大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)中液體的回用技術(shù)探討

熊 穎 劉友權(quán) 陳鵬飛 李范書 吳文剛 趙萬(wàn)偉 趙 浩

（1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院）

（2.中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦）

隨著頁(yè)巖氣、致密氣等致密儲(chǔ)層的開發(fā)，大規(guī)模體積壓裂模式日益受到重視［1－3］。同時(shí)，井場(chǎng)附近的水源短缺、環(huán)保問(wèn)題等技術(shù)瓶頸也日漸凸顯，常規(guī)水源供給模式、壓裂返排液處理方式也越來(lái)越不能滿足大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)的要求。針對(duì)這種情況，國(guó)內(nèi)外先后開展了壓裂返排液回用技術(shù)研究，提供了一種新的水源供給及返排液處理方式，以適應(yīng)大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)的需要。本文介紹了大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)對(duì)水資源的需求和壓裂返排液面臨的環(huán)境壓力，分析了壓裂返排液的組成及對(duì)壓裂施工的影響，探討了返排液回用方法，并在四川氣田取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

1 大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)對(duì)水資源的需求

大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)對(duì)水資源的需求量很大，且對(duì)水質(zhì)有一定的要求。目前，大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)主要集中在頁(yè)巖氣壓裂作業(yè)和致密砂巖壓裂作業(yè)，采用的壓裂液主要為滑溜水、凍膠壓裂液以及二者混合壓裂液體系等。國(guó)外以美國(guó)的Barnett、Marcellus、Haynesville和Fayetteville頁(yè)巖氣藏為例，其一口井的增產(chǎn)作業(yè)分別需要8 500m3、14 700 m3、10 220m3、11 400m3的壓裂液［4－6］。國(guó)內(nèi)以四川長(zhǎng)寧－威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣開發(fā)示范區(qū)為例，一口直井通常需要2 000～3 000m3的壓裂液，一口水平井通常需要20 000～30 000m3的壓裂液。據(jù)《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)總體方案》，到2020年，四川3個(gè)頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)塊的總產(chǎn)量將達(dá)520×108m3［7］，因此需部署大量開發(fā)井，開展大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)。此外，四川氣田致密砂巖氣藏的開發(fā)仍處于叢式井組整體壓裂或單井壓裂的主要模式，所需的配液用水量和產(chǎn)生的返排液量均較大。四川地處丘陵，井場(chǎng)附近人口稠密，大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)的水源主要為自來(lái)水和河水，水源受季節(jié)性影響強(qiáng)，一般采用罐車運(yùn)輸?shù)骄畧?chǎng)，壓裂施工時(shí)與當(dāng)?shù)厣?、生產(chǎn)用水的供需矛盾突出。

2 壓裂返排液面臨的環(huán)境壓力

壓裂作業(yè)后，大部分壓裂液將返排至地面，返排液中含有大量的化學(xué)劑和溶解性鹽類（主要為壓裂添加劑、地層離子等）以及機(jī)械雜質(zhì)、少量的油等。隨著壓裂施工井次的不斷增多和施工規(guī)模的逐漸增大，產(chǎn)生的返排液量逐年增大，無(wú)害化處理困難，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大［8－11］。據(jù) Khatib and Verbeek報(bào)道［12］，每生產(chǎn)1桶油將產(chǎn)生10桶廢水。另?yè)?jù)Pam Boschee報(bào)道，在美國(guó)的配液用水費(fèi)為0.25～1.75美元／桶，運(yùn)輸費(fèi)為0.63～5.00美元／桶，回注處理廢水費(fèi)為0.5～1.75美元／桶，返排液運(yùn)輸費(fèi)為0.63～9.00美元／桶，總的成本是2.00～16.8美元／桶，返排液回注處理成本費(fèi)用高。

四川大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)的井次多、規(guī)模大，施工后產(chǎn)生的壓裂返排液量大，特別是對(duì)于頁(yè)巖氣藏開發(fā)。目前，壓裂返排液的處理方式主要為回注、處理后外排和回用三種方式。其中，回注需要在合適的地層鉆回注井，安裝回注設(shè)備，其前期投入和運(yùn)行費(fèi)用均較高，且回注能力受到回注地層條件的限制；處理后達(dá)到外排水質(zhì)指標(biāo)的技術(shù)難度大，處理成本高；回用可以充分利用返排液中殘余的各種添加劑和水資源，減少?gòu)U液無(wú)害化處理量，節(jié)能減排。

3 壓裂返排液的組成

3.1 返排液的組成

壓裂返排液的成分較為復(fù)雜，其主要取決于以下因素：壓裂液配液水質(zhì)、壓裂液化學(xué)組成、儲(chǔ)層地質(zhì)化學(xué)、地層水以及返排液在地下和返排至地面后的放置時(shí)間等。

水是壓裂液的主要成分，直接影響到返排液的組成。如配液用水中的溶解性鹽類、礦物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)和／或細(xì)菌等經(jīng)壓裂作業(yè)后返排至地面，或潛在的與壓裂液或儲(chǔ)層中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

壓裂液化學(xué)組成主要指各種壓裂液添加劑，主要根據(jù)地質(zhì)情況和完井目的，采用不同類型的添加劑及加量。如滑溜水主要的添加劑為降阻劑、助排劑、防膨劑、殺菌劑等；凍膠壓裂液的主要添加劑為稠化劑、殺菌劑、防膨劑、助排劑、交聯(lián)劑、破膠劑等。

儲(chǔ)層地球化學(xué)是影響返排液組成的一個(gè)重要因素。壓裂液接觸儲(chǔ)層后，將溶解部分溶解性鹽類或在地層條件下與儲(chǔ)層礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，返回至地面時(shí)增加了返排液組成的復(fù)雜性。

地層水是影響返排液組成的又一關(guān)鍵因素。如果壓裂作業(yè)溝通了含水層或其他地下含水區(qū)域，壓裂液將與地層水混合返排至地面，而地層水中含有大量的溶解性礦物。

返排液在地下的時(shí)間和返排至地面后的放置時(shí)間也將影響返排液的組成。壓裂液在地下的時(shí)間越長(zhǎng)，溶解固體越多。液體返排至地面后，因細(xì)菌滋生和部分機(jī)械雜質(zhì)的自然沉降也會(huì)對(duì)返排液的組成造成影響，如硫酸鹽還原菌可產(chǎn)生H2S。

返排液中通常包含溶解性鹽類、礦物質(zhì)、殘余添加劑及其降解產(chǎn)物、細(xì)菌、懸浮物以及揮發(fā)性有機(jī)物、碳?xì)浠衔?、氨等，部分存在微量的放射性物質(zhì)。表1是某典型頁(yè)巖氣藏和致密砂巖氣藏大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)返排液的主要成分。

表1 某典型頁(yè)巖氣藏和致密砂巖氣藏壓裂返排液主要成分Table 1 Fracturing flowback fluid’s main ingredients of one typical shale gas well and tight sandstone gas well

3.2 返排液對(duì)壓裂施工的影響

3.2.1 返排液中機(jī)械雜質(zhì)的影響

返排液中含有如砂、淤泥、黏土、水垢顆粒、固體懸浮物等機(jī)械雜質(zhì)，將對(duì)儲(chǔ)層造成傷害，降低滲透率，影響天然氣生產(chǎn)。同時(shí)，由于溫度、壓力的變化，可能會(huì)導(dǎo)致返排液結(jié)垢趨勢(shì)的擴(kuò)大，致使?jié)B透率降低，最終降低天然氣生產(chǎn)。垢物主要為碳酸鹽垢和硫酸鹽垢：

（1）高濃度的Ca2＋與碳酸鹽可能形成碳酸鈣垢，隨著溫度和濃度的增加，碳酸鈣成垢趨勢(shì)增加。

（2）高濃度的 Ca2＋、Ba2＋、Sr2＋與硫酸鹽可能形成硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鍶垢。

3.2.2 返排液中細(xì)菌的影響

返排液中的細(xì)菌可能會(huì)導(dǎo)致生物污染，降低儲(chǔ)層滲透率，影響天然氣生產(chǎn)。返排液中存在的硫酸鹽還原菌、生酸菌等細(xì)菌在儲(chǔ)層條件下可生成H2S，腐蝕井下生產(chǎn)工具、污染儲(chǔ)層。同時(shí)，細(xì)菌的存在會(huì)對(duì)植物膠類添加劑進(jìn)行生物降解，影響壓裂液施工性能。

3.2.3 返排液對(duì)滑溜水性能的影響

（1）返排液對(duì)降阻性能的影響。返排液中的多價(jià)金屬離子（主要為Ca2＋、Mg2＋等）將影響滑溜水的降阻性能，增加施工泵壓，增加施工成本。圖1是壓裂返排液對(duì)滑溜水降阻性能的影響情況。圖2是壓裂返排液中Ca2＋、Mg2＋濃度對(duì)滑溜水降阻性能的影響情況。

從圖1可以看出，頁(yè)巖氣C井壓裂返排液的摩阻和清水相當(dāng)，無(wú)降阻性能，而新配制的滑溜水降阻率可達(dá)70%。這主要是因?yàn)榻底鑴┰诘貙訔l件下逐漸降解、吸附，使得返排液中的降阻劑濃度很低（通常小于初始濃度的25%），無(wú)明顯降阻性能。

從圖2可以看出，Ca2＋、Mg2＋濃度對(duì)滑溜水的摩阻有影響，隨著離子濃度的增大其摩阻有上升趨勢(shì)，因此在壓裂返排液的回用過(guò)程中，應(yīng)考慮Ca2＋、Mg2＋濃度對(duì)滑溜水降阻性能的影響。

（2）返排液對(duì)返排性能的影響。為了考察壓裂返排液回用后的返排性能，室內(nèi)采用返排液進(jìn)行了模擬返排性能評(píng)價(jià)，見表2。

表2 頁(yè)巖氣W井返排液模擬返排性能評(píng)價(jià)Table 2 Simulation flowback performance evaluation of the shale gas well W’s flowback fluid

從表2可知，頁(yè)巖氣W井壓裂返排液的返排率較新配制的滑溜水降低了30%。相同條件下，影響壓裂液返排性能的主要是助排劑的用量與性能。地層對(duì)助排劑具有較強(qiáng)的吸附作用（特別是對(duì)于氟碳類表面活性劑），因此頁(yè)巖氣 W井壓裂返排液中的助排劑濃度較低（通常為初始濃度的20%），使得室內(nèi)模擬返排率較低。

3.2.4 返排液對(duì)凍膠壓裂液基本性能的影響

返排液對(duì)凍膠壓裂液性能的影響，除了與滑溜水類似使返排性能降低外，主要體現(xiàn)在對(duì)基液交聯(lián)與凍膠耐剪切等方面性能的影響。表3是返排液中各組分對(duì)凍膠壓裂液基本性能影響情況。

4 壓裂返排液回用方法

根據(jù)壓裂返排液回用的目的不同，其處理與利用方法也不同。對(duì)于四川氣田大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生的返排液，其主要回用工藝流程見圖3。

表3 返排液中各組分對(duì)凍膠壓裂液基本性能影響Table 3 Effects of different components in the flowback fluid on the basic properties of gelled fracturing fluid

從圖3可以看出，大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)中的液體回用技術(shù)主要是通過(guò)殺菌、沉降除機(jī)械雜質(zhì)、化學(xué)沉淀除高價(jià)金屬離子、補(bǔ)充損失的添加劑等措施使壓裂返排液的性能滿足再次施工要求。

5 應(yīng)用情況

大規(guī)模增產(chǎn)作用中的液體回用技術(shù)在四川盆地須家河致密氣儲(chǔ)層及侏羅系致密油儲(chǔ)層中共應(yīng)用92井次，共回收使用返排液9 300m3，累計(jì)增加井口天然氣測(cè)試產(chǎn)量320×104m3／d，返排液回收后的利用率達(dá)95%，取得了良好的施工效果，節(jié)約了水資源，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

以Y101－94井組現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為例，在完成Y101－94－X1井前三段壓裂作業(yè)后，采用快速返排技術(shù)進(jìn)行排液，按照回用工藝對(duì)返排液進(jìn)行了回收，處理后全部用于Y101－94－H2井壓裂作業(yè)中，累計(jì)回用返排液500m3。該井組壓裂施工后獲得了日產(chǎn)氣12.1×104m3的效果。

6 結(jié)論與建議

（1）大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)用水量大，返排液多，應(yīng)從水源、返排液回用、工程組織等方面系統(tǒng)考慮，遵守油氣開發(fā)用水資源管理政策和環(huán)境保護(hù)政策，避免先污染后治理。

（2）對(duì)于中國(guó)非常規(guī)油氣大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)中遇到的水資源缺乏、返排液處理困難問(wèn)題，返排液回用技術(shù)是保障其環(huán)保、效益開發(fā)的一種有效措施，因此需進(jìn)一步加強(qiáng)返排液回用技術(shù)研究，研制出處理能力強(qiáng)、能適應(yīng)各種復(fù)雜返排液處理的撬裝處理設(shè)備，提高返排液的回用率，并制定出返排液回用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)操作，減少油氣開發(fā)過(guò)程中地表水的使用和污水的外排，降低大規(guī)模增產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

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