實現(xiàn)頁巖氣“綠色”開發(fā)的配套工藝技術(shù)體系

王 強 朱冬昌 夏國勇 曾 光 李小斌 陳 虎 魏 萊 劉雨舟

川渝地區(qū)人口密集、植被豐富、水系豐沛，部分區(qū)域喀斯特地貌屬性導致地表溝壑縱橫，地下溶洞多、暗河多、裂縫多、漏失層多，頁巖氣有利區(qū)域內(nèi)環(huán)境敏感點多，環(huán)境風險管控要求高[1]。頁巖氣開發(fā)建設過程中的廢水（鉆井廢水、壓裂返排液和生活廢水）、廢氣、廢渣（水基巖屑和含油巖屑）、施工噪聲和水土流失等是主要環(huán)境風險源。如何防治這些環(huán)境風險源，確保頁巖氣的“綠色”開發(fā)一直是個重大難題。為此，結(jié)合中石油在長寧—威遠國家級頁巖氣產(chǎn)業(yè)示范區(qū)開發(fā)實踐中形成的系列環(huán)保配套措施，探討了在當前技術(shù)條件下，實現(xiàn)頁巖氣“綠色”開發(fā)的路徑。

1 鉆井清潔生產(chǎn)

鉆井液中添加有堿、羧甲基纖維素鈉鹽（CMC）、聚合物、潤滑劑、磺化褐煤（SMC）、磺甲基化酚醛樹脂（SMP）、抑制劑、硅酸鈉和腐植酸鹽及堵漏劑等。因此，鉆井廢液中不僅含有一定量的油類物質(zhì)、酚類物質(zhì)和硫化物，還有一些可溶性有機小分子和高分子物質(zhì)。針對鉆井廢液（包括鉆井鉆屑）具有色度高（棕褐色—黑褐色）、化學需氧量含量高（1000～70000 mg/L）、pH值高、懸浮固體含量高（1 000～5 000 mg/L）等特點，主要采用4個技術(shù)系統(tǒng)對其進行處理：井場清污分流系統(tǒng)、鉆井液不落地技術(shù)、隨鉆實時處理工藝和巖屑資源化利用技術(shù)。

1.1 清污分流系統(tǒng)

四川盆地多雨，在傳統(tǒng)井場，大量雨水通過污水溝匯入廢水池，不僅增加了廢水處理量，還容易造成廢水池滿溢，環(huán)境風險大。中石油頁巖氣開發(fā)現(xiàn)場對傳統(tǒng)井場的清污分流系統(tǒng)進行了優(yōu)化，取消井場污水溝和廢水池（設置應急池），按功能將井場分為集污區(qū)和清潔區(qū)（圖1）。集污區(qū)采用封閉式圍堰隔離，且上部搭建雨棚，場面降雨水不受污染，雨水匯入井場四周隔油池沉淀，隔油后流入自然水系。統(tǒng)計表明，頁巖氣鉆井平臺雨季廢水產(chǎn)量較傳統(tǒng)井場減少34.8%[2]。

1.2 鉆井液不落地措施

傳統(tǒng)井場中，廢棄物往往在地面溝渠中匯聚至廢水池和巖屑池，不適用于產(chǎn)污量大的頁巖氣平臺井工廠化作業(yè)。因此，中石油的頁巖氣平臺采用了鉆井液不落地措施：利用振動篩、除砂器、除泥器及離心機對收集的巖屑和鉆井液進行固液分離，分離出的鉆井液進行回收循環(huán)利用，將分離出來的巖屑通過螺旋輸送器運送至巖屑中轉(zhuǎn)箱，從而實現(xiàn)鉆井液不落地，確保場面清潔。

1.3 隨鉆實時處理工藝

螺旋輸送器運送巖屑至中轉(zhuǎn)箱后，用叉車將巖屑轉(zhuǎn)運至巖屑攪拌罐或制磚機，對水基巖屑實時處理（圖2）。鉆井過程由于鉆進的層位不同，鉆井液的性能有區(qū)別，產(chǎn)生的廢棄物有害物質(zhì)也存在差異，對不同層位、不同鉆井液產(chǎn)生的廢物做固化處理小樣試驗，根據(jù)合格固化試驗配方進行施工。含油巖屑則用現(xiàn)場甩干裝置初步處理，回收部分油基鉆井液[3]，再進入資源化利用。

圖1 清污分流系統(tǒng)示意圖

圖2 鉆井清潔生產(chǎn)工藝流程圖

1.4 含油巖屑資源化利用技術(shù)

因工程需要（油基鉆井液能較好地保持井壁穩(wěn)定），川渝地區(qū)的頁巖氣井在鉆井過程中，井身結(jié)構(gòu)造斜段及水平段（目的層頁巖段）采用油基鉆井液[4-8]。而氣井的水平段長達1 500 m[9]，單井含油巖屑產(chǎn)量約300 m3，其成分復雜（由油、水、鉆屑、高分子化合物、其他雜質(zhì)等構(gòu)成），難以在環(huán)境中自然降解，存在著較大的環(huán)境隱患。在生產(chǎn)實踐中，一般采用熱解吸附、萃取、燃料漿技術(shù)對其進行處理。

1.4.1 熱解吸附

在絕氧或缺氧環(huán)境中，將含油鉆屑放入處理單元，間接加熱至420～450 ℃（高于白油終餾點，低于裂化溫度）[10]，從而將鉆屑中的水和油類蒸餾出來，再通過冷凝裝置收集蒸氣，分離水和油后，可將油類回收，其工藝流程如圖3所示。

圖3 熱解吸附工藝流程圖

1.4.2 萃取技術(shù)

萃取劑的研制是LRET技術(shù)的核心，其作用原理是吉布斯函數(shù)在表面吸附與脫除過程中的應用。萃取藥劑的設計一般選擇脫附過程中吉布斯自由能變化最為顯著的藥劑體系[11]。針對油基鉆井廢物中的固相物、基油、水等形成的混合體系，脫附過程包括：①藥劑傳遞到固體顆粒的表面；②藥劑擴散滲入固體內(nèi)部和內(nèi)部微孔隙內(nèi)；③溶質(zhì)溶解進入藥劑；④通過固體微孔隙通道中的溶液擴散至固體表面并進一步進入藥劑主體。

1.4.3 燃料漿技術(shù)

根據(jù)含油鉆屑本身的燃值潛力，現(xiàn)場以含油鉆屑為基質(zhì)材料，添加燃料助劑（專利產(chǎn)品），在一定的條件下反應，形成性能穩(wěn)定、適應性強、燃值較高、安全環(huán)保可靠的流體燃料產(chǎn)品。

熱解吸附技術(shù)、萃取技術(shù)處置高效（熱解吸附技術(shù)設計處理能力達到40 t/d、萃取技術(shù)設計處理能力達到150 t/d），油回收率達到98%，處理后巖屑含油率低于1%[12]，但熱解析技術(shù)、萃取技術(shù)設備投資大，使用成本高。燃料漿技術(shù)處理能力超過15 t/d，優(yōu)勢是工藝簡單、處理成本低、處理徹底，燃料漿產(chǎn)品用于制磚輔料，燃渣含油率低于1%。

2 壓裂環(huán)保管理

2.1 優(yōu)選環(huán)保型壓裂液

川渝地區(qū)頁巖氣井采用分段壓裂工藝改造目的層[13]，壓裂液用量大。如單井水平段長1 500 m，分段方案為60～80 m/段，總共分為25段，壓裂液用量約為1 800 m3/段，即45 000 m3/井。為了降低環(huán)保危害，長寧—威遠地區(qū)頁巖氣井分段壓裂中優(yōu)選環(huán)境友好型壓裂液，壓裂液中水和支撐材料（如沙等）占99.51%，添加劑占0.49%，大多添加劑對環(huán)境無毒且廣泛應用于食品衛(wèi)生行業(yè)（表1），從源頭控制了環(huán)境風險。

表1 壓裂液主要添加劑的化學成分及日常用途一覽表

2.2 壓裂液循環(huán)利用

壓裂作業(yè)完成后，壓入地層的水將逐漸返排，返排周期主要分兩個階段：第一個階段是在壓裂作業(yè)完成后試油期間返排的壓裂液，返排時間短，日返排量大；第二階段是生產(chǎn)階段返排出來的壓裂液，返排周期可長達數(shù)年。統(tǒng)計顯示，長寧—威遠國家級頁巖氣產(chǎn)業(yè)示范區(qū)試油期間壓裂液返排率為30%～70%[14]，為12 000～28 000 m3/井。

壓裂返排液進行循環(huán)利用，對于保護生態(tài)環(huán)境和降低生產(chǎn)成本意義重大。長寧—威遠國家級頁巖氣產(chǎn)業(yè)示范區(qū)加強頁巖氣區(qū)塊用水管理，建設壓裂用水管網(wǎng)，強化壓裂用水調(diào)度，提高循環(huán)使用效率，區(qū)塊部分平臺能夠?qū)崿F(xiàn)回用率90%的目標；對不能回用的返排液，交污水處理站處置達標排放或運至回注站回注。

3 其他環(huán)保配套技術(shù)

3.1 配套平臺化作業(yè)實現(xiàn)“井工廠化”

長寧、威遠區(qū)塊頁巖氣井通過平臺進行集中部署，一個平臺平均部署6口井。采用平臺部署有諸多優(yōu)點：①平臺井場比單井更有效利用土地，同井場鉆6口井可節(jié)約用地70%；②工藝流程和設備可以更加優(yōu)化，減少了運行設備和管線；③有利于推行平臺無人值守、中心站管理，實現(xiàn)綠色開發(fā)，低碳發(fā)展；④有利于集中分散的風險，便于管控，可以更好地實現(xiàn)HSE目標。井位部署平臺化是頁巖氣規(guī)?；óa(chǎn)風險集中管控的重要基礎。

3.2 實施油改電降噪音

鉆井工程中常用的動力是柴油發(fā)電機組，柴油機發(fā)電機使用過程中能耗比較高，能量轉(zhuǎn)換率比較低，排出的CO2等溫室氣體污染大氣環(huán)境，且柴油發(fā)電機組噪聲比較大，影響當?shù)鼐用竦纳?。在長寧—威遠國家級頁巖氣產(chǎn)業(yè)示范區(qū)鉆井過程中，若當?shù)仉娋W(wǎng)條件合適，一些鉆井平臺就改用高壓網(wǎng)電進行鉆井，這有利于節(jié)能、降噪，降低鉆井成本，提高鉆井效益。在實施網(wǎng)電改造的過程中，也需要解決兩個方面的問題: ①動力模塊替代，即把原柴油機驅(qū)動替換為電機驅(qū)動； ②網(wǎng)電接入變壓調(diào)整控制。

3.3 推行環(huán)保鉆井工藝

圖4 不同井段鉆井液選用示意圖

鉆井施工中，一開采用聚合物無固相（清水）鉆井液，配合導管封隔漏層（圖4），確保距地面最近的隔水層以上井段地表水不受污染；二開和直井段用水基鉆井液；三開（造斜段和水平段）才采用油基鉆井液[15]。

3.4 制訂全面的環(huán)境評價方案

在頁巖氣建設項目的環(huán)境影響評價中，需要做到的是：①積極介入鉆井井位選址，盡量避開生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)域，減少樹木砍伐、植被破壞；②優(yōu)化壓裂液取水口選址，確保就近原則的同時，不得影響當?shù)厣鷳B(tài)用水；③強化廢水處置管理，回用后按照就近原則選擇廢水處置廠或者回注井，并認真勘察拉運路線，嚴格廢水拉運清單管理；④施工結(jié)束后，嚴格按照復墾方案進行植被恢復、水土保持和土地復耕，實現(xiàn)全過程控制環(huán)保風險。

4 結(jié)束語

為了控制頁巖氣產(chǎn)能建設過程中產(chǎn)生大量的廢水、廢氣、廢渣（特別是含油巖屑）、噪聲、水土流失等環(huán)境風險，中石油在長寧—威遠國家級頁巖氣產(chǎn)業(yè)示范區(qū)開發(fā)實踐中形成了系列環(huán)保配套管理機制和技術(shù)體系：采用井場清污分流系統(tǒng)、鉆井液不落地技術(shù)、隨鉆實時處理工藝和巖屑資源化利用技術(shù)保障鉆井清潔生產(chǎn)；選取優(yōu)選環(huán)保型壓裂液、對壓裂返排液進行循環(huán)利用，從而實現(xiàn)壓裂環(huán)保管理；配套平臺化作業(yè)“井工廠化”、油改電降噪音、推行環(huán)保鉆井工藝、制訂全面的環(huán)評方案進一步降低環(huán)境污染的風險，有效促進了頁巖氣可持續(xù)開發(fā)。為了更好地面對國家生態(tài)文明建設的機遇與挑戰(zhàn)，建議頁巖氣生產(chǎn)企業(yè)加大含油巖屑處理技術(shù)的研究，加強與相關(guān)部門的溝通，努力推動含油巖屑處置國家標準的出臺。同時建議各方加強對頁巖氣井水平段鉆井水基鉆井液技術(shù)的研發(fā)與現(xiàn)場應用，從根本上解決含油鉆屑處理成本高和難度大的問題。

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（修改回稿日期 2018-01-04 編 輯 陳 嵩）

中國石油西南油氣田公司喜迎天然氣勘探開發(fā)黃金時代

2017年中國石油西南油氣田公司（以下簡稱西南油氣田）新增天然氣探明儲量2 248h108m3，實現(xiàn)了儲量連續(xù)14年高峰增長；生產(chǎn)天然氣210h108m3，創(chuàng)造年產(chǎn)量新紀錄。

四川盆地地質(zhì)條件復雜，勘探開發(fā)難度大。西南油氣田統(tǒng)籌管理要素，激發(fā)創(chuàng)新活力，推行技術(shù)人才“雙序列”改革，修訂“科學技術(shù)獎勵辦法”，激發(fā)各類技術(shù)人才干事創(chuàng)業(yè)的熱情。同時，西南油氣田拓展開放空間，借腦引智聚力：2018年1月12日，西南油氣田與中國石油勘探開發(fā)研究院（以下簡稱勘探開發(fā)研究院）聯(lián)合組建四川盆地研究中心，勘探開發(fā)研究院80多名科研人員與西南油氣田科研人員并肩戰(zhàn)斗，攻關(guān)技術(shù)難題；在常規(guī)天然氣勘探開發(fā)領域，西南油氣田正攻關(guān)“長興組—飛仙關(guān)組勘探有利區(qū)帶評價及目標優(yōu)選論證”等5個課題，參加研究單位不乏國內(nèi)知名研究機構(gòu)、“雙一流”高校；為規(guī)模效益開發(fā)深層頁巖氣，西南油氣田籌建四川頁巖氣院士工作站，推進科技攻關(guān)、人才培養(yǎng)的一體化，為國內(nèi)深層頁巖氣開發(fā)闖出一條新路。

為喜迎天然氣勘探開發(fā)黃金時代，西南油氣田2018年度工作會議提出：到2020年，全面建成年產(chǎn)氣300h108m3戰(zhàn)略大氣區(qū)，其中頁巖氣產(chǎn)量達到100h108m3，氣田開發(fā)管理水平國內(nèi)領先；到2035年，天然氣產(chǎn)量達到700h108m3，其中頁巖氣產(chǎn)量達到400h108m3，核心技術(shù)和自主創(chuàng)新能力國內(nèi)領先；21世紀中葉，中石油西南增長極地位更加牢固，年產(chǎn)油氣當量保持5 000h104t以上并穩(wěn)產(chǎn)20年，規(guī)模實力、核心競爭力和創(chuàng)新創(chuàng)效能力保持國內(nèi)領先、達到國際一流。