楊博麗

中國石油川慶鉆探長慶井下技術作業(yè)公司

壓裂返排液不落地回收處理技術在蘇里格氣田的應用

楊博麗

中國石油川慶鉆探長慶井下技術作業(yè)公司

隨著蘇里格氣田水平井改造、體積壓裂工藝、混合水壓裂方式、工廠化作業(yè)等實現(xiàn)推廣應用,返排液量劇增，尤其是新環(huán)保法實施后,不允許挖建防滲排污坑，環(huán)保形勢異常嚴峻。急需研發(fā)返排液不落地回收處理技術,實現(xiàn)其重復再利用。針對返排液中含有大量天然氣、壓裂砂、懸浮物，壓力高、分離處理難度大等難題，優(yōu)化形成了壓裂返排液在線連續(xù)處理技術，主要包括管線節(jié)流控制模塊、高壓除氣模塊、低壓除氣除砂模塊、精細化過濾模塊和濃殘液蒸發(fā)模塊，經過10 μm精細過濾，得到純凈的壓裂返排液。進一步化學處理后，添加稠化劑等重新配液用于下次壓裂施工，重復利用率達到90%以上，少量濃殘液采用蒸發(fā)處理。現(xiàn)場先導性試驗23井次，回收液體44 649 m3，取得了顯著的社會、經濟效益，為國內壓裂返排液環(huán)保處理技術的創(chuàng)新發(fā)展提供了借鑒。

蘇里格氣田 致密氣藏 壓裂返排液 不落地 回收

鄂爾多斯盆地蘇里格氣田儲層空氣滲透率介于(0.1～1.0)×10-3μm2范圍，與國外致密氣相比，壓力系數(shù)低，屬于典型的低壓致密氣藏[1]。長慶油田經過近年來的勘探開發(fā)探索與實踐，取得了一系列的進展，水平井改造、體積壓裂工藝、混合水壓裂方式、工廠化作業(yè)等已規(guī)?；茝V應用，大幅度提高了改造體積和單井產量，也導致返排液量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，蘇里格氣田平均每年產生壓裂廢液超過20×104m3[2]。壓后放噴返排液在地層壓力下高速流動，混合有天然氣、支撐劑等，通過地面放噴流程進入防滲排污坑，靠重力分離后，氣體放空點火燃燒，支撐劑沉入坑底。一方面這容易造成地面流程堵塞，影響排液作業(yè)的連續(xù)進行，甚至沖蝕引起地面管線刺漏，存在較大的安全隱患；另一方面防滲排污坑占地面積大，沉淀時間長，汛期易溢流等，存在污染周圍環(huán)境的風險。2015年新《環(huán)境保護法》實施后，當?shù)丨h(huán)保部門不允許井場挖建返排液防滲排污坑。因此，研發(fā)處理速度快、占地小，能實現(xiàn)氣井壓裂返排液不落地回收處理技術,返排液重配液技術已經迫在眉睫，這對于緩解環(huán)境問題，保障氣田的正常生產和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 蘇里格氣田壓裂液的類型特點及回收技術現(xiàn)狀

蘇里格氣田目前常用的壓裂液體系分為兩類：一類是傳統(tǒng)的以植物膠及其衍生物為稠化劑的水基壓裂液體系;另一類是近年新研發(fā)的清潔可回收壓裂液,包括EM50/50S/60、生物膠壓裂液等。

蘇里格氣田集群化布井和工廠化壓裂技術導致井場短期內返排液量劇增。據(jù)統(tǒng)計，9姊妹叢式井場28天累計返排液量達9 000 m3以上[3]。壓裂返排液屬于非均質混合體，放噴口承受地層壓力(一般≤35 MPa)，含有天然氣、返排液、支撐劑等，黏度大、懸浮物含量高、含化學添加劑量大且種類多(含量約占壓裂液總量的1%～2 %)、廢水色度、濁度較高(外觀為黃色到黑色渾濁不透明液體)、穩(wěn)定性高，處理難度較大[4-5]。

2015年1月1日新《環(huán)境保護法》實施后，當?shù)丨h(huán)保部門規(guī)定，井場內不允許挖建排污坑。井下作業(yè)施工單位采用紅磚水泥修建燃燒池進行氣井放噴(見圖1)，返排液中的支撐劑重力沉降，氣體點火燃燒，清液通過轉液池輸送至存儲罐回收。但是,燃燒池存在建造費用高、工期長、不可重復利用，人工清砂勞動強度大，且易產生建筑垃圾等缺點。而返排液拉運到廢水站集中處理也存在油氣田區(qū)域內污水處理站少、道路條件差、井場分散、運費高等問題。

2 壓裂返排液不落地回收流程設計

2.1技術原理

“壓裂返排液不落地回收處理技術”針對氣井壓裂返排液特點，采用撬裝式可移動的氣、液固分離設備，對放噴返排液進行連續(xù)在線處理，經過“節(jié)流控制-高壓氣液分離-低壓除氣、除砂-精細過濾”4個模塊的處理，即可分成:天然氣、支撐劑和純返排液。對氣體進行放空點火；支撐劑通過集砂罐收集，轉運至專業(yè)公司進行處理。返排液進入存儲罐，經過檢測，若為清潔可回收返排液，則添加調節(jié)劑、稠化劑和其他添加劑，實現(xiàn)重新配液回用；若為胍膠返排液，則添加氧化劑、離子處理劑、稠化劑等，進行重新配液，與新制基液按比例混合或單獨回用。末端無法重復利用的液體采用放噴天然氣蒸發(fā)處理(見圖2)。

各模塊作用機理如下：壓裂返排液從井口經過節(jié)流控制模塊，可有效控制返排液壓力流速，保證井口安全；再進入高壓除氣模塊可除去大部分的氣體(氣體放空燃燒)；液體混合支撐劑及少量溶解氣進入低壓除氣除砂模塊，通過重力作用，除去攜帶的小部分氣體，并通過篩網過濾對支撐劑進行有效分離；分離后的液體泵注入精細過濾裝置，采用微米級篩網過濾去除細小機械雜質，最后進入返排液存儲罐，根據(jù)不同的返排液類型，采用不同的重配液方式，進行重復利用。

該套返排液處理工藝流程與傳統(tǒng)防滲排污坑或燃燒池相比,實現(xiàn)了井口壓力條件下(一般≤35 MPa),返排液(含固含氣)的在線連續(xù)“不落地”分離回收,處理能力完全能滿足井口放噴速度要求。優(yōu)點為：無需提前修建，節(jié)約施工時間；無需水泥、紅磚、防滲布等施工材料，且可重復使用，節(jié)約成本；處理能力強，占地小，液體直接進入管道、存儲罐等，無環(huán)境污染風險；地面流程安全、自動化程度高、人工勞動強度低、返排液清潔程度高、重復利用方便、儲層傷害小等。

2.2設備構成

壓裂返排液不落地回收流程由地面放噴回收管匯(節(jié)流控制模塊)、高壓氣液分離裝置(高壓除氣模塊)、低壓三相分離裝置(低壓除氣除砂模塊)、雙級精細過濾裝置(精細過濾模塊)、濃殘液蒸發(fā)裝置(蒸發(fā)模塊)等組成。以上全部為自主設計模塊，首次在返排液處理中應用。流程系統(tǒng)最高承壓35 MPa，液體處理能力達1 248 m3/d，氣體處理能力達10×104m3/d，為純物理分離，不改變返排液成分，有利于后續(xù)重配液再用。濃殘液量不超過總回收液量的5%，利用蒸發(fā)裝置，減少了污水處理數(shù)量。

設計的地面放噴回收管匯由手動平板閥、固定節(jié)流閥、手動針型式節(jié)流閥、防沖蝕短節(jié)、壓力表、6～20 mm不同規(guī)格的節(jié)流油嘴、四通、五通等組成(見圖3)。主要是為了規(guī)范油氣井地面管線連接，滿足控制放噴、節(jié)流、液體回收和壓井、大排量、長時間工作的要求，利用手動節(jié)流閥的開啟程度，更換不同的固定油嘴，以取得所需要的節(jié)流壓力，通過和防噴器連通，能夠有效地控制井涌和溢流，實現(xiàn)清潔化生產。地面放噴回收管匯安裝在流程最前端，通過管匯節(jié)流油嘴控制降壓，保證了返排液流壓力、流量的穩(wěn)定性，減少了高流速砂粒對下游設備和管線的沖蝕。

高壓氣液(含砂)分離裝置主要由旋流分離工作系統(tǒng)、自動連續(xù)排液排砂系統(tǒng)、節(jié)流降壓系統(tǒng)組成。利用旋流離心分離來完成對氣、液砂的分離。返排液進入旋流分離筒后產生旋流，液體和砂顆粒由于離心和重力的作用而沉入筒底，在上部氣壓下開始流動，從下部出口排出；氣流依然保持一定壓力，由上部氣出口流出，接入井場遠端放空燃燒。在旋流筒流體入口裝有密封錐形襯套筒，借以加大分離效果并可減弱砂粒被旋流帶動再次上升的趨勢，同時還可防止流體中含有的固相顆粒沖蝕濾砂筒本體，使液體和固相顆粒沉降在旋流筒底部；在氣出口處使用了特殊濾網，進一步提高了除砂效果，下出口排出的液、砂再經過進一步降壓，流入下一個環(huán)節(jié)(見圖4)。

低壓三相分離裝置由低壓除氣罐、振動除砂器、沉淀罐、儲運罐等組成(見圖5)。經過高壓氣液分離模塊的壓裂返排液，壓力已降低到2.0 MPa以內，經過該裝置可實現(xiàn)氣、液、砂分離。在低壓除氣罐內，返排液經入口調節(jié)閥后，液體自然沉降，氣體上升，實現(xiàn)氣、液進一步分離。罐內沉降液體液面到液位開關的限位后，開關打開排出液體。氣體分離后從氣體出口排出，接入井場遠端放空燃燒。液砂混合體由導液管匯流到振動除砂器上，濾出支撐劑等進行固體收集，液體進入下方收集罐，收集罐中設有沉淀池，對液體中的細砂進行再次沉淀，沉淀后液體通過溢流板上方溢入儲運罐，進行輸送和回用。該模塊實現(xiàn)壓裂液的氣液分離、固液分離、砂?；厥?、壓裂液代儲等功能。

精細過濾裝置包含進出口管道、過濾器本體、反洗驅動裝置、電動排污閥、壓力表及差壓(開關)控制器及控制箱等(見圖6)。該裝置采用粗、細兩級過濾器，過濾精度分別為100 μm、10 μm。返排液經過低壓三相分離模塊后，含有一些細小的機械雜質和懸浮物，會導致重復利用的壓裂液殘渣含量高，對地層傷害較大。通過精細過濾模塊,主要去除其中的懸浮物。針對返排液有一定黏度、懸浮物含量高等特點，以及實現(xiàn)在線快速連續(xù)處理的要求，選用處理量大、排污自動化程度高的金屬濾網過濾器，返排液從過濾器進口進入，然后從里向外通過濾網，比網孔大的雜質被攔截下來并積累在濾網的內表面形成濾餅,濾餅能夠捕捉水中的一些更細小的雜質。壓差開關持續(xù)地檢測濾網內外的壓差，當達到預設值時將傳遞信號到控制箱，啟動清洗循環(huán)[6]。

部分井壓后排出液量大，井場鋼制儲液罐數(shù)量有限，一般采用大容量快拆裝返排液儲液池，儲液池由支撐護欄、支撐面板及防水布和塑料膜一體防護層組成(見圖7)。同時，配備操作平臺、外掛扶梯、防雨棚等。此儲液池搭建拆卸簡單易行，可多次重復使用，運輸方便，環(huán)保無滲漏，也減少了工人倒換管線的勞動強度。

濃殘液蒸發(fā)裝置主要用于處理精細過濾裝置產生的濃殘液及無法重復利用的液體。該裝置采用長方罐體，中間鑲嵌圓柱體作為點火燃燒腔，上方布滿煙筒以利于燃燒及散熱，罐體與燃燒腔之間充滿濃殘液，用于降溫，利用放空天然氣燃燒熱量對濃殘液蒸發(fā)處理，井口產量為5.0×104m3/d時，燃燒液量可達200 m3/d(見圖8)。

3 壓裂返排液重復利用技術

經過除氣、除支撐劑等，再經過精細過濾的壓裂返排液，就可以進行循環(huán)再利用。對于胍膠返排液，通過檢測，添加氧化還原劑、離子處理劑等[7]，與新制基液按比例混合，用于前置液、低砂比攜砂液等?；虿捎眯滦涂果}交聯(lián)劑，重配液用于壓裂施工，砂比達22%以上。

隨著清潔壓裂液技術的進步[8-9]，適合氣井的耐高溫的清潔壓裂液也相繼出現(xiàn)，蘇里格區(qū)塊主要以EM50/50S/60、生物膠清潔壓裂液為主。EM50/50S/60是一種新型多效表面活性聚合物為主劑的壓裂液體系，生物膠清潔壓裂液核心為生物稠化劑，是一種微生物多糖活性制劑，均具有抗高剪切性優(yōu)良、低摩阻、低殘渣，易返棑的特點，并能反復成膠[10]。返排液僅需除氣、除砂后，經過檢測(pH值6～8、TDS<40 000 mg/L)，加入調節(jié)劑和稠化劑，重新配置壓裂液，多次循環(huán)回收再利用(見圖9)。

4 現(xiàn)場應用及評價

壓裂返排液在線連續(xù)處理技術在蘇里格致密氣藏開展了23井次的先導性現(xiàn)場試驗，共回收處理返排液44 649 m3。其中，在蘇14-××井組進行了示范化應用。

該井組位于內蒙古烏審旗，共6口定向井，采用機械分層壓裂，其中2口井采用清水配制生物膠清潔壓裂液，其余4口井采用返排液與清水混合配制生物膠清潔壓裂液進行壓裂施工。入地總液量4 160 m3，回收重復利用液量1 850 m3。

結果表明，整個處理流程設計合理，各組成單元銜接流暢，能夠滿足現(xiàn)場施工要求。節(jié)流降壓管匯通過內部增加了鎢鋼內襯，以及下游增加陶瓷復合鋼體短節(jié)，抗沖蝕效果較好，工作壓力達21.5 MPa，穩(wěn)定運行時間約10 h以上，起到很好的節(jié)流控制作用，減少了高速攜砂液對下游地面設備的損壞，現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)見表1。高壓氣液分離模塊現(xiàn)場最高試壓25 MPa，工作性能穩(wěn)定，無刺漏，氣出口無液體排出，氣體純度高，火焰呈黃紅色。氣、液(含砂)帶壓分離能力達16 MPa，出口壓力<0.8 MPa，確保低壓三相除砂裝置安全工作，現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)見表2。低壓三相分離模塊液體最大處理能力168 m3/h，除砂粒徑60～100目(0.15～0.25 mm)，開發(fā)出雙層防堵篩網，避免了砂粒堵塞篩孔。氣出口無液，液出口無氣體，全程自動化監(jiān)控，有效降低了勞動強度。精細過濾模塊通過壓差控制，自動清洗排污。對返排液中的懸浮物去除率達30%以上，處理能力最高達90 m3/h，現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)見表3。

清潔可回收壓裂液回收后經過檢測(pH值6～8、TDS<40 000 mg/L)、補充調節(jié)劑、稠化劑后重新配液，用于蘇14-××井山1層及盒8層施工(見圖10)。壓裂過程攜砂性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)脫砂、壓力明顯波動等現(xiàn)象，施工順利。徐迎新等[11]采用離子屏蔽劑對胍膠返排液進行處理后，重新配液作為攜砂液使用，與清水配液，返排液與清水配液混合液施工效果相當。

表1 地面放噴節(jié)流管匯現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)匯總Table1 Fieldtestdatasummaryofthrottlemanifold時間段井口壓力/MPa油嘴尺寸/mm出口壓力/MPa運行時間/h燃燒火焰長度/m11．1500：00～08：004．0～14．012?18?200．0～2．08．008：00～16：005．0～10．312?18?202．0～3．08．016：00～24：005．0～12．512?18?201．0～4．08．010～1511．1600：00～04：0010．6～12．512?15?201．0～3．04．010：30～16：0021．0～9．112?15?2010．0～15．05．519：00～24：0020．7～8．812?15?203．0～7．05．010～1511．1708：00～16：0012．3～21．210?15?209．9～16．38．016：00～18：0012．2～21．210?15?2010．3～14．42．010～1511．1816：00～16：4021．5～12．510?15?2011．4～15．70．419：00～24：0020．4～13．910?15?208．9～12．75．011～15 注：11．15～11．18放噴回收管匯運行49．9h，過液量936m3，砂量5m3，氣量約為24×104m3/d，更換油嘴5個，設備穩(wěn)定運行時間為10h。

表2 高壓氣液分離裝置現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)匯總Table2 Fieldtestdatasummaryofhighpressuregas?liquidseparationdevice試驗時間上游壓力/MPa下游壓力/MPa液位高度/cm運行時間/h燃燒火焰長度/m11．150～40．4021～3024．010～1511．161～150．41～0．8033～4514．510～1511．1710．3～16．30．4527～4510．010～1511．188．9～15．70．4515～305．411～15

表3 精細過濾裝置現(xiàn)場處理返排液數(shù)據(jù)匯總Table3 Fieldtestdatasummaryoffinefilter濾芯規(guī)格/μmρ(過濾前懸浮物)/(mg·L-1)ρ(過濾后懸浮物)/(mg·L-1)懸浮物下降率/%處理能力/(m3·h-1)200/20/10108364940．07470200/20/10102468433．20375200/20/1094656240．59278200/20/10106872332．30390200/20120583530．70556200/20110677230．19953200/1082455233．01051200/1066532950．52650

該套返排液在線連續(xù)處理技術實現(xiàn)了井筒返排液的“不落地”回收，提高了返排液處理效率，液體回收再用率大于90%，胍膠返排液重配液直接用于壓裂施工平均砂比達22%以上，清潔可回收壓裂液重配液滿足氣井施工要求。達到了節(jié)約水資源、清水拉運費、污水處理成本等目的，減少了環(huán)境污染，真正實現(xiàn)了“變廢為寶”。

5 結論與建議

5.1結論

(1) 該技術適用于致密氣藏大型壓裂返排液回收處理，采取純物理的處理方法，不增加和破壞返排液的有效成分，處理速度快、效率高，能有效分離氣體、支撐劑等，降低了返排液中懸浮物含量，減少了返排液重復利用對儲層的傷害。

(2) 配套形成了胍膠、清潔可回收壓裂液兩種返排液重配液技術，極大提高了返排液重復利用率，并針對少量濃殘液進行了蒸發(fā)處理，實現(xiàn)了井場內返排液全處理，零污染。

(3) 該技術替代了傳統(tǒng)的防滲排污坑、燃燒池，實現(xiàn)了返排液的連續(xù)在線“不落地”回收，設備全部撬裝化集成，模塊化安裝，返排液回收率高，現(xiàn)場作業(yè)安全可靠，提高了水資源利用率，減少了污水排放，緩解了環(huán)保壓力。

5.2建議

現(xiàn)場試驗也表明該技術的實施方案和設備還需進一步調整和完善。

(1) 離子屏蔽劑性能有待進一步提高，胍膠返排液重復利用仍是技術難題。清潔壓裂返排液泡沫較大，影響重配液性能，應進一步研發(fā)適合的消泡劑。

(2) 該回收處理流程中無法再重復使用的少量濃殘液雖然經過天然氣燃燒蒸發(fā)裝置減少了廢液量，但應開展蒸發(fā)過程中大氣污染檢測，或進一步開展?jié)鈿堃禾幚砗蠡刈?、調剖、鉆井液配制等方面的研究。

(3) 隨壓裂返排液返出的支撐劑需進一步研究其回用工藝，嘗試烘干、分選、除污等，降低成本，重新加工成支撐劑或建筑材料。

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下期要目

1 醇胺脫硫溶液中鐵離子的來源及其影響研究

2 超聲速噴管內CO2氣體凝結特性研究

3 延遲焦化加熱爐過剩空氣量對其運行周期的影響

4 SCORE丙烷回收流程模擬與分析

5 LNG加氣站BOG再液化工藝研究及經濟性分析

6 CH4/N2在Zr-MOFs上的吸附分離研究

7 油田用于CO2起泡的表面活性劑的研究現(xiàn)狀

8 新型氧化銨型抗油起泡劑的合成與研究

9 淺層油藏稠油熱水/CO2驅油效率實驗模擬研究

10 高效環(huán)保型頁巖氣開發(fā)水基鉆井液體系研究

11 氮氣輔助降黏技術在吉7井區(qū)的研究與應用

12 離子色譜法測定天然氣中硫化氫的含量

13 電位滴定分析ASP驅采出液中表面活性劑濃度

14 城鎮(zhèn)燃氣門站天然氣梯級除塵除油裝置的凈化性能

15 基于FLUENT的LPG球罐泄露擴散規(guī)律探究

16 延長氣田含甲醇污水再生系統(tǒng)模擬及優(yōu)化改造

Applicationofon-linerecyclingtechnologyonfracturingflowbackinSuligegasfield

YangBoli

CCDCChangqingDownholeTechnologyCompany，Xi′an,Shaanxi,China

With the in-depth exploration and development, horizontal well technology, volume fracturing technology, mixing water fracturing, and factory fracturing have been large-scale popularized and applied in Sulige gas field. These fracturing technologies use large amounts of sand and fracturing fluid, resulting in dramatic increase of fracturing flowback fluid. In particular, after the implementation of the new environmental laws, conventional sewage impermeable pits are prohibited. It is urgent to study and develop the non-landing flowback processing technology to achieve fast and efficient recycling. This article introduced the fracturing flowback recycling technology applied in Sulige gas field. Considering fracturing flowback fluid that often contains natural gas, fracturing sand and other solid particles, and known for elevated pressure and difficult to separate, on-line continuous processing technology on fracturing flowback fluid was optimized, which was composed of pipeline buck control module, high-pressure degassing module, low pressure degassing and desanding module, and fine filter module. These modules were filtered through the finest 10 μm filter to obtain the pure fracturing flowback fluid. After further chemical treatment, thickener was added for the next fracturing operation. The reusing ratio of flowback fluid could attain more than 90%, leaving the residual concentrate for evaporation process. The pilot field tests were carried out for 23 times and 44 649 cubic meters of flowback fluid was recovered, showing remarkable social and economic benefits. This technique provided a reference for the domestic innovation of fracturing flowback recycling technology innovation.

Sulige gas field, tight gas reservoir, fracturing flowback fluid, non-landing processing, recycling

TE992

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.05.020

2017-03-24；編輯鐘國利

項目來源：中國石油集團公司2014年工程技術統(tǒng)籌項目“壓裂返排液處理與再利用技術研究與應用”(2014T-003-007)。

楊博麗(1980-),女,工程師,2003年7月畢業(yè)于中國地質大學(北京)石油工程專業(yè),工學學士,現(xiàn)就職于在中國石油川慶鉆探長慶井下技術作業(yè)公司,主要從事油氣田環(huán)保技術研究工作。E-mailyangbol@cnpc.com.cn