頁巖氣壓裂返排液處理技術(shù)研究進(jìn)展

頁巖氣壓裂返排液處理技術(shù)研究進(jìn)展

美國的巖漿巖的大規(guī)模商業(yè)開發(fā)改寫了美國的能源領(lǐng)土，促進(jìn)了相關(guān)行業(yè)的恢復(fù)，但長期以來一直在討論環(huán)境。水力壓裂技術(shù)是目前頁巖氣開發(fā)依靠的主要儲層改造手段。根據(jù)美國環(huán)保署的統(tǒng)計,單口頁巖氣水平井耗水量一般在7600~19000m3,壓裂作業(yè)完成后有15%~80%返排液排至地面。壓裂返排液由于曾與地層接觸,往往有含量較高的金屬離子、有機(jī)質(zhì)和氯根等污染物,如處置不當(dāng),則存在環(huán)境污染風(fēng)險?？梢哉f,如何減少水資源消耗量、合理處置頁巖氣開發(fā)中產(chǎn)生的大量返排液已成為頁巖氣規(guī)?；_發(fā)的瓶頸問題之一。為此,筆者系統(tǒng)整理了美國在頁巖氣開發(fā)過程中積累的水和廢水管理經(jīng)驗,并提出了符合我國實際的壓裂返排液處理技術(shù)研究框架,以期為保證我國頁巖氣可持續(xù)開發(fā)提供理論和現(xiàn)實參考。1樣品采集情形嚴(yán)格意義上講,水力壓裂施工完成后,返排到地面的液體包括返排液和采出水。由于頁巖層幾乎不含水,與傳統(tǒng)油氣和煤層氣不同,頁巖氣壓裂返排液和采出水的定義主要從階段和時間上來加以區(qū)別。在施工中,“返排液”有時指完井階段產(chǎn)生的廢水,其處理處置成本作為完井成本的一部分;也有公司定義為返排后30天內(nèi)收集到的液體。為便于討論,本文在此將返排液和產(chǎn)出水都統(tǒng)稱為返排液。1.1總?cè)芙夤腆w含量隨著返排時間的延長,累積返排液量不斷增加,返排液中總?cè)芙夤腆w、氯根、一些金屬離子(總鈣、總鎂、總鋇、總鍶等)的含量也不斷增高;尤其是在產(chǎn)出水階段,由于與地層接觸時間長,返排液中總?cè)芙夤腆w含量往往超過10×104mg/L,同時也含有相對較高量的金屬離子和有機(jī)物等。表1列出了美國Marcellus頁巖區(qū)和Barnett頁巖區(qū)返排液的主要水質(zhì)指標(biāo)。從表1中可以看出,頁巖氣壓裂返排液具有懸浮物多、總?cè)芙夤腆w含量高和成分復(fù)雜等特點。但不同頁巖區(qū)由于地質(zhì)條件差異等原因在某些水質(zhì)指標(biāo)上可能存在著較大差別:比如較之于Barnett頁巖區(qū),Marcellus頁巖區(qū)的壓裂返排液中具有較高的總鋇含量、總鍶含量,較低的硫酸鹽含量和較高的總?cè)芙夤腆w含量等。從每一項水質(zhì)指標(biāo)的波動幅度來看,即便是在同一頁巖區(qū),不同氣井的壓裂返排液也存在著一定的差別。1.2壓裂返排液管理美國頁巖氣壓裂返排液的處置主要包括以下幾種方式。1)深井灌注。同石油和天然氣開發(fā)過程中產(chǎn)生的伴生水一樣,頁巖氣壓裂返排液可通過深井灌注進(jìn)行處置。按照美國環(huán)保署的要求,能夠接納上述廢水的為第二類灌注井。相關(guān)法律對灌注井的選址、施工、運(yùn)行以及法律責(zé)任等均有非常系統(tǒng)和明確的規(guī)定。截至2008年底,得克薩斯州共有11000口經(jīng)過美國環(huán)保署批準(zhǔn)的第二類灌注井,從數(shù)量上略多于產(chǎn)氣井,為Barnett區(qū)塊頁巖氣開發(fā)產(chǎn)生的返排液提供了處置去向;相反,整個賓夕法尼亞州僅有7口符合要求的灌注井,運(yùn)送到外州的費(fèi)用提高了Marcellus頁巖區(qū)壓裂返排液的灌注成本,相關(guān)油氣開發(fā)公司不得不尋找其他的返排液處置方案。2)市政污水處理廠處理后外排。根據(jù)Lutz等人的統(tǒng)計,2008年在Marcellus頁巖區(qū)共有超過40×104m3的氣田廢水(以壓裂返排液為主)經(jīng)市政污水處理廠處理后外排。由于市政污水處理廠工藝流程對水中總?cè)芙夤腆w幾乎沒有去除效果,Monongahela流域部分地表水體曾短暫監(jiān)測出高鹽分,賓夕法尼亞州因而采取了更加嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)和管理要求。因此,從2011年開始,Marcellus頁巖區(qū)的市政污水處理廠不再接受頁巖氣壓裂返排液。3)現(xiàn)場或中心建廠處理后回用。研究結(jié)果顯示,隨著Marcellus頁巖區(qū)開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大和環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格,返排液回用比例從2008年的不到10%上升到2011年的70%以上。該區(qū)域主要的油氣開發(fā)公司比如RangeResources、Anadarko、AtlasEnergy和ChesapeakeEnergy等均以全部回用作為目標(biāo)。以RangeResources公司為例,早在2009年,該公司使用的約60×104m3壓裂液中就有28%為回用的返排液,17%以上的頁巖氣井壓裂施工中進(jìn)行了返排液回用,包括25口高產(chǎn)井中的近一半,此間并沒有出現(xiàn)影響產(chǎn)氣效果的情況。4)現(xiàn)場或中心建廠處理后外排。針對多次回用后水質(zhì)不再適合繼續(xù)回用的返排液,或者因為現(xiàn)實原因回用成本較高的情況,現(xiàn)有的水處理服務(wù)技術(shù)能夠達(dá)到外排標(biāo)準(zhǔn)要求。目前也有研究進(jìn)行“零排放”處理技術(shù)的嘗試,并回收氯化鈉等副產(chǎn)品。通過對美國頁巖氣壓裂返排液管理現(xiàn)狀的梳理可知,返排液管理技術(shù)路線建立在對政策法規(guī)、水質(zhì)特點、地質(zhì)條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、開發(fā)現(xiàn)狀等因素的系統(tǒng)分析和綜合評估上。圖1整理了壓裂返排液的可能處置途徑,返排液管理技術(shù)路線就是根據(jù)實際情況對①~⑥種途徑進(jìn)行合理選擇和設(shè)計。2大量深井灌注頁巖氣井壓裂施工后早期返排的主要并非地質(zhì)構(gòu)造中的地層水,大量深井灌注意味著生物圈可利用水資源的損失。經(jīng)濟(jì)有效的返排液處理回用技術(shù)不僅可以減少水資源損失帶來的區(qū)域性影響,而且還可以節(jié)省油氣公司的運(yùn)營成本,實現(xiàn)企業(yè)和社會的共贏。2.1壓裂液體系及化學(xué)添加劑的影響壓裂返排液中往往含有一系列影響回用的成分,其主要技術(shù)障礙是化學(xué)添加劑(比如減阻劑、交聯(lián)劑等)效果、化學(xué)結(jié)垢、微生物活動、地層傷害等。對于水力壓裂配液的最低水質(zhì)要求目前還存有爭議,其主要爭議來自于壓裂液體系和采用化學(xué)添加劑的不同。對于滑溜水體系,返排液中的氯離子、金屬離子(如鈣、鎂、鐵等)等對減阻劑效果存在影響,所采用的減阻劑耐鹽耐硬度能力的水平直接決定了一些配液的水質(zhì)要求;交聯(lián)凍膠壓裂由于胍膠交聯(lián)要求配液中金屬離子濃度更低,并且當(dāng)采用硼酸鹽做交聯(lián)劑時還需控制總硼含量和壓裂液堿度等。此外,微生物比如硫酸鹽還原菌的活動不僅會產(chǎn)生生物結(jié)垢,而且可能加劇腐蝕風(fēng)險,在凍膠壓裂中還會消耗胍膠從而影響壓裂液體系的穩(wěn)定性。因此,返排液回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)必須緊密結(jié)合生產(chǎn)中壓裂液體系來確定,其中研發(fā)耐鹽耐硬度的減阻劑是返排液回用技術(shù)的重要組成部分。2.2高效再生水處理系統(tǒng)返排液處理回用技術(shù)取決于返排液水質(zhì)、水量特點和壓裂液配液水質(zhì)要求。Halldorson總結(jié)了在Marcellus頁巖區(qū)的實踐情況,在井場現(xiàn)場處理回用的情況下,一般需去除總懸浮顆粒,建議化學(xué)沉淀去除總鋇含量和總鍶含量,然后與清水混合稀釋配液即可滿足壓裂作業(yè)要求。目前商業(yè)化比較成熟的技術(shù)裝置有哈里伯頓公司開發(fā)的移動式CleanWaveTM水處理系統(tǒng),采用水質(zhì)調(diào)節(jié)—電絮凝工藝—精細(xì)過濾等工藝流程,處理流量可達(dá)4m3/min,可去除99%的總懸浮固體和99%的總鐵,適應(yīng)總?cè)芙夤腆w含量在100~300000mg/L的進(jìn)水水質(zhì)。與該公司CleanStreamTM紫外殺菌工藝設(shè)備聯(lián)用,可形成頁巖氣壓裂返排液處理回用的全套技術(shù)解決方案,已在Haynesville頁巖區(qū)等進(jìn)行了工程應(yīng)用并在其他非常規(guī)天然氣領(lǐng)域得到了推廣使用。Veolia公司提供的Multiflo技術(shù)可同時完成懸浮顆粒去除和化學(xué)軟化,處理流量可達(dá)4.5m3/min,出水硬度小于20mg/L,濁度小于10NTU,符合大多數(shù)處理回用的實際需求,是Marcellus等頁巖區(qū)壓裂返排液處理服務(wù)的主要提供商之一。北美的工業(yè)實踐表明,廢水處理技術(shù)工藝是系統(tǒng)成熟的,返排液處理回用的關(guān)鍵在于結(jié)合實際合理選擇經(jīng)濟(jì)有效、占地面積小、可移動式、處理速度快的工藝流程和技術(shù)。3機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)蒸發(fā)mvr返排液處理外排的主要技術(shù)難點在于脫鹽工藝。一般來說,脫鹽處理的難度和成本隨著總?cè)芙夤腆w含量(TDS)含量的增加而增加。反滲透工藝是一種廣泛用于高純工業(yè)用水制備和海水淡化等的脫鹽技術(shù),也在壓裂返排液脫鹽處理中得到了商業(yè)化應(yīng)用。但是,由于膜面結(jié)垢等因素,反滲透技術(shù)(ReverseOsmosis,簡稱為RO)在當(dāng)進(jìn)水TDS高于40000mg/L時的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較差。經(jīng)過長期的工藝比選,當(dāng)TDS含量在4×104~10×104mg/L時,機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)(MechanicalVaporRecompression,簡稱為MVR)脫鹽工藝表現(xiàn)出了較好的處理效果和穩(wěn)定性。該技術(shù)將需要冷凝的二次蒸汽通過壓縮機(jī)壓縮再次利用以替代新鮮蒸汽作加熱源,回收了潛熱,提高了熱利用效率,降低了蒸發(fā)成本。此外,該工藝不需另設(shè)冷卻塔,減少了占地面積,能進(jìn)行橇裝式運(yùn)行;與結(jié)晶器聯(lián)用時能做到液體零排放,并回收氯化鈉以節(jié)省工藝成本。美國Aquapure公司的NOMAD2000蒸發(fā)裝置使用該項技術(shù),已在一些壓裂液處理工程中推廣應(yīng)用,提供同類型產(chǎn)品的還有GEWater&Process、Aquatech等公司。此外,低能耗、高效率的正滲透膜(ForwardOsmosis,簡稱為FO)技術(shù)正越來越得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視,北美已有研究開始探索其應(yīng)用于頁巖氣后期返排液脫鹽處理的可行性;膜蒸餾技術(shù)(MembraneDistillation,簡稱為MD)作為近十年來迅速發(fā)展的一種新型高效膜分離技術(shù),應(yīng)用于TDS含量超過12×104mg/L的高鹽水脫鹽處理時被認(rèn)為具有顯著優(yōu)勢,但目前尚未見到工程應(yīng)用報道。4頁巖分離和壓裂返排液處理技術(shù)方案建議我國政府于2012年發(fā)布《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2011—2015年)》,批準(zhǔn)成立“四川長寧—威遠(yuǎn)國家級頁巖氣示范區(qū)”和“滇黔北昭通國家級頁巖氣示范區(qū)”,計劃2015年頁巖氣產(chǎn)量將達(dá)到65×108m3,初步實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。頁巖氣的開發(fā)形勢要求我們必須盡快形成符合我國實際的壓裂返排液管理技術(shù)方案。為保證頁巖氣可持續(xù)開發(fā),在借鑒國外相關(guān)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,建議著重開展以下幾個方面的工作。1)完善頁巖氣壓裂返排液深井灌注技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,保障深井灌注處置返排液的安全性。2)開展頁巖氣壓裂返排液處理回用技術(shù)研究,減少水資源消耗量和廢水產(chǎn)生量,重點是研發(fā)耐鹽耐硬度壓裂液體系