蘇里格氣田壓裂液循環(huán)利用技術研究與應用

呂　楊，程海波，趙小兵，楊　洋，徐　軍，侯　瑞，趙一博

（1.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安　710021；2.中國石油長慶油田分公司安全環(huán)保監(jiān)督部，陜西西安　710021；3.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川　750006）

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蘇里格氣田壓裂液循環(huán)利用技術研究與應用

呂楊1，程海波2，趙小兵2，楊洋3，徐軍1，侯瑞1，趙一博1

（1.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安710021；2.中國石油長慶油田分公司安全環(huán)保監(jiān)督部，陜西西安710021；3.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

摘要：過去氣田使用的壓裂液都是一次性壓裂返排，返排液中稠化劑大分子鏈已深度降解，不能重復利用，這些壓裂返排液的大量排放已成為不容忽視的污染源。為此，通過研發(fā)可回收壓裂液體系、配套返排液處理標準和建立現(xiàn)場回收處理流程等技術手段，初步形成了適合蘇里格氣田特點的壓裂液循環(huán)利用和處理方法：（1）針對井間壓裂液回收再利用，形成了以EM50/50S、生物膠可回收壓裂液體系為核心的高效井間壓裂返排液循環(huán)再利用技術，解決了常規(guī)胍膠壓裂液體系處理效率低的難題；（2）針對井場末端液體回收處理，形成了以“混凝沉淀+過濾殺菌+污泥脫水”為主體的壓裂返排液精細回收處理技術。壓裂液循環(huán)利用促進了節(jié)能減排工藝技術的進步。

關鍵詞：環(huán)保壓裂施工；返排液；循環(huán)利用；可回收壓裂液

1　技術背景及總體思路

隨著開發(fā)的深入，蘇里格氣田產(chǎn)量不斷攀升。水平井改造、體積壓裂工藝、混合壓裂方式、工廠化作業(yè)等規(guī)模推廣應用。通過對蘇里格氣田歷年壓裂返排液排放量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：平均每年要產(chǎn)生11.9×104m3返排液，其中大部分為胍膠，返排液中稠化劑大分子鏈已深度降解，不能重復利用。

圖1　壓裂返排液回收利用處理流程示意圖

壓裂返排液處理立足于循環(huán)利用（見圖1），通過液體體系、設備及工藝流程等多專業(yè)的聯(lián)合攻關，形成井場最終壓裂返排液減量化、資源化的方法［1-4］。這種方法主要由井間壓裂液回收再利用和末端液體集中處理兩種策略組成：（1）井間壓裂液回收再利用，通過集成聚合物和表面活性劑壓裂液優(yōu)勢，分子改性，開發(fā)EM50/ 50S壓裂液；以及通過對蔗糖進行微生物發(fā)酵而得的生物膠壓裂液。并配套處理工藝，在井組內(nèi)或鄰近井組間進行壓裂返排液的回收再利用；（2）末端液體集中處理，井場壓裂末端液體拉運至集中處理點，經(jīng)處理達到排放標準［5］。

2　液體體系及利用情況

2.1EM50/50S壓裂液體系

蘇里格氣田壓裂改造主要采用胍膠壓裂液，該體系的回收再利用存在著植物膠易腐敗、回收效率低、處理流程復雜等難題。為了降低處理難度、提高回收效率，研發(fā)形成了以新型多效表面活性聚合物為主劑的壓裂液體系，這種體系是在高分子聚合物壓裂液體系分子的分子鏈上引入了2～3種活性基團，利用分子結構中多種高分子鏈產(chǎn)生的分子間作用力形成可逆變化分子聚集體。

通過集成聚合物和表面活性劑壓裂液的優(yōu)勢，優(yōu)化反應過程中的反應時間、溫度、pH值等條件參數(shù)，合成了EM50/50S可回收壓裂液體系。該分子結構具有如下特點：（1）長碳鏈，提高了降阻性能；（2）主鏈采用不飽和有機羧酸，實現(xiàn)了低成本；（3）引入非離子表面活性基團，提高了返排性能，實現(xiàn)了非交聯(lián)攜砂和重復利用；（4）親水基數(shù)目多，提高了水溶性。這種水溶表活性聚合物具有良好的彈性，保證壓裂液體系的低摩阻施工。

2.1.1攜砂性能常規(guī)井、水平井壓裂平均砂濃度在280 kg/m3～300 kg/m3，最高砂濃度能達到500 kg/m3左右，常規(guī)井施工排量平均在3.5m3/min～4m3/min，可以滿足攜砂要求。

2.1.2返排性能EM50壓裂液破膠液具有較低的表面張力，平均25.940 mN/m（清水25.667 mN/m），具有優(yōu)良的返排能力，在無伴注液氮條件下實現(xiàn)壓后快速返排（見表1）。

表1　不同壓裂液體系表面張力對比表

2.1.3巖心傷害評價EM50可回收壓裂液體系是一種低傷害壓裂液體系，巖心平均傷害率11.48%，大大低于常規(guī)壓裂液的巖心傷害率（35%～55%），壓裂液多次反復利用后的巖心傷害率也低于15%，表現(xiàn)出良好的儲層適應性（見表2，圖2）。

表2　體系巖心傷害評價表

圖2　體系多次重復利用巖心傷害評價結果

2.1.4流變性能評價體系返排回收液配制的壓裂液流變性能與清水配制壓裂液的流變性能基本一致，液體重復使用性能穩(wěn)定（見圖3）。

圖3　體系多次重復利用的流變曲線

2.2生物膠壓裂液體系

生物膠壓裂液核心為生物稠化劑，是一種微生物多糖活性制劑，通過微生物菌種發(fā)酵而得，與水混合時分子間相互作用的同時又與游離在周圍的水分子發(fā)生締合作用，形成良好膠體，該壓裂液配液工藝簡單，可直接與水混合進行交聯(lián)，無需連續(xù)混配設備。

同時生物破膠劑是一種生物酶制劑，是通過對常規(guī)生物酶進行基因重組、誘導、擴增等特殊技術改造，改變生物酶氧化原理。實現(xiàn)了不破壞稠化劑交聯(lián)結構即可破膠的目的，保證破膠液的再次成膠反復使用。

2.2.1攜砂性能施工排量一般在3m3/min左右，單井平均砂濃度320 kg/m3，最高砂濃度能達到540 kg/m3左右。

2.2.2返排性能、傷害評價（見表3）。

表3　返排液性能及傷害評價

2.2.3流變性能評價體系返排回收液配制的壓裂液流變性能與清水配制壓裂液的流變性能基本一致，液體重復使用性能穩(wěn)定（見圖4、圖5）。

圖4　體系返排液配制壓裂液的流變曲線

圖5　清水配制壓裂液的流變曲線

2.3井間壓裂返排液再利用

2.3.1回收工藝由于壓裂液體系的循環(huán)利用性，能簡化返排液回收處理流程，即簡易過濾去除支撐劑和巖屑等大顆粒懸浮物后，根據(jù)現(xiàn)場檢測結果補充適量稠化劑即可重復利用，提高返排液處理速度，減少了處理工序。

氣井返排分不含天然氣液體返排、混氣液體返排和混液氣體返排等3個階段，考慮叢式井連續(xù)高效施工和返排液安全、高效回收的要求，回收前兩個階段的返排液，混液氣體返排階段在燃燒沉砂池點火后繼續(xù)排液。

2.3.2回收標準結合液體體系特點，從提高返排液回收再利用率的角度出發(fā)，在不影響壓裂液性能及增加地層傷害的前提下，針對新型可回收壓裂液體系，確定了以總懸浮顆粒物含量為主要控制指標的壓裂返排液再利用水質處理標準（見表4）。與常規(guī)胍膠回收處理相比，該體系的再利用水質處理標準較為寬泛，現(xiàn)場操作性與適應性好。

表4　返排液再利用水質處理標準

新型可回收壓裂液體系的井間返排液回收再利用作業(yè)具有處理工序簡單、效率高、操作區(qū)域占用井場面積小、可操作性強等特點，該體系在蘇里格氣田已替代常規(guī)胍膠壓裂液，全面提高井組壓裂返排液的再利用率。

2015年施工的所有井都實現(xiàn)了返排液不落地，32口常規(guī)井利用了EM50壓裂返排液，利用量達到4 825m3，最高利用率達到100%，平均利用率達到60%。6口常規(guī)井利用了生物膠壓裂返排液，利用量達到1 960m3，最高利用率達到90%，平均利用率達到66%；4口水平井利用了EM50壓裂返排液，利用量達到3 025m3，最高利用率達到70%，平均利用率達到50%。1口水平井利用了EM50S壓裂返排液，利用量達到2 000m3，利用率達到95%。

2.4末端壓裂返排液集中處理

2.4.1處理標準壓裂返排液成分復雜，通過與配液清水的水質對比分析表明，壓裂返排液中各主要水樣測試指標均有大幅提高。根據(jù)行業(yè)污水回注標準，結合返排液檢測結果，確定了以總懸浮顆粒物含量和細菌含量為主要控制指標的處理方法（見表5）。

表5　蘇里格氣田壓裂回注水水質處理要求

2.4.2處理工藝根據(jù)壓裂返排液水質特點及現(xiàn)場再利用要求，研發(fā)出壓裂返排液處理裝置，主要處理工藝為“混凝沉淀+污泥脫水+過濾殺菌”（見圖6）。

圖6　末端壓裂返排液集中處理工藝示意圖

壓裂返排液處理裝置主要功能模塊有：（1）混凝沉淀，將初步沉砂后的返排液，經(jīng)提升泵送入處理罐，在罐中加入混凝劑和離子沉淀劑與壓裂返排液充分混合反應，使懸浮態(tài)固相物質、鈣鎂離子聚集成絮體沉淀，實現(xiàn)初步固液分離。（2）過濾，將混凝沉淀后上清液通過兩級濾袋過濾器進行過濾，將混凝沉淀后水中殘余的固相微粒最大程度分離。（3）殺菌，對過濾后的液體利用紫外光波進行殺菌處理，減少處理液中細菌和微生物的含量。（4）離心脫水，將混凝沉淀產(chǎn)生的絮體污泥進行高速濃縮脫水，處理后固廢存放至固廢儲存箱。

壓裂返排液處理前后水質檢驗表明（見表6）：通過該工藝處理后的液體滿足蘇里格氣田回注水質標準要求。

表6　壓裂返排液處理前后水質指標對比

3　下步重點工作

（1）對生物膠可回收壓裂液體系繼續(xù)開展評價試驗，完善第三方室內(nèi)評價，并進一步降低液體成本。

（2）在水平井水力噴射壓裂工藝中擴大EM50S高抗剪切可回收壓裂液體系試驗。

（3）積極與油氣工藝研究院對接合作，加大末端壓裂返排液集中處理工藝試驗，完善相關配套設施。

參考文獻：

［1］周佩，劉寧，董俊，等.水平井壓裂返排液循環(huán)利用技術研究［J］.油氣田環(huán)境保護，2015，25（5）：46-48.

［2］張菅.壓裂液重復利用技術研究［D］.西安石油大學，2012.

［3］張成娟，武麗萍，趙健，等.壓裂返排液重復利用技術在南翼山油田的應用［J］.石油知識，2015，（6）：57-59.

［4］嚴志虎，戴彩麗，趙明偉，等.壓裂返排液處理技術研究與應用進展［J］.油田化學，2015，32（3）：444-448.

［5］王敏生，光新軍.頁巖氣“井工廠”開發(fā)關鍵技術［J］.鉆采工藝，2013，36（5）：1-4.

中圖分類號：TE357.12

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）06-0087-04

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.06.022

*收稿日期：2016-05-16