页岩气开发过程中的压裂用水处理工艺进展

（3）系统有离合器的作用，从而替代气 胎离合器，所以将会取消原来的离合器总成。
（4）系统具备调速功能，可取消变速箱的 一组换挡装置以及一套气胎离合器，使动力传 递更加直接，结构更加紧凑，传动效率更高。
（5）该系统采用了模块化设计，可独立 运输，修理过程中可以仅对损坏部分进行拆 解，便于现场处理。将主离合器改为万向轴 可以大大降低修理过程中电机校正难度。
勘探开发
页岩气开发过程中的压裂用水处理工艺进展
文／董志立
摘要
实现经济开采页岩气的有效手段是 进行大规模水力压裂，但开发过程中耗水 量巨大。为了安全环保地对页岩气进行有 效开采，需要深入研究废水处理工艺。本 文对页岩气开发过程中用水情况以及废水 处理进行了广泛深入的调研，阐述了目前 页岩气开发中可用的水处理工艺及使用特 点，介绍了各种处理技术的原理、工艺、 适用条件和存在的问题。调研结果发现： 不同页岩气产区的水力压裂回流废水（含 不同的化学试剂）要求有不同的水处理解 决方案。根据北美的处理经验，过滤技 术、热处理技术以及硅藻净水技术已经趋 于成熟并且已经开始规模化应用，对国内 页岩气开发水处理工艺有着借鉴和参考意 义。
（3）金属含量：应对成垢化学品水平 （包括钡、钙、镁）进行限制，防止其对设 备和基础设施造成负面影响。
（4）微生物含量：应控制生物的生长， 防止对管材的腐蚀。
（5）自然带有的放射性物质（NORM） 2.2 水处理方法 2.2.1 过滤
用于去除废水中的悬浮固体（TSS）。 过滤方法种类繁多，包括类似于家用的简单 过滤，以及更有效、且设计精良的昂贵过滤 器。最基本的过滤技术属于较低端的处理技 术，例如筒式过滤器和媒体吸收装置。[6] 用 于页岩气业的过滤装置是一个孔径尺寸从0.04 微米到3微米不等的过滤器，捕获废水中所有 悬浮固体，生产清洁水。但是，该过程不能 降低废水中的总溶解固体浓度。处理后，水 通常被运往新井与淡水混合，这一过程旨在 稀释过滤水中的剩余污染物，以用于压裂。 2.2.2 化学沉淀法
图2 页岩水力压裂液体积组分构成
图1 页岩气开发周期中的水资源管理挑战
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对一口页岩气井进行水力压裂需要 1.4~2.3万方，根据地层地质情况和操作流程 的不同，这些水20%-80%可在返排过程中回 收，其余的水暂时性的留在地层中。
假设井的生产周期为20年，一口典型的 Marcellus井会产生大约1.6万方水。约40%的 废水是在井的开采周期前0.5%的时间内产生 的，另60%是在剩下的20年时间内产生的。
【关健词】 页岩气，环境，水力压裂，废水 处理；
非常规天然气尤其是页岩气的勘探开 发是当前石油天然气行业关注的热点[1]。中 国页岩气资源丰富，初步估计地质储量可达 100×1012 m3。塔里木盆地、四川盆地、鄂尔 多斯盆地、渤海湾和准格尔盆地的边缘斜坡 部位均具有很好的页岩气资源勘探前景［2］。 水力压裂技术是目前唯一可以开启页岩气矿 藏的金钥匙。但页岩气开发的水力压裂施工 规模巨大，会使现有水资源进一步紧张。巴 尼特页岩区钻井和压裂过程的年耗水量相当 于当地18.5 万户家庭的年耗水量。[3]因此，改 善水力压裂废水处理工艺以及重复利用的技 术手段已经成为较快开发新能源的突破口。
图3 改造前后特性曲线对比图
图4 绞车输出特性曲线 通过特性曲线的对比可以得出改造后的 特性曲线与改造前的特性曲线覆盖率在85% 以上。所以如果进行改造的话，与原来的运 动特性差别不大。 4 改造后系统的主要特点 4.1 主要特点
（1）系统实现了绞车和转盘的部分无极 调速和空载启动。
（2）系统具备了动力传递柔特性，液力 耦合器可以有效吸收钻井施工过程中的液力 冲击载荷，从而降低变速箱的磨损，延长机 组的使用寿命。
2.2.3 热技术 用于总溶解固体浓度（TDS）较高废水
的脱盐处理。包括热蒸馏、蒸发和结晶。这 些技术使用不同的能源，将水加热到接近沸 点温度，以生成清洁的蒸馏水、浓盐水或结 晶盐。然后将蒸馏水进行收集以再利用，或 直接蒸发，以实现零水排放（ZWD）。比 较有代表性的蒸馏技术是美国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。其他提供热技术的水处理供应商 包括雅尔普（AquaPure）、阿塔拉（Altela Rain）、莱恩、奥科和通用电气。如在美国 东部马塞勒斯页岩区，一定要有处理极高含 盐量压裂废水的能力。[8-12]西门子水技术公司 和GE 电力和水处理公司，能在原地进行水处 理并回用，不仅能减缓当地水资源的紧缺、 降低成本，还可以降低将废水输送到远处的 封存井或水处理装置过程中产生的温室气体 排放。西门子采用浮选/过滤技术，而GE 则 采用蒸发技术[13]。
[23]
图5 Байду номын сангаас菌处理设备
（6）灭菌技术 为了减少套管腐蚀，压裂液中含有杀菌 剂。杀菌剂对水构成污染。代替添加杀菌剂 的方法：UV灭菌：UV灭菌技术是指用紫外线 控制压裂液中的细菌生长。臭氧杀菌：使用 臭氧处理法对压裂返排液或产出水的就地处 理和循环利用，处理能力达到120桶/分钟（14
3 结论 页岩气开发过程中用水量巨大，废水处
图3 气井生产周期内的产水情况
2 水处理工艺技术分析 2.1 水处理需要考虑的因素
（1）总溶解固体（也称总矿化度， TDS）：高盐度会影响钻井液中某些降阻剂 的效力，产生不利的沉淀析出。大多数情况 下，回流水和生成水的总溶解固体浓度高于 新压裂液的理想浓度。
（2）总悬浮固体颗粒（TSS）：回流水 的处理程度应使悬浮固体不会导致注入系统 结垢或孔隙堵塞。
方/分），成本比普通废水处理方法低90%。
[20，21]
（7）硅藻净水 Origin Oil利用硅藻生产石油的过程， 清除废水中的有机质和TSS。在电脉冲的作 用下。藻类会聚块并絮凝；Origin Oil的EWS 石油系统降低总有机物化学需氧量（COD） 98％，降TSS高达98.5。[22] OriginOil 技术公司今年4 月在第三方独 立测试中，其藻类收获过程仅在第一段就可 从西德克萨斯油井压裂返回水的试样中去除 98％的烃类。据美国能源部称，平均3桶受污 染的水可产出1桶石油。一些能源公司支付每 桶3~12美元来处理所产生的废水，这意味着 潜在的世界市场价值每年在3000 亿~1 万亿美 元之间。 （8）二氧化硅吸附技术（ Osorb ） 该技术主要通过改性的二氧化硅对地层 水中的挥发性有机质进行吸附；可以有效去 除溶解在水中的烃类、减阻剂和聚合物。混 合了无机和有机的纳米工程材料，吸附有机 质后，材料会快速膨胀到其干燥体积的8倍。
（5）电凝技术 即在铝、铁等金属板间通上电流，通 过水解、聚合及氧化作用除去废水中的乳化 油、重金属和悬浮固体和细菌[18，19]。

图4 电凝处理原理
电凝技术反应器设备简单，操作容易， 设备不需要移动，维护费用少，运行中遇到 的问题很容易解决，污水处理后清澈、无 色、无味，出水的可溶解性颗粒（TDS）比 化学法低，存在的电场，促进了小颗粒的去 除，无须额外的化学药剂，减少了二次污 染，在缺电的偏远山区，太阳能电池板也足 够提供能源。但是，电凝技术需要污水一定 的电导率，设备阳极电解消耗大，阴极可能 形成致密的氧化层，导致处理效率降低，需 要经常更换，且用电费用高昂。
图6 Origin oil处理工艺
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技术研究
降低噪声。这一点对钻井工人的身心健康有 一定的作用。
（8）改造后的工作组造价会大幅降低 据估计，改造后的工作组造价约为32万元 左右，较原机组降低约9万元，降幅21.9%。 （9）改造后的工作组可以有效地减弱负 载对电网的冲击。 改造后带来一个缺点，因为耦合器无法 实现倒车，所以转盘无法反转。但是现在钻 井施工已经基本不用转盘反转，所以不会影 响钻井施工。如果井队切实需要反转，可以 在电机接线处增加转换开关轻松实现反转。 2 改造可行性论证 2.1 动力可行性计算计算 2.1.1 输入输出数据统计和计算主电机输入参数 型号：JS138－8Z三相异步电机 额定电压： 380V 额定转速：740r/min 额定功率：280kw 额定频次：50Hz 额定电流：504A 输出参数计算 （1）原参数表1所示。 （2）原变速箱齿轮传动扭矩计算（公式 以及计算过程略）表2所示。 改造前后特性曲线对比：
页岩气开采的核心技术是水力压裂法， 水力压裂法中的压裂液主要由高压水、砂和 化学添加剂组成，其中水和砂的含量在99% 以上。据美国环保局估计，页岩气开采单井 需要8700 至14000 方水，美国四个井区数据 表明，高产单井需耗水19000 至49000 方。 另外，每口页岩气井在压裂过程中所使用的 压裂液，含有多达20×104L 的酸液以及杀菌 剂、阻垢剂、润滑剂和表面活性剂等化学添 加剂，返排液中还包括高矿化度地层水。如 果压裂液返回到地表后处置不当，将会对地 表饮用水源产生影响。[5]
页岩气井压裂后的返排液约占注入压裂 液量的60%~80 %。除含有压裂液中的化学添 加剂，返排液还含有一定量的烃类化合物、 重金属和水溶性盐类等，其中水溶性盐类主 要包括钙、钾、钠的氯化物和碳酸盐。大量 的返排液对偏远地区的井场来说，无论是就 地处理还是外输至污水处理厂都是巨大的挑 战，如果处理不当势必对当地水资源造成污 染。
通过孔径很小的膜过滤产出水，可以阻 隔比膜孔尺寸较大的悬浮颗粒和溶解颗粒。 如果总溶解固体浓度水平高于35，000 ppm到 45，000 ppm，那么反渗透等膜过滤技术则达 不到预期效果，因此，该技术在页岩气生产 中的使用很有限。 从微滤到反渗透，所使用 膜的孔径大小各不相同。
目前膜过滤技术在废水处理领域的应用 研究主要集中在实验室，存在的主要问题是 膜组件的昂贵和使用过程中膜的污染和通量 下降。膜滤反渗透处理染料废水的效率高， 但膜污染比较严重，治理成本过高，导致应 用推广困难。