页岩气压裂返排液处理新技术综述

【摘要】本文综述了页岩气压裂返排液的国内外处理现状，着重分析了国外正在应用的三种新技术，分别是MVR蒸馏技术、电絮凝技术以及臭氧催化氧化技术。这些技术均可有效解决不同污染物组份的压裂返排液污染问题，节约处理成本，保护生态环境，代表了未来该领域的主要发展方向。

【关键词】页岩气 压裂返排液 MVR蒸馏技术 电絮凝 臭氧催化氧化

1 前言

页岩气一种重要的非常规能源，近年来我国正处于开发页岩气的热潮中，国家在页岩气“十二五”规划中明确要求推进页岩气等非常规油气资源的开发利用，增加天然气资源供应，缓解我国天然气供需矛盾，调整能源结构，促进节能减排。

较常规天然气相比，由于页岩地层渗透率很低，开发难度很大。因此水力压裂是开发页岩气的主要手段，但压裂施工后返排液的处理却难以达到环保要求。

压裂返排液具有粘度大、稳定性高、悬浮物多、矿化度高和成分复杂等特点。若不进行妥善处理，对页岩气开发的长远发展将造成不可估量的损失。因此，研究页岩气压裂返排液处理技术，对于缓解开发区块的环境问题显得格外重要，同时对于保障页岩气的正常生产和可持续发展具有重要意义。

2 国内外处理现状

国外对压裂返排液的处理方法主要是重复利用。根据国外的技术资料显示，他们从水力压裂技术的生产成本和环境保护要求考虑，认为水资源的重复利用将是未来发展的趋势。因此提高现有水资源的重复利用率，从而减少对淡水资源的依赖性。这种方式不仅降低了处理压裂返排液的成本，而且还减少了相关污染物的排放。

国内对压裂返排液的处理方法主要是自然风干和化学处理，自然风干是将压裂返排液储存在专门的返排液池中，采取自然蒸发的方法进行干化，最后直接填埋。这种方式不仅耗费大量时间，而且填埋后的污泥块依然会渗滤出油、重金属、醛、酚等污染物，存在严重的二次污染。

化学处理是将返排液集中进行加药絮凝、过滤等预处理，然后将返排液回注到地层中，这种方法的处理工艺流程复杂，应用范围有一定的局限性。由于国内页岩气的开采地区均属于新开发区块，附近没有合适的回注井，需要运输至较远的井场，此方式将无形中增加了处理成本。

由此看出，目前国内对于页岩气压裂返排液的处理还没有形成系统的有效解决方法。为了保护生态环境的需要，促进页岩气进入更好更快地发展，因此研究压裂返排液处理的新技术势在必行。

3 新技术研究

近年来，国外研究开发出一些压裂返排液处理的新技术，如MVR蒸馏技术、电絮凝技术和臭氧催化氧化技术。这些新技术能有效处理压裂返排液，去除石油类、悬浮物以及难降解有机物，无论从经济上还是从处理效果上，都能达到重复利用要求和排放标准，现针对这些新技术做进一步的阐述。

3.1 MVR蒸馏技术

MVR（Mechanical Vapor Recompression）是指机械式蒸汽再压缩，该技术是重新利用自己产生的二次蒸汽能量，从而减少对外界能源需求的一项节能技术。MVR蒸馏由蒸发器、换热器、压缩机及离心机等部件构成，主要去除压裂返排液中的重金属离子，从而降低总矿化度。

具体工作原理是利用从蒸发器蒸发出来的二次蒸汽，经过压缩机压缩，压力和温度得到升高，同时热焓增加。然后送到蒸发器的加热室作为加热蒸汽的热源使用，使液体维持沸腾状态，而压缩后的蒸汽将被冷凝成蒸馏水。这样原先要被废弃的蒸汽得到了充分的利用，回收了潜热，提高了热利用效率。

MVR蒸馏技术相比传统蒸馏技术，在能源节约上的优势体现在：蒸汽被加热室利用一次后，产生的二次蒸汽中蕴含大部分的低品质能量，经过压缩机收集起来，并在花费很小电能的基础上，将这部分二次蒸汽提高为高品质能量，送回蒸发器作为热源使用，因此可以达到能量循环利用的目的。

目前，美国Fountain Quail公司正利用MVR蒸馏技术处理压裂返排液。该公司通过撬装设备首先回收蒸发或浓缩过程中损失的热量，然后再将回收的热量用来为另外的蒸发过程提供燃料，这样可以提高能源效率。压裂返排液经过处理后，就能得到纯净的蒸馏水，而留下的是少量浓缩的盐溶液，其中包含压裂过程中的所有污染物和残留物。

3.2 电絮凝技术

电絮凝技术是利用电能的作用，在反应过程中同时具有电凝聚、电气浮和电化学的协同作用，由电源、电絮凝反应器、过滤器等部件构成，主要去除压裂返排液中的悬浮物和重金属离子。

具体工作原理是首先在电源的作用下，利用铁板或铝板作为电絮凝反应器的阳极，经过电解后阳极失去电子，发生氧化反应而产生铁、铝等离子。然后经过一系列水解、聚合及亚铁的氧化反应生成各种絮凝剂，如羟基络合物、多核羟基络合物以及氢氧化物，使污水中的胶体污染物、悬浮物在絮凝剂的作用下失去稳定性。最后脱稳后污染物与絮凝剂之间发生互相碰撞，生成肉眼可见的大絮体，从而达到分离。

目前，美国H a l l i b u r t o n公司采用CleanWave技术，通过车载电絮凝装置破坏压裂返排液中胶状物质的稳定分散状态。当压裂返排液进入该装置时，阳极释放带正电的离子，并和胶状颗粒上带负电的离子相结合，产生凝聚。同时，在阴极产生气泡附着在凝结物上，使其漂浮到水面，再由分离器除去，而较重的絮凝物沉到水底而排出。

3.3 臭氧催化氧化技术

臭氧催化氧化技术是利用臭氧与活性炭联用的处理技术，由催化反应器、空气气源处理系统、冷却水系统、臭氧发生器等部件组成，主要用来去除压裂返排液中的难降解有机物和细菌。

传统的臭氧氧化技术是利用臭氧超强的氧化能力，打断各种难降解有机物的碳链结合键，使其快速氧化，合成为新的化合物。与常用的化学氧化剂相比，臭氧氧化电位为2.07V，作为氧化电位最高、氧化能力最强的物质，因此常用作处理难降解有机物。

但是传统的臭氧氧化技术在应用范围上有一定的局限性，在处理过程中，臭氧对污染物的去除表现出选择性，将优先与反应速率快的污染物进行反应而将其去除，从而使反应速率低的污染物不能被去除。但是羟基却可以避免此问题，因此臭氧要与其他氧化技术组成催化氧化体系，其中臭氧与活性炭就是典型的联用技术。该技术采用活性炭表面附载纳米MnO₂金属氧化物作为催化剂，以提高其催化活性。

同时加以超声波协同，发生水力空化反应，促进臭氧分解生成羟基，使难降解有机物的去除率显著提高。水力空化是指水进入含有超声波的反应器时，将由于振动产生数以万计的微小气泡，并逐渐长大，最后发生剧烈的崩溃，从而产生羟基去除难降解有机物。

目前，美国Ecosphere公司采用以超声波催化，活性炭与臭氧氧化协同作用的处理方式，不使用化学药剂，用臭氧破坏细胞壁，从而杀灭细菌、抑制结垢。该装置为车载形式，可以根据页岩气开发的具体要求，提高或者降低处理速率，以满足不同的环境要求。

4 发展方向

随着页岩气的大规模开发，压裂返排液的处理将成为亟待解决的重要问题。根据国外资料研究，采用机械处理为主、化学处理为辅的方式将成为未来主要发展方向。该方式可结合新型物化处理方法与高级氧化技术，提高处理效果。同时可根据处理要求，工艺流程采用模块式组合，满足由于开发区块变化而引起的压裂返排液组份变化。有效解决不同污染物组份的压裂返排液污染问题，节约处理成本，保护生态环境。

5 结论

压裂返排液具有间歇式排放、悬浮物含量高、成分复杂及难降解等特点，直接排放会对油气田生产和生态环境发展造成不可估量的损失。本文综述了三种国外页岩气压裂返排液处理的新技术，分析了每项技术的基本原理和应用案例，同时提出了未来该领域的主要发展方向，为压裂返排液处理装置的研制与现场应用提供了理论基础。

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作者简介

许剑，男，助理工程师，2011年毕业于武汉理工大学机械工程专业，获硕士学位，现在中石化石油工程机械有限公司研究院产品所从事石油机械的研究。

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