生超声空化，由震动产生的数以万计的微小气泡逐渐长大后发生剧烈碰撞而崩溃，将上述钙、镁离子产生的沉淀瓦解为纳米级别大小的颗粒而去除；最后，出水从反应器流出，可以重新配置成压裂液。该系统为车载模块化形式，处理流量可达760m3/h，具有移动灵活、使用方便等特点。

4　结语

返排液具有间歇式排放、污染物浓度高和成分复杂等特点，直接排放会对环境和人类健康造成巨大的伤害。本文综述了三种目前国外返排液处理的新技术，以期对页岩气压裂返排液处理装置的开发提供参考。

[1]付茜,彭其勇.页岩气压裂返排液对环境的影响及思考[J].油气田环境保护,2015,03:60-63+74.

[2]吴青芸,郑猛,胡云霞.页岩气开采的水污染问题及其综合治理技术[J].科技导报,2014,13:74-83.

范红良（1989—），男，汉，北京市平谷区人，在读硕士研究生，研究方向：水处理理论与技术。