大規(guī)模壓裂開(kāi)發(fā)方式下水質(zhì)治理的方法及效果

夏劍軍 盧寶斌

1大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠

2渤海鉆探工程技術(shù)研究院

大慶油田在油井生產(chǎn)過(guò)程中，壓裂已成為油田增產(chǎn)的主要措施。外圍油田以采油九廠為例，目前98%以上的新井需壓裂后投產(chǎn)，為保持油井產(chǎn)能，每年會(huì)有大量老井需采取壓裂措施。隨著油田開(kāi)展大規(guī)模的壓裂作業(yè)，產(chǎn)生大量成分復(fù)雜的壓裂液對(duì)聯(lián)合站油、水系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行沖擊很大，壓裂殘液已成為油田水體污染的最主要污染源，愈來(lái)愈引起人們的關(guān)注。因此，采取有效措施解決壓裂殘液對(duì)油、水系統(tǒng)的危害，對(duì)確保石油生產(chǎn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 大規(guī)模壓裂開(kāi)發(fā)形勢(shì)帶來(lái)的問(wèn)題

進(jìn)入“十三五”以來(lái)，采油九廠加快致密油、頁(yè)巖油的建設(shè)步伐，新開(kāi)發(fā)區(qū)塊63 個(gè)，建成油井1 220 口，其中大規(guī)模壓裂井占27.6%。高峰期日產(chǎn)壓裂返排液可達(dá)5000～8000m3，累積產(chǎn)液42.54×104m3，由于開(kāi)發(fā)方式的改變，給地面工藝帶來(lái)了新的問(wèn)題。“十三五”期間壓裂返排液量見(jiàn)表1。

表1 “十三五”新建井及大規(guī)模壓裂井?dāng)?shù)及壓裂返排液量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of number of newly-built wells，large-scale fracturing wells，and fracturing flow-back fluid amount during “the 13th Five-Year Plan” period

壓裂返排液是一種復(fù)雜的多相分散體系，既有從地層深處帶出的黏土顆粒和巖屑，也有含原油及壓裂返排液中的有機(jī)和無(wú)機(jī)添加劑等污染物質(zhì)。其特點(diǎn)包括：排放量大，每口井每天排放量在100～400 m3；濃度較高，高分子有機(jī)物等濃度為5 000～10 000 mg/L；含油量較大，石油類(lèi)成分等含油濃度為10～1 000 mg/L[1]。

油井壓裂作業(yè)完成后大量的返排液進(jìn)入地面系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行會(huì)帶來(lái)較大的沖擊。初期返排階段返排液中未見(jiàn)油樣，只需要簡(jiǎn)單過(guò)濾回注，占比15%～23%；中期見(jiàn)油階段采用臨時(shí)儲(chǔ)罐油液分離，浮油回收、底水處理，占比5%～7%；后期生產(chǎn)階段殘留地層返排液隨油井產(chǎn)液進(jìn)入地面處理系統(tǒng)，占比10%～30%。

（1）油系統(tǒng)加熱設(shè)備未見(jiàn)惡劣影響，電脫水設(shè)備難以適應(yīng)。以塔21-4 區(qū)塊為例，2019 年投產(chǎn)初期，171 口油井含壓裂液的采出液約700 t 進(jìn)入龍一聯(lián)，瞬時(shí)排量高達(dá)85 t/h，超過(guò)總來(lái)液的30%，造成“五合一”出現(xiàn)以下問(wèn)題：頻繁垮電場(chǎng)，電脫段電流持續(xù)升高，最高時(shí)達(dá)到30 A，直至電脫跳閘，平均5次/天；脫后原油含水不達(dá)標(biāo)，出口含水率＞0.5%；水中含油量增加，“五合一”水出口含油濃度大于1 000 mg/L；“五合一”過(guò)渡層增厚，隨放水進(jìn)入油崗污水沉降罐后，造成混層嚴(yán)重，最高時(shí)可達(dá)3～6 m。

（2）采出水特性變化，污水系統(tǒng)難以適應(yīng)。由于壓裂返排液水質(zhì)的不穩(wěn)定性、構(gòu)成極為復(fù)雜，且進(jìn)入系統(tǒng)液量波動(dòng)范圍較大。這給已建處理工藝的運(yùn)行帶來(lái)極大的困難，主要表現(xiàn)在沉降段去除效率降低，污水站濾料污染問(wèn)題突出，尤其以龍一聯(lián)、新一聯(lián)較為嚴(yán)重，濾料更換周期由2～3 年降為1 年。

污水系統(tǒng)的壓裂返排液大部分是通過(guò)油井產(chǎn)液從集輸系統(tǒng)進(jìn)入。經(jīng)檢測(cè)，采取大規(guī)模壓裂開(kāi)發(fā)方式后，污水來(lái)水Zeta 電位由之前的-5.2～-14.6 mV上升至-16.07～-37.35 mV，大規(guī)模壓裂開(kāi)發(fā)方式后，污水膠體分散體系穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，更難以聚集。

（3）集中返排液量大，注入環(huán)節(jié)難以消納。壓裂高峰期返排液量近8 000 m3/d，最大回注水量為8 355 m3/d，并要消耗本站產(chǎn)出的6 400 m3/d 左右的含油污水，因此無(wú)法滿(mǎn)足短時(shí)間內(nèi)大量返排液的回注需求。

2 地面系統(tǒng)采取的技術(shù)措施及效果

依據(jù)“源頭控量、工藝完善、參數(shù)優(yōu)化”的原則，上游建設(shè)返排液處理裝置，嚴(yán)格把控進(jìn)入系統(tǒng)污水質(zhì)量與數(shù)量；中游改進(jìn)油氣及污水處理工藝流程，提升站場(chǎng)對(duì)返排液的抗沖擊能力；下游優(yōu)化油水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和加藥體系，提高已建系統(tǒng)對(duì)返排液的適應(yīng)性。

2.1 調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

（1）優(yōu)化“五合一”運(yùn)行參數(shù)，滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。當(dāng)含壓裂液油井產(chǎn)出液占總產(chǎn)液的比值＜30%時(shí)，通過(guò)常規(guī)藥劑優(yōu)化、調(diào)整“五合一”加熱溫度、調(diào)整加藥點(diǎn)等，九廠在用五合一組合裝置脫水工藝基本可以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，并且總結(jié)出一套“五合一”最佳運(yùn)行參數(shù)速查表（表2）。

表2 “五合一”最佳運(yùn)行參數(shù)速查表Tab.2 Quick reference table of"five in one" best operation parameter

（2）強(qiáng)化全過(guò)程環(huán)節(jié)管控，緩解污水系統(tǒng)壓力。采用節(jié)點(diǎn)管理法，全過(guò)程管控油系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行。外站來(lái)液控制壓裂來(lái)液含量＜30%，篩選破乳劑、動(dòng)態(tài)調(diào)整加藥量[2-3]，“五合一”及時(shí)清淤至少1 次，放水看窗清澈，污水沉降罐控制油厚＜0.5 m，老化油回收單獨(dú)處理、單獨(dú)外輸。通過(guò)上述措施實(shí)現(xiàn)脫水站油出口含水率＜0.3%，“五合一”放水含油濃度＜300 mg/L，沉降罐出水含油、懸浮物指標(biāo)＜100 mg/L 的目標(biāo)值，降低了外輸油含水及外輸水含油濃度，減輕了污水系統(tǒng)的處理壓力。

（3）建設(shè)單獨(dú)脫水工藝處理，減輕壓裂返排液對(duì)系統(tǒng)的沖擊。針對(duì)壓裂返排液對(duì)龍一聯(lián)處理工藝的沖擊，對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)。卸油點(diǎn)含壓裂返排液的來(lái)液進(jìn)入單獨(dú)脫水工藝處理，脫水處理工藝主要包括加熱爐和電脫水器兩段處理工藝[4]，來(lái)液加藥處理如達(dá)標(biāo)直接進(jìn)入凈化油緩沖罐，如不達(dá)標(biāo)則進(jìn)入系統(tǒng)“五合一”進(jìn)行循環(huán)處理，至處理合格后再進(jìn)入凈化油緩沖罐。

（4）應(yīng)用新型電脫水器供電裝置，保障“五合一”與電脫水器運(yùn)行平穩(wěn)。針對(duì)“五合一”與電脫水器運(yùn)行困難的問(wèn)題，探索試驗(yàn)應(yīng)用高阻大容量脫水供電裝置。與普通供電裝置對(duì)比，高阻大容量脫水供電裝置容量由50 kVA 上升至1 000 kVA，耐受電流由20 A 上升至200 A。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用高阻大容量脫水供電裝置，在脫水電流60 A 的情況下運(yùn)行正常，抵抗高電流沖擊的能力明顯提高。

2.2 加強(qiáng)新老系統(tǒng)建管

（1）完善預(yù)處理工藝流程，改善污水系統(tǒng)來(lái)液質(zhì)量。為保證進(jìn)入污水系統(tǒng)液體質(zhì)量，采用壓裂返排液預(yù)處理后再回收至系統(tǒng)的措施，即“來(lái)液→儲(chǔ)存池→預(yù)處理裝置（氧化-兩級(jí)氣浮-過(guò)濾工藝[5-6]）→進(jìn)入污水系統(tǒng)”，共建成水處理能力720 m3/d。處理后水質(zhì)達(dá)到“20.20”指標(biāo)后，進(jìn)入依托站來(lái)水匯管，與污水站來(lái)水混合、稀釋處理后達(dá)標(biāo)回注。

（2）篩選絮凝劑配方體系，制定藥劑投加標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)藥劑篩選，確定PAC、共聚PAM 與CPAM三種藥劑復(fù)配體系[7]，其中共聚PAM 與CPAM 的質(zhì)量比為2∶1。根據(jù)壓裂液含量及含油量變化調(diào)整最佳加藥量。確定標(biāo)準(zhǔn)為絮凝后含油和懸浮物小于20 mg/L 的最低加藥量（表3）。

表3 不同返排液含量和含油量污水加藥速查表/(PAC/共聚PAM/CPAM)Tab.3 Quick reference table for dosing wastewater with different flowback fluid content and oil content(PAC/Copolymerized PAM/CPAM) mg/L

（3）優(yōu)化過(guò)濾罐反洗參數(shù)，提高濾料再生能力。優(yōu)化反沖洗強(qiáng)度：傳統(tǒng)的過(guò)濾罐反沖洗主要利用的是水流剪切力作用，通過(guò)對(duì)顆粒濾料的反沖洗機(jī)理的深入研究，認(rèn)為除水剪切力之外，濾料間碰撞摩擦力亦是濾料脫附的關(guān)鍵因素[8]。因此，在采用變參數(shù)反沖洗優(yōu)化時(shí)，為充分利用濾料間碰撞摩擦力，引入最小流化強(qiáng)度參數(shù)，在濾料初始流化與濾料40%膨化高度間，選取各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)[9]，最終確定水溫35 ℃下三梯次反沖洗最佳運(yùn)行參數(shù)為7.5 L/m2· s(3 min)、10 L/m2· s(4 min)、14 L/m2·s(8 min)。

通過(guò)日常管理摸索，在“兩級(jí)沉降+兩級(jí)過(guò)濾”工藝中含壓裂液返排液占污水處理總量百分比≤4%時(shí)，能保障污水系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

優(yōu)化反沖洗周期時(shí)引入“納污量”概念。隨著過(guò)濾的進(jìn)行，濾層中的水流剪力逐漸增大，水流阻力增大，系統(tǒng)壓力逐漸升高，如不進(jìn)行反洗，系統(tǒng)弊壓或當(dāng)水流剪切力大于附著力時(shí)，懸浮顆粒穿透濾層，導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。所以過(guò)濾罐截留雜質(zhì)有一個(gè)極限能力，稱(chēng)之為過(guò)濾罐的納污量。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定了核桃殼過(guò)濾罐、雙層濾料過(guò)濾罐在不同濾速下了最大納污量，為方便現(xiàn)場(chǎng)管理，歸納出過(guò)濾罐運(yùn)行壓差為：核桃殼過(guò)濾罐正常過(guò)濾壓差≤0.08 MPa（最高過(guò)濾壓差≤0.10 MPa），雙層濾料過(guò)濾罐正常過(guò)濾壓差≤0.06 MPa（最高過(guò)濾壓差≤0.10 MPa）。

通過(guò)優(yōu)化過(guò)濾罐反洗參數(shù)，改善了過(guò)濾罐的再生能力，減少了反沖洗水量，降低了污水系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，特別在10 ℃左右的遠(yuǎn)輸?shù)蜏匚鬯偬幚碇校c傳統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)相比，反沖洗水量降低了50%。

（4）應(yīng)用新技術(shù)、新工藝，提高污水系統(tǒng)適應(yīng)能力。采用高精濾過(guò)濾工藝，提高污水系統(tǒng)對(duì)壓裂液的適用能力。高精濾技術(shù)濾料應(yīng)用改性微孔陶瓷均質(zhì)顆粒，孔隙率為73%～82%，抗剪切強(qiáng)度3.98 MPa，其密度略高于水密度，濾料填料設(shè)計(jì)高度即濾料的有效過(guò)濾厚度。微孔陶瓷濾料因具有較高的過(guò)濾路徑，所以設(shè)計(jì)時(shí)可采用較大的顆粒直徑，其顆粒直徑在1～3 mm，低于石英砂最小顆粒的直徑0.5～0.8 mm、磁鐵礦顆粒的直徑0.25～0.5 mm。

反沖洗采用氣、水反沖洗技術(shù)。氣、水反沖洗特點(diǎn)為“脈沖塌陷”氣洗和不（微）膨脹沖洗。高精濾過(guò)濾技術(shù)設(shè)計(jì)反洗水量占比為4%～5%，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行反洗水量占比均值為3.9%（常規(guī)壓力過(guò)濾為12%～20%）。

與常規(guī)的兩級(jí)沉降、兩級(jí)過(guò)濾工藝相比，混合罐兼混凝沉降和緩沖提升的作用，除油沉降段設(shè)計(jì)減少了一級(jí)工藝；高精濾濾料有更深的過(guò)濾路徑，有效過(guò)濾層3.0 m，與常規(guī)壓力過(guò)濾有效過(guò)濾層幾十厘米相比，濾層的納污能力更高，設(shè)計(jì)過(guò)濾級(jí)數(shù)由常規(guī)兩級(jí)過(guò)濾減少到一級(jí)過(guò)濾。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行濾速10 m/h 時(shí)，壓裂返排液占處理液量大于10%時(shí)，高精濾出水水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率85%；壓裂返排液占處理液量小于10%時(shí)，高精濾出水水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率100%。

2.3 建設(shè)處理回注裝置

與開(kāi)發(fā)部門(mén)結(jié)合，選取連通效果差、無(wú)開(kāi)發(fā)潛力的塔3、塔20 作為壓裂返排液回注區(qū)塊。共有22口污水回注井，日最高回注量1 932 m3。

2020 年，在塔3 區(qū)塊建設(shè)租用的臨時(shí)處理回注站1 座，采用“化學(xué)氧化→氣浮選→過(guò)濾”處理工藝，達(dá)到“ 20.20 ” 標(biāo)準(zhǔn)后回注。處理能力1 200 m3/d，已建回注井5 口，最大回注量1 100 m3/d，累計(jì)回注9.77×104m3。

2021 年，在哈19 區(qū)塊新建頁(yè)巖油專(zhuān)用壓裂返排液處理站，處理后的液體回注區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)關(guān)井，處理能力1 800 m3/d，已建回注井3 口，最大回注量1 600 m3/d，累計(jì)回注17.16×104m3。

另外，開(kāi)發(fā)部門(mén)選出33 口長(zhǎng)關(guān)、低效井可用于壓裂返排液的回注調(diào)控井，遍布龍虎泡、敖古拉、新站、泰來(lái)等作業(yè)區(qū)，日消耗壓裂返排液3 213 m3，有效緩解污水站場(chǎng)水質(zhì)達(dá)標(biāo)壓力。

“十三五”期間，在壓裂返排液占比由3.3%提高到38.5%，水質(zhì)由85%降低到79%的前提下，九廠通過(guò)加大新技術(shù)應(yīng)用力度，強(qiáng)化油水站場(chǎng)節(jié)點(diǎn)管理，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，全力推進(jìn)注水質(zhì)量提升工作，含油污水綜合達(dá)標(biāo)率由82.6%提升至84.8%。

3 結(jié)束語(yǔ)

面臨新的形勢(shì)，油田地面工程系統(tǒng)應(yīng)打破傳統(tǒng)觀念束縛，加強(qiáng)管理的同時(shí)更要持續(xù)推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步：

（1）要轉(zhuǎn)變觀念。改變重油、輕水的觀念，將油系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)作為一個(gè)整體鏈條進(jìn)行管理。注視源頭，按工藝作用設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，并制定節(jié)點(diǎn)管理指標(biāo)。對(duì)于不同的站場(chǎng)，針對(duì)其工藝特性，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，形成“一站一策”，通過(guò)行之有效的治理措施，實(shí)現(xiàn)油田“注好水、注夠水”工作持續(xù)有效開(kāi)展。

（2）要適應(yīng)形勢(shì)。針對(duì)大慶長(zhǎng)垣外圍油田滲透率低、開(kāi)采難度大、處于有效開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)界限的邊緣，投入產(chǎn)出比高的問(wèn)題，要推進(jìn)油田的高質(zhì)量持續(xù)發(fā)展，必須依靠科技的力量。技術(shù)進(jìn)步是油田可持續(xù)發(fā)展的第一生產(chǎn)力，應(yīng)該加強(qiáng)科技攻關(guān)，研究應(yīng)用成熟的技術(shù)進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝。對(duì)于新技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，原則上不應(yīng)少于兩年的放大現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期。既不因新技術(shù)存在某項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)而盲目推進(jìn)，也不因?yàn)樾录夹g(shù)暫時(shí)存在的某項(xiàng)缺點(diǎn)而全面否定。在新技術(shù)應(yīng)用中不回避問(wèn)題，在應(yīng)用中找方法，通過(guò)技術(shù)的不斷積累，最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)的可成熟應(yīng)用[10]。

（3）要夯實(shí)基礎(chǔ)。鑒于大規(guī)模壓裂開(kāi)發(fā)的常態(tài)化，應(yīng)完善、建設(shè)壓裂返排液專(zhuān)用處理站場(chǎng)，以應(yīng)對(duì)油田未來(lái)的發(fā)展，緩解油水站場(chǎng)運(yùn)行壓力。油田污水處理系統(tǒng)是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的門(mén)類(lèi)，涉及油田化學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)、微生物學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科，各工藝技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需找到在不同環(huán)境下的技術(shù)應(yīng)用界限。地面工藝系統(tǒng)優(yōu)化要更有效地利用現(xiàn)有系統(tǒng)，在系統(tǒng)建設(shè)中節(jié)省不必要的投資，以解決“三低”油田的開(kāi)發(fā)運(yùn)行成本高問(wèn)題，為油田的可持續(xù)開(kāi)發(fā)提供關(guān)鍵的技術(shù)保障。