趙俊 王景 孫澤寧 祁健 王鵬 湯天磊

1中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司

2中海油能源發(fā)展有限公司

3中國(guó)石油華北油田公司第四采油廠

壓裂改造是提高致密氣采收率的主要手段，在壓裂作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生大量的壓裂返排液[1]，按照國(guó)家《環(huán)境保護(hù)法》及地方相關(guān)環(huán)保規(guī)定，這種高黏度、高COD 的重污染廢水必須進(jìn)行有效處置，使其得到資源化利用（回用）或零排放無(wú)害化處理[2～3]。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工用水資源緊缺、無(wú)害化處理成本高等因素，返排液的資源化利用成為優(yōu)先選擇的思路[4]。目前，壓裂返排液在處理后主要用于配制壓裂施工中消耗量不大的前置液，而作為使用量最大的攜砂液的規(guī)模化應(yīng)用案例很少[5～6]，存在的主要問(wèn)題是交聯(lián)液攜砂性能差、支撐劑沉降速度快，以及抗溫、抗剪切性能達(dá)不到施工要求。結(jié)合山西臨興區(qū)塊的實(shí)際工況，在調(diào)研壓裂液返排液回用處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展壓裂返排液處理后復(fù)配壓裂液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，返排液處理后復(fù)配的壓裂液達(dá)到壓裂施工中的攜砂液性能要求，從而最大程度地提高返排液的回用比例，為致密氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的環(huán)境保護(hù)、水資源利用提供了很好的技術(shù)保障。

1 壓裂返排液處理技術(shù)

1.1 壓裂返排液處理工藝流程

以山西致密氣壓裂返排液為原料，按照?qǐng)D1所示的工藝流程，通過(guò)活化脫穩(wěn)、絮凝沉淀、定位除雜質(zhì)、成分調(diào)節(jié)、精細(xì)過(guò)濾等過(guò)程對(duì)LX 區(qū)塊致密氣壓裂返排液進(jìn)行處理，使處理后的出水水質(zhì)滿足回用配制壓裂液的要求。

圖1 致密氣壓裂返排液處理工藝流程Fig.1 Treatment process flow of fracturing backflow from tight gas reservior

（1）活化脫穩(wěn)。涉及的主體設(shè)備為直噴式除油泥一體機(jī)。其原理主要是充分利用壓裂返排液中存在的大量表面活性劑，在剪切泵的作用下，空氣被高速剪切后迅速分散到返排液中形成微小的氣泡，返排液中的浮油、膠體雜質(zhì)及部分懸浮物附著在氣泡表面，隨氣泡一起從返排液中分離出來(lái)，最終達(dá)到返排液除油、除泥的效果。

采用直噴式除油泥一體機(jī)去除返排液中夾帶的大部分懸浮物及浮油、乳化油等。此處理工段去除返排液中的油、砂，確保后續(xù)處理設(shè)備的正常運(yùn)行。經(jīng)除油、除砂后的壓裂返排液仍處于一個(gè)十分穩(wěn)定的膠體體系狀態(tài)，該體系為后續(xù)的深度處理帶來(lái)困難，使得人為加入的化學(xué)藥劑不能很好地分散，原有的細(xì)小懸浮物則不能很好地團(tuán)聚。因此，瓜爾膠活化脫穩(wěn)這一工序的主要作用就是通過(guò)物理化學(xué)等手段，打破原來(lái)十分穩(wěn)定的膠體體系，實(shí)現(xiàn)快速破膠，并將返排液中的油、懸浮物、瓜爾膠破膠產(chǎn)物等雜質(zhì)進(jìn)一步地去除。

（2）絮凝沉淀。涉及的主體設(shè)備為污泥緩沖罐、污泥處理裝置。返排液經(jīng)活化脫穩(wěn)后黏度迅速降低，易于絮凝沉淀，加入絮凝劑后快速分層，上清液進(jìn)入下道工序，底層濃縮液進(jìn)入污泥緩沖罐，經(jīng)污泥處理裝置處理后裝袋堆放。

（3）定位除雜質(zhì)與成分調(diào)節(jié)。涉及的主體設(shè)備為多功能水質(zhì)凈化一體機(jī)。其原理是充分利用返排液中大量存在的氯離子，通過(guò)電磁激發(fā)作用形成游離氯，使返排液中的非穩(wěn)定態(tài)物質(zhì)在游離氯的存在下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，達(dá)到最終去除效果。

經(jīng)絮凝沉淀后的上清液自流進(jìn)入多功能水質(zhì)凈化一體機(jī)，對(duì)返排液中影響二次配液的非穩(wěn)定態(tài)物質(zhì)通過(guò)氧化還原反應(yīng)去除，處理過(guò)程無(wú)需額外投加氧化劑。還需對(duì)水質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證各理化指標(biāo)達(dá)到二次配液用水要求，包括對(duì)返排液的pH 值及氧化還原電位等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（4）精細(xì)過(guò)濾。主要采用多介質(zhì)過(guò)濾器，進(jìn)一步降低返排液中的懸浮物含量，處理出水合格后，泵入清水罐備用。

1.2 處理設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置

返排液處理現(xiàn)場(chǎng)位于山西省呂梁市，屬于中海油中聯(lián)的作業(yè)區(qū)塊，于2019 年7 月開(kāi)始生產(chǎn)運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、設(shè)施主要包括：成套返排液橇裝處理裝置（處理能力：30 m3/h，自帶發(fā)電機(jī)）、原水罐（1 000 m3，軟體罐）、清水罐（500 m3，軟體罐）、污泥緩沖罐（50 m3，防腐鐵罐）、活動(dòng)板房等設(shè)施。現(xiàn)場(chǎng)處理設(shè)備平面布置如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)處理設(shè)備平面布置圖Fig.2 Plan layout of on-site processing equipment

1.3 壓裂體系

本文研究的LX 區(qū)塊致密氣壓裂返排液屬于水基胍膠壓裂液體系，主要組成包括增稠劑、黏土穩(wěn)定劑、助排劑、pH 調(diào)節(jié)劑、交聯(lián)劑等，其配方如表1所示。

表1 壓裂液體系配方Tab.1 Fracturing fluid system formula

從以上數(shù)據(jù)可以看出，水基胍膠壓裂液體系添加劑種類(lèi)較多、成分復(fù)雜，返排液處理難度較大。

1.4 進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)

對(duì)LX 區(qū)塊多個(gè)井場(chǎng)的返排液進(jìn)行取樣、分析化驗(yàn)，其水樣的主要水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)處理及應(yīng)用評(píng)價(jià)

2.1 處理后水質(zhì)指標(biāo)

為了實(shí)現(xiàn)返排液的重復(fù)再利用，山西LX 區(qū)塊致密氣返排液處理后需達(dá)到表3列出的回用復(fù)配壓裂液水質(zhì)指標(biāo)要求。

對(duì)照業(yè)主對(duì)返排液出水的水質(zhì)要求，壓裂返排液采用活化脫穩(wěn)、絮凝沉淀、定位除雜質(zhì)、精細(xì)過(guò)濾等工序進(jìn)行處理后，進(jìn)水渾濁發(fā)黃，出水水質(zhì)清澈透明（圖3、圖4）。處理完成后，對(duì)處理后的水質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)和送樣檢測(cè)。檢測(cè)后出水水質(zhì)指標(biāo)滿足表3 的水質(zhì)要求，并可達(dá)到SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》[7]的水質(zhì)要求。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)返排液Fig.3 Field flowback fluid

圖4 現(xiàn)場(chǎng)處理出水Fig.4 Field treatment outlet water

2.2 重復(fù)配液評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

按照水基胍膠壓裂液體系配方，采用處理后的返排液進(jìn)行重復(fù)配液評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)（100%返排液重復(fù)配液），對(duì)重復(fù)配制的基液和壓裂液進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要包括基液黏度、交聯(lián)時(shí)間、流變性能（抗溫、抗剪切性能）、靜態(tài)濾失性、破膠時(shí)間及破膠黏度等指標(biāo)，重復(fù)配制壓裂液性能評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。

返排液出水重復(fù)配液時(shí)，與配液體系配伍性良好，壓裂液各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)合格，無(wú)沉淀、異味和雜質(zhì)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的壓裂液性能評(píng)價(jià)指標(biāo)滿足壓裂需求。

表2 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Inlet water quality indicators

表3 致密氣返排液回用復(fù)配壓裂液水質(zhì)指標(biāo)Tab.3 Water quality indicators for re-used compound fracturing fluid from tight gas reservior

表4 復(fù)配壓裂液性能評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Performance evaluation result of compound fracturing fluid

2.3 壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

采用本套橇裝設(shè)備及處理工藝在現(xiàn)場(chǎng)處理返排液500 m3，在出水水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)合格及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的重復(fù)配液評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)合格后進(jìn)行壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用評(píng)價(jià)。結(jié)合壓裂施工作業(yè)任務(wù)安排，對(duì)業(yè)主、壓裂作業(yè)隊(duì)伍等多方協(xié)調(diào)后，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)的井選定為L(zhǎng)X-160-2D 井。本次壓裂作業(yè)的壓裂液主要包括前置液、攜砂液等，全部采用返排液處理后出水配制，配制總用量350 m3，實(shí)際使用量333 m3。壓裂應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)LX-160-2D 井壓裂施工參數(shù)、施工記錄及壓裂施工曲線圖見(jiàn)表5、表6及圖5。

從上述圖表可看出，LX-160-2D 井壓裂施工作業(yè)壓力平穩(wěn)，攜砂順暢，前置液、攜砂液實(shí)際注入量與設(shè)計(jì)偏差不大，采用處理后的返排液重新配制的壓裂液進(jìn)行的壓裂施工作業(yè)順利完成。對(duì)圖表進(jìn)行分析，可以判斷返排液重新配液后的基液黏度、交聯(lián)時(shí)間、流變性能、攜砂性能、破膠性能等壓裂液性能指標(biāo)均合格。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過(guò)此次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，致密氣壓裂返排液按照?qǐng)D1 所示的工藝流程進(jìn)行處理后，可達(dá)到100%重復(fù)利用率，實(shí)現(xiàn)100%配液。壓裂返排液的回收再利用，除解決目前日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力外，更重要的意義在于水資源的循環(huán)使用。山西現(xiàn)場(chǎng)壓裂液用清水價(jià)格是50 元/m3，將返排液處理后重復(fù)配制壓裂液，將大大減少現(xiàn)場(chǎng)清水的使用量。據(jù)測(cè)算，采用返排液處理后重復(fù)配制壓裂液，1 m3壓裂液的配制成本可降低80～150元，1口定向井壓裂單井可節(jié)省5萬(wàn)元，水平井單井節(jié)省15萬(wàn)元，400口井可累計(jì)節(jié)省資金2 000萬(wàn)元以上，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

表5 LX-160-2D井壓裂施工參數(shù)Tab.5 Fracturing construction parameter of LX-160-2D Well

表6 LX-160-2D井壓裂施工記錄Tab.5 Fracturing record of LX-160-2D Well

圖5 LX-160-2D井壓裂施工曲線Fig.5 Fracturing construction curve of LX-160-2D Well

3 結(jié)論

本文研究的返排液來(lái)自于山西LX 區(qū)塊致密水基胍膠壓裂液體系，成分復(fù)雜，處理難度大[8～9]。采用活化脫穩(wěn)、絮凝沉淀、定位除雜質(zhì)、精細(xì)過(guò)濾等工序處理后出水水質(zhì)清澈，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)符合業(yè)主的要求。

對(duì)處理后的出水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室重復(fù)配液評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)和壓裂施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)，返排液重新配制的壓裂液基液黏度、交聯(lián)時(shí)間、流變性能、攜砂性能、破膠性能等主要壓裂液性能指標(biāo)合格。

山西LX 區(qū)塊致密氣壓裂液返排液回用技術(shù)的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用，減少了壓裂作業(yè)所用的清水量，降低了作業(yè)成本，在致密氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中創(chuàng)造了良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。