頁巖氣采出水污染及處理技術進展（下）

2頁巖氣采出水處理技術

2.1處理方式

頁巖氣采出水的處理方式主要與當地最新的政策法規、氣田的開發方案、采出水質特點、可用水處理設施以及技術經濟性有關，氣田需要綜合考慮以上因素以選擇合理的采出水處理方式。

目前，國內外對頁巖氣采出水的處理方式主要包括：

1)深井回注，即經泵加壓后，通過深井回注到指定的可接納處理水的地層?該方式適用于采出水水質符合回注水水質標準、附近具有可回注地層的頁巖氣田?截至2009年底，美國頁巖氣采出水采用深井回注的比例高于95。該處理方式的優點是地面設施少、處理工藝相對簡單且水處理投資少，缺點是開采所需水資消耗較大、回注深井數量需求量大以及回注水質標準越趨嚴格。

2)部分處理后內部回用，即經過氣田水處理廠部分處理并與清水混合，其后重新用于該頁巖氣田的水力壓裂施工?該方式適用于現有技術達不到外排標準、當地水資源匱乏的頁巖氣田?其優點是節省水資源、環境污染小且處理成本低，缺點是回用于水力壓裂的采出水組分較為復雜，容易造成鋼管的腐蝕、氣井壁阻塞以及產氣效果不規律或下降等生產事故。

3)處理達標后外排，即經氣田的水處理廠或市政污水處理廠處理達到相應外排標準后，排入地表水中，可用于灌溉農田或牲畜飲水等。該方式適用于采出水TDS含量較小、附近缺乏回注地層、配備了水處理廠及相關設施的頁巖氣田。但是，由于市政污水處理廠一般無法去除總溶解固體。因此，在2008~2011年間，美國頁巖氣田逐漸由采用市政污水處理廠處理方式向采用氣田處理廠處理方式轉換，前者所占比例銳減?處理達標后外排的優點是可以減少頁巖氣開采對當地水資源的威脅、大幅減少對環境的影響，缺點是處理工藝復雜、建設與運行投資均比較大。

2.2處理技術

由頁巖氣采出水組成特點分析可知，不同開采地區不同階段內的采出水水質相差較大，因此其處理也存在一定差異，本文總結分析了頁巖氣采出水一般采用的三級處理技術。

2.2.1一級預處理技術

一級預處理工藝是對采出水進行預處理，主要去除采出水中的油脂、壓裂液殘余成分以及懸浮物顆粒。目前，國內外采出水預處理中的油脂處理對象包括浮油、分散油以及乳化油，當采出水中油脂成分主要為浮油時，采取”重力/沉降分離+電化學/化學絮凝”的處理技術較為經濟合理；當采出水中油脂成分主要為分散油與乳化油時，傳統采取“過濾/粗?；?電化學/化學絮凝”的處理技術?其中，電化學絮凝與化學絮凝原理相似，但是電化學絮凝在處理污染種類要求、處理效率、總成本以及自動化控制方面均優于化學絮凝?此外，電化學絮凝還可以與其他二級、三級處理中的相關技術相結合，以達到深度處理采出水的效果。因此，建議氣田水處理廠在一級處理工藝中根據采出水水質選用“重力分離/沉降分離/過濾/粗?；?電化學絮凝”的工藝技術。

2.2.2二級軟化處理技術

二級軟化處理技術是對采出水進行軟化，即去除采出水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+以及Sr2+等金屬離子。目前，工業處理廢水中金屬離子的方法包括電解法、離子交換法以及化學沉淀法等，其中化學沉淀法具有成本低、運行操作簡便、工業應用成熟等特點，因此氣田經常采取化學沉淀法對采出水進行處理。但是，傳統的化學沉淀法對頁巖氣采出水的二級軟化處理效果并不理想，主要是由于頁巖氣采出水中的組分較為復雜。結合頁巖氣采出水水質特點，國外氣田研究機構對傳統的化學沉淀法進行了改進，如美國Marcellus頁巖氣田應用的SSP步進沉淀法、Veolia公司開發的Multiflo技術，二級軟化處理效果明顯提高。

2.2.3三級脫鹽處理技術

三級脫鹽處理技術主要是為了對采出水進行脫鹽，這也是三級處理技術中最難處理的階段?相對于無效回注成本，脫鹽成本較高，國外一般會在二級軟化處理后直接回注地層，但是對于缺乏回注地層、水資源供給短缺的頁巖氣田，應當根據脫鹽工藝技術指標與采出水質特點選取合適的脫鹽技術，降低采出水含鹽量，達到回用或外排要求。頁巖氣采出水中的TDS含量較高是限制脫鹽技術選擇的主要因素，比如，對于TDS接近35000mg/L的采出水，通過反滲透技術脫鹽使水回收率達到50時，未被回收的采出水TDS含量將會達到70000mg/L。

針對高含鹽的采出水，經濟合理的脫鹽技術主要包括機械蒸汽壓縮(MVC)技術、膜蒸餾(MD)技術以及正滲透法(FO)。相對而言，機械蒸汽壓縮技術是海水淡化工業已成功廣泛應用的成熟技術，膜蒸餾技術和正滲透法屬于新興的高效節能脫鹽新技術，存在的問題還很多，有待進一步研究改進。

3頁巖氣采出水處理存在的問題與建議

目前，我國頁巖氣開發試點少，整體生產規模偏小，包括頁巖氣采出水處理在內的地面集輸技術尚處于探索初期階段，缺乏水處理體系與相應的國家和行業標準，涉及到的水處理關鍵技術不成熟，而國外在長期的頁巖氣勘探開發中，積累了寶貴的水處理與管理經驗，水處理技術也比較成熟。

因此，借鑒國外頁巖氣采出水處理經驗，結合國內南方某頁巖氣田采出水的組成特點，對我國頁巖氣采出水處理提出以下建議：

1)制定相應的頁巖氣采出水處理標準與政策法規?美國針對頁巖氣田開發制定或修改了一系列的環境保護政策，如《FRAC》法案，而我國目前主要借鑒或采用常規天然氣與煤層氣采出水處理的標準，存在許多漏洞。

2)逐漸增加部分處理后內部回用這一處理方式的比例。我國頁巖氣優先勘探開發的地區(如四川盆地、山西及河西走廊等)大多處于缺水區域或附近，水資源比較短缺，且開發區域附近適合深井回注的地質較少。因此，應盡量采用內部回用處理方式以減少對當地水資源的威脅。

3)采用兩種或兩種以上水處理技術結合的綜合處理方式。不同的水處理技術具有其相應的優缺點，綜合處理方式有利于彌補單個水處理技術的不足，而且可以靈活適應不同階段內采出水組成變化較大的特點。

4)探索研究適應于我國的處理工藝技術路徑。傳統采用的三級處理工藝中包括的水處理技術適應條件也有所不同，采用的工藝技術路徑選擇較多?應當根據當地頁巖氣田采出水的組成及特點，探索出適應各區域的工藝技術路徑，如我國陸相頁巖氣田開發的“氧化降黏-絮凝沉降-固液分離-多級過濾”四步法處理工藝。

4結論

1)國內外頁巖氣采出水組成的主要特點有：組成較為復雜；水質指標普遍具有”三高”特點；開采階段內的采出水水質指標波動范圍較大；多數水質指標大大超過國內外污水回用標準。

2)頁巖氣開采不當或采出水處理不達標可能會導致嚴重的水污染問題，主要包括地下水污染和地表水污染，其水體污染通道和種類均比較多。

3)頁巖氣采出水處理方式選擇的影響因素較多，采出水處理方式主要包括深井回注、部分處理后內部回用以及處理達標后外排。

4)針對頁巖氣采出水，傳統上采用三級處理技術，即一級預處理、二級軟化、三級脫鹽，其中各種水處理技術均有其自身適用條件。我國應當借鑒國外積累的采出水處理經驗，結合國內頁巖氣采出水的組成特點，探索研究出適應于我國的采出水處理工藝技術。

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