页岩气压裂返排液无害化处理技术简述

页岩气压裂返排液无害化处理技术简述

崔连文 ,南智军

中石化华东油气分公司采油气工程服务中心

江苏泰州225300

摘要：页岩气压裂返排液量大、 水质复杂, 对生态环 境危害较大, 其处理、 处置技术是制约页岩气规模有效开发的瓶颈问题之一。页岩气是蕴藏于页岩层中，赋存于以富有机质页岩为主的一种非常规天然气。随着页岩气开采技术的进步，已成为世界天然气产量增长的主要推动力。由于页岩气的气藏特点，采用水力压裂技术是提高天然气收率的必要手段。而在水力压裂过程中，大量高压水注入矿井中破裂岩层，释放天然气。被注入到地层的高压水，会在页岩气产气的不同阶段返排回地面，即压裂返排液和产出水，统称为采出水。本文主要对页岩气压裂返排液无害化处理技术进行简述，详情如下。

关键词：页岩气；压裂返排液；无害化处理

引言

目前，全球页岩气储量巨大，开展页岩气商业开发的国家主要是美国、中国、阿根廷和加拿大。页岩气开采潜力巨大，开采寿命长、生产周期长，并且具有“低碳、洁净、高效、低污染”的优势，具有很大的开采价值。然而，页岩气储集层地质条件较为复杂，具有超低孔隙度和渗透率，与常规油气相比，开发难度相当大，必须通过一些特殊的技术手段来实现商业化开采。页岩气藏“天然”生产产量极低，为了使页岩开采有价值，必须在短期内收回投资成本并具有一定利益，压裂是页岩有效开采的唯一途径。

1压裂返排液的特点

在页岩气开采过程中，为保证设备正常运转，会向压裂液中加入大量的高分子聚合物，包括稠化剂、支撑剂、稳定剂等十几种添加剂。仅在2005年之后的4年内，就有多达750种的化学试剂被用于压裂液中，在这些化学试剂中，既含无毒物质，也含有毒物质，且有毒物质的种类多、范围广，共涵盖29种类别。因此，众多添加剂导致返排液具有高COD、高稳定性、高粘度的特点。返排液中除含大量高分子聚合物外，还含一定量的泥沙、油类、硫化亚铁等悬浮物(SS)和溶解性固体(TDS)。返排液中的TDS取决于地层水和岩层中矿物质的组分和浓度，主要以Na+、Cl-为主，多种无机盐共存的复杂体系，部分地区还携带出岩层中的重金属和放射性元素，如钡、锶。

2页岩气压裂返排液无害化处理技术

2.1水平井分段压裂技术

水平井分段压裂技术指的是水平钻井技术与分段压裂技术相结合的一种技术体系，这种技术体系更加符合页岩气的开采需求。其中水平井技术指的是通过钻杆在水平方向上打井的技术，和传统的竖井相比较而言，水平井与页岩气储存层有着更大的接触面积，使得井体与裂缝相交的概率增大，也就使得页岩气的开采更加便捷与高效，特别是针对一些渗透率低、岩层空隙小的页岩气开采，有着非常大的应用优势。其次水平井由于是在水平方向上进行打井，其地面设备占地面积极小，开采过程中对地面设备大小的限制也就不复存在，使得页岩气的开采范围进一步加大。分段压裂通常在水平井筒内进行，在分割器的作用下，逐级进行压裂作业，产生多条裂缝，使得页岩气能够顺利被开采出来。分段压裂通常包括三个步骤，首先需要将前置液在泵力作用下输入到页岩气的储存层，继而将适宜浓度的支撑剂的压裂液泵入到储存层中，最后再将更高浓度支撑剂的压裂液泵入储存层中，以此实现分段压裂的作用，将页岩气开采出来。

2.2同步压裂技术

同步压裂技术指的是在多套设备的作用下，同时对多口井开展压裂作业，使得压裂机在高压的作用下，实现两口井之间的高效移动，也就是最短的移动距离，使得水力压裂的裂缝网络密度增加，表面积扩大。同步压裂技术主要是促使压裂中裂缝原壁周围原地应力产生变化，引起裂缝转向，使得缝隙密度增加，进而实现增产的效果。在这一过程当中，裂缝主要有两个转向方式：其一，沿着裂缝壁法线向内延伸，连通两条裂缝，使得其缝隙内排量变大，静压变高，使得微缝的开启能力变强，增加裂缝网络的密度；其二，沿着裂缝壁法线向外延伸，相当于增加了两条裂缝的控制储量，达到增产的目的。实际操作应用中，第一种情况发生的概率要大于第二种情况，因此同步压裂技术增产效果的实现，主要依赖于裂缝网络密度的增加。

2.3高效氧化技术

压裂返排液中的有机物若得不到有效去除，将对膜和MVR蒸发器等脱盐单元的稳定运行带来影响，同时也可能影响出水效果和结晶盐品质。压裂返排液中的高盐分及其组成是生物处理法、Fenton氧化法和臭氧氧化法等有机物去除方法低效的因素之一。当盐分质量浓度超过10000mg/L时就可能导致微生物的质壁分离以致失活，影响生物处理效果。一些研究显示采用生物法对石油化工废水进行处理时，水力停留时间最短也有10~48h，意味着在同样处理量时须占用较大面积，较难在山高、路窄、弯多、人居环境复杂的开发区域实施；并且，最新的研究显示，压裂返排液中约有30%有机物难以生物降解。Fenton氧化法除需调节pH、产生大量铁泥外，其主要的氧化剂羟基自由基易被返排液中的Cl-、Br-和HCO3-等猝灭。高含量的Br

-也会消耗臭氧，从而导致臭氧氧化处理效果较差。类似的，采用粒状活性炭吸附处理时，COD和TOC的去除率低于25%。从目前的研究来看，常规氧化法应用于页岩气压裂返排液均有其不足。寻找针对页岩气压裂返排液特殊的水化学环境的高效氧化工艺，是目前该类废水外排处理技术研究的重中之重。

2.4芬顿氧化技术

芬顿氧化法的原理是在酸性条件下(pH在3~5范围内)，在水中投加一定比例的双氧水和七水合硫酸亚铁，利用硫酸亚铁中的Fe2+和双氧水反应产生强氧化能力的·OH，并引发更多的其他活性氧，以实现对有机物的分解。一般来说，影响芬顿反应效果的因素主要有PH、反应温度、底物(有机物)浓度以及双氧水和七水合硫酸亚铁的投加量及比例等。芬顿反应因其设备投入简单被广泛运用于工业废水处理领域，但其仍存在反应效率低、产泥量大的缺点。

结语

在无回用需求和回注运输距离较远时，页岩气压裂返排液处理外排已成为页岩气开发企业的现实选择。我国已经开始了压裂返排液处理外排的探索和实践，在基于国外经验基础上，采用“混凝沉降（固液分离）-软化-氧化-脱盐”的模块组合集成处理工艺。着眼页岩气压裂返排液盐分高、有机物含量高且组成复杂、水质变化大等问题，目前在框架工作外仍须进行大量的研究以优化技术方案，实现压裂返排液经济、有效、稳定处理。技术上应着重开展低能耗脱盐技术、高盐复杂有机废水高效氧化、面向水质的工艺参数调整方法以及基于应用场景的压裂返排液管理决策系统的研发和应用；管理上应在基于对页岩气压裂返排液环境风险物质充分识别的基础上，充分考虑特征污染物环境行为和毒理效应以及接纳水体的环境容量等因素形成压裂返排液处理外排标准。

参考文献

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