油田压裂返排液处理技术研究

张 强，田金川

[陕西省榆林市定边县定边采油厂（森豪威），陕西榆林 718699]

压裂返排液危害主要聚焦于以下方面：①对土壤造成的危害相对直接。压裂返排液处于自然条件，没有人工干预的情况下，降解难度较大，有机物成分较多，且以酸性和碱性为主要成分，其中的一些具备较大毒性。尽管较短时间内不会对周围环境产生影响，但是若不经处理，长此以往，很容易引发对土壤的严重污染，降低土壤中腐殖质的成分，减少土壤对矿物质（包括氮、磷、钾）的吸收能力，使土壤肥力降 低[1]。②成分相对复杂。压裂返排液中含有较多细菌，细菌会留在地层中加速繁殖，对地层中管线、注水井和油井设备等加速腐蚀，微生物逐渐增多的同时，也会形成堵塞现象，对地层渗透率产生较大影响。与此同时，压裂返排液中添加剂含量较多，如果未经有效处理，排放时不达标，很有可能对地下水和表层水造成严重污染。③压裂返排液处理难度较大。由于压裂返排液中含有较多复杂物质，内部的胶体钻井液存在形式为冻胶状态，很容易提高压裂返排液的乳化程度，导致处理成本较高，处理难度较大[2]。

2.1 物理方法

2.1.1 过滤法

很多污水处理厂的常用方法都是过滤法，可以通过特殊膜的结构，一些较大分子结构会被隔离在特殊膜外面，从而达到去除污水污染物的目的，实现压裂返排液处理效率的提升。

2.1.2 悬浮法

活性炭是悬浮处理方式的常用物料，以活性炭为代表的物质，能够令压裂返排液的杂质在水面上悬浮。其工艺原理在于，通过气压性质，使污水表面漂浮一些沉淀难度较大的杂质。后续通过人工或机械方式，去除水体上方杂质。但由于此项技术针对其他污染物去除难度较大，因此依然限制了其实用价值[3]。

2.1.3 絮凝法

絮凝法通常在污染物浓度较大的废水中相对常用，絮凝法为混凝沉淀法的一种，对于人员的操作水平要求不高，也不用成本较高的装备。在现实中遇到的最大问题，就是对沉淀物应如何处理。有相关资料显示，压裂返排液中絮凝剂沉淀，污水量增加的同时，处理效果也会有一定负面影响。而鉴于压裂返排液通常具备较大液体黏度，为达到较好的混凝效果，混凝剂的使用难免过量，这不仅会极大增加后续处理难度，导致处理周期延长，而且也会导致二次污染。因此在实践中，应当联用吸附法、絮凝法和过滤法等诸多技术，在提高处理效果的同时，令基数造成的污染降至最低[4]。

2.2 化学方法

2.2.1 化学氧化法

化学氧化法是污水处理的重要方式，针对压裂返排液的处理同样有较大使用价值。究其原因，是因为压裂返排液具备复杂的成分，一般的物理方法效果较差，向其中适量加入氧化剂，可加强高分子有机物的降解，避免污染物浓度提升。聚焦于技术的发展情况，现阶段使用较多的氧化剂，以次氯酸钠、双氧水和高锰酸钾等为主[5]。其中，次氯酸钠进入水中，会引发水解反应，产生不稳定次氯酸分子，生成新物质生态氧，全面提升氧化性，对自然降解难度的氧化废液，可促使污染物的支链断裂，使分子结构进一步改变。

2.2.2 电化学氧化法

电化学氧化法本质上是通过电的干预，促进物质电子的得失，加速污染物的氧化还原反应，从而达到水体净化目的。氧化方式可分成直接氧化与间接氧化两种，前者可令污染物直接损失电子，达到降解污染物的目的；
后者会多出氧化性中间产物生成的环节，后续通过中间产物的作用，促进氧化降解过程的推进。在实践中，直接氧化和间接氧化方法的使用并不是泾渭分明的，其优势可以相互补足。有研究表明，在处理油田废水时，通过电化学氧化法，可以促进废水水体中还原性物质含量的降低，防止超出排放标准的同时，可极大降低二次污染的概率，更可通过自动化操作，极大提高工作效率[6]。

2.2.3 臭氧催化氧化法

臭氧同样是常用的污水处理物质，向水中加入适量臭氧和催化剂，水中能够生成羟基自由基，该物质具有较强的氧化能力，可有效促进有机物的氧化和降解。在处理压裂返排液时，通常会先降低压裂返排液黏度，充分混合之后混凝，向其中加入促进污染物沉淀的物质，后续向水体中加入臭氧，完成降解后，最后加入活性炭[7]。实践中，催化氧化时间控制在40~50min即可，催化剂可选择高锰酸钾，每升污水投放1g即可。这种处理方法可极大减少添加剂投放量，而且不易生成大量污泥，但是处理效果对臭氧发生率依赖性较强。

2.2.4 微电解氧化法

这种方法也有铁碳微电解法的别称，综合性较强，具备电沉积、氧化还原、催化氧化和絮凝吸附等处理方式的优势。铁屑和碳粒处于酸性水溶液环境中，本质上可以理解为微小原电池，自身的电场效应尽管不强，但依然会对污水胶体的稳定环境形成一定破坏，从而破坏污染物的悬浮状态。在外部电极反应介入时，水体中氢离子和二价铁离子具备活泼的氧化还原反应能力，可以提高废水高分子有机物的反应能力，破坏发色基团，导致发色能力进一步下降，这也是污水逐渐澄清的重要原因。与此同时，二价铁离子和三价铁离子具备较好的絮凝能力，可达到理想的絮凝效果，如果电极反应无法有效处理不溶物，或一些悬浮物质，可再加入二价铁离子和三价铁离子，使絮凝后的污水处理效果立竿见影[8]。

2.2.5 光催化氧化法

光照条件下，半导体催化剂会促进污染物质电子跃迁，引发电子空穴现象，导致氢氧基的产生，增加水体氧化能力，进而降解有机物，可配合其他催化剂使用。光催化氧化法催化效果可达到纳米级，水体中的污染物含量可降到100mg/mL，进而达到排放要求。这种方法的优势是，降解效果值得信任，而且污水处理速度较快，但是技术消耗的成本和能耗均较高，因此对使用产生了一定限制[9]。

2.2.6 超声波氧化法

超声波相较于普通声波，束射性更强，功率更大，且具备较大能量，可以令污水中的一些发生难度较大的反应变为可能。超声波氧化法可通过超声波加速反应，获取新化学反应物，实现化学反应速率的提升。该技术原理和空化反应相关，可以在超声波的作用下，促使水体中生成自由基，加速污染物氧化反应。所谓空化作用，就是液相反应系统在超声波的作用下，液体分子会出现扩张循环、压缩等表现，扩张中，液体密度会进一步下降，最后形成撕裂液体介质的效果，导致一些微小空化泡的生成，达到集中声场能量的效果。压缩阶段，空化泡被大幅压缩后会崩溃，崩溃时会进一步释放能量，进而产生瞬时高压和局部高温。超声波氧化法和其他技术相比，技术难度更低，且不会消耗过多成本，因此具备较大的发展前景。

2.3 生物方法

微生物法：微生物法是重要的生物处理手段，相较于物理和化学处理法，往往会极大增加处理成本。举例来说，厌氧附着膜膨胀床，可以通过反应器中膨胀床载体生物膜，处理无水肿的厌氧生物，以硅藻土和烟道灰等为主要载体。床层可以基于15%的膨胀率条件下运行，极大改善传质条件，而且载体不具备较大粒径，可以作为微生物附着生长的重要场所，令反应器中微生物浓度保持恒定，达到较好的处理石化废水效果。升流式厌氧污泥床同样应用较多，在实践中，废水会向反应器底部流动，污水向上通过污泥床，导致厌氧反应。反应器中可达到较高的污泥浓度，保证有机负荷进一步上升，操作难度较低，而且不会产生较高运行费用。但是反应器启动时也会产生较大耗时，而且需要严格控制颗粒污泥的培养环境。该方法通常在高浓度有机废水的处理中应用相对广泛。此外，也可将固定填料置入厌氧固定模反应器中，对厌氧微生物起到附着或截留的效果。此时水体中有机物，会向二氧化碳和甲烷转化，达到去除污物的效果。这种处理方式具备较强抗冲击负荷能力，运行管理难度较低，而且微生物停留时间较长。

2.4 固化法处理

固化法处理需要在压裂返排液中加入固化剂，促进废液的固化成型作用，这可以降低污染物质的处理难度，令处理效果进一步提升，同时有助于处理流程的简化，处理之后也可以作为有关环境条件，最大程度利于动植物的生长。但相对的，固化法会提高处理成本，同时会大量占地，因此限制了其在实践中的使用价值。

2.5 井下氧化处理

废液往往会因为油气井长时间开采大量在地层中残留，究其原因，是因为油气井开采时间较长，会导致地层压力降低，进一步降低压裂液返排率。这不仅会对地下水、地层土壤形成严重损害，也会对采油效果产生较大影响。如果采取井下氧化处理方式，便有助于底层中返排液的排出，促进废液高分子聚合物的降解，令水质在实际排放时达到排放标准要求。

2.6 回注处理技术

压裂返排液可通过回注处理技术达到排污目的，工艺技术需要先进行氧化破胶，后续混凝沉降过后，对杂质进行过滤。实际操作中，压裂返排液相较于调储罐进口位置高度会更低，悬浮固体含量保持在大约350mg/L，含油量保持在550mg/L，在提升泵的作用下，会向氧化破胶撬运输压裂返排液，置入胍胶分子链，令污水黏度进一步下降，后续依照顺序达到斜管沉降撬和絮凝沉降撬等。当污水沉降过后，可以利用水泵提高出水高度，使其和双滤料过滤器进口位置保持平齐。

2.7 复配处理技术

以新疆油田压裂返排液为例，其返排液具备相对复杂的成分，主要包括悬浮物、无机盐和胍胶等。无机盐主要来源于岩石基质和岩层，以及高浓度溶解性总固体。其中，无机盐与胍胶能够在复配压裂液时循环利用，因此在实践过程中，应重视科学处理技术的选择，从而实现返排液回用效率的提升。同时，可以在不影像返排液无机盐与胍胶含量的基础上，令水质适应配液标准。此外，可以在压裂返排液中加入适量冻胶，实现造缝功能的提升[11]。为保证压裂液不损伤储层，应以260~290mg/L的标准控制胍胶冻胶参与量，这就需要对返排液中溶解性总固体浓度进行严格控制。具体参数见表1。

表1 返排液检测值和配置压裂液水质标准

技术的选择可以从两方面入手，见油压裂返排液处理技术：该技术会涉及集输管线的运载，通过罐车向转油站运载集输管线。若是经常性处理作业，会将三相分离器和储罐放置在转油站，压裂返排液在加入破乳剂之后，在三相分离器的作用下，内部的水、气和油已经有分离迹象。分离结束之后的返排液中，内部含有一定量的胍胶和无机盐，能够在后续压裂液配制的过程中多次利用，避免带来过大的经济成本，同时可促进用水量的进一步下降。分离之后的返排液，应当在水缓冲罐中保存，如果有压裂水需求，可以在水中适当加入杀菌剂，后续向油田运送，辅助完成配制压裂液相关工作。从转油站分离的见油压裂返排液各项技术参数有严格要求，通常情况下，硫酸盐还原菌数量一般为20mg/L，油浓度一般为1mg/L，铁细菌和腐生菌含量在4 000mg/L左右，腐生菌保持在大约12 500mg/L即可。

不见油返排液处理技术：压裂单井之后，不见油返排液中胍胶和无机盐含量较多，一般可达到5MPa·s的平均黏度。应用井场就地处理技术时，可以应用便携暂放设备，如果有压裂用水需求，可以向供应清水管线中融入来源于储液罐中的返排液，并依照1∶1的标准控制返排液和用水比例。

压裂返排液的处理是油田开采的重要工序，对油田开采的环保至关重要。阐述了当前压裂返排液的处理技术，可以发现，各项技术均具有一定优势，并且有独特的适用场景。对于从业人员而言，应在发挥技术优势的基础上，尽量降低技术使用成本，有效回收返排液有效成分，从而达到降本增效的目的。