生产管理知识_非常规天然气生产过程压裂水处理技术

非常规天然气生产过程压裂水处理技术 JohnCrittendenPaulSunDuoLi美国佐治亚理工学院北京科瑞多环保科技有限公司 目录 致密气 水力压裂的介绍返排水 产出水的特点返排水 产出水处理工艺研究返排水 产出水一级处理工艺返排水 产出水二级处理工艺返排水 产出水三级处理工艺和零排放技术总结 Fracturing 天然气的地质结构示意图 传统非伴生天然气 地表 砂岩 密闭圈 致密砂岩气 煤层气 石油 传统的伴生天然气 富含天然气的页岩 压裂 页岩气盆地 泥盆系 密西西比系页岩通道 水力压裂作业需要大量卡车装载水 而每个井口需要上万立方的水 压裂设备带到现场压裂化学品和压裂液带到现场生产油管穿孔阶段性压裂 通常每个井压裂8到20次 酸处理高压注入混有支撑剂的凝胶或者润滑压裂水分段压裂重复上述过程完成多段压裂压裂完成后打开钻塞压裂液返排开始产气 压裂过程 基质渗透率增加 常规天然气 毫达西范围 大于1毫达西 不同的流体类型不同的岩石类型复合天然气 毫达西范围 小于等于1毫达西 高陶氏点的逆行天然气砂岩致密天然气 微达西范围贫气 富气砂岩页岩气 纳米达西范围贫气 富气页岩 类型I IV 煤层气通过断层收集贫气煤 针对压裂液的技术支持作为NaborsCompletion ProductionServicesCo 的重要客户 我们的项目包括对水的所有必要检测 压裂液使用前的分析后续返排液研究产品和矿井内的水质分析综合处理技术污染修复和治理技术咨询岩心流体分析压裂液配方适应性摩擦循环检验研究地球化学模型的设计分析微生物检测和杀菌剂效果综合性研究接下来我们将详细阐述这一系列服务的价值 我们的宗旨是为了给您提供设计压裂液所必须的水质信息 从而保障安全高效的压裂作业 并且提供适合的压裂液配方以提高气井初始产量 我们拥有详尽的实验室手册和白皮书以保证整个过程水质质量 实现中水的回收利用 如果您想更多了解我们 我们愿为您提供更具体的资料和面对面的介绍 返排液 产出水水质 压裂液使用前的水质分析确保压裂过程中的水质各种阴阳离子的具体分析微生物检测规模控制计算根据客户的需要量身订做 压裂液使用前的水质分析 返排液vs 产出水 水量 桶 天 时间 注入压裂液水量曲线 每个井口量可达10万桶 压裂液 产出水 数天到数周 区分产出水和返排液 10 到30 的压裂液 主要是从操作的角度 而不是技术层面 返排液 大部分压裂液 地层水 井的使用寿命 产出水 少量压裂水 地层水 返排液和产出水的比较 天然气田的总水平衡 某种程度上取决于钻井的进度 钻探停止之后不再考虑产出水的循环利用 必须处理排放掉 钻探计划的中断也会产生不平衡 总的进水量 桶 天 总的回收和处理的水 桶 天 返排液 产出水的组成 返排液 产出水由返排的压裂水 地层水 冷凝水组成 压裂返排液含有化学物质及其分解产物 地层水总盐度 TDS 较高 主要是氯化钠和其他各种阳离子 钙 镁 钡 锶 组成 返排液 产出水还含有油滴 硫化亚铁 腐蚀产物 沙子和其他颗粒物 有机物和无机物浓度随时间的推移变化显著 所以提高水流量与组分变化的稳定性是非常必要的 处理系统的设计应灵活适应流量变化 压裂返排水中化学残留物不适合通过传统的污水处理技术进行处理 传统的污水处理工艺处理非常规天然气生产中的压裂返排液所生成的乳液和污泥量要高于常规天然气 这很大程度上是由于压裂液中化学残留物浓度高决定的 压裂后的水质分析 后续回流的压裂液水质分析依次采集样品 间隔500桶 提供随时间变化 地层溶解成分的信息探究压裂液循环利用策略 重新混合或者返排液修复 确定符合当地地理和地质环境的压裂液配方 钙离子镁离子锶离子 浓度 ppm 回流量 桶 压裂液添加剂 两大类型 润滑水 凝胶水 浮油 乳化油滴 减阻剂聚合物 多糖凝胶剂 胶体颗粒 高浓度盐水 返排液 产出水组成 两类返排液 高TDS钡 锶浓度高油含量低颗粒物容易沉淀微生物活性低 低TDS钡 锶浓度低油含量高水包油乳液推荐气浮作为一级处理方式有利于微生物生长 地表排放的阈值 宾夕法尼亚州500毫克 升 500 不同天然气田的TDS 压裂液盐度范围 TDS随时间而增加 TDS 毫克 升 水压压裂完成之后的天数 混合 修复 处理流体相溶性研究我们的数据库包含超过1 000份压裂液 返排液和产出水的水质分析结果完备的知识体系为您提供安全回收利用压裂液的工艺和策略保证返排液混合技术或返排液修复处理方案能够实现有效的再次压裂通过数据精确地判断压裂液配方是否合适我们会在压裂作业开始前提供所有相关的数据 岩心流动相分析提供油层产出和治理模拟模拟逼近井下的温度和气压的情况根据实际储气层岩石 提供不同的压裂液配方和水环境 并测量出其渗透性的变化提供包括压裂液的流动 添加剂的消耗和微粒迁移的临界速度信息 摩擦循环研究和确认判断压裂液配方的有效性确认水中减阻剂的活性和相应所减少的马力消耗确定合适的混合比例来优化减阻剂效果确定压裂化学剂的相溶性推荐合理的减阻剂剂量依据实际情况设计压裂液以优化减阻剂的效果 水质 减阻剂量 压裂液成份的选择 混合策略 即时温度评估 地球化学建模依据压裂前后的水质分析结果预测形成水垢的可能性通过分析压裂液和返排液水质 获得其在一定温度和压力下的地理环境信息 PMAC 并通过3D图 如下所示 展示统计结果先进的PMAC水垢模拟硬件复杂的水垢建模软件地球化学模拟装置具体到油井的实际应用控制压裂液中水垢和总铁的含量 BaSO4饱和度 过饱和度 指标 流变学测试在压裂前对当地水源进行凝胶化 稳定性和交叉研究 优化凝胶量 保障压裂液的相溶性进行高温流体的测试 优化压裂化学试剂 开发高性能的压裂液提供用于流体粘度模拟的N K 的数据优化流体破胶剂的性能 全面的微生物研究测量ATP 三磷酸腺苷 蛋白质 用于快速了解微生物浓度统计硫酸盐还原菌 产酸菌和总好氧菌数确定是否需要杀菌依据当地的水质情况进行杀菌效果研究 现场废水处理和回用汇总实验室分析结果 水质分析 治理可行性研究 结垢模拟和微生物研究 提出整个返排和产出水回用方案 或更好的混合比例我们将提供一站式管理方案 包括从收集废水到污泥处理我们将完成所有必须的测试 许可证和文件我们会测试出水的水质 并在减阻循环上检测其性能 返排液 产出水处理工艺 回用作压裂液 处理步骤由压裂液水质要求决定 水质的要求一直不断的变化 见压裂液水质要求的幻灯片 排放到深井 通常一级处理 去除总悬浮颗粒物 聚合物 油 是必要的 深井地层的堵塞和结垢决定了处理技术的要求 地表排放 通常需要将TDS去除或进行三级处理才能满足法规要求 返排液 产出水最终处置 注入深井 返排液 产出水 含砂和化学试剂的水 地层水进入井内 部分压裂液流失到地层中 支撑剂和压裂化学试剂 下一个压裂作业 分解压裂化学试剂 石油 支撑剂和TDS 地表排放 回用标准 低总悬浮颗粒物 低盐度 依据中水的去处设计处理方案 继续进行处理的返排液 产出水 混合稀释供应商提供的压裂液包 水处理综合管理方案 回收利用 回用水质量标准已经不再严格 在一些压裂作业中 TDS的浓度要求已经达到150000mg L 水处理不完全由压裂液水质的要求决定 而是部分由后勤需求决定 两种水回用的管理策略 高级处理后的水 通常经过淡化 可以避免返排液 产出水移动 储存和混合的限制 处理成本很高 但是管理已处理过的水的成本很低 认真处理返排液 产出水并和淡水混合 以达到压裂液标准 混合水中盐的浓度 减阻剂 减阻剂来源 斯伦贝谢水务 重量百分比 盐 ppm 总溶解固体 基于压裂水水质要求处理的案例 硬度 参数 回收 产出水 返排水 标准 出水 回收利用标准 流量 桶 天 细菌数 个 毫升 温度 华氏 钙镁离子 毫克 升 碳酸氢盐 毫克 升 总钙 毫克 升 总镁 毫克 升 总钡 毫克 升 总锶 毫克 升 硬度 毫克 升 碳酸钙 总铁 毫克 升 总磷 毫克 升 总硫 毫克 升 总氯 毫克 升 浊度 毫克 升 井口分离去砂 碳水化合物和硫化物去除 压裂液混合 加入淡水 注入深井 结晶器 固体垃圾填埋场 污泥 污水 污泥 浓盐水 一级处理 三级处理 二级处理 阳离子去除 TDS去除 如果深井容量不够 应当降低注入量 或者 井口出水 零排放治理 当深井有可用空间时直接注入处理 干盐饼 中水回用或者排放 处理要求取决于最终处置要求 高盐度水回用需要特殊处理 返排液 产出水处理分类 一级处理 去除总悬浮颗粒物 油 聚合物和铁 腐蚀产物 处理之后的水直接深井注入 回用或者进行下一步处理 所有产出水都要进行一级处理 二级处理 去除特定的阳离子如钙 镁 钡和锶 满足压裂液的质量要求 这通常涉及到钙 钡 锶碳酸盐的化学沉淀 一些三级处理 反渗透 要求盐的去除 以防止表面结垢 此外 对于零排放处理 盐饼的处理因为含有有毒的氯化钡而变得相当复杂 因此钡离子最好提前处理 三级处理 将盐水分离为淡化中水和更浓的盐水 通常使用反渗透膜 蒸发器或类似设备来实现 回用中水可以回收利用或者排放 而浓盐水可以注入深井或者进入零排放工艺 零液体排放处理 三级处理仅适用于TDS在250000mg L NaCl结晶点 以下的盐水 更浓的浓盐水需要零排放处理 可能的处理要求 一级处理流程 在井口除砂 防止堵塞和磨损分离返排液和产出水铁氧化剂和有机氧化剂分解凝胶和聚合物防止形成稳定的乳状液在罐内实现油和固体的稳定及初步分离化学凝聚 絮凝 重力沉降和气浮过滤处理的复杂性取决于油 聚合物含量 如果油含量低 处理会更简单收集的污水或污泥处理需要选择适当处理量的设备来处理 一级处理 化学氧化剂 大部分长链聚合物分解为小分子化合物 漂白剂二氧化氯Fenton试剂臭氧 产出水氧化 添加无机混凝剂和絮凝剂 重力分离 浮油 污泥 干净的出水 一定剂量的 AlCl3FeCl3 油水混合层 无机混凝剂 重力沉降 添加有机混凝剂和絮凝剂 气浮分离 浮油 乳浊液 干净的出水 无机混凝剂 气浮 井口除砂 液相分离 气浮去除油和固体 混凝絮凝 重力分离 过滤 添加氧化剂 深井 回用 污泥增稠 污泥处理 污泥或者悬浮物 回收油 1 2 3 4 5 一级处理流程图 二级处理 压裂液标准或者三级预处理标准要求去除一些二价阳离子 如钙 镁 钡 锶 通过碳酸盐反应进行阳离子沉淀 类似石灰软化工艺因高含盐量和压裂液化学物质导致沉淀动力学的不确定生成的大量污泥必须进行脱水和处置在某些情况下 如低含油 一级和二次处理的沉淀可以结合如果仅需除去钡和锶 使用硫沉淀可以有利于减少污泥量 二级处理 快速混合池 Na2CO3 反应器 重力沉降池 pH调节池 HCl 过滤池 非强制 污泥池 污泥浓缩 入水 出水 聚合物 污泥回流 待处理的泥饼 水循环 二级处理流程图 三级处理和零排放 三级和零排放处理 将高盐度的产出水排放到环境中是不允许的 脱盐和去离子过程是唯一的处理方式 适用于TDS范围的脱盐过程有限 反渗透蒸发 蒸汽压缩蒸发式 和冷凝水回收结晶蒸发但是没有冷凝水的回收 例如蒸发池 EVRAS 冷却塔型蒸发器 选择和设计这些复杂技术之前需要仔细的评估 三级处理和零排放工艺的适用范围 ZLDrange Evaporator 总溶解固体 EVRAS 冷却塔型蒸发器 反渗透 蒸发器 结晶 零排放范围 水的回收率 高TDS产出水的回收有限 蒸发器和结晶器 压力 真空蒸汽压缩蒸发器可以处理TDS大于250000mg L的产出水TDS的高低取决于NaCl或者其他盐类 比如BaCO3或者BaSO4 蒸发器产生的浓盐水必须处理 注入深井或者用结晶器制成盐饼目前 尚未有用于页岩气产出水处理的结晶器 所有蒸发器中产生的浓盐水通过卡车运到深井处置一个集中式结晶器厂需要大量的资本支出 精细的操作和维护 总结 水处理成本 成本 桶 压裂液Cost bblofFBwatertreated 水质要求 一级 除油 TTS 二级 除阳离子 三级 除TDS 液体零排放 蒸发池 深井 返排液储存 一级处理 钡 锶去除 TDS去除 污泥 污泥 浓盐水 回用中水的处理和使用 淡水混合 过去的压裂地址 未来压裂使用 I 方案1 满足简单回用需求的完整废水处理方案 II 方案2 废水最低要求处理方案 需小心处置处理后的水 返排液的储存 一级处理 污泥 现有中水的处理和使用 淡水混合 特殊的污水传输和储存系统 小心处理 旧的压裂地址 未来的压裂液 二价碳酸盐沉淀的动力学规律不易预测 需要强化传统的碳酸钙软化除水硬度工艺 通过回收反应区的沉降污泥和增加停滞时间 从而弥补较慢的碳酸钡沉淀过程 图5 预测和测量预处理过程中组分浓度 a 生成碳酸盐沉淀 b 溶液中各组分的浓度降低 预测的组分指EQ3 6地理化学代码计算 预测 预测 测量 测量 摩尔百分比 下降百分比 反渗透膜脱盐 Concentrate Freshwater 反渗透膜适用于TDS低于50000mg L的污水需要大量的预处理处理后的中水可作为压裂液重复使用 或出售用于其他用途 也可以达到500mg LTDS排放要求进水将浓缩为浓盐水 进水 酸 阻垢剂 预过滤 供水泵 膜处理 浓盐水 淡水 用于蒸汽压缩的蒸发器和结晶器的工艺流程图 AquatechMoVapTM水处理