压裂返排液水质胶体稳定性分析及其预处理技术研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2025-0135

摘要/Abstract

摘要：

压裂返排液是非常规油气开发过程主要的副产物，对其进行高效预处理可保障油田联合站污水处理工艺的整体运行效率。针对压裂返排液水质胶体稳定性高、污染负荷大的问题，以滑溜水返排液和胍胶返排液为研究对象，系统分析其污染特性及稳定性机制，并提出“破乳脱稳+Fenton氧化”预处理工艺。采用聚合氯化铝（PAC）-聚丙烯酰胺（PAM）复合混凝剂结合黄铁矿催化Fenton氧化可有效破解胶体稳定性，滑溜水返排液SS和COD去除率分别达91.13%和92.52%，胍胶返排液因天然多糖形成的稳定网络结构，SS和COD去除率分别为84.89%和69.87%。有机物组成和水质稳定性分析表明，破乳脱稳+Fenton氧化预处理工艺通过界面电化学特性调控和有机物降解实现了对体系稳定性的重构。模拟联合站“气浮-砂滤”系统，将预处理后的压裂返排液与采出水按体积比1∶1混合后经气浮-砂滤工艺处理，结果表明，滑溜水返排液与采出水的混合液污染物去除效果与采出水单独处理工况相近，而胍胶返排液与采出水的混合液经处理后SS和COD均被大量去除，但出水SS仍较高，可以通过降低胍胶返排液在混合液中的掺混比使得其处理效果得以强化。

关键词: 压裂返排液, 胶体稳定性, 预处理, 破乳脱稳, Fenton氧化

Abstract:

Fracturing flowback fluid, as the primary byproduct of unconventional oil and gas development, requires efficient pretreatment to ensure the overall operational efficiency of oilfield central treatment facilities. To address the challenges of high colloidal stability in water and heavy pollution load, this study systematically analyzed the pollution characteristics and stabilization mechanisms of slickwater and guar gum flowback fluids, proposing a “demulsification-destabilization+Fenton oxidation” pretreatment process. Experimental results demonstrated that polyaluminium chloride(PAC)-polyacrylamide(PAM) composite coagulation combined with pyrite-catalyzed Fenton oxidation effectively disrupted colloidal stability. For slickwater flowback fluid, the removal rates of SS and COD reached 91.13% and 92.52% respectively. Regarding guar gum flowback fluid containing stable network structures formed by natural polysaccharides, the SS and COD removal rates were 84.89% and 69.87% respectively. The changes of organic composition and water quality stability analysis indicated that the process of demulsification-destabilization+Fenton oxidation pretreatment reconstructed system stability through interfacial electrochemical regulation and organic degradation. Simulate the “air flotation-sand filtration” system of the joint station, the pre-treated fracturing flowback fluid was mixed with the produced water in a volume ratio of 1∶1 and treated by the air flotation-sand filtration process. The results showed that the pollutant removal effect of the mixture of slickwater flowback fluid and produced water was similar to that of the treatment of produced water alone. However, SS and COD were significantly removed from the mixed solution of guar gum reflux fluid and produced water, but the effluent SS was high and its treatment effect could be enhanced by reducing the mixing ratio of guar gum reflux solution in the mixed solution.

Key words: fracturing flowback fluids, colloidal stability, pretreatment, demulsification-destabilization, Fenton oxidation

中图分类号:

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I6/1

图/表 10

表1 水质指标测试方法及仪器

Table 1 Testing methods and instruments of water quality indicators

水质特性	指标	方法	仪器
污染负荷	SS	重量法
	COD	重铬酸钾法	华夏科创CTL-12型COD速测仪
	BOD₅	稀释与接种法	哈希BODTrakⅡBOD检测仪
	TOC	非分散红外线吸收法	岛津TOC-LCPH/CPN200型TOC/TN测定仪
	石油类	红外分光光度法	华夏科创OIL-480测油仪
	总氮	燃烧法	岛津TOC-L CPH总有机碳分析仪岛津CN 200 TOC总有机碳分析仪
体系稳定性	不稳定指数	旋转法	德国罗姆LUMisizer611分散体分析仪
	黏度	旋转黏度计法	方瑞NDJ-8T旋转黏度计
	表面张力	吊片法	瑞典百欧林Theta Flex表面张力仪
	Zeta电位	电泳光散射法	英国马尔文Zetasizer Nano Z纳米电位分析仪
	粒径分布（PDI）	激光静态散射法	英国马尔文Zetasizer Nano Z纳米电位分析仪
	电导率	电导仪法	梅特勒托利多FE-28酸度计
	pH	玻璃电极法	梅特勒托利多FE-28酸度计

表2 滑溜水返排液和胍胶返排液的水质

Table 2 Water quality of slickwater flowback fluid and guar gum flowback fluid

项目	滑溜水返排液	胍胶返排液
SS/（mg·L^-1）	936	13 120
COD/（mg·L^-1）	3 331.4	2 870.5
BOD₅/（mg·L^-1）	850	600
TOC/（mg·L^-1）	1 023.0	538.5
石油类/（mg·L^-1）	8.04	10.05
黏度/（mPa·s）	8.4	7.4
表面张力/（mN·m^-1）	31.7	53.1
Zeta电位/mV	-20.73	-2.66
总氮/（mg·L^-1）	304.20	56.92
不稳定指数	0.252	0.778
PDI	0.759	1.000
电导率/（mS·cm^-1）	10.157	102.265
pH	7.51	7.19

图1 混凝剂及其投加量对压裂返排液中COD去除效果的影响

Fig.1 The influences of coagulant type and dosage on COD removal efficiency in fracturing flowback fluid

图2 过硫酸盐氧化（a~d）、催化臭氧氧化（e）和Fenton氧化（f~h）对压裂返排液中COD的去除效果

Fig.2 The effects of persulfate oxidation （a-d）， catalytic ozonation （e）， and Fenton oxidation （f-h） on COD removal in fracturing flowback fluid

图3 压裂返排液处理前后SS（a）和COD（b）的对比

Fig.3 Comparison of SS（a） and COD（b） in fracturing flowback fluid before and after treatment

表3 压裂返排液水质胶体稳定性指标

Table 3 Index of colloidal stability for fracturing flowback fluid

样品	不稳定指数	表面张力/ （mN·m^-1）	Zeta电位/mV
滑溜水返排液	0.252	31.7	-20.73
滑溜水返排液混凝处理	0.357	39.6	-0.056
滑溜水返排液氧化处理	0.076	66.5	-0.021
胍胶返排液	0.778	53.1	-2.66
胍胶返排液混凝处理	0.680	62.3	-0.062
胍胶返排液氧化处理	0.273	72.3	0.086

图4 压裂返排液处理前后有机化合物种类对比

Fig.4 Comparison of organic compounds in fracturing flowback fluid before and after treatment

图5 滑溜水返排液（a）和胍胶返排液（b）处理前后的三维荧光光谱对比

Fig.5 Three-dimensional fluorescence spectra comparison between slickwater flowback fluid（a） and guar gum flowback fluid（b） before and after treatment

图6 滑溜水返排液（a）和胍胶返排液（b）处理前后粒径分布对比

Fig.6 Comparison of particle size distribution of slickwater flowback fluid（a） and guar gum flowback fluid（b） before and after treatment

表4 采出水与压裂返排液1∶1混合后水质胶体稳定性变化

Table 4 Changes of colloidal stability in water after 1∶1 mixing of produced water and fracturing flowback fluid

样品	不稳定指数	表面张力/（mN·m^-1）	Zeta电位/mV
采出水	0.193	63.5	0.027
采出水+滑溜水返排液	0.431	35.8	-0.155
采出水+预处理后滑溜水返排液	0.127	67.9	0.028
采出水+胍胶返排液	0.818	58.1	-0.065
采出水+预处理后胍胶返排液	0.156	66.7	0.061

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