頁巖氣壓裂返排液處理技術的研究綜述

劉斌 吳惠梅 汪晉

【摘要】開采頁巖氣的一般規律表現為初期產量較高，經過一段時間的開發后產量呈快速遞減趨勢，進入開發后期之后氣井具有低產穩產、生產周期長的特點。為提高頁巖氣井采收率，通常需要采用壓裂技術，但在應用該技術時可產生具有高污染性的返排液。本文綜述了返排液的處理技術情況，包括物理處理技術，化學處理技術，生物處理技術；同時簡單闡述了新處理技術的發展動向。

【關鍵詞】返排液；壓裂；頁巖氣；綜述

頁巖氣屬于非常規形式的天然氣，主要存在于有機質豐富、孔隙率及滲透率極低的頁巖儲集層當中，由于在開采頁巖氣的過程中需要采用人工的方法進行大型儲層造縫或造網處理，因此頁巖氣也有人造氣藏之稱。在造縫或造網時需要應用壓裂技術，應用壓裂技術后產生的返排液必須進行特殊的處理。本文對近年來處理返排液的相關技術進行了綜述，具體如下。

1、壓裂返排液處理技術綜述

1.1 物理處理技術綜述

處理返排液時可以采用的物理技術包括自然蒸發、凍融、過濾等。凍融指的是對返排液進行冷凍處理，使返排液結冰，結冰的過程中可析出鹽類物質，因此可降低冰中鹽的濃度，隨后加熱冰塊獲得鹽濃度較低的鹽水，并由此分離水、鹽類物質。凍融技術對于氣候條件的要求較高，因此目前沒有得到大規模的使用。自然蒸發指的是利用日照產生的能量去除返排液中的水分，在水分完全蒸發后，對剩余的淤泥及鹽類物質進行固化處理即可。自然蒸發技術的處理成本較低，但處理能力相對較小，且需要的時間較長，土地與溫度等自然條件均可對處理過程與效果產生影響，因此適用范圍較小。目前自然蒸發技術被應用于我國沙漠地區與美國西部地區僅需要處理少量返排液的頁巖氣開發工程中。過濾技術指的是分離返排液中的液體與固體，從而將液體中的脂類物質、油類物質、懸浮物及機械雜質等去除，在進行過濾處理的過程中通常需要使用活性炭，以增強對于固體小顆粒的吸附作用。濾芯孔徑與濾網孔徑是決定過濾效果的主要因素，如過濾器的孔徑較小，則孔道容易被細菌黏液堵塞，需要清洗濾網才能有效保證返排液的處理效果達到要求。目前國內、國外的頁巖氣井中均應用到了過濾處理技術，但該技術通常需要與其他技術聯合使用，以改善處理效果。

1.2 化學處理技術綜述

處理返排液時常用的化學技術包括中和技術、氧化技術及混凝技術等。中和技術適用于處理酸化返排液，處理時可將Na2CO3、NaOH及CaO等作為中和劑，NaOH與CaO發生化學反應后可生成具有污水凈化與絮凝作用的Ca（OH）。目前已有相關研究證實，結合中和技術、污泥吸附技術與混凝沉降技術對頁巖氣井中的返排液進行處理后，能夠高效去除返排液中的鹽類物質等有害成分，且經過處理后的廢液水質可達到一級排放標準。混凝技術是處理頁巖氣井返排液時常用的一種工藝，該技術具有成本低、效果好及操作簡單的特點，主要在預處理階段使用，應用混凝法可以高效去除返排液中的部分懸浮物與有機物等。例如，聯合應用混凝技術、過濾技術與氧化處理技術中的H2O2或O3技術對返排液進行處理后可以確保出水水質達到GB8978中的二級排放標準。氧化技術分為初級氧化處理技術、高級氧化處理技術。初級技術指的是將H2O2、KMnO4、NaClO及Ca（ClO）2等氧化劑加入到待處理的返排液當中，以初步去除易降解類有機物，對于難降解類有機物，則實施深度氧化處理。目前我國的河南油田與中原油田聯合應用絮凝技術與氧化處理技術對返排液進行處理后，有效降低了返排液中有害成分的含量。例如，采用氧化劑KMnO4對返排液進行預處理后聯合混凝技術、深度氧化處理技術可以將高錳酸鹽的去除率提升至86.5%，同時能將返排液的嗅味去除、將濁度降低。氧化處理中的高級技術指的是采用活性較強的自由基降解難溶性有機物質，使有機物質被氧化成低毒性或無毒性物質，如H2O及CO2等，目前常用的高級技術包括電催化、光催化及Fenton氧化技術等。例如，采用Fenton氧化技術與絮凝技術回注處理返排液時，可有效降低返排液中的細菌含量、含油量與固體懸浮物含量。

2、新技術發展動向

在研發返排液的新型處理技術時需要綜合考慮頁巖氣的勘探開發特點與綜合治理返排液污染中面臨的難題。目前國外正積極開展高效處理返排液、回用返排液及綜合利用返排液方面的技術攻關。國外一項研究將就地處理頁巖氣井中的返排液作為技術攻關的重點，在2012.5月該項目已經進入中期研究階段，在該研究階段中獲得的成果包括利用納米濾膜技術保證返排液處理過程中的熱動力處于穩定狀態，在熱動力處于穩定狀態時，就可以高效回用返排液。除了能夠回用經過處理的返排液之外，還能在處理返排液后獲得鹽鹵水，鹽鹵水的濃度為14萬mg/L左右，可用于工業生產。美國的Eltron公司正在積極研發用于處理頁巖氣井返排液的納米濾膜技術，該納米濾膜需具有較強的耐高壓與耐高溫能力，且脫鹽效果較好，可用于處理含鹽度較高的頁巖氣井返排液。在采用該納米濾膜脫鹽處理返排液后，產出水還可以用于其他工業生產領域，因此能夠有效節省含鹽量高的返排液的處理成本。該公司目前生產的濾膜過濾返排液中MgSO4及NaCl的比例已經分別達到了80%、50%以上。此外，目前也有利用人工濕地生態系統對返排液進行處理的研究，該研究項目指出，可以利用濕地的凈化功能降解頁巖氣井返排液中的石油類、有機離子及金屬離子等污染物。

3、結語

綜上所述，壓裂施工返排液中含有大量添加劑，包括調節劑、交聯劑及增稠劑等，具有高黏度、高穩定性及高COD值等特征，如直接排放，則會對生態環境造成破壞。目前在處理頁巖氣井返排液時可以采用的技術主要包括物理技術、化學技術與生物技術，上述三種技術通常被聯合使用，以改善廢液的處理效果。此外，目前國內外也正在積極研究新型處理工藝，爭取在降低處理成本的基礎上改善處理效果。

參考文獻：

[1]郭少斌，黃磊.頁巖氣儲層含氣性影響因素及儲層評價--以上揚子古生界頁巖氣儲層為例[J].石油實驗地質，2013（6）：601-606.