一种压裂返排液处理实验装置技术领域
本发明涉及涉及油田、天然气、煤层气等非常规油气田开发过程中压裂施工后返
排液处理技术领域，尤其涉及一种压裂返排液处理试验装置。
背景技术
我国自积极开展油气资源战略调查和勘探开发以来，很长一段时间内忽略了开发
中可能带来的水资源挑战、环境污染及放置措施等问题。其中，压裂作为新井试气、老区油
气井挖潜和单井增产常用的措施之一，会产生大量生产废液，包括施工前活性水洗井作业
产生的洗井废水、施工完成后从井筒返排出来的压裂破胶液和地层流体及施工剩余的压裂
基液。随着压裂技术的大规模开展，必然面临压裂返排液的处理问题。
其中胍胶压裂作业结束后，返排的压裂液中既含有大量胍胶、甲醛、石油类及各种
添加剂，地层深处带出的粘土颗粒和岩屑，使得压裂返排液具有高COD、高稳定性、高粘度和
高浊度等特点，特别是其中一些不易净化的亲水性有机添加剂，难以从废水中除去。滑溜水
压裂施工采用的滑溜水配方简单，具有优良的降阻、减排、稳粘性能，但经地面返出后由于
收到地层岩石吸附和储层污染，成分亦变得较为复杂，且返排液量大。
目前现场多采用大型污水池或大罐存储，依靠污水自身进行长时间的挥发或沉
降，存在耗时长、效率低、渗透或外溢风险高等问题；或着统一运输至某处集中处理，费时费
力且成本高。因此，将压裂返排液进行就地处理用于重复利用或外排，是油田开发生产迫切
需要研究和解决的技术。
近年来对于压裂返排液的处理技术主要集中在预处理、絮凝、高级氧化、分离、吸
附、微电解等不同处理方法的不同次序的组合，且针对不同体系的压裂返排液需采用不同
的处理装置完成连续试验。鉴于压裂返排液水质特性多变、室内试验装置要求众多、不同处
理方法间连续性不强等特点，有必要开发高效一体化的压裂返排液处理试验装置，评价不
同处理工艺对压裂返排液的处理效果，对压裂返排液处理装置的研制具有重要的指导作
用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种操作简
单，可以针对不同类型的压裂返排液进行处理的压裂返排液处理实验装置。
本发明所采用的技术方案为：一种压裂返排液处理实验装置，其特征在于：包括化
学氧化破胶室、臭氧氧化破胶室、化学絮凝管道混合器、电絮凝反应器、化学氧化室、电化学
氧化室、过滤器，所述化学氧化破胶室和臭氧氧化破胶室并列设置，两者的入口均与污水池
相连，两者的出口均与化学絮凝管道混合器的入口相连，所述化学絮凝管道混合器的出口
与电絮凝反应室的入口相连，电絮凝反应室的出口与化学氧化室的入口相连，所述化学氧
化室的出口与电化学氧化室的入口相连，所述电絮凝反应室的出口和电化学氧化室的出口
均与过滤管道的入口相连，过滤管道的出口与清水池相连，在化学絮凝管道混合器上分别
连接有絮凝剂罐和助凝剂罐，在化学氧化破胶室、臭氧氧化破胶室、电絮凝反应室、化学氧
化室、电化学氧化室的入口和出口分别设有阀门，通过阀门切换实现不同的处理工艺。
按上述技术方案，在所述电絮凝反应室的入口和出口端并联设置有一管道，在管
道上设有阀门，通过调节阀门，实现化学絮凝管道混合器和电絮凝反应室的串联和并联。
按上述技术方案，在化学氧化破胶室与化学破胶罐相连，化学破胶罐的出口设有
流量计，在化学氧化破胶室内设有第一搅拌器，化学破胶罐中为化学氧化破胶剂溶液，化学
氧化破胶剂溶液为过硫酸铵、过硫酸钾、过氧及氧氯化合物的复合物中的一种。
按上述技术方案，所述臭氧氧化破胶室的底部与臭氧发生器相连，臭氧发生器的
顶部设有微孔曝气头，在臭氧氧化破胶室中设有锰砂催化剂填料层，在臭氧氧化破胶室的
顶部连接有臭氧尾气消减装置。
按上述技术方案，絮凝剂罐中为无机高分子絮凝剂溶液，无机高分子絮凝剂溶液
为聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铁和聚合硫酸铁中的至少一种；助凝剂
罐中为助凝剂聚丙烯酰胺溶液；絮凝剂罐和助凝剂罐的出口均设有流量计。
按上述技术方案，在电絮凝反应室中刻有便于固定和更换电极的小槽，所述电极
采用铝电极或铁电极。
按上述技术方案，在化学氧化室的入口处设有管道粗过滤器。
按上述技术方案，所述化学氧化室与化学氧化剂罐相连，化学氧化室中的化学氧
化剂罐中为化学氧化剂溶液，化学氧化剂溶液为芬顿试剂或次氯酸钠溶液，化学氧化剂罐
的出口连接有流量计。
按上述技术方案，所述电化学氧化室的阳极采用二氧化铅、二氧化钛、铂铱合金和
掺硼金刚石中的一种，阴极采用铅、钛和石墨中的一种。
按上述技术方案，在化学氧化破胶室、臭氧氧化破胶室、化学絮凝管道混合器、电
絮凝反应室、化学氧化室、电化学氧化室的出口均设有取样口，在污水池、电絮凝反应室、电
化学氧化室的出口均设有输送泵。
本发明所取得的有益效果为：该试验装置能实现压裂返排液的氧化破胶、絮凝、深
度氧化和过滤等连续处理过程，且能通过阀门切换实现不同的处理工艺；试验装置操作简
单、适用于胍胶压裂返排液、滑溜水压裂返排液等不同体系压裂返排液的处理试验，得到的
试验处理参数对于现场压裂返排液装置的研制具有重要的指导作用。
附图说明
图1为本发明的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图所示，本实施例提供了一种压裂返排液处理实验装置，包括污水池、化学氧化
破胶室2、臭氧氧化破胶室5、化学絮凝管道混合器7、电絮凝反应器8、化学氧化室10、电化学
氧化室11、过滤器12，所述化学氧化破胶室2和臭氧氧化破胶室5并列设置，两者的入口均通
过管道与污水池相连，在两者的入口的管道上分别设有阀门阀门A2、A1，两者的出口分别通
过管道与化学絮凝管道混合器7的入口相连，在两者的出口的管道上分别设有阀门B1、B2；
所述化学絮凝管道混合器7的出口通过管道与电絮凝反应室8的入口相连，电絮凝反应室8
的出口通过管道与化学氧化室10的入口相连；在电絮凝反应室8的入口和出口均设有阀门
D1、D3，在所述电絮凝反应室8的入口和出口端并联设置有一管道，在管道上设有阀门D2，通
过调节阀门D2，实现化学絮凝管道混合器和电絮凝反应室的串联和并联。所述化学氧化室
10的出口通过管道与电化学氧化室11的入口相连，在该管道上设有管道粗过滤器9，在化学
氧化室10的入口管道和出口管道上分别设有阀门E1和E4，所述电絮凝反应室8的出口和电
化学氧化室11的出口均分别通过管道与过滤管道12的入口相连，在该两个管道上分别设有
阀门E2、E3，过滤管道12的出口通过管道与清水池相连，在该管道上设有阀门F2。在化学氧
化破胶室2、臭氧氧化破胶室5、化学絮凝管道混合器7、电絮凝反应室8、化学氧化室10、电化
学氧化室11的出口均设有取样口，在污水池、电絮凝反应室8、电化学氧化室11的出口分别
设有输送泵1-1,1-2,1-3。
所述化学氧化破胶室2与化学破胶罐6-1相连，化学破胶罐6-1中为化学氧化破胶
剂溶液，化学氧化破胶剂溶液为过硫酸铵、过硫酸钾、过氧及氧氯化合物的复合物中的一
种。化学破胶罐6-1的出口设有流量计，在化学氧化破胶室2内设有第一搅拌器3-1，用于实
现化学氧化破胶剂的精确添加，并确保化学氧化破胶剂与压裂返排液充分反应。
在臭氧氧化破胶室中设有锰砂催化剂填料层，其粒径为10-12mm，能激发臭氧生成
羟基自由基，形成催化臭氧氧化的作用，提高臭氧分解效率，同时也可使污水与臭氧混合均
匀，保证反应时间；所述臭氧氧化破胶室5的底部与臭氧发生器4相连，臭氧发生器4的顶部
设有微孔曝气头，臭氧经微孔曝气头分散气泡后进入返排液中与返排液中污染物接触后发
生臭氧氧化反应，反应后的尾气经臭氧尾气消解器14后排入空气中。
在化学絮凝管道混合器7上分别连接有絮凝剂罐6-2和助凝剂罐6-3，絮凝剂罐和
助凝剂罐的出口均设有阀门和流量计，用于实现絮凝剂和助凝剂的精确添加，并完成化学
絮凝过程。絮凝剂罐6-2中为无机高分子絮凝剂溶液，无机高分子絮凝剂溶液为聚合氯化
铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铁和聚合硫酸铁中的至少一种；助凝剂罐6-3中为助
凝剂聚丙烯酰胺溶液，其中，化学絮凝过程采用管式反应器，能有效缩短处理液的停留时
间，增加处理液与絮凝剂的接触面积，提高絮凝效果。
在电絮凝反应室中刻有便于固定和更换电极的小槽，，并可以调整极板间距，所述
电极采用铝电极或铁电极，以便通过电极反应生成铁或铝的氢氧化物的沉淀物。
所述化学氧化室10与化学氧化剂罐6-4相连，在化学氧化室10内设有第二搅拌器
3-2，化学氧化剂罐6-4中为化学氧化剂溶液，化学氧化剂溶液为芬顿试剂或次氯酸钠溶液，
化学氧化剂罐的出口连接有流量计。
所述电化学氧化室11的阳极采用二氧化铅、二氧化钛、铂铱合金和掺硼金刚石中
的一种，阴极采用铅、钛和石墨中的一种。根据絮凝后出水的水质特征，设置有化学氧化和
电化学氧化两级，通过调节阀门实现两级氧化处理或单项氧化处理，确保有效降低出水的
COD值。
所述过滤管道12为两级过滤管线12-1,12-2串联连接，在连接两者的管道上设有
阀门F1，其中填充的过滤介质和介质大小取决于处理液的性能，可选择磁铁矿、活性炭、锰
砂滤料以及纳米过滤材质等。
所述管道粗过滤器9，用于过滤固相悬浮物中直径大于20μm的颗粒。
上述试验装置能实现压裂返排液的氧化破胶、絮凝、深度氧化和过滤等连续处理
过程，且能通过阀门切换实现不同的处理工艺通过阀门的关闭，例如可以实现以下处理工
艺：1、可以进行化学氧化破胶或臭氧氧化破胶，化学絮凝或/和电絮凝，化学氧化和电化学
氧化等步骤；2、可以进行臭氧氧化破胶，电絮凝，化学氧化和电化学氧化等；3、还可以进行
电絮凝、化学氧化或/和电化学氧化等步骤；
以下以具体实例进行说明：
实施例1：
本实施例是用于油井增产作业产生的羟丙基胍胶体系压裂返排液，实现外排。羟
丙基胍胶体系压裂返排液进水水质：PH＝7.5，水中悬浮物为893mg/L，COD为3700mg/L，其处
理方法为：
1)、打开阀门A1，启动输送泵1-1，取污水池中胍胶压裂返排液至臭氧氧化破胶室
中，同时打开臭氧发生器和阀门C，胍胶压裂返排液与臭氧发生反应，臭氧浓度为臭氧浓度
为50-80mg/L，臭氧破胶反应时间为5-10min。优选，臭氧浓度为50mg/L，臭氧破胶反应时间
为5min，通过反应生成HO·(羟基自由基)，达到破胶效果。待返排液粘度下降后关闭阀C并
打开阀B2和D1；
2)、处理后的返排液经化学絮凝管道混合器7后流至电絮凝反应室8中(此步骤只
进行电絮凝步骤)，启动电源，调节电压和电流大小，必要时调节极板间距并更换极板；电絮
凝电絮凝反应时间为2min-4min，优选反应时间为2min。通过形成铝或铁的氢氧化物，即“微
絮凝体”实现返排液中悬浮颗粒和胶体污染物失稳和絮凝体；
3)、待絮凝体形成后打开阀门D3、输送泵1-2和阀门E1，电絮凝反应室中的返排液
流经管道粗过滤器后进入化学氧化室，并向内添加次氯酸钠溶液，添加量为2000-3000mg/
L，优选添加量为2000mg/L，启动搅拌器2，
4)、待化学氧化反应20-30min，优选化学氧化反应时间为20min；后打开阀E4，对化
学氧化后的返排液进行电氧化处理，调节电压和电流大小，电流范围为5-10A，优选电流值
为10A，电化学深度氧化反应时间为10-20min，优选15min。
5)、打开阀门E3、F1和F2，启动输送泵1-3，将电化学氧化室中的返排液输送至两级
过滤管道中过滤，最终流入清水池，水质达到国家一级排放标准。
本处理方法中，压裂返排液进行先臭氧氧化完成破胶预处理，降低流体入口端粘
度，并缓解返排液中化学溶解性干扰离子的再次介入，减少二次污染风险；且通过采用电絮
凝和电化学氧化取代化学絮凝和化学氧化，辅以溶气气浮和过滤，有效减少新化学药剂的
引入和用量，缓解废水中化学溶解性干扰离子的再次介入，有助于减少二次污染风险并降
低成本，且处理后的返排液能够实现循环利用配制压裂液或者回注地层；
经本方法处理后的出水水质测定结果：
实施例2：
本实施例是用于处理无需氧化破胶处理的滑溜水体系压裂返排液，实现外排。其
操作步骤为：
1)、打开阀门A2和阀门B1，启动输送泵1-1，取污水池中滑溜水压裂返排液，流经化
学氧化破胶室(此步骤不需要进行化学氧化破胶反应)后直接进入化学絮凝管道混合器7中
进行化学絮凝，并添加絮凝剂聚合氯化铝和助凝剂聚丙烯酰胺，絮凝剂投加量为1000-
2000mg/L，助凝剂投加量为10-20mg/L，优选絮凝剂投加量为1500mg/L，助凝剂投加量为
15mg/L；
2)、打开阀D1，经化学絮凝后的返排液进入电絮凝反应室中，启动电源，调节电压
和电流大小，必要时调节极板间距并更换极板，电絮凝反应时间为3min；
3)、待絮凝体形成后打开阀门D3、输送泵1-2和阀门E1，电絮凝反应室中的返排液
流经管道粗过滤器后进入化学氧化室，并向内添加次氯酸钠溶液，添加量为1000-2000mg/
L，优选添加量为1000mg/L，启动搅拌器2；
4)、待化学氧化反应20-30min，优选化学氧化反应时间为30min，对化学氧化后的
返排液进行电氧化处理，调节电压和电流大小，电流范围为5-10A，优选电流值为5A，电化学
深度氧化反应时间为10-20min，优选10min。
5)、打开阀门E3、F1和F2，启动输送泵1-3，将电化学氧化室11中的返排液输送至两
级过滤管道中过滤，最终流入清水池，水质达到国家一级排放标准。
经本方法处理后的出水水质测定结果：
实施例3：
本实施例是用于处理无需氧化破胶处理的滑溜水体系压裂返排液，实现重复利
用。其操作步骤为：
1)、打开阀门A2、阀门B1和阀门D1，启动输送泵1，取污水池中滑溜水压裂返排液，
流经化学氧化破胶室和化学絮凝管道混合器后(此步骤不需要进行化学氧化破胶反应和化
学絮凝反应)直接进入电絮凝反应室中，启动电源，调节电压和电流大小，必要时调节极板
间距并更换极板。其中的悬浮颗粒、胶体污染物等在电场作用下失去稳定并与微絮凝剂结
合形成大絮体，电絮凝反应时间为4min；
2)、待絮凝体形成后打开阀门D3、输送泵1-2、阀门E1和E4，经电絮凝处理后的返排
液流经管道粗过滤器和化学氧化室进入电化学氧化室进行电氧化处理，调节电压和电流大
小，电流范围为5-10A，优选电流值为8A，电化学深度氧化反应时间为10-20min，优选20min。
3)、打开阀门E3和F2，启动输送泵1-3，将电化学氧化室中的返排液输送至两级过
滤管道中过滤，最终流入清水池，水质达到重复利用标准。
经本方法处理后的出水水质测定结果：
实验过程
pH
悬浮物(mg/L)
石油类(mg/L)
CODCr(mg/L)
处理前
6.9
1000
30.7
2702.3
处理后
6.7
18.5
3.2
925
重复利用标准
6-9
25
5
1000