威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣壓裂返排液水質(zhì)特征及化學(xué)絮凝處理技術(shù)研究

摘 """""要：研究了威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣壓裂返排液的水質(zhì)特征，并探討了化學(xué)絮凝處理技術(shù)在處理該類廢水中的應(yīng)用。通過對威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣壓裂返排液樣品的采集和分析，發(fā)現(xiàn)其中含有高濃度的懸浮顆粒物、油脂和重金屬等污染物質(zhì)。因此，采用化學(xué)絮凝處理技術(shù)能夠有效地去除這些污染物，使得返排液水質(zhì)符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用FECL₃和PFECL₃作為絮凝劑的組合處理方法，能夠顯著提高廢水的處理效果。

關(guān) "鍵 "詞：頁巖氣；返排液；絮凝劑；水質(zhì)特征

中圖分類號：X741 """"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """"""文章編號：1004-0935（20202024）0×10-1586-04

隨著能源需求的不斷增長，頁巖氣作為一種新型的能源資源，受到了廣泛的關(guān)注和研究^[1-9]。然而，頁巖氣開采過程中產(chǎn)生的壓裂返排液，由于其復(fù)雜的組成和高度的污染性，對環(huán)境和人類健康造成了潛在的威脅^[10-17]。因此，對于威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣壓裂返排液的水質(zhì)特征及其化學(xué)絮凝處理技術(shù)的研究具有重要的意義。對威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣壓裂返排液的水質(zhì)特征進(jìn)行分析，并探討其化學(xué)絮凝處理技術(shù)的可行性和優(yōu)化方案，以期為頁巖氣開采過程中的環(huán)境保護(hù)提供參考和借鑒^[18-23]。

1 "返排液水質(zhì)特征分析

1.1 "水樣來源

返排液水樣來自位于內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣的威202H10平臺井。該平臺共有8口井，井場位于半坡上，呈東西向排列，右側(cè)地勢較高，左側(cè)地勢較低。井深在4 870～5 650 m，垂深在2 500～3 500 m，水平段長度為1 500～1 800"m。取樣的位置是返排液回收池。

1.2 "水質(zhì)特征分析

1.2.1""（1）陽離子和金屬離子含量分析

分析了頁巖氣井壓裂返排液中主要陽離子和金屬離子的含量，A3 平臺井壓裂后返排液水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。水樣1采集于壓裂后返排初期，水樣2采集于返排結(jié)束時，水樣3采集于返排結(jié)束后的第10天，水樣4則是對A3平臺井產(chǎn)氣半年后產(chǎn)出的水。

由表1可知，鐵離子質(zhì)量濃度顯著提升，在前期返排液的酸性條件下，鐵離子能夠更穩(wěn)定地存在于返排液中，提高電導(dǎo)率。

1.2.2 "（2）電導(dǎo)率及陰離子含量分析

A3 平臺井壓裂后返排液電導(dǎo)率及陰離子質(zhì)量濃度如表2所示。

由表2可知，返排液中的電導(dǎo)率呈逐漸升高的趨勢，并且隨著返排時間的延長而增加。電導(dǎo)率值增高，相應(yīng)的酸堿度則越靠近于酸性，并且返排液水相的渾濁度變低。需要注意的是，電導(dǎo)率與電阻率成反比例關(guān)系，即電阻率越大，則導(dǎo)電性能越強(qiáng)，反之則越弱。

1.2.3 "主要污染物含量分析

對頁巖氣井壓裂液的返排液樣品進(jìn)行了檢測，主要關(guān)注其懸浮固體（SS）、總?cè)芙夤腆w（TDS）、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）和總有機(jī)碳（TOC）含量。A3 平臺井壓裂后返排液主要污染物質(zhì)量濃度如表3所示。

由表3可以看出，返排液中的總?cè)芙夤腆w質(zhì)量濃度最高，可能是因?yàn)樽⑷氲乃嵝詨毫岩号c地層產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致TDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷上升。

1.2.4 "返排液和地層產(chǎn)出水對比分析

對比了返排液和地層產(chǎn)出水的產(chǎn)水量、持續(xù)時間、TDS質(zhì)量濃度、含砂量、表面活性劑質(zhì)量濃度、有機(jī)高分子質(zhì)量濃度等。頁巖氣壓裂后返排液與地層產(chǎn)出水對比如表4所示。

由表4可知，在返排的階段，由于產(chǎn)氣量比較小，返排液量較大；但是在開井投產(chǎn)后，產(chǎn)氣量慢慢增加，但產(chǎn)水量會不斷減少。

2 "化學(xué)絮凝劑選優(yōu)

針對壓裂返排液污水處理，目前主要采用絮凝沉淀的方法。這種處理方法具有見效快、效果好、操作方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，在油田污水處理中得到廣泛應(yīng)用。然而，在絮凝沉淀處理中，絮凝劑的選擇是至關(guān)重要的，因?yàn)樗苯佑绊懼跄恋硇Ч?。由于人們對生態(tài)環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，近年來在油田污水處理中，不僅注重處理效率和成本，也越來越注重絮凝劑的環(huán)保性。

2.1 "單一絮凝劑的影響評價(jià)

絮凝劑分別為聚合硫酸鐵（PFECL₃）、聚合氯化鋁鐵（PAFC）、聚丙烯酰胺（PAM）、三氯化鐵（FECL₃）。在燒杯中放入100 mL返排液水樣，為了使其充分均勻需要對其進(jìn)行攪拌。在攪拌的過程中，將化學(xué)絮凝劑加入其中并等其充分反應(yīng)。完成攪拌后，讓水樣靜置1"h。絮凝劑對返排液化學(xué)需氧量處理效果如表5所示，絮凝劑對返排液pH的影響如表6所示，絮凝劑對返排液濁度處理效果如表7所示。

由表5可知，在4種不同的化學(xué)絮凝劑中，只有PFECL₃的化學(xué)需氧量去除效果最好，不管是在哪種質(zhì)量濃度下，都具備著最佳的處理效果。

由表6可知，隨著投入絮凝劑質(zhì)量濃度的提高，水樣的酸堿度逐漸降低。FECL₃和PFECL₃的效果最為顯著，主要原因是它們的鐵離子產(chǎn)生量較大，這些鐵離子表現(xiàn)出弱酸性，因此導(dǎo)致水溶液的酸堿度下降。雖然處理后的化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度有一點(diǎn)偏高，但是會使用電芬頓工藝進(jìn)行處理，而電芬頓工藝在pH=3～5時效果最好。因此，F(xiàn)ECL₃和PFECL₃這2種無機(jī)絮凝劑被視為優(yōu)先選擇的處理方案。

由表7可知，隨著4種化學(xué)絮凝劑質(zhì)量濃度的慢慢升高，濁度處理的效果逐漸提高。

2.2 "混合絮凝劑的影響評價(jià)

將取回的返排液樣品100 mL倒入燒杯中，按照單一化學(xué)絮凝劑加入的方法進(jìn)行試樣的加入與反應(yīng)，需要在這個過程測定水樣的化學(xué)需氧量，混合絮凝劑對返排液化學(xué)需氧量處理效果如表8所示。

由表8可知，混合使用化學(xué)絮凝劑時，隨著質(zhì)量濃度的提高，化學(xué)需氧量去除效果呈一致的趨勢?？紤]以1.5 g·L^-1作為閾值，PFECL₃+FECL₃是化學(xué)需氧量處理效果最佳的化學(xué)絮凝劑組合。加入絮凝劑后，水樣的濁度有所上升。這主要是由于加入的絮凝劑量不足，導(dǎo)致生成的絮凝體太少，無法使水中懸浮的雜質(zhì)完全沉降。經(jīng)過綜合比較，發(fā)現(xiàn)在化學(xué)需氧量處理效果最佳時，F(xiàn)ECL₃和PFECL₃這2種絮凝劑在水樣處理中表現(xiàn)最好。

2.3 "混合絮凝劑加入量的影響評價(jià)

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明混合使用絮凝劑FECL₃和PFECL₃可以取得最佳的絮凝效果。按之前操作，測定燒杯內(nèi)水樣的化學(xué)需氧量值、酸堿度和濁度。混合絮凝劑對返排液處理效果如表9所示。

由表9可知，隨著FECL₃和PFECL₃混合化學(xué)絮凝劑加入量的增加，化學(xué)需氧量值逐漸下降，pH也在降低，同時濁度值也在下降。隨著加入化學(xué)絮凝劑越來越多，處理效果增幅越來越不明顯，因此最優(yōu)的混合絮凝劑加入量為2.0 g·L^-1。

3 "現(xiàn)場應(yīng)用

在A3區(qū)塊的某井組，采用了精細(xì)化處理工藝對返排液進(jìn)行處理，共處理了2 550 m³的返排液，處理累計(jì)耗時92"h，平均處理速率為28.04 m³·h^-1。在H5區(qū)塊的某井組，則采用了快速處理工藝進(jìn)行處理，處理了1 750 m³的返排液，累計(jì)耗時47"h，平均處理速率為37.23 m³·h^-1，最大處理速率可達(dá)到40 m³·h^-1。目前，差異化處理工藝已經(jīng)被廣泛推廣，處理速率提高了32.7%，處理成本降低了20.6%，已經(jīng)應(yīng)用了50多個井次，共處理了2.4×10⁴ m³的返排液。處理后的水質(zhì)清亮透明，pH=6～7，鈣鎂離子總量低于50 mg·L^-1，懸浮固體顆粒26 mg·L^-1，細(xì)菌含量低于100 CFU·mL^-1，處理后的水質(zhì)能夠滿足重復(fù)配液施工所需的用水指標(biāo)。

4 "結(jié)"論

（""""1）壓裂液中的添加劑是導(dǎo)致返排液中化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度較高的原因，進(jìn)行返排的過程中，化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度慢慢下降。TDS值越高，說明水中溶解物質(zhì)越多，因此降低化學(xué)需氧量和懸浮物質(zhì)量濃度是返排液處理工藝技術(shù)的核心。

（2）由于威遠(yuǎn)返排液的特性以及對水質(zhì)技術(shù)指標(biāo)的要求，采用了多種技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，包括電解沉淀、化學(xué)處理、絮凝過濾和精細(xì)處理等工藝，設(shè)計(jì)出了精細(xì)處理工藝和快速處理工藝。達(dá)標(biāo)外排處理主要采用預(yù)處理、膜濃縮和蒸發(fā)結(jié)晶等工藝流程，其中濃縮工藝主要采用電滲析和高壓碟片反滲透，盡可能地減少蒸發(fā)系統(tǒng)的處理量，從而降低整個系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，并確保產(chǎn)水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

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Research on Water Quality Characteristics and Chemical Flocculation Treatment Technology of Shale Gas Fracturing Backflow Fluid in Weiyuan Area

CAI Lu， TANG Yu， YANG Xiaoyu， GUO Jianlong， XU Dingda

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Neijiang Normal University， Neijiang Sichuan 641100， China）

Abstract：""The water quality characteristics of shale gas fracturing backflow fluid in the Weiyuan area were"studied， and the use of chemical flocculation treatment technology in this type of sewage treatment was discussed. Through the collection and analysis of shale gas fracturing backflow samples in Weiyuan area， it was found that it contained high mass concentration of suspended particulate matter， grease and heavy metals and other pollutants. Therefore， the use of chemical flocculation treatment technology can effectively remove these pollutants， so that the water quality of the backflow fluid meets the national environmental protection standards. The experimental results showed that the combined treatment method of FECL3 and PFECL3 as flocculant could significantly improve the treatment effect of wastewater.

Key words：""Shale gas; Backflow fluid; Flocculant; Water quality characteristics