熊穎　劉雨舟　劉友權(quán)　吳文剛　代云　陳楠

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國石油西南油氣田公司非常規(guī)油氣開發(fā)事業(yè)部3.四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司

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長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣壓裂返排液處理技術(shù)與應(yīng)用①

熊穎1劉雨舟2劉友權(quán)1吳文剛1代云3陳楠1

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國石油西南油氣田公司非常規(guī)油氣開發(fā)事業(yè)部3.四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司

針對(duì)長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣開發(fā)存在的壓裂返排液無害化處理難、現(xiàn)場(chǎng)施工配液用水缺乏等問題，分析了該地區(qū)頁巖氣壓裂返排液的主要成分，明確了細(xì)菌、懸浮物以及高價(jià)金屬離子的濃度是影響壓裂返排液回用的主要因素。通過殺菌劑滅菌、絮凝沉降懸浮物、化學(xué)沉淀高價(jià)金屬離子以及過濾絮體和沉淀等措施，開發(fā)出了適合長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣壓裂返排液回用的處理方法及處理工藝單元化的撬裝處理裝置，并在W204井區(qū)集氣站進(jìn)行了成功應(yīng)用。處理后的壓裂返排液清澈透明，水質(zhì)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，并成功回用于W204H4平臺(tái)施工，施工性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

頁巖氣返排液壓裂回用處理技術(shù)

頁巖氣儲(chǔ)層脆性指數(shù)高，通常采用大規(guī)模體積壓裂獲得工業(yè)氣流。體積壓裂所需的壓裂液量大，產(chǎn)生的壓裂返排液多。目前，在長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)，頁巖氣采用叢式井組模式進(jìn)行開發(fā)，其水平井的壓裂液用量達(dá)3×104～4×104m3/井，壓裂返排液量達(dá)1×104～2×104m3/井，由此帶來了一系列的生態(tài)環(huán)保問題：一是含有害物質(zhì)的壓裂返排液多，無害化處理成本高，環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大，特別是新《環(huán)境保護(hù)法》的實(shí)施，對(duì)壓裂返排液回注提出了更高要求；二是現(xiàn)場(chǎng)配液用水不足，施工時(shí)集中用水，造成井場(chǎng)周邊用水供需矛盾突出；三是壓裂返排液現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)過程中易發(fā)黑變臭，影響周邊環(huán)境，特別是對(duì)于多次重復(fù)利用后的壓裂返排液[1-3]。在當(dāng)前頁巖氣大規(guī)模開發(fā)時(shí)期，壓裂返排液回用是解決現(xiàn)場(chǎng)用水缺乏和壓裂返排液處理難題的最佳途徑。然而，壓裂返排液直接回用對(duì)施工液體性能以及儲(chǔ)層改造效果都存在較大影響，需要采用合適的處理工藝對(duì)壓裂返排液進(jìn)行處理，滿足行標(biāo)NB/T 14002.3-2015《頁巖氣 儲(chǔ)層改造 第3部分：壓裂返排液回收和處理方法》中壓裂返排液回用水質(zhì)指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)從影響壓裂返排液回用性能的主要因素入手，開發(fā)了以滅菌、絮凝沉降、化學(xué)沉淀、過濾為主的壓裂返排液回用處理方法及撬裝處理裝置，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣壓裂返排液的現(xiàn)場(chǎng)處理回用，節(jié)能減排效果顯著。

1　影響頁巖氣壓裂返排液回用的主要因素

1.1頁巖氣壓裂返排液成分分析

研究影響頁巖氣壓裂返排液回用的主要因素，首先要了解壓裂返排液的主要成分。室內(nèi)對(duì)長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣前期的壓裂返排液進(jìn)行了水質(zhì)分析。

從表1可看出，長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)頁巖氣前期的壓裂返排液礦化度中等，含有一定量的成垢離子和懸浮物；同時(shí)，返排液中發(fā)現(xiàn)了大量的SRB、IB、TGB等細(xì)菌，在存放和回用過程中應(yīng)考慮細(xì)菌的影響。

對(duì)長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣壓裂返排液的長(zhǎng)期跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，隨著返排時(shí)間的延長(zhǎng)和重復(fù)利用次數(shù)的增多，以及不同壓裂液體系的交叉應(yīng)用，返排液水質(zhì)變化較大，主要體現(xiàn)在TDS升高(6×104～9×104mg/L)，鈣、鎂、鐵等高價(jià)金屬離子濃度增大，返排液顏色變黑發(fā)臭。

1.2影響頁巖氣壓裂返排液回用的主要因素

參照NB/T 14002.3-2015中壓裂返排液回用水質(zhì)指標(biāo)，結(jié)合壓裂返排液成分對(duì)壓裂液降阻性能、儲(chǔ)層傷害性能分析，確定了影響頁巖氣壓裂返排液回用的主要因素為細(xì)菌、懸浮物以及高價(jià)金屬離子(Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+等)。

(1) 細(xì)菌。壓裂返排液中含有機(jī)質(zhì)，易滋生細(xì)菌，使得壓裂返排液水質(zhì)惡化。特別是SRB的滋生，產(chǎn)生H2S與Fe2+，形成FeS，使得壓裂返排液變黑發(fā)臭；而IB能從氧化Fe2+中得到能量，形成Fe(OH)3沉淀，降低儲(chǔ)層微裂縫導(dǎo)流能力；此外，TGB能從有機(jī)物中得到能量，代謝的產(chǎn)物可造成滲流通道堵塞。

(2) 懸浮物。頁巖極其致密，壓裂返排液回用時(shí)其懸浮物不能滲入基質(zhì)，但會(huì)進(jìn)入體積壓裂形成的微細(xì)裂縫中，對(duì)其導(dǎo)流能力造成影響；同時(shí)，懸浮物與高分子降阻劑易產(chǎn)生絮凝，降低降阻劑有效濃度，絮體對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。

(3) 高價(jià)金屬離子。壓裂返排液中含有Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+等高價(jià)金屬離子，使得高分子降阻劑分子卷曲或產(chǎn)生沉淀，不僅影響降阻劑的降阻率，而且易造成管線和地下結(jié)垢等問題。

2　頁巖氣壓裂返排液回用處理方法

2.1除細(xì)菌

壓裂返排液殺菌主要有紫外線殺菌和殺菌劑滅菌兩種方式。由于殺菌劑在一定的時(shí)間內(nèi)還具有抑菌作用，因此，本實(shí)驗(yàn)采用季銨鹽和醛類殺菌劑對(duì)長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣壓裂返排液進(jìn)行殺菌處理，效果見表2。

從表2可看出，雖不同殺菌劑的殺菌效果不同，但均能對(duì)頁巖氣壓裂返排液中的細(xì)菌起到良好的殺菌效果，表明采用殺菌劑滅菌的方式適合頁巖氣壓裂返排液回用處理。

表1　長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣前期的壓裂返排液成分分析Table1　AnalysisofearlystagefracturingflowbackfluidsinChangning-Weiyuanshalegasarea井號(hào)ρ(K+)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(Ba2+)/(mg·L-1)ρ(Cl-)/(mg·L-1)ρ(co2-3)/(mg·L-1)ρ(HCO-3)/(mg·L-1)ρ(Br-)/(mg·L-1)ρ(總Fe)/(mg·L-1)ρ(懸浮物)/(mg·L-1)SRB/(個(gè)·L-1)IB/(個(gè)·L-1)TGB/(個(gè)·L-1)長(zhǎng)寧典型井A1037049841231698706135少量1510>109>109>109威遠(yuǎn)典型井B920648522414900039860.36～91921>109108～109>109

表2　不同殺菌劑對(duì)壓裂返排液中細(xì)菌的殺菌效果(絕技稀釋法)Table2　Bactericidaleffectofdifferentfungicidesonthebacteriainfracturingflowbackfluids(vanishdilutionmethod)殺菌劑代號(hào)細(xì)菌數(shù)量/(個(gè)·mL-1)SRBIBTGB無>109>109>1091#0002#250060006003#060004#132500000250005#0130

2.2除懸浮物

去除壓裂返排液中的懸浮物通常有絮凝沉降和過濾兩種方式。

(1) 絮凝沉降。絮凝沉降是處理污水中懸浮物最常用的方法，包括化學(xué)絮凝和電絮凝兩種方式。其中，電絮凝具有不引入新的化學(xué)藥劑、受pH值影響小等優(yōu)勢(shì)，近年來在國外的返排液處理技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。表3和圖1是頁巖氣壓裂返排液電絮凝沉降前后的水質(zhì)對(duì)比。

表3　絮凝沉降前后水質(zhì)對(duì)比Table3　Waterqualitycomparisonbeforeandaftertheflocculationsedimentation序號(hào)ρ(Cl-)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(總Fe)/(mg·L-1)ρ(懸浮物)/(mg·L-1)1#1130055093.00.112311.03#1080045587.00.17576.04#930048045.60.22370.55#920042082.80.1995.56#960036469.60.11432.5　注：1#為處理前壓裂返排液，3#、4#、5#、6#為電絮凝沉降后的壓裂返排液。電絮凝后需要較長(zhǎng)時(shí)間才能使絮體聚集沉降下來。

從表3和圖1可看出，頁巖氣壓裂返排液經(jīng)電絮凝沉降處理后，Cl-、Ca2+、Mg2+的質(zhì)量濃度均略有降低(部分離子吸附在絮體上)，總Fe濃度變化較小，而懸浮物含量顯著降低，絮體聚集沉降在底部，上部液體清澈透明，表明電絮凝沉降對(duì)于去除頁巖氣壓裂返排液中的懸浮物具有良好效果。由于在電絮凝過程中，陽極產(chǎn)生的陽離子(Fe3+或Al3+)與返排液中的OH-結(jié)合生成了絮凝基團(tuán)，從而對(duì)懸浮物起到了凝聚沉淀作用。

(2) 絮凝沉降與過濾聯(lián)合處理。由于懸浮物電絮凝后需要較長(zhǎng)時(shí)間才能使絮體聚集沉降下來，現(xiàn)場(chǎng)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作?？紤]到懸浮物電絮凝后的絮體較原來的懸浮物大得多，過濾時(shí)不易堵塞濾芯，因此，采用電絮凝沉降與過濾聯(lián)合處理工藝去除頁巖氣壓裂返排液中的懸浮物。

表4　電絮凝與過濾聯(lián)合處理前后壓裂返排液水質(zhì)對(duì)比Table4　Waterqualitycomparisonoffracturingflowbackfluidsbeforeandaftertheelectricflocculationandfiltrationcombinedprocessing處理方式ρ(Cl-)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(總Fe)/(mg·L-1)ρ(懸浮物)/(mg·L-1)未處理1130055093.00.112311.0絮凝沉降→過濾1050040527.00.17579.0

從表4和圖2可以看出，頁巖氣壓裂返排液經(jīng)電絮凝沉降與過濾聯(lián)合處理后，懸浮物含量大為降低，水樣清澈透明；同時(shí)，該方法分離絮體的時(shí)間短，大幅縮短了絮凝后沉降分離的時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。

2.3除高價(jià)金屬離子

從圖3可看出，隨著處理劑濃度的增大，壓裂返排液中高價(jià)金屬離子濃度逐漸降低。其中，0.1%(w)的2#處理劑就能使壓裂返排液中高價(jià)金屬離子濃度降低95%，高價(jià)金屬離子濃度遠(yuǎn)低于行標(biāo)NB/T 14002.3-2015中壓裂返排液回用水質(zhì)指標(biāo)要求。

3　頁巖氣壓裂返排液回用處理裝置及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1頁巖氣壓裂返排液回用處理裝置

根據(jù)頁巖氣壓裂返排液回用處理方法，按照處理工藝單元化、處理設(shè)備撬裝化的理念設(shè)計(jì)建造頁巖氣壓裂返排液回用處理裝置，使得其運(yùn)輸安裝方便，并可根據(jù)不同的壓裂返排液水質(zhì)進(jìn)行工藝單元組合，滿足不同的回用水質(zhì)要求。圖4是頁巖氣壓裂返排液回用處理裝置工藝流程圖。

從圖4可看出，壓裂返排液首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池(污水池)，平衡壓裂返排液的水質(zhì)差異，調(diào)節(jié)處理液量，并加入殺菌劑滅菌、抑制細(xì)菌滋生；然后將壓裂返排液泵入反應(yīng)罐中，加入化學(xué)沉淀處理劑，降低高價(jià)金屬離子濃度；再將壓裂返排液泵入絮凝罐中進(jìn)行絮凝沉降，使壓裂返排液中的懸浮物、膠體及沉淀絮凝成團(tuán)；最后采用過濾器去除絮體，清水進(jìn)入儲(chǔ)水罐回用。

3.2頁巖氣壓裂返排液回用處理裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

采用頁巖氣壓裂返排液回用處理裝置在W204井區(qū)集氣站開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(見表5和圖5)，處理W204井區(qū)、W202井區(qū)的壓裂返排液，處理后的液體清澈透明，懸浮物質(zhì)量濃度降至20 mg/L以下，Ca2++Mg2+質(zhì)量濃度降至100 mg/L左右，總Fe質(zhì)量濃度降至1 mg/L以下，SRB、IB、TGB數(shù)量均降至0個(gè)/mL，并成功回用于W204H4平臺(tái)壓裂施工，施工液體性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了壓裂返排液回收處理與重復(fù)利用。

表5　威204井區(qū)集氣站壓裂返排液處理前后水質(zhì)對(duì)比Table5　WaterqualitycomparisonoffracturingflowbackfluidsbeforeandaftertreatmentinWei204wellareagasgatheringstation指標(biāo)ρ(懸浮物)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(總Fe)/(mg·L-1)SRB/(個(gè)·mL-1)IB/(個(gè)·mL-1)TGB/(個(gè)·mL-1)顏色氣味處理前176.0412.8234.020.1625.0×105>10713.0×106淡黃色腐爛味、臭雞蛋味處理后15.3105.3023.090.10000清澈透明無明顯味道備注返排液處理后7天內(nèi)無明顯顏色和氣味。

4　結(jié) 論

(1) 頁巖氣壓裂返排液中含有大量的有害物質(zhì)，且水質(zhì)差異較大，影響其回用的主要因素是細(xì)菌、懸浮物和高價(jià)金屬離子的含量。

(2) 采用殺菌劑滅菌、絮凝沉降懸浮物、化學(xué)沉淀高價(jià)金屬離子以及過濾絮體和沉淀為主的壓裂返排液處理方法適合頁巖氣壓裂返排液回用處理，處理后的返排液水質(zhì)滿足NB/T 14002.3-2015中壓裂返排液回用水質(zhì)指標(biāo)要求。

(3) 開發(fā)了頁巖氣壓裂返排液回收處理裝置，實(shí)現(xiàn)了處理工藝單元化、處理設(shè)備撬裝化，并在威204井區(qū)集氣站進(jìn)行了壓裂返排液回用處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，處理后的液體清澈透明，用于威204H4平臺(tái)施工，液體性能穩(wěn)定。

[1] 熊穎， 劉友權(quán)， 陳鵬飛， 等. 大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)中液體的回用技術(shù)探討[J]. 石油與天然氣化工， 2014， 43(1): 53-57.

[2] 劉友權(quán)， 陳鵬飛， 吳文剛， 等. 加砂壓裂用滑溜水壓裂返排液重復(fù)利用技術(shù)[J]. 石油與天然氣化工， 2013， 42(5): 492-495.

[3] 夏玉強(qiáng). Marcellus頁巖氣開采的水資源挑戰(zhàn)與環(huán)境影響[J]. 科技導(dǎo)報(bào)， 2010， 28(18): 103-108.

Recycling disposal technology and application of shale gas fracturing flowback fluid in Changning-Weiyuan area

Xiong Ying1, Liu Yuzhou2, Liu Youquan1, Wu Wengang1, Dai Yun3, Chen Nan1

(1.ResearchInstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,Chengdu610213,China; 2.UnconventionalOilandGasDevelopmentBusinessUnit,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,Chengdu610000,China; 3.SichuanChangningGasDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610000,China)

Based on the problems of disposal difficult for fracturing flowback fluid and lack of match fluid water in Changning-Weiyuan area, this paper analyzed the main component of shale gas fracturing fluid flowback, and determined the key influence factors for the flowback fluid recycle. The key influence factors include bacteria concentration, suspended solids concentration and high priced metal ions concentration, etc. The recycling disposal method and skid treatment device of fracturing fluid flowback were developed by sterilization, flocculation settlement suspended solids, chemical precipitation high metal ions, filtering flocs and precipitation, etc. The device was successfully used in W204 well region. The liquid after treatment was clear and transparent, and the water quality meets the industry standard. Then the liquid was successfully used for the construction of W204H4 platform well, and the construction performance was stable. Therefore, energy conservation and emission reduction has been achieved.

shale gas, flowback fluid, fracturing, recycling, disposal technology

中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)分公司項(xiàng)目“非常規(guī)氣藏多層多段壓裂技術(shù)攻關(guān)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”；“南方海相典型區(qū)塊頁巖氣開發(fā)理論與技術(shù)適應(yīng)性研究”(2013CB228006)。

熊穎(1981-)，高級(jí)工程師，博士，2009年畢業(yè)于西南石油大學(xué)?，F(xiàn)就職于中國石油西南油氣田公司天然氣研究院，主要從事油氣田開發(fā)方面的工作液(劑)研究工作。E-mail：xiong＿y@petrochina.com.cn

TE357.1

ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.012

2015-12-20；編輯：馮學(xué)軍