长宁-威远地区页岩气压裂返排液处理技术与应用①

熊颖　刘雨舟　刘友权　吴文刚　代云　陈楠

1.中国石油西南油气田公司天然气研究院2.中国石油西南油气田公司非常规油气开发事业部3.四川长宁天然气开发有限责任公司



长宁-威远地区页岩气压裂返排液处理技术与应用①

熊颖1刘雨舟2刘友权1吴文刚1代云3陈楠1

1.中国石油西南油气田公司天然气研究院2.中国石油西南油气田公司非常规油气开发事业部3.四川长宁天然气开发有限责任公司

针对长宁-威远地区页岩气开发存在的压裂返排液无害化处理难、现场施工配液用水缺乏等问题，分析了该地区页岩气压裂返排液的主要成分，明确了细菌、悬浮物以及高价金属离子的浓度是影响压裂返排液回用的主要因素。通过杀菌剂灭菌、絮凝沉降悬浮物、化学沉淀高价金属离子以及过滤絮体和沉淀等措施，开发出了适合长宁-威远地区页岩气压裂返排液回用的处理方法及处理工艺单元化的撬装处理装置，并在W204井区集气站进行了成功应用。处理后的压裂返排液清澈透明，水质满足行业标准要求，并成功回用于W204H4平台施工，施工性能稳定，实现了节能减排。

页岩气返排液压裂回用处理技术

页岩气储层脆性指数高，通常采用大规模体积压裂获得工业气流。体积压裂所需的压裂液量大，产生的压裂返排液多。目前，在长宁-威远国家级页岩气示范区，页岩气采用丛式井组模式进行开发，其水平井的压裂液用量达3×104～4×104m3/井，压裂返排液量达1×104～2×104m3/井，由此带来了一系列的生态环保问题：一是含有害物质的压裂返排液多，无害化处理成本高，环境污染风险大，特别是新《环境保护法》的实施，对压裂返排液回注提出了更高要求；二是现场配液用水不足，施工时集中用水，造成井场周边用水供需矛盾突出；三是压裂返排液现场存储过程中易发黑变臭，影响周边环境，特别是对于多次重复利用后的压裂返排液[1-3]。在当前页岩气大规模开发时期，压裂返排液回用是解决现场用水缺乏和压裂返排液处理难题的最佳途径。然而，压裂返排液直接回用对施工液体性能以及储层改造效果都存在较大影响，需要采用合适的处理工艺对压裂返排液进行处理，满足行标NB/T 14002.3-2015《页岩气 储层改造 第3部分：压裂返排液回收和处理方法》中压裂返排液回用水质指标。本实验从影响压裂返排液回用性能的主要因素入手，开发了以灭菌、絮凝沉降、化学沉淀、过滤为主的压裂返排液回用处理方法及撬装处理装置，实现了页岩气压裂返排液的现场处理回用，节能减排效果显著。

1　影响页岩气压裂返排液回用的主要因素

1.1页岩气压裂返排液成分分析

研究影响页岩气压裂返排液回用的主要因素，首先要了解压裂返排液的主要成分。室内对长宁-威远地区页岩气前期的压裂返排液进行了水质分析。

从表1可看出，长宁-威远页岩气前期的压裂返排液矿化度中等，含有一定量的成垢离子和悬浮物；同时，返排液中发现了大量的SRB、IB、TGB等细菌，在存放和回用过程中应考虑细菌的影响。

对长宁-威远地区页岩气压裂返排液的长期跟踪分析发现，随着返排时间的延长和重复利用次数的增多，以及不同压裂液体系的交叉应用，返排液水质变化较大，主要体现在TDS升高(6×104～9×104mg/L)，钙、镁、铁等高价金属离子浓度增大，返排液颜色变黑发臭。

1.2影响页岩气压裂返排液回用的主要因素

参照NB/T 14002.3-2015中压裂返排液回用水质指标，结合压裂返排液成分对压裂液降阻性能、储层伤害性能分析，确定了影响页岩气压裂返排液回用的主要因素为细菌、悬浮物以及高价金属离子(Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+等)。

(1) 细菌。压裂返排液中含有机质，易滋生细菌，使得压裂返排液水质恶化。特别是SRB的滋生，产生H2S与Fe2+，形成FeS，使得压裂返排液变黑发臭；而IB能从氧化Fe2+中得到能量，形成Fe(OH)3沉淀，降低储层微裂缝导流能力；此外，TGB能从有机物中得到能量，代谢的产物可造成渗流通道堵塞。

(2) 悬浮物。页岩极其致密，压裂返排液回用时其悬浮物不能渗入基质，但会进入体积压裂形成的微细裂缝中，对其导流能力造成影响；同时，悬浮物与高分子降阻剂易产生絮凝，降低降阻剂有效浓度，絮体对储层造成伤害。

(3) 高价金属离子。压裂返排液中含有Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+等高价金属离子，使得高分子降阻剂分子卷曲或产生沉淀，不仅影响降阻剂的降阻率，而且易造成管线和地下结垢等问题。

2　页岩气压裂返排液回用处理方法

2.1除细菌

压裂返排液杀菌主要有紫外线杀菌和杀菌剂灭菌两种方式。由于杀菌剂在一定的时间内还具有抑菌作用，因此，本实验采用季铵盐和醛类杀菌剂对长宁-威远地区页岩气压裂返排液进行杀菌处理，效果见表2。

从表2可看出，虽不同杀菌剂的杀菌效果不同，但均能对页岩气压裂返排液中的细菌起到良好的杀菌效果，表明采用杀菌剂灭菌的方式适合页岩气压裂返排液回用处理。

表1　长宁-威远地区页岩气前期的压裂返排液成分分析Table1　AnalysisofearlystagefracturingflowbackfluidsinChangning-Weiyuanshalegasarea井号ρ(K+)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(Ba2+)/(mg·L-1)ρ(Cl-)/(mg·L-1)ρ(co2-3)/(mg·L-1)ρ(HCO-3)/(mg·L-1)ρ(Br-)/(mg·L-1)ρ(总Fe)/(mg·L-1)ρ(悬浮物)/(mg·L-1)SRB/(个·L-1)IB/(个·L-1)TGB/(个·L-1)长宁典型井A1037049841231698706135少量1510>109>109>109威远典型井B920648522414900039860.36～91921>109108～109>109

表2　不同杀菌剂对压裂返排液中细菌的杀菌效果(绝技稀释法)Table2　Bactericidaleffectofdifferentfungicidesonthebacteriainfracturingflowbackfluids(vanishdilutionmethod)杀菌剂代号细菌数量/(个·mL-1)SRBIBTGB无>109>109>1091#0002#250060006003#060004#132500000250005#0130

2.2除悬浮物

去除压裂返排液中的悬浮物通常有絮凝沉降和过滤两种方式。

(1) 絮凝沉降。絮凝沉降是处理污水中悬浮物最常用的方法，包括化学絮凝和电絮凝两种方式。其中，电絮凝具有不引入新的化学药剂、受pH值影响小等优势，近年来在国外的返排液处理技术中得到了广泛应用。表3和图1是页岩气压裂返排液电絮凝沉降前后的水质对比。

表3　絮凝沉降前后水质对比Table3　Waterqualitycomparisonbeforeandaftertheflocculationsedimentation序号ρ(Cl-)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(总Fe)/(mg·L-1)ρ(悬浮物)/(mg·L-1)1#1130055093.00.112311.03#1080045587.00.17576.04#930048045.60.22370.55#920042082.80.1995.56#960036469.60.11432.5　注：1#为处理前压裂返排液，3#、4#、5#、6#为电絮凝沉降后的压裂返排液。电絮凝后需要较长时间才能使絮体聚集沉降下来。

从表3和图1可看出，页岩气压裂返排液经电絮凝沉降处理后，Cl-、Ca2+、Mg2+的质量浓度均略有降低(部分离子吸附在絮体上)，总Fe浓度变化较小，而悬浮物含量显著降低，絮体聚集沉降在底部，上部液体清澈透明，表明电絮凝沉降对于去除页岩气压裂返排液中的悬浮物具有良好效果。由于在电絮凝过程中，阳极产生的阳离子(Fe3+或Al3+)与返排液中的OH-结合生成了絮凝基团，从而对悬浮物起到了凝聚沉淀作用。

(2) 絮凝沉降与过滤联合处理。由于悬浮物电絮凝后需要较长时间才能使絮体聚集沉降下来，现场不能实现连续操作。考虑到悬浮物电絮凝后的絮体较原来的悬浮物大得多，过滤时不易堵塞滤芯，因此，采用电絮凝沉降与过滤联合处理工艺去除页岩气压裂返排液中的悬浮物。

表4　电絮凝与过滤联合处理前后压裂返排液水质对比Table4　Waterqualitycomparisonoffracturingflowbackfluidsbeforeandaftertheelectricflocculationandfiltrationcombinedprocessing处理方式ρ(Cl-)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(总Fe)/(mg·L-1)ρ(悬浮物)/(mg·L-1)未处理1130055093.00.112311.0絮凝沉降→过滤1050040527.00.17579.0

从表4和图2可以看出，页岩气压裂返排液经电絮凝沉降与过滤联合处理后，悬浮物含量大为降低，水样清澈透明；同时，该方法分离絮体的时间短，大幅缩短了絮凝后沉降分离的时间，现场可实现连续作业。

2.3除高价金属离子

从图3可看出，随着处理剂浓度的增大，压裂返排液中高价金属离子浓度逐渐降低。其中，0.1%(w)的2#处理剂就能使压裂返排液中高价金属离子浓度降低95%，高价金属离子浓度远低于行标NB/T 14002.3-2015中压裂返排液回用水质指标要求。

3　页岩气压裂返排液回用处理装置及现场应用

3.1页岩气压裂返排液回用处理装置

根据页岩气压裂返排液回用处理方法，按照处理工艺单元化、处理设备撬装化的理念设计建造页岩气压裂返排液回用处理装置，使得其运输安装方便，并可根据不同的压裂返排液水质进行工艺单元组合，满足不同的回用水质要求。图4是页岩气压裂返排液回用处理装置工艺流程图。

从图4可看出，压裂返排液首先进入调节池(污水池)，平衡压裂返排液的水质差异，调节处理液量，并加入杀菌剂灭菌、抑制细菌滋生；然后将压裂返排液泵入反应罐中，加入化学沉淀处理剂，降低高价金属离子浓度；再将压裂返排液泵入絮凝罐中进行絮凝沉降，使压裂返排液中的悬浮物、胶体及沉淀絮凝成团；最后采用过滤器去除絮体，清水进入储水罐回用。

3.2页岩气压裂返排液回用处理装置现场试验

采用页岩气压裂返排液回用处理装置在W204井区集气站开展了现场试验(见表5和图5)，处理W204井区、W202井区的压裂返排液，处理后的液体清澈透明，悬浮物质量浓度降至20 mg/L以下，Ca2++Mg2+质量浓度降至100 mg/L左右，总Fe质量浓度降至1 mg/L以下，SRB、IB、TGB数量均降至0个/mL，并成功回用于W204H4平台压裂施工，施工液体性能稳定，实现了压裂返排液回收处理与重复利用。

表5　威204井区集气站压裂返排液处理前后水质对比Table5　WaterqualitycomparisonoffracturingflowbackfluidsbeforeandaftertreatmentinWei204wellareagasgatheringstation指标ρ(悬浮物)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(总Fe)/(mg·L-1)SRB/(个·mL-1)IB/(个·mL-1)TGB/(个·mL-1)颜色气味处理前176.0412.8234.020.1625.0×105>10713.0×106淡黄色腐烂味、臭鸡蛋味处理后15.3105.3023.090.10000清澈透明无明显味道备注返排液处理后7天内无明显颜色和气味。

4　结 论

(1) 页岩气压裂返排液中含有大量的有害物质，且水质差异较大，影响其回用的主要因素是细菌、悬浮物和高价金属离子的含量。

(2) 采用杀菌剂灭菌、絮凝沉降悬浮物、化学沉淀高价金属离子以及过滤絮体和沉淀为主的压裂返排液处理方法适合页岩气压裂返排液回用处理，处理后的返排液水质满足NB/T 14002.3-2015中压裂返排液回用水质指标要求。

(3) 开发了页岩气压裂返排液回收处理装置，实现了处理工艺单元化、处理设备撬装化，并在威204井区集气站进行了压裂返排液回用处理现场试验，处理后的液体清澈透明，用于威204H4平台施工，液体性能稳定。

[1] 熊颖， 刘友权， 陈鹏飞， 等. 大规模增产作业中液体的回用技术探讨[J]. 石油与天然气化工， 2014， 43(1): 53-57.

[2] 刘友权， 陈鹏飞， 吴文刚， 等. 加砂压裂用滑溜水压裂返排液重复利用技术[J]. 石油与天然气化工， 2013， 42(5): 492-495.

[3] 夏玉强. Marcellus页岩气开采的水资源挑战与环境影响[J]. 科技导报， 2010， 28(18): 103-108.

Recycling disposal technology and application of shale gas fracturing flowback fluid in Changning-Weiyuan area

Xiong Ying1, Liu Yuzhou2, Liu Youquan1, Wu Wengang1, Dai Yun3, Chen Nan1

(1.ResearchInstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,Chengdu610213,China; 2.UnconventionalOilandGasDevelopmentBusinessUnit,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,Chengdu610000,China; 3.SichuanChangningGasDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610000,China)

Based on the problems of disposal difficult for fracturing flowback fluid and lack of match fluid water in Changning-Weiyuan area, this paper analyzed the main component of shale gas fracturing fluid flowback, and determined the key influence factors for the flowback fluid recycle. The key influence factors include bacteria concentration, suspended solids concentration and high priced metal ions concentration, etc. The recycling disposal method and skid treatment device of fracturing fluid flowback were developed by sterilization, flocculation settlement suspended solids, chemical precipitation high metal ions, filtering flocs and precipitation, etc. The device was successfully used in W204 well region. The liquid after treatment was clear and transparent, and the water quality meets the industry standard. Then the liquid was successfully used for the construction of W204H4 platform well, and the construction performance was stable. Therefore, energy conservation and emission reduction has been achieved.

shale gas, flowback fluid, fracturing, recycling, disposal technology

中国石油天然气股份有限公司勘探与生产分公司项目“非常规气藏多层多段压裂技术攻关及现场试验”；“南方海相典型区块页岩气开发理论与技术适应性研究”(2013CB228006)。

熊颖(1981-)，高级工程师，博士，2009年毕业于西南石油大学。现就职于中国石油西南油气田公司天然气研究院，主要从事油气田开发方面的工作液(剂)研究工作。E-mail：xiong＿y@petrochina.com.cn

TE357.1

ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.012

2015-12-20；编辑：冯学军