致密氣壓裂返排液處理回用技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用研究

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)過程中產(chǎn)生大量的壓裂返排液[1]，按照國家《環(huán)境保護法》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行有效處置，使其得到資源化利用（回用）或零排放無害化處理[2～3]。綜合考慮現(xiàn)場施工用水資源緊缺、無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、抗剪切性能達不到施工要求。結(jié)合山西臨興區(qū)塊的實際工況，在調(diào)研壓裂液返排液回用處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展壓裂返排液處理后復(fù)配壓裂液的現(xiàn)場應(yīng)用試驗，返排液處理后復(fù)配的壓裂液達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，為致密氣開發(fā)過程中的環(huán)境保護、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，按照圖1所示的工藝流程，通過活化脫穩(wěn)、絮凝沉淀、定位除雜質(zhì)、成分調(diào)節(jié)、精細過濾等過程對LX 區(qū)塊致密氣壓裂返排液進行處理，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。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，最終達到返排液除油、除泥的效果。

采用直噴式除油泥一體機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)備的正常運行。經(jīng)除油、除砂后的壓裂返排液仍處于一個十分穩(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，原有的細小懸浮物則不能很好地團聚。因此，瓜爾膠活化脫穩(wěn)這一工序的主要作用就是通過物理化學(xué)等手段，打破原來十分穩(wěn)定的膠體體系，實現(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，上清液進入下道工序，底層濃縮液進入污泥緩沖罐，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。其原理是充分利用返排液中大量存在的氯離子，通過電磁激發(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)，達到最終去除效果。

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

（4）精細過濾。主要采用多介質(zhì)過濾器，進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)場布置

返排液處理現(xiàn)場位于山西省呂梁市，屬于中海油中聯(lián)的作業(yè)區(qū)塊，于2019 年7 月開始生產(chǎn)運行。現(xiàn)場設(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）、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）、活動板房等設(shè)施。現(xiàn)場處理設(shè)備平面布置如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場處理設(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較多、成分復(fù)雜，返排液處理難度較大。

1.4 進水水質(zhì)參數(shù)

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

2 現(xiàn)場處理及應(yīng)用評價

2.1 處理后水質(zhì)指標(biāo)

為了實現(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到表3列出的回用復(fù)配壓裂液水質(zhì)指標(biāo)要求。

對照業(yè)主對返排液出水的水質(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)、精細過濾等工序進行處理后，進水渾濁發(fā)黃，出水水質(zhì)清澈透明（圖3、圖4）。處理完成后，對處理后的水質(zhì)進行實驗室評價和送樣檢測。檢測后出水水質(zhì)指標(biāo)滿足表3 的水質(zhì)要求，并可達到SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》[7]的水質(zhì)要求。

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

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

2.2 重復(fù)配液評價實驗

按照水基胍膠壓裂液體系配方，采用處理后的返排液進行重復(fù)配液評價實驗（100%返排液重復(fù)配液），對重復(fù)配制的基液和壓裂液進行評價，主要包括基液黏度、交聯(lián)時間、流變性能（抗溫、抗剪切性能）、靜態(tài)濾失性、破膠時間及破膠黏度等指標(biāo)，重復(fù)配制壓裂液性能評價結(jié)果如表4所示。

返排液出水重復(fù)配液時，與配液體系配伍性良好，壓裂液各項性能評價指標(biāo)合格，無沉淀、異味和雜質(zhì)，實驗室內(nèi)進行的壓裂液性能評價指標(biāo)滿足壓裂需求。

表2 現(xiàn)場進水水質(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)配壓裂液性能評價結(jié)果Tab.4 Performance evaluation result of compound fracturing fluid

2.3 壓裂施工現(xiàn)場應(yīng)用

采用本套橇裝設(shè)備及處理工藝在現(xiàn)場處理返排液500 m3，在出水水質(zhì)指標(biāo)檢測合格及實驗室內(nèi)的重復(fù)配液評價實驗合格后進行壓裂施工現(xiàn)場的應(yīng)用評價。結(jié)合壓裂施工作業(yè)任務(wù)安排，對業(yè)主、壓裂作業(yè)隊伍等多方協(xié)調(diào)后，現(xiàn)場應(yīng)用評價的井選定為LX-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，實際使用量333 m3。壓裂應(yīng)用現(xiàn)場LX-160-2D 井壓裂施工參數(shù)、施工記錄及壓裂施工曲線圖見表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、攜砂液實際注入量與設(shè)計偏差不大，采用處理后的返排液重新配制的壓裂液進行的壓裂施工作業(yè)順利完成。對圖表進行分析，可以判斷返排液重新配液后的基液黏度、交聯(lián)時間、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)濟效益分析

通過此次現(xiàn)場應(yīng)用試驗，致密氣壓裂返排液按照圖1 所示的工藝流程進行處理后，可達到100%重復(fù)利用率，實現(xiàn)100%配液。壓裂返排液的回收再利用，除解決目前日益嚴峻的環(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)場壓裂液用清水價格是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)場清水的使用量。據(jù)測算，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5萬元，水平井單井節(jié)省15萬元，400口井可累計節(jié)省資金2 000萬元以上，經(jīng)濟效益可觀。

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)、精細過濾等工序處理后出水水質(zhì)清澈，各項水質(zhì)指標(biāo)符合業(yè)主的要求。

對處理后的出水進行實驗室重復(fù)配液評價實驗和壓裂施工作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用評價，返排液重新配制的壓裂液基液黏度、交聯(lián)時間、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，在致密氣開發(fā)過程中創(chuàng)造了良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。