頁巖氣開發(fā)水系統(tǒng)地面建設(shè)模式與處理關(guān)鍵技術(shù)

朱景義 謝衛(wèi)紅 李冰 王念榕 駱成松 巨龍

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司）

0 引言

天然氣的安全穩(wěn)定供應(yīng)，對(duì)保障國(guó)家能源安全、推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變有著至關(guān)重要的作用。作為我國(guó)天然氣上產(chǎn)的重要領(lǐng)域——頁巖氣，在“十三五”期間產(chǎn)能規(guī)模不斷擴(kuò)大、產(chǎn)量占比不斷提高，頁巖氣開發(fā)進(jìn)入快車道。為適應(yīng)頁巖氣快速發(fā)展的需要，解決水力壓裂和壓裂液返排之間的水量平衡矛盾，地面工程探索出經(jīng)濟(jì)高效的頁巖氣開發(fā)水系統(tǒng)地面建設(shè)模式，研發(fā)了壓裂返排液處理關(guān)鍵技術(shù)，有力地保障了頁巖氣規(guī)模建產(chǎn)。

1 頁巖氣開發(fā)水系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

與常規(guī)氣田不同，頁巖氣開發(fā)需要利用水力壓裂擴(kuò)大采收面積，提高采收率。一般采用平臺(tái)井組，每個(gè)平臺(tái)設(shè)置4～8口水平井，新井完鉆后對(duì)水平段實(shí)施水力壓裂。單井壓裂用水量約5×104m3，每個(gè)平臺(tái)按6口井計(jì)算，則需壓裂用水30×104m3，壓裂用水量巨大。單井壓裂完成后開始返排生產(chǎn)測(cè)試，周期一般45 d，返排液量約為200～500 m3/d，各井返排量差異較大，單井一般初期水量大，之后逐漸減少，全周期單井返排總量為1×104～2×104m3。返排液成分復(fù)雜，含有水力壓裂作業(yè)時(shí)投加的各種化學(xué)藥劑，同時(shí)還含有油、懸浮固體、易結(jié)垢金屬離子和細(xì)菌等，礦化度一般在2×104mg/L以上，返排至地面后處理難度大、處理成本高[1]，存在安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

由此可見，頁巖氣開發(fā)水系統(tǒng)面臨著提供大量水源用于壓裂生產(chǎn)和處置大量壓裂返排液兩大挑戰(zhàn)。水系統(tǒng)地面建設(shè)需要改變壓裂期大量用水和返排生產(chǎn)期大量排水的狀況，解決壓裂用水水量大、用水分散、返排液處置難度大等問題，需要整體考慮開發(fā)建設(shè)周期內(nèi)的水量平衡。

2 頁巖氣開發(fā)水系統(tǒng)地面建設(shè)模式

頁巖氣開發(fā)起步階段，為滿足壓裂用水需求，在每個(gè)鉆井平臺(tái)設(shè)置混凝土蓄水池1座，容積按1 d的壓裂用水量設(shè)計(jì)（3 000～6 000 m3），在臨近河流等地表水源，設(shè)置泵站或通過罐車?yán)\(yùn)取水至蓄水池用于壓裂作業(yè)。在返排生產(chǎn)時(shí)，平臺(tái)蓄水池又用作返排液儲(chǔ)存池，返排液處理后一般回用壓裂、回注或達(dá)標(biāo)外排。

為進(jìn)一步加快開發(fā)速度，部分平臺(tái)蓄水池容積進(jìn)一步擴(kuò)大，大多在1×104m3以上，分兩格設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)各井壓裂和返排的不同需求。總體上，在頁巖氣小規(guī)模開發(fā)的起步階段，水系統(tǒng)地面設(shè)施較為分散，運(yùn)行管理難度大，返排液回用率不高，蓄水池建設(shè)征地難、占地大、費(fèi)用高，安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)大，在轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)后各平臺(tái)池體拆除及恢復(fù)工作量較大。

為降低建設(shè)投資、保證安全環(huán)保、減少臨時(shí)占地，對(duì)水系統(tǒng)地面建設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化簡(jiǎn)化，確定了經(jīng)濟(jì)高效的建設(shè)模式：一是大幅度減小平臺(tái)蓄水池容積，一般控制在500 m3以下，部分井場(chǎng)采用了可搬遷的橇裝化拼裝罐；二是設(shè)置中心處理站，按照開發(fā)方案開展逐年水量平衡，確定中心處理站最優(yōu)建設(shè)規(guī)模，集中設(shè)置返排液儲(chǔ)存和處理設(shè)施，采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、橇裝化設(shè)備和模塊化建設(shè)；三是建設(shè)各平臺(tái)與中心處理站之間的雙向連通集輸水管網(wǎng)，平臺(tái)枝狀串接，管道類型一般為鋼骨架塑料復(fù)合管和柔性復(fù)合管等非金屬管道。

通過中心處理站、連通管道和平臺(tái)小型蓄水池，水系統(tǒng)地面設(shè)施形成了一個(gè)互通互聯(lián)的整體。已建井場(chǎng)的返排液通過池、泵、管轉(zhuǎn)輸至中心處理站進(jìn)行集中處理，處理后再輸送至后續(xù)井場(chǎng)用于新井壓裂，后續(xù)井場(chǎng)的返排液再返輸至中心處理站處理，出水可再次用于遠(yuǎn)期井場(chǎng)壓裂，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，減少返排液回注或外排，提高回用率。

“井場(chǎng)收集、管道輸送、集中處理、回用壓裂”的頁巖氣開發(fā)水系統(tǒng)地面建設(shè)模式，使返排液收集及處理由分散變集中，實(shí)現(xiàn)開發(fā)全周期水量平衡最優(yōu)。可減少占地70%以上，投資節(jié)省40%以上，降低水處理運(yùn)行費(fèi)用20%以上，按10×108m3產(chǎn)能規(guī)模計(jì)算，直接減少壓裂清水用量90×104m3。同時(shí)，集中布置方便了管理運(yùn)行，密閉輸送保障了安全環(huán)保，規(guī)模建站提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。此外，輸水及處理等設(shè)備設(shè)施均實(shí)現(xiàn)橇裝化和模塊化，儲(chǔ)水罐為拼裝結(jié)構(gòu)，有效縮短了建設(shè)施工周期，適應(yīng)了頁巖氣快速建產(chǎn)的需求。

3 返排液處理關(guān)鍵技術(shù)

壓裂返排液出路主要有回用壓裂、回注或外排。為保護(hù)環(huán)境、減少清水使用，返排液應(yīng)盡可能回用于壓裂。返排液回用或回注均有相應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)要求，應(yīng)用的處理工藝及關(guān)鍵技術(shù)也存在不同。

3.1 回用壓裂指標(biāo)及處理技術(shù)

返排液回用壓裂指標(biāo)主要是為滿足壓裂液配制要求，指標(biāo)要求相對(duì)較低，處理難度小于回注或外排。目前壓裂液主要類型有滑溜水、線性膠和酸液，其中滑溜水用量最大，占比超過80%?；锼饕蓽p阻劑、防膨脹劑、助排劑、消泡劑、殺菌劑和水組成，其中減阻劑是核心組分，一般為水溶性聚合物?；锼疁p阻率應(yīng)大于70%。

礦化度、硬度、懸浮固體和細(xì)菌含量等指標(biāo)對(duì)壓裂液性能均有影響[2]。NB/T 14002.3—2015《頁巖氣 儲(chǔ)層改造 第3部分：壓裂返排液回收和處理方法》推薦的回用指標(biāo)為：總礦化度≤2×104mg/L；總硬度≤800 mg/L；總鐵含量≤10 mg/L；懸浮固體含量≤1 000 mg/L；硫酸鹽還原菌（SRB）數(shù)量≤25個(gè)/mL。為減少礦化度影響，目前已研發(fā)出抗鹽型減阻劑，能夠適應(yīng)返排液礦化度≤25×104mg/L[3]。此外，SRB等細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生大量菌膠團(tuán)，引起懸浮固體增加并影響壓裂液性能，此外還會(huì)在井底滋生形成硫化氫，造成井筒及采集氣管道腐蝕，增加處理難度和生產(chǎn)成本，存在嚴(yán)重安全隱患，因此應(yīng)嚴(yán)格控制細(xì)菌指標(biāo)。生產(chǎn)運(yùn)行中，在返排液集輸及處理各節(jié)點(diǎn)提前投加殺菌劑，控制SRB滋生，可起到事半功倍的效果。

回用于壓裂的返排液，處理的主要任務(wù)是除油、除懸浮固體和殺菌。油氣田成熟的采出水沉淀、聚結(jié)、氣浮、過濾、殺菌等處理技術(shù)在原理上均適用于返排液回用壓裂水的處理，但在工藝流程上存在設(shè)備數(shù)量多、占地面積大、處理效率不高、不易橇裝化和不易模塊化等問題。由于返排液量變化大，難以精確預(yù)測(cè)處理規(guī)模，頁巖氣返排液回用處理工藝設(shè)備應(yīng)高效、緊湊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和橇裝化集成，方便根據(jù)返排液量的變化及時(shí)調(diào)整處理能力和根據(jù)開發(fā)部署進(jìn)行搬遷利舊。

謝衛(wèi)紅等人研究發(fā)明了“微渦流側(cè)向流去污除油降垢設(shè)備”[4]，將混合、反應(yīng)、除油、除懸浮固體、去易結(jié)垢離子等功能集于微渦流反應(yīng)器中，提高了處理效率，緩解了結(jié)垢堵塞，減少了設(shè)備占地。按照該技術(shù)設(shè)計(jì)制造的一體化橇裝集成處理裝置，單橇處理能力50 m3/h，占地面積30 m2，應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣返排液的高效處理。

3.2 回注指標(biāo)及處理技術(shù)

在返排和回用無法平衡時(shí)，部分返排液一般采用就近回注的方式處置，回注水質(zhì)應(yīng)滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。SY/T 6596—2016《氣田水注入技術(shù)要求》要求注入水應(yīng)進(jìn)行處理，保證能注入注入層，不同水源混合注入時(shí)應(yīng)確保配伍良好，對(duì)注入層無傷害。

返排液回注處理可選用成熟可靠的橇裝化、模塊化的“沉淀+過濾”“氣浮+過濾”等工藝設(shè)備，在水質(zhì)較好的情況下也可采用一段處理流程以進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝。出水水質(zhì)重點(diǎn)控制油、懸浮固體和硫酸鹽還原菌的含量?；刈⒈每筛鶕?jù)回注壓力、水量要求選擇柱塞泵或離心泵，為減少能耗宜選用高效柱塞泵，并根據(jù)回注量變化情況合理間歇運(yùn)行，提高系統(tǒng)效率。

4 結(jié)論

頁巖氣藏的特性及現(xiàn)階段的技術(shù)水平，決定了頁巖氣規(guī)模開發(fā)必須采用水力壓裂、返排析氣的開發(fā)方式，具有單井壓裂用水量大、返排液量大和返排液成分復(fù)雜的特點(diǎn)，而返排液回用是提高開發(fā)效益、建設(shè)綠色礦山的必由之路。

根據(jù)頁巖氣的開發(fā)特點(diǎn)，水系統(tǒng)探索形成了經(jīng)濟(jì)高效的“井場(chǎng)收集、管道輸送、集中處理、回用壓裂”的地面建設(shè)模式，保障了水量平衡和安全環(huán)保，提高了返排液回用率，有效節(jié)省了建設(shè)投資和運(yùn)行成本，適應(yīng)了頁巖氣快速建產(chǎn)的需求。同時(shí)，根據(jù)返排液回用、回注的水質(zhì)要求，研發(fā)了相應(yīng)的專利技術(shù)及設(shè)備，取得了良好的應(yīng)用效果，助推了頁巖氣開發(fā)的綠色發(fā)展。