页岩气压裂返排液处理技术的研究综述

刘斌 吴惠梅 汪晋

【摘要】开采页岩气的一般规律表现为初期产量较高，经过一段时间的开发后产量呈快速递减趋势，进入开发后期之后气井具有低产稳产、生产周期长的特点。为提高页岩气井采收率，通常需要采用压裂技术，但在应用该技术时可产生具有高污染性的返排液。本文综述了返排液的处理技术情况，包括物理处理技术，化学处理技术，生物处理技术；同时简单阐述了新处理技术的发展动向。

【关键词】返排液；压裂；页岩气；综述

页岩气属于非常规形式的天然气，主要存在于有机质丰富、孔隙率及渗透率极低的页岩储集层当中，由于在开采页岩气的过程中需要采用人工的方法进行大型储层造缝或造网处理，因此页岩气也有人造气藏之称。在造缝或造网时需要应用压裂技术，应用压裂技术后产生的返排液必须进行特殊的处理。本文对近年来处理返排液的相关技术进行了综述，具体如下。

1、压裂返排液处理技术综述

1.1 物理处理技术综述

处理返排液时可以采用的物理技术包括自然蒸发、冻融、过滤等。冻融指的是对返排液进行冷冻处理，使返排液结冰，结冰的过程中可析出盐类物质，因此可降低冰中盐的浓度，随后加热冰块获得盐浓度较低的盐水，并由此分离水、盐类物质。冻融技术对于气候条件的要求较高，因此目前没有得到大规模的使用。自然蒸发指的是利用日照产生的能量去除返排液中的水分，在水分完全蒸发后，对剩余的淤泥及盐类物质进行固化处理即可。自然蒸发技术的处理成本较低，但处理能力相对较小，且需要的时间较长，土地与温度等自然条件均可对处理过程与效果产生影响，因此适用范围较小。目前自然蒸发技术被应用于我国沙漠地区与美国西部地区仅需要处理少量返排液的页岩气开发工程中。过滤技术指的是分离返排液中的液体与固体，从而将液体中的脂类物质、油类物质、悬浮物及机械杂质等去除，在进行过滤处理的过程中通常需要使用活性炭，以增强对于固体小颗粒的吸附作用。滤芯孔径与滤网孔径是决定过滤效果的主要因素，如过滤器的孔径较小，则孔道容易被细菌黏液堵塞，需要清洗滤网才能有效保证返排液的处理效果达到要求。目前国内、国外的页岩气井中均应用到了过滤处理技术，但该技术通常需要与其他技术联合使用，以改善处理效果。

1.2 化学处理技术综述

处理返排液时常用的化学技术包括中和技术、氧化技术及混凝技术等。中和技术适用于处理酸化返排液，处理时可将Na2CO3、NaOH及CaO等作为中和剂，NaOH与CaO发生化学反应后可生成具有污水净化与絮凝作用的Ca（OH）。目前已有相关研究证实，结合中和技术、污泥吸附技术与混凝沉降技术对页岩气井中的返排液进行处理后，能够高效去除返排液中的盐类物质等有害成分，且经过处理后的废液水质可达到一级排放标准。混凝技术是处理页岩气井返排液时常用的一种工艺，该技术具有成本低、效果好及操作简单的特点，主要在预处理阶段使用，应用混凝法可以高效去除返排液中的部分悬浮物与有机物等。例如，联合应用混凝技术、过滤技术与氧化处理技术中的H2O2或O3技术对返排液进行处理后可以确保出水水质达到GB8978中的二级排放标准。氧化技术分为初级氧化处理技术、高级氧化处理技术。初级技术指的是将H2O2、KMnO4、NaClO及Ca（ClO）2等氧化剂加入到待处理的返排液当中，以初步去除易降解类有机物，对于难降解类有机物，则实施深度氧化处理。目前我国的河南油田与中原油田联合应用絮凝技术与氧化处理技术对返排液进行处理后，有效降低了返排液中有害成分的含量。例如，采用氧化剂KMnO4对返排液进行预处理后联合混凝技术、深度氧化处理技术可以将高锰酸盐的去除率提升至86.5%，同时能将返排液的嗅味去除、将浊度降低。氧化处理中的高级技术指的是采用活性较强的自由基降解难溶性有机物质，使有机物质被氧化成低毒性或无毒性物质，如H2O及CO2等，目前常用的高级技术包括电催化、光催化及Fenton氧化技术等。例如，采用Fenton氧化技术与絮凝技术回注处理返排液时，可有效降低返排液中的细菌含量、含油量与固体悬浮物含量。

2、新技術发展动向

在研发返排液的新型处理技术时需要综合考虑页岩气的勘探开发特点与综合治理返排液污染中面临的难题。目前国外正积极开展高效处理返排液、回用返排液及综合利用返排液方面的技术攻关。国外一项研究将就地处理页岩气井中的返排液作为技术攻关的重点，在2012.5月该项目已经进入中期研究阶段，在该研究阶段中获得的成果包括利用纳米滤膜技术保证返排液处理过程中的热动力处于稳定状态，在热动力处于稳定状态时，就可以高效回用返排液。除了能够回用经过处理的返排液之外，还能在处理返排液后获得盐卤水，盐卤水的浓度为14万mg/L左右，可用于工业生产。美国的Eltron公司正在积极研发用于处理页岩气井返排液的纳米滤膜技术，该纳米滤膜需具有较强的耐高压与耐高温能力，且脱盐效果较好，可用于处理含盐度较高的页岩气井返排液。在采用该纳米滤膜脱盐处理返排液后，产出水还可以用于其他工业生产领域，因此能够有效节省含盐量高的返排液的处理成本。该公司目前生产的滤膜过滤返排液中MgSO4及NaCl的比例已经分别达到了80%、50%以上。此外，目前也有利用人工湿地生态系统对返排液进行处理的研究，该研究项目指出，可以利用湿地的净化功能降解页岩气井返排液中的石油类、有机离子及金属离子等污染物。

3、结语

综上所述，压裂施工返排液中含有大量添加剂，包括调节剂、交联剂及增稠剂等，具有高黏度、高稳定性及高COD值等特征，如直接排放，则会对生态环境造成破坏。目前在处理页岩气井返排液时可以采用的技术主要包括物理技术、化学技术与生物技术，上述三种技术通常被联合使用，以改善废液的处理效果。此外，目前国内外也正在积极研究新型处理工艺，争取在降低处理成本的基础上改善处理效果。

参考文献：

[1]郭少斌，黄磊.页岩气储层含气性影响因素及储层评价--以上扬子古生界页岩气储层为例[J].石油实验地质，2013（6）：601-606.