本公開涉及油氣勘探開發(fā)領域的工業(yè)廢水處理方法，特別涉及一種壓裂返排液處理裝置及方法。

背景技術：

壓裂是低滲透油氣井和頁巖氣井投產(chǎn)前的必要工序，目前應用最廣泛的壓裂為水力壓裂，即用水配制壓裂液作為工作流體完成壓裂過程。壓裂完成后、油井正式投產(chǎn)前需要將壓入地層的部分壓裂液連同地層流體排出，這些壓裂后返排出來的流體稱為壓裂返排液。

壓裂返排液的顯著特征是礦化度高、硬度高、粘度高、懸浮固體多、化學藥劑成分復雜、cod高、體系穩(wěn)定。壓裂返排液的組成十分復雜，既有配制壓裂液時加入的多種化學藥劑及支撐劑，包括減阻劑、交聯(lián)劑、凝膠、表面活性劑、阻垢劑、緩釋劑、殺菌劑及各種無機鹽、石英砂或人工陶粒等，占大約4％的體積，還有地層中帶出的地層水、礦物油、礦物顆粒、細菌等。因此，壓裂返排液是一種極難處理的工業(yè)廢水，基于達標排放的處理工藝復雜、成本高、潛在風險大，而回注地層的處置同樣存在巨大的環(huán)境風險和高昂的成本問題。尤其值得關注的是，規(guī)模開發(fā)地區(qū)的大批量鉆井、壓裂對水的需求量特別大，往往超出區(qū)域的水資源極限，成為頁巖氣開發(fā)的制約因素。另外一方面，壓裂返排液中含有大量有機化學品，對排放環(huán)境(無論是地表還是地層)都構成環(huán)境風險，對其進行妥善處理、處置，是低滲透、頁巖油氣田成功開發(fā)的關鍵。

目前基于達標排放目的的處理工藝主要包括物理化學方法、電化學方法和少量生物技術方法，效果欠佳，處理費用高且難以把握，國外常用的處置手段 是經(jīng)過簡單處理后異地回灌干層(無效回注)，成本較高，而且造成水資源和返排液體系中昂貴化學助劑的浪費。國外已有嘗試將壓裂返排液處理后重復配制壓裂液的應用，取得了一定效果，但還不是很普遍，國內(nèi)在這一領域基本處于研究階段，技術、方法還不多，也不成熟。壓裂返排液組分的復雜性以及壓裂返排液性質(zhì)的獨特性，決定了其處理的難度更大，尤其當處理后再用于配制壓裂液時還需要有針對性地去除有可能影響壓裂液性能的物質(zhì)，保留有用物質(zhì)，因此極具有挑戰(zhàn)性。

目前國內(nèi)外已有文獻和專利涉及壓裂返排液的處理技術。在國內(nèi)，cn104310628a(發(fā)明名稱“一種水基壓裂返排液再利用方法”)采用臭氧氧化、絮凝沉淀和過濾吸附處理工藝，cn104150647a(發(fā)明名稱“一種壓裂返排液回用處理工藝”)采用除油劑除油、溶氣氣浮、化學沉淀軟化、多介質(zhì)過濾、濾芯精細過濾工藝，cn104176881a(發(fā)明名稱“一種壓裂返排液達標排放及復配壓裂液的處理工藝”)采用預處理、除ss、二級降解cod、深度降解cod、去離子工藝；非專利文獻《紅河油田壓裂返排液回用技術研究》采用絮凝沉淀預處理、誘導化學定位除雜、除垢工藝，《壓裂返排液回收再利用技術的研究與應用》和《硼交聯(lián)羥丙基瓜爾膠壓裂液回收再用可行性研究》均論證了壓裂返排液處理后再配壓裂液的可行性，但未介紹處理工藝。

國外文獻中，《recycleofproducedandflowbackwaterineaglefordshaletexaspicksupmomentumwithomniwatersolutionsanddowwaterandprocesssolutions》介紹了陶氏公司等發(fā)明的移動式壓裂返排液處理裝置，其采用了陶氏公司最擅長的超濾、反滲透膜技術，處理水能夠滿足再配壓裂液需要，該裝置的主要缺點是核心處理單元技術復雜，所需前處理單元流程長，處理費用與處理標準總體偏高，不適合中國直接采用；《costeffectiverecoveryoflow-tdsfracflowbackwaterforre-use》采用預處理加膜處理部分去除tds的方法，處理水能滿足再配壓裂液需要，其主要缺點是處理目標主要針對的是水中離子成分，返排液中的其它污染物成分還要靠其它處理單元，而且其膜處理單元采用 反滲透(ro)，是一種最高級別的膜處理技術，一次投資和運行費用高、現(xiàn)場操作復雜；《treatmentoptionsforreuseoffracflowbackandproducedwaterfromshale》介紹了基于再配壓裂液的處理目標是：總懸浮固體(tss)、總?cè)芙夤腆w(tds)、細菌、硬度、油脂，但是其并未披露具體的技術細節(jié)。

技術實現(xiàn)要素：

本公開的目的是在深刻理解我國頁巖氣開發(fā)區(qū)壓裂返排液性質(zhì)和構成的基礎上，將返排液中不利于重復用于配制壓裂液的物質(zhì)有針對性地高效去除，最大限度地保留有用物質(zhì)，實現(xiàn)水資源和有用化學助劑的全部回收利用，分離出來的污染物高度濃縮后進行無害化處理，降低處理費用，達到資源節(jié)約、環(huán)境友好的目的。

本公開的一方面提供一種壓裂返排液處理裝置，包括：

旋流除砂器，用于對所述返排液進行固液分離；

微絮凝直接過濾器，用于使所述返排液與絮凝劑反應形成微絮凝體，并過濾所述微絮凝體；

化學除垢器，用于進行所述返排液的加堿化學反應和沉淀分離；

微孔過濾器，所述微孔過濾器內(nèi)設置微孔膜，用于對所述返排液進行二次過濾；以及

紫外線發(fā)生器，用于殺滅所述返排液中的細菌；

其中，所述旋流除砂器、微絮凝直接過濾器、化學除垢器、微孔過濾器和紫外線發(fā)生器依次連接。

優(yōu)選地，所述微絮凝直接過濾器內(nèi)設置有柔性纖維濾層

優(yōu)選地，所述化學除垢器中包含液態(tài)堿。

優(yōu)選地，所述微孔膜是微米級微孔膜。

優(yōu)選地，所述旋流除砂器與微絮凝直接過濾器通過管道連接。

本公開的另一方面提供一種壓裂返排液處理方法，采用上述壓裂返排液處理裝置，該方法包括以下步驟：

(1)旋流除砂：將返排液引入旋流除砂器，對所述返排液進行固液分離；

(2)微絮凝直接過濾：投加絮凝劑，并過濾所述返排液與絮凝劑反應形成的微絮凝體；

(3)化學除垢：進行所述返排液的加堿化學反應和沉淀分離；

(4)微孔過濾：通過微孔過濾器二次過濾所述返排液；以及

(5)紫外線殺菌：通過紫外線發(fā)生器殺滅所述返排液中的細菌。

優(yōu)選地，在所述化學除垢器中加入液態(tài)堿。

優(yōu)選地，在所述化學除垢器中加入液態(tài)燒堿。

優(yōu)選地，所述返排液沿所述旋流除砂器內(nèi)壁的切線方向進入所述旋流除砂器。

本公開的有益效果在于對壓裂返排液采用旋流除砂、微絮凝直接過濾、化學除垢、微孔過濾及紫外線殺菌等5級處理，充分體現(xiàn)了精準、高效、廉價的特點；本公開的壓裂返排液處理裝置和方法可以對低滲透、頁巖油氣開發(fā)中的大量壓裂返排液進行妥善處理，實現(xiàn)廢水循環(huán)利用；也可用于其它類似工業(yè)廢水的處理，實現(xiàn)污水的“零排放”和資源最大限度的回收利用。

附圖說明

通過結合附圖對本公開示例性實施例進行更詳細的描述，本公開的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實施例中，相同的參考標號通常代表相同部件。

圖1示出了根據(jù)示例性實施例的壓裂返排液處理裝置的示意圖；以及

圖2示出了根據(jù)示例性實施例的壓裂返排液處理方法的流程圖。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的優(yōu)選實施例。雖然附圖中顯示了本公開的優(yōu)選實施例，然而應該理解，可以以各種形式實現(xiàn)本公開而不應被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了使本公開更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整地傳達給本領域的技術人員。

根據(jù)示例性實施例的壓裂返排液處理裝置包括：

旋流除砂器，用于對返排液進行固液分離；

微絮凝直接過濾器，用于使返排液與絮凝劑反應形成微絮凝體，并過濾微絮凝體；

化學除垢器，用于進行所述返排液的加堿化學反應和沉淀分離；

微孔過濾器，微孔過濾器內(nèi)設置微孔膜，用于對返排液進行二次過濾；以及

紫外線發(fā)生器，用于殺滅返排液中的細菌；

其中，旋流除砂器、微絮凝直接過濾器、化學除垢器、微孔過濾器和紫外線發(fā)生器依次連接，依次對壓裂返排液進行處理。

作為優(yōu)選方案，微絮凝直接過濾器內(nèi)設置有柔性纖維濾層，可以吸附、截留從而去除微絮凝體。

作為優(yōu)選方案，化學除垢器中包含液態(tài)堿，更為優(yōu)選地，化學除垢器中包含液態(tài)燒堿，以減少殘渣產(chǎn)生量。

作為優(yōu)選方案，微孔膜是微米級微孔膜，以提高過濾效果。

作為優(yōu)選方案，旋流除砂器與微絮凝直接過濾器通過管道連接，可以在管道中投加具有脫穩(wěn)和絮凝作用的絮凝劑，使得返排液與絮凝劑混合、快速反應形成微絮凝體，然后再在微絮凝直接過濾器中對微絮凝體進行過濾。當然，也可以在微絮凝直接過濾器的前端投加絮凝劑，然后在微絮凝直接過濾器的后端進行過濾。

如圖2所示，根據(jù)示例性實施例的壓裂返排液處理方法包括以下步驟：

步驟1：旋流除砂

壓裂返排液中攜帶一定量的礦物砂，包括沒有起到支撐作用的、配液時加入的石英砂或人工陶粒、壓碎的地層礦物顆粒等，在具有較強攜砂能力的返排液裹脅下帶出地層。根據(jù)示例性實施例的壓裂返排液處理方法的第一步就是利用壓裂返排液的壓力和流速，使得壓裂返排液沿圓筒形的旋流分離器內(nèi)壁的切線方向高速進入旋流分離器，在較大離心力作用下進行固液分離，在旋流分離器底部去除絕大部分砂粒。

步驟2：微絮凝直接過濾

除了顆粒狀礦物砂以外，壓裂返排液中還有一定量的懸浮物及少量礦物油，它們與液相中復雜的電性微粒構成穩(wěn)定的膠體體系，需要投加具有脫穩(wěn)和絮凝作用的絮凝劑，經(jīng)短暫的混合、反應形成微絮凝體，然后經(jīng)過濾層吸附、攔截過濾加以去除。過濾層優(yōu)選地采用有機纖維軟性過濾層。

步驟3：化學除垢

進行返排液的加堿化學反應和沉淀分離。返排液中的成垢粒子主要來自地層水，其對再配壓裂液的性能有影響，再注入后也可能堵塞地層，因此在化學除垢器中采用最簡單的加堿化學反應、沉淀分離除垢的方法去除大部分鈣、鎂離子，保證回用效果。在此可選用液態(tài)堿，特別是液態(tài)燒堿與返排液進行反應。

步驟4：微孔過濾(mf)

通過微孔過濾器二次過濾返排液。經(jīng)過前面三步處理，絕大部分有害物質(zhì)得以去除，但為了進一步去除水相中的機械雜質(zhì)、懸浮固體，特別是前述除垢反應后未來得及通過沉淀分離的懸浮態(tài)結垢物質(zhì)，利用本步便宜、實用的微孔過濾一并去除，起到把關作用，確?；赜盟|(zhì)量，同時提高水的透光率，為后續(xù)的紫外線(uv)殺菌創(chuàng)造良好條件。

步驟5：紫外線(uv)殺菌

通過紫外線發(fā)生器殺滅返排液中的細菌。壓裂返排液中含有各類細菌，主要是srb、tgb，需要殺滅。uv殺菌簡便、廉價、效果確切，通過優(yōu)選強度、流速、透光率能夠滿足回用要求。

根據(jù)示例性實施例的壓裂返排液處理裝置和方法的優(yōu)點包括：

1.充分利用壓裂后地層蓄積的高壓、高能有利條件，將返排液引入旋流除砂器中，在液流沿切線方向進入旋流除砂器后，在液流沿旋流除砂器內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)流動過程中，利用離心力實現(xiàn)支撐劑(一般是石英砂)、地層破碎巖屑與液體的分離，減輕后續(xù)處理負擔，保護后續(xù)處理設備；

2.通過投加絮凝劑、脫穩(wěn)劑，破壞返排液穩(wěn)定的膠體體系，控制反應時間，使其只產(chǎn)生微絮凝體，利用纖維束等柔性濾層的吸附、截留作用，實現(xiàn)微絮凝過濾效果，去除體系中的懸浮固體和少量礦物油，將絮凝反應、固液分離合二為一，柔性濾層方便反洗；

3.利用加堿化學反應、沉淀方法，簡便、直接地去除體系中的硬度物質(zhì)，消除后續(xù)重復配制壓裂液時對其性能的潛在影響；

4.微孔過濾是最低廉的膜濾工藝，起到把關過濾的作用，將前面反應形成而未分離徹底的固體物質(zhì)濾除，保證后續(xù)紫外線殺菌需要的濁度、透光率要求，確保最后的循環(huán)利用效果；

5.采用紫外線這一最廉價、高效的殺菌工藝，配合再配液時的殺菌劑使用，確保重復配制壓裂液的壓裂效果；

6.發(fā)明人通過大量實踐反復驗證，設計了壓裂返排液的五級處理工藝，工藝簡便、緊湊，每個單元既有自己的主要功能，還能兼顧上下游處理單元的需求，流程組合科學合理，總停留時間短，處理效率高，因此一次性投資和運行管理費用都較低，能同時實現(xiàn)環(huán)境保護和資源回收再利用，特別對環(huán)境條件脆弱、水資源匱乏的地區(qū)，具有十分重要的意義。

以下參考附圖1描述根據(jù)示例性實施例的壓裂返排液處理裝置，該裝置包括依次連接的旋流除砂器1、微絮凝直接過濾器2、化學除垢器3、微孔過濾器4和紫外線發(fā)生器5。該裝置的工作過程如下：

首先，來自地層的壓裂返排液直接進入旋流除砂器1，充分利用返排液初期充足的地層能量，在液流沿切向旋轉(zhuǎn)流動過程中產(chǎn)生巨大的離心力，將其中的 不穩(wěn)定支撐劑、巖屑等固體顆粒與液相分離。

在液相分離之后的返排液液流進入下一級處理單元微絮凝直接過濾器2之前，在連接旋流除砂器1和微絮凝直接過濾器2的管道中加入絮凝脫穩(wěn)劑，通過管道混合使穩(wěn)定的膠體體系脫穩(wěn)，其中的懸浮固體、礦物油等帶電微粒在絮凝劑作用下發(fā)生有限度的絮凝反應形成微絮凝體。通過微絮凝直接過濾器2內(nèi)設置的柔性纖維濾層對微絮凝體進行吸附、截留加以去除。

接下來，返排液進入化學除垢沉淀器3，在除垢沉淀器3中加入液態(tài)堿，未來減少殘渣產(chǎn)生量一般考慮采用液態(tài)燒堿(naoh)，經(jīng)過攪拌、混合、反應，使返排液中的結構物質(zhì)沉淀分離。

返排液液流隨后進入微孔過濾器4，微孔過濾器4利用其微米級微孔膜的截濾作用，對前面兩級電化學反應處理過程中產(chǎn)生的微細顆粒進行把關過濾，進一步提高懸浮物、垢、致濁物質(zhì)的去除率，提高透光率，優(yōu)化后續(xù)紫外線(uv)殺菌的工作環(huán)境，確保再配壓裂液性能。

最后，經(jīng)過微孔過濾器4的返排液進入紫外線發(fā)生器5，在紫外線發(fā)生器5產(chǎn)生的適當強度的紫外線照射下，殺滅體系中的細菌，與再配液時加入的殺菌劑配合，確保注入地層的壓裂液中細菌不超標。

經(jīng)過上述處理，壓裂返排液中影響再配液性能的巖屑顆粒、懸浮固體、礦物油以及硬度物質(zhì)、細菌基本得以去除，而原來人工添加的減阻劑、交聯(lián)劑、凝膠、表活劑等高分子有機物有效成分基本得以保留，根據(jù)監(jiān)測可以節(jié)省再配壓裂液時的助劑用量，同時90％以上的水也得到重復利用，實現(xiàn)資源與環(huán)境雙贏。

上述技術方案只是本發(fā)明的一種實施例，對于本領域內(nèi)的技術人員而言，在本發(fā)明公開的原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本發(fā)明上述具體實施例的描述，因此前面的描述只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。