申请日2010.06.25
公开(公告)日2012.07.11
IPC分类号B01D1/00; E21B21/06; B01D61/14; C02F1/04; B01D9/00; C02F1/44; C02F1/00; B01D61/02
摘要
本发明涉及一种制备纯盐的方法，包括：再捕获来自水压致裂的钻后回流水;从所述回流水中除去油;使用具有约0.1微米以下的孔径大小的超滤器过滤所述回流水，以从所述水中除去固体微粒和大有机分子，例如苯、乙苯、甲苯、和二甲苯;浓缩所述回流水，以制备盐水，所述盐水含有相对于所述回流盐水总重量的约15重量%至约40重量%的盐;使用有效量的试剂进行一个或更多个化学沉淀步骤，以沉淀出所需的高品质的商业产品，例如，硫酸钡、碳酸锶、碳酸钙;和使所述用化学方法处理和浓缩的回流盐水结晶，以制备大于99.5%的纯盐产品，例如氯化钠和氯化钙。
权利要求书
1.一种从废水制备纯盐的方法，包括：
再捕获来自水压致裂的钻后回流水;
从所述回流水中除去油;
使用超滤器过滤所述回流水以从所述回流水中除去固体微粒;
浓缩所述回流水中的一定量的盐，以制备浓缩的回流盐水，所述浓缩的回流盐水含有相 对于所述浓缩的回流盐水总重量的约15重量%至40重量%的盐;
使用有效量的试剂进行化学沉淀步骤，以从所述浓缩的回流盐水中除去高品质的商业产 品;和
使所述浓缩和用化学方法处理的回流盐水结晶，以制备大约98%以上的纯盐产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其中盐在所述浓缩的回流水中的量是相对于所述浓缩 的回流盐水的总重量的约20重量%至35重量%。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述纯盐产品是干燥盐和/或盐溶液。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述干燥盐是干燥的氯化钠。
5.根据权利要求3所述的方法，其中将所述干燥的氯化钠进一步处理，以制备次氯酸 钠。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述盐溶液是氯化钙溶液。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述盐产品纯度为99%以上。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述盐产品纯度为99.5%以上。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述制备所述浓缩的回流盐水的浓缩步骤使用蒸 发器、反渗透或其任意组合。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述浓缩和结晶步骤制备含有低于500ppm的 TDS(总溶解固体)的水。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：将孤立/遗弃的矿井排水或废水进行预 处理，以及使用所述预处理后的孤立/遗弃的矿井排水、所述预处理后的废水或其任意组合 作为水压致裂的来源水。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在进行所述化学沉淀步骤之前，鉴定和 /或量化所述浓缩的回流盐水中的组分，以确定在除去高品质的商业产品的化学沉积处理期 间将使用的试剂的有效量。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述高品质的商业产品选自由硫酸钡、碳酸锶、 碳酸钙及其混合物构成的组。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述从所述回流水中除去油的步骤、所述过滤所 述回流水的步骤、和所述浓缩所述回流水以制备浓缩的回流盐水的步骤在钻探位置现场进 行。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述进行化学沉淀步骤的步骤和所述使所述浓缩 和用化学方法处理的回流盐水结晶的步骤在非现场的装置中进行。
说明书
从压裂水/废水 制备纯盐的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年6月25日提交的美国临时专利申请号61/220389的权益，其公开通 过参照并入本文。
背景技术
许多采矿和天然气勘探/生产活动产生被显著浓度的化学品和杂质污染的水，最后被排 到地面水以及表面下的含水层中。
这严重消极地影响了用于饮用以及用于其他家用和商业需要的水的质量。在许多地区， 来自钻探操作和采矿操作的废水已经使地区的供水系统不可用。
水压致裂是那些产生废水的采矿和天然气勘探生产活动中的一种。钻井工艺涉及在高压 下将水，连同沙和化学品(称为跟踪流体)的混合物一起，通过井注射到基岩/页岩地层中。 所述方法非正式地称为压裂(fracking)或有时称为水力压裂(hydro-fracking)，且用来增加 现存的基岩裂缝的尺寸和范围。所述工艺涉及在超过3000psi的压力和超过每分钟85加仑 的流速下将水抽到裂缝中，以产生与在页岩中的天然裂缝相交的长裂缝填砂(sand pack)， 由此产生到井眼的流道网。在所述注射之后，典型地通过沙、陶瓷、或其他微粒保持裂缝宽 度，当所述注射停止时，沙、陶瓷、或其他微粒防止所述裂缝关闭。水压致裂使所述页岩的 天然裂缝或孔内捕获的甲烷气体释放，因此它可以沿管道向上流动。
所述水压致裂工艺可以使用巨大体积的水-多达每井大约几百万加仑的水。例如，具有 4,500英尺的侧孔的水平井使用每井大约4至5百万加仑的水。因此，所述水压致裂工艺可 以抽数百万加仑的淡水用作来源水，耗尽清洁水源且扰乱野生生物的栖息地。
水压致裂也产生巨大量的废水。被注射到井中的水压致裂流体可能含有可能对人类和野 生生物有毒的化学品，包括已知的引起癌症的化学品。这些包括物质，例如柴油，其含有苯、 乙苯、甲苯、和二甲苯。这些化学品中的一些，例如苯，在非常低的浓度下也被认为是致癌 的。
回流水，其是在水压致裂之后回来的流体，可以包括抽入的化学品加上在所述页岩地层 中可能存在的无毒物质和有毒物质。
由于通过使用水压致裂工艺造成的对环境的潜在负面影响，管理机构正在考虑禁止许可 证的进一步发布。
因此，需要使用水压致裂工艺钻井的更环保的工艺，包括导致含有可以安全地返回环境 的净化水。也需要从所述水压致裂工艺的废水产生99%以上的纯盐，其可以商业上使用，由 此降低如此处所描述的钻井的更环保的工艺的总成本，使它的用途更合乎需要。
发明内容
在一个方面，本发明涉及从废水制备纯盐的方法，且更具体地，从使用水压致裂工艺产 生的废水制备纯盐的方法。
在另一个方面，本发明涉及产生纯盐，连同净化水一起，的方法，所述净化水含有低于 500ppm、优选地低于300ppm、且更优选地低于100ppm的总溶解固体(TDS)。就固体而 言，在一些实施例中，这种工艺可以产生比自来水或瓶装水更清洁的水。
在再一个方面，本发明涉及制备其他高品质的商业产品，例如硫酸钡、碳酸锶、碳酸钙、 次氯酸钠和次氯酸锂，的方法。
根据本发明的一个实施例，一种制备纯盐的方法包括：再捕获来自水压致裂的钻后回流 水;从所述回流水中除去油(预分离);使用具有约0.1微米以下的孔径大小的超滤器过滤 所述回流水，以从所述水中除去固体微粒和大有机分子，例如苯、乙苯、甲苯、和二甲苯(超 滤);浓缩所述回流水，以制备盐水，所述盐水含有相对于所述回流盐水总重量的约15重量% 至约40重量%、优选地约20重量%至约35重量%、且更优选地约25重量%至约30重量% 的盐(盐水浓缩);使用有效量的试剂进行化学沉淀步骤，以沉淀出高品质的商业产品，例 如，硫酸钡、碳酸锶、碳酸钙(化学沉淀);和使所述用化学方法处理和浓缩的回流盐水结 晶，以制备大于约98%、优选地约99%以上、更优选地约99.5%以上、且最优选地约99.7% 以上的纯盐，例如氯化钠和氯化钙(结晶)。
在一个实施例中，用于水压致裂工艺的来源水从一个或更多个来源，包括，但不限于， 预处理的孤立/遗弃的矿井排水、预处理的其他废水、淡水、以及来自所述浓缩步骤和/或结 晶步骤中的一个或更多个蒸发器元件的再循环的冷凝物，得到。
根据本发明的一个方面，在所述化学沉淀之前，鉴定和/或量化所述浓缩的回流盐水中 的化学组分和这些化学组分的量，以确定在化学沉积期间将使用的试剂的有效量。这可以最 大化某些高品质的商业产品，例如，硫酸钡、碳酸锶、碳酸钙和所述盐产品，的产率。在一 个实施例中，所述化学沉淀步骤在所述盐水浓缩步骤之后进行。在另一个实施例中，所述化 学沉淀步骤在所述盐水浓缩步骤之前进行。在再一个实施例中，所述化学沉淀步骤分两个阶 段，即，第一阶段，在所述盐水浓缩步骤之前或之后，以及第二阶段，在所述结晶步骤之后， 进行。
根据本发明的再一个方面，所述从所述回流水中除去油的步骤、所述过滤所述回流水的 步骤、和所述浓缩所述回流水以形成盐水的步骤“现场”，其是指在钻探位置，进行(不需要 运输);且所述进行化学沉淀步骤以从所述浓缩的回流水中除去污染物的步骤、和所述使所 述用化学方法处理和浓缩的回流盐水结晶的步骤“非现场”，其是指远离所述钻探位置的位 置，进行(需要运输一不仅仅通过水管或管道抽出)。通过现场进行浓缩水压致裂盐水的步 骤，显著减少了将运输到非现场的盐水处理设备的盐水的量，由此减少由货车运输盐水产生 的污染的量。这也最小化了对道路所做的损害且降低了与货车运输相关的总成本。另外，在 使用蒸发器浓缩回流水以使用一个或更多个蒸发器、反渗透、或两者或任何其他技术，例如 蒸馏，产生盐水的步骤期间产生的水可以再用作用于水压致裂工艺的来源水，减少了来自其 他来源需要的水的量。
在另一个实施例中，所有步骤，即，除去油的步骤、过滤步骤、浓缩所述盐水中的一定 量的盐的步骤、进行化学沉淀的步骤、以及使所述用化学方法处理和浓缩的回流盐水结晶以 制备98%以上的纯盐的步骤，都在“非现场”设备进行。
当将所述回流水直接运输到“非现场”处理设备时，化学沉淀可以在浓缩所述回流水之前 或之后进行。
当首先现场，例如在移动处理装置，处理所述回流水时，然后首先浓缩所述回流水以产 生盐水，接着是化学沉淀步骤。
在一个优选实施例中，所述浓缩所述回流水以制备盐水的步骤通过使用一个或更多个蒸 发器，例如机械蒸汽再压缩蒸发器或强制循环式蒸发器，通过一次或更多次反渗透或其组合 而进行。
在本发明的一个方面，通过所述使所述浓缩的盐水结晶的步骤制备的纯盐产品选自由氯 化钠的干燥盐、氯化钙的盐溶液、及其混合物构成的组。在本发明的一个实施例中，将所述 氯化钙的盐溶液进一步处理，以制备以干燥盐形式存在的氯化钙。在本发明的另一个实施例 中，将所氯化钠进一步处理，以制备次氯酸钠。
在本发明的一个方面，某些高品质的商业产品，例如硫酸钡、碳酸锶、和碳酸钙，可以 从所述回流盐水中回收，以作为商品销售。在本发明的一个实施例中，硫酸钡通过在所述盐 水浓缩步骤之后进行所述化学沉淀步骤而得到。在本发明的再一个方面，在所述结晶步骤之 后进行附加的化学沉淀步骤，以沉淀出碳酸锶、碳酸钙、及其混合物。
本发明是显著的进步。不是仅仅在它排到环境之前通过城市废水处理设备稀释所述钻后 的回流水，本发明允许大量含有各种污染物的低品质的浓缩的盐水溶液成为99%以上的纯的 商品级干燥盐、和99%以上的纯的商品级浓缩盐溶液，且允许相当数量的水的再利用。除了 制备的高品质的商业产品和纯盐产品之外，本发明同时制备了净化水，在一些实施例中，所 述净化水含有低于500ppm、优选地低于300ppm、且更优选地低于100ppm的总溶解固体 (TDS)。而且，本发明也制备其他高品质的商业产品，例如硫酸钡、碳酸锶、碳酸钙、次 氯酸钠和次氯酸锂，或者促进其他高品质的商业产品的制备。
本发明不仅为水压致裂钻井工艺提供了环境友好的解决方案，而且通过制备这些高品质 的商品，例如，纯盐，例如氯化钠和氯化钙，次氯酸钠，硫酸钡，碳酸锶，碳酸钙，和次氯 酸锂，而提供了有成本效益的解决方案。
本发明也通过提供移动处理装置而提供了更加环境友好和有成本效益的工艺，允许冷凝 物再用作用于所述钻井/水压致裂工艺的来源水，所述冷凝物是含有低于500ppm TDS的净 化水。
