國內外油田壓裂返排液處理技術研究進展

張鋒 馬堯 楊宸睿 袁亮 李曉艷

1中國石油新疆油田分公司工程技術研究院

2中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第十二采油廠

在石油和天然氣開采過程中，壓裂是普遍采用的重要增產手段，對改善油井井底流動條件以及油層動用狀況可起到重要的作用[1]。壓裂返排液中含有大量胍爾膠等聚合物，同時含有有機物、地層礦物質、油滴等成分，形成了非常穩定的膠體污水水質。其具有高礦化度、高黏度、高COD 含量、高穩定性、常規方法難以處理的特點，成為油田生產需要解決的重要環保瓶頸問題。目前壓裂返排液去向有三種[2]：回用復配、減排回注、油田注水。其中回用復配和減排回注，受季節、地層等因素影響，使得返排液不能全部回用；返排液經處理達到油田回注水標準后回注，成為最適用的資源化利用的方式。本文分析了壓裂返排液特征和性質，總結了國內外壓裂返排液處理技術進展，展望了壓裂返排液處理技術發展方向。

1 壓裂返排液主要特征

（1）排放方式呈間歇性[3]，且返排量大。據統計，每口井壓裂作業用水約19 000 m3，返回地面的水量約為注水壓裂液的50%～80%[4]。

（2）壓裂返排液成分復雜，主要含有大量PAM 和HPG 聚合物，其次是硫酸鹽還原菌（SRB）、硫化物、硼酸根、鐵離子和鈣鎂離子等，總鐵、硼含量都很高。由于胍膠（HPG）含有大量支鏈親水官能團，與污水中離子、極性有機物形成氫鍵連接，并基于疏水締結原理形成高度穩定的球狀結構，形成較厚的水化膜，分子結構更加穩定[4]，導致返排液處理難度大。目前對含胍膠的油田廢水處理研究表明，技術上對胍膠聚合物的降解主要方法有機械法、氧化分解法、混凝沉淀法、光催化降解法、熱解法及生物酶法。雖然降解聚合物的方法有很多，但能夠快速、徹底分解聚合物方法很少，特別是油田能夠大規模應用的更少。

（3）處理后指標要求高。因為后續要利用處理后的壓裂返排液配制壓裂液，處理后的液體不僅黏度、色度要達標，鈣鎂離子、鐵離子、硼酸根離子均要去除，否則會影響后續配制壓裂液的各項性能[5]。某油田體積壓裂部分井的返排液水質分析結果見表1。

由表1可知：①壓裂返排液水質呈弱堿性，總鐵含量在0.3～5 mg/L 之間；②礦化度在8 000～10 000 mg/L 以上，礦化度較高，黏度較大；③含油濃度和懸浮物濃度均較高；④返排液水中COD 含量較高，在6 000～13 000 mg/L 以上，說明返排液水質成分復雜，處理難度較大。

表1 某油田壓裂返排液水質檢測數據Tab.1 Water quality test data of fracturing flowback fluid in an oilfield

2 國外油田壓裂返排液處理技術

國外非常規資源開采過程中，水資源的保護以及廢液的處理被重點關注[6]，國外積極開展返排液配套回收處理技術試驗，采用固液分離、化學絮凝、氧化、熱蒸餾等組合工藝，將處理后的返排液用于鉆井泥漿、水基壓裂液、固井水泥漿等配制用水，以提高對壓裂返排液的重復利用效率。

2.1 Woodford氣田壓裂返排液處理技術

美國Woodford 氣田的壓裂返排液采用Ecosphere設施處理廢液，工藝采用“臭氧—超聲波—高級氧化”的流程，處理規模400 m3/d。該工藝通過超聲波催化、活性炭和臭氧協同作用方式，利用臭氧破壞細胞壁殺菌并抑制結垢，同時采用活性炭表面負載納米MnO2作為催化劑提高催化活性，可以去除水中99%的細菌；再利用超聲波發生水力空化反應，促進臭氧分解生成羥基自由基（·OH），使難降解有機物去除率提高3倍以上。與普通臭氧處理技術相比，工藝處理效率提升10～20倍。處理后75%的壓裂返排液的總溶解固體（TDS）小于500 mg/L，實現了井場壓裂返排液的循環利用[7～8]。

2.2 Barnett頁巖氣藏壓裂返排液處理技術

Barnett 頁巖氣藏的壓裂返排液礦化度約50 000～140 000 mg/L，其中氯離子濃度約25 000～80 000 mg/L，廢液中懸浮物濃度相對較低，總鐵含量相對較低。采用“熱蒸餾技術”工藝處理壓裂返排液，該技術能去除其中的重金屬離子，降低總礦化度。工藝采用橇裝設備（圖1），可有效減少占地面積。處理后返排液可重新配制壓裂液，壓裂液重復利用率占總用水量的6%，處理后產生的濃鹽水注入廢棄井。

圖1 Barnett壓裂返排液處理設施Fig.1 Barnett fracturing flowback fluid treatment facility

2.3 Marcellus頁巖區壓裂返排液處理技術

Marcellus頁巖區壓裂返排液處理采用哈里伯頓Clean Wave移動水處理設施（圖2），工藝采用“水質調節—電絮凝—精細過濾”的流程，處理規模200 m3/d。該工藝先通過紫外線殺菌，再利用電絮凝使懸浮物絮凝，最后通過過濾除去絮體。當壓裂返排液流過電絮凝裝置時，陽極釋放出的正電離子與壓裂返排液中膠體顆粒表面的負電離子結合，破壞其穩定分散狀態，使其電荷吸附聚集；陽極產生的氣泡吸附在絮體表面再上浮到液面，經分離器去除，較重的下沉到底部，通過精細過濾裝置使絮體與清水分離，可去除99%的懸浮物。該技術還可以去除大部分的油脂及鐵離子，使含油濃度由300～45 000 mg/L降至20 mg/L以下，顆粒粒徑＜1 μm，濁度＜10 NTU[9]。處理后的壓裂返排液可用于配制滑溜水或交聯壓裂液。

圖2 CleanWave移動水處理設施Fig.2 CleanWave mobile water treatment facility

3 國內油田壓裂返排液處理技術

國內大多數油田早期處理壓裂返排液主要采用“自然沉降—混凝—過濾”的三段處理工藝。傳統處理工藝存在沉淀時間長、處理能力低、藥劑投加量大等問題，造成處理后的液體中含鹽量增加，絮凝沉淀后污泥量過大，運行成本增加。隨著“水平井+體積壓裂”等非常規開發方式的規模化應用，國內油田相繼開展了壓裂返排液回注處理技術研究[10]。

3.1 A油田壓裂返排液處理技術

某A 油田通過大量的室內及現場試驗，選用“懸浮污泥過濾（SSF）技術”來處理壓裂返排液，出水指標中含油濃度≤20 mg/L，懸浮物濃度≤20 mg/L，壓裂返排液處理后出水進入已建采出水處理系統，基本沒有對采出水處理水質產生不良影響，再次處理后用于油田回注。其主要處理工藝流程見圖3。

圖3 A油田壓裂返排液處理回注工藝流程Fig.3 Process flow of fracturing flowback fluid treatment and reinjection in A Oilfield

3.2 B油田壓裂返排液處理技術

某B 油田返排液處理以化學絮凝為主要原理，處理工藝采用“混凝—沉淀—過濾”的流程，設備主要為橇裝式和車載式裝置。該流程相對簡單，結合化學屏蔽原理研發了重復交聯預處理技術，消除返排液復雜成分對壓裂液重新配制的影響，處理后廢液達到某B油田壓裂液復配和油田回注指標，實現返排液的循環再利用。其主要處理工藝流程見圖4。

圖4 B油田壓裂返排液處理工藝流程Fig.4 Process flow of fracturing flowback fluid treatment in B Oilfield

3.3 C油田壓裂返排液處理技術

某C 油田從2015 年開始，開展了壓裂返排液處理工藝技術研究，先后進行了現場試驗和工業化應用。

（1）現場試驗研究。某C油田致密油開發采用工廠化壓裂作業，大型壓裂工藝帶來大量壓裂返排液急需處理利用。根據前期工藝技術調研和室內實驗結果，現場開展了致密油體積壓裂返排液處理中試試驗，采用“高級氧化—混凝沉降—過濾”的處理工藝，處理規模為500 m3/d。處理后的凈化水含油濃度≤5 mg/L，懸浮物濃度≤5 mg/L，達到油田要求的回注水質指標后進行回注（表2），處理后水質情況見表3。

表2 壓裂返排液回注油田水質指標Tab.2 Water quality index of fracturing flowback fluid reinjection to oilfield

表3 壓裂返排液中試試驗處理水質情況Tab.3 Water quality of fracturing flowback fluid after treatment in the pilot test

（2）工業化應用。隨著某C油田瑪湖致密油的開發，原油開采采用“水平井+體積壓裂”的方式，采出液中含有壓裂返排液，結合前期中試試驗結果，建成返排液處理站1座，采用“高級氧化—混凝沉降—過濾”的處理工藝，處理規模3 000 m3/d。處理后水質中含油濃度＜5 mg/L，懸浮物濃度＜5 mg/L，100 mL水樣抽濾時間≤1 min，達到油田要求的回注水質指標進行回注，處理后水質情況見表4。

表4 壓裂返排液處理站處理水質情況Tab.4 Water quality of fracturing flowback fluid after treatment in the treatment station

根據工業化應用的處理效果，選擇“高級氧化—混凝沉降—過濾”的處理工藝，組成一體化集成裝置進行推廣應用，采用模塊化設計，工廠化預制，現場組裝成橇，橇裝裝置規模300～500 m3/d，建設工期由100天縮短至35天。返排液處理集成裝置見圖5。

圖5 壓裂返排液現場處理裝置Fig.5 Field treatment device for fracturing flowback fluid

4 結語

油田壓裂返排液成分復雜、難處理的特點，國內大都采用固液分離、化學絮凝、氧化、熱蒸餾的處理工藝技術，處理后的返排液主要用于現場回用復配。國內油田采用“混凝—沉淀—過濾”的處理工藝，處理后的返排液可實現回注。根據某C油田采用的壓裂方式及壓裂返排液特點，選擇“高級氧化—混凝沉降—過濾”的處理工藝，處理后的水質達到油田要求的回注水質指標進行回注，并形成一體化集成裝置，模塊化設計，工廠化預制可縮短施工周期，達到了經濟有效、占地面積小、可移動式、處理速度快的目的，更適宜油田生產的需要。