頁巖氣壓裂返排液回用處理技術研究與應用

屈海清

（川慶鉆探長慶井下技術作業公司，陜西 西安 710018）

頁巖氣需要采用大規模的體積壓裂才能獲得工業氣流，從而能夠加工成為可利用能源。對體積壓裂來說，壓裂返排液的產生與壓裂液量成正比，在實際生產過程中，會大量使用壓裂液，所以會大量產生壓裂返排液[1]。返排液中具有很多污染物質，然而對于返排液的無害處理成本較高，而且現在法律對返排液做出了明確的規定和要求，這樣一來也大大提高了生產成本。對于返排液的儲存過程中，返排液很容易發黑發臭，對周圍的環境造成影響，尤其是多次利用的返排液，更加危害周圍環境[2]。

1 頁巖氣壓裂返排液處理現狀

現在頁巖氣已經成為油氣資源領域重要組成部分。頁巖氣的壓裂技術主要由氮氣泡沫壓裂技術、水力壓裂技術、重復壓裂技術、水平井分段壓裂技術、裂縫綜合檢測技術等構成。在我國頁巖氣的發展過程中，水力壓裂發揮了重要作用，水力壓裂適用于我國很多地方地形地貌的頁巖氣的開發。頁巖氣的開發對水的要求特別嚴苛，開發過程中用水量也特別多。我國對頁巖氣壓裂返排液的處理大多使用焚燒、自然風干和化學法處理。焚燒法是利用泄出的頁巖氣作為燃料對壓裂返排液進行焚燒從而讓污染物轉化為有機物質得到降解，但對于能源的損耗巨大，而且過程中也會產生大量的污染氣體。自然風干法在風干過程中也會產生污染物，并且會隨著風進行擴散。化學法就是對化學氧化，物理過濾分離去除返排液中的雜質和懸浮物，但是在進行化學方法后，在后續還需要一系列的水質處理，讓處理過后的返排液達到排放要求。我國現在返排液的處理方法還沒有成型的解決方法。

2 影響頁巖氣壓裂返排液循環利用的因素

2.1 返排液的主要成分

對返排液的分析，首先要從返排液的成分作為切入點，對返排液的成分進行分析，從而能更好的得出影響因素。從頁巖氣壓裂返排液的成分報表中可以清楚的看出，返排液的金屬礦化程度屬于中等程度，但返排液中含有一定量的成垢因子和一些懸浮物雜質。而且在返排液中也發現了大量細菌的存在，細菌對返排液的儲存具有一定的影響。通過進一步的具體對比研究發現，返排液經過反復利用和返排時間的增長，并且返排液也不斷與其他壓裂液體進行混合交叉使用，返排液的水質變化較前一次變化較大。返排液的變化主要體現在細菌含量的升高，以及高價金屬離子的濃度提升，返排液顏色不斷變黑，氣味不斷變臭。

2.2 對影響返排液回用因素的具體分析

通過初步的研究，對返排液的影響因素包括金屬高價離子、各種細菌的影響以及懸浮物的影響。

在返排液中含有二價鈣、二價鎂、二價鐵和三價鐵等高價金屬離子，這些高價金屬分子具有很高的氧化性，能夠讓返排液中的高分子降阻劑分子進行卷曲或者形成化合物沉淀。這樣一來，就對降阻劑中的有效成分進行稀釋或與有效成分反應，很容易造成結成污垢問題。

在壓裂返排液中存在著很多的有機物質，很容易造成細菌的滋生。在細菌群中，有一種SRB的細菌，這種細菌很容易產生氫化硫以及二價鐵離子，氫化硫是一種極不穩定的化學物質，極易與二價鐵離子進行反應，生成硫化鐵，而硫化鐵就是促使返排液發黑發臭的物質。而且還有一種IB 的細菌，能夠從二價鐵離子氧化過程中獲取能量，形成氫氧化鐵沉淀物質，從而很大程度的降低了頁巖氣儲存層裂縫的導流能力。TGB 細菌也能通過在有機物中得到能量，經過代謝產生出堵塞滲流通道的物質。

返排液中的懸浮物在壓裂返排液回用過程中，懸浮物不能直接的滲入到基質中，并且懸浮物會進入壓裂形成的微細裂縫中，將細微裂縫進行堵塞，對微細裂縫的導流能力造成影響。與此同時，懸浮物容易與高分子降阻劑進行凝結成為一種絮狀物質，這些絮狀物質能夠降低降阻劑的有效物質的濃度，絮狀物的產生也會對頁巖儲存層的內壁造成損傷。

3 頁巖氣壓裂返排液回用的處理

3.1 對細菌的處理

對于壓裂返排液的殺菌方法，主要采用紫外線殺菌和殺菌劑滅菌的兩種方法，鑒于殺菌劑對細菌具有一定的抑菌作用所以在實際應用中大多使用抑菌劑對返排液細菌進行處理。但是對于紫外線和殺菌劑這兩種方法，兩者都有著挺好的殺菌效果。

3.2 對懸浮物的處理

對返排液中懸浮物的處理，通常采用絮凝沉降和過濾兩種方法。絮凝沉降包括化學絮凝和電絮凝兩種方法，化學絮凝是通過向返排液中添加一些化學物，讓化學物質與懸浮物發生反應形成顆粒或者絮狀物，在進行絮狀物的沉淀從而能更好的去除懸浮物，電絮凝與化學絮凝的本質一樣，也是對懸浮物進行吸附凝結。在實際應用中要將絮凝沉降與過濾同時進行。由于懸浮物進行絮凝沉降之后，需要很長一段時間才能將絮體沉降下來，但在施工現場中，對于絮凝沉降的等待大大降低了工作效率。綜合考慮由于絮凝物與懸浮物相比要大很多，在過濾的時候也不會將濾芯堵塞，所以在實際應用中，正好將絮凝沉降與過濾相結合，這樣能夠大大提高工作效率，更加徹底的清除懸浮物。

3.3 對高價金屬離子的處理

對于返排液中的高價金屬離子的處理，一般采用化學沉淀法，就是將一些陰離子與高價金屬離子進行結合，形成沉淀物質從而進行去除。在實際的應用中，一般采用氫氧離子和碳酸離子進行化學反應沉淀，主要是因為這兩種物質對水體的污染小，一般形成白色的沉淀，能夠很好地處理。如果使用硫酸離子，會將很多金屬離子溶入水中，并且對于水體的破壞也是巨大的。在對高價鐵離子的處理中，由于氫氧離子和碳酸離子很難與高價鐵離子進行反應，在實際反應過程中可以加入催化劑或者酶化物質來加速反應。

4 頁巖氣壓裂返排液回用處理裝置的應用

為了提高頁巖氣壓裂返排液回用處理方法，并且可以更好的運輸和使用，可以將頁巖氣壓裂返排液處理方法單元化，將對返排液的處理設備撬裝化創造出頁巖氣壓裂返排液回用處理裝置。而且并可以每個地區的實際情況和當地的水質情況將設備單元模塊進行重新組合，來滿足更多的不同地區施工要求。在頁巖氣壓裂返排液處理裝置中，首先是將壓裂返排液注入污水池，在污水池中對返排液做初步處理，調節水質平衡、調節處理液量。之后是對返排液進行殺菌處理，在返排液中加入殺菌劑進行滅菌并且抑制新的細菌滋生。在處理完細菌之后就是將返排液泵入反應罐中對返排液進行高價金屬離子的沉降，在反應罐中加入化學沉淀處理劑，讓高價金屬離子進行充分反應，降低返排液中高價金屬離子的濃度。最后就是對返排液進行懸浮物的處理，對懸浮物的處理就是對返排液的進行絮狀沉降之后將凝結成絮狀體的懸浮物雜質進行過濾，將剩下的清水過濾到儲水罐中等待著回用[3]。

4 結語

在頁巖氣的壓裂返排液中含有大量的有害物質，而且在不同地區水質差異也十分的大，在實際應用中，要從影響頁巖氣壓裂返排液回用的因素下手，對影響因素進行分布單元化處理。我國在頁巖氣的開發還處于起步階段，我國需要不斷地學習和引進發展新的技術來擴大頁巖氣開發規模。我國頁巖氣壓裂返排液的處理技術也要不斷的創新和發展，加強國內外交流，結合我國實際情況，對我國頁巖氣資源進行合理的開發和利用，做到可持續循環發展。