原创石油圈01-10 11:16

摘要: 油气运营商一直将水处理“纳入”钻井和生产作业的成本中。但北美页岩气的兴起,让水处理逐渐从“项目费用占有者”转


油气运营商一直将水处理“纳入”钻井和生产作业的成本中。但北美页岩气的兴起,让水处理逐渐从“项目费用占有者”转移到了“项目核心环节”。


来自 | Upstream

编译 | 二丫 影子

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为了能将页岩产量最大化,运营商不惜拿出数百万桶水来压裂水平段越来越长的水平井。


在压裂作业完成后,压裂返排液随着地层采出水一块被返回至地面。这些液体已经被压裂液中的化学物质以及来自储层中的碳氢化合物、化学物质和矿物质所污染。


水密集型压裂提出了两个水资源管理问题。首先,运营商必须确保足够的淡水资源供应,来复配大量的压裂液,实现预定的完井计划。

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“很多开发项目目前都没有处置井所需的管道。”

—Aaron Horn, Fountain Quail 能源公司

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但是他们依然要设法处理这些数以千桶计的返排液和采出水。在实际开发中,出水和水处理往往是同时进行的。


根据2016年美国内政部填海局的报告显示,从现场情况看,从当地土地所有者或市政当局购买水的费用为0.25~1.75$/桶。根据处理技术、水质、最终用途和项目所在地及类型几个方面来看,处理返排液和采出水的成本大约为0.07~1.60$/桶。


逐渐地,相比于废水处理,运营商开始倾向于回注,一次处理便解决了水供应和水处理双重问题,可谓一箭双雕。回注技术通常要求将返排液和采出水处理到可复配压裂液的标准。报告称,根据技术和水源质量的不同,回注处理的费用从0.20~8.50$/桶不等。

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Fountain Quail能源公司在二叠纪盆地的一个废水回注站。地面储存罐(左)用来储存未处理的水;蓄水池(右)用来储存经过设备(中)处理的清水。该套装置每天可处理废水1,5000桶。


在水资源缺乏的地区,回注的作用尤其明显。Fountain Quail公司副总裁Aaron Horn说:“目前,特拉华盆地和二叠纪盆地正在进行大量的回注作业。这两个地区都是非常干燥的,另外还有一些没有处置井所需管道的其他地区,也在进行回注作业。”


对于处理系统基础设施较少的区域,回注也极具吸引力。例如,美国东部的Marcellus和Utica页岩,他们使用的几乎所有压裂液都是用处理后的返排液和采出水重新复配而成的。


哈巴增产部全球业务发展和营销经理Renee LeBas表示,“对于采出水应用的成本,必须从物流、化学品加工,以及处理成本等多个方面去考虑和分析。其中一个部分便是处置井的可用性,即从采出水井到处置井之间的距离。这其中有许多非常具体的因素,是个十分复杂的构成。”


还有第三种选择,即地面处理。这种处理方式需要使用技术难度高且成本昂贵的热处理方法,使被处理的废水达到所需纯度水平。


因此,将排出水进行再利用往往是经济环保的最佳选择。Horn表示,“Marcellus页岩地区的水资源运输和处理可能会导致运营商的成本提高13$/桶。如果运营商不能打破这种平衡,或者就说不能通过回注的方式节省资金,那么他们不会平白无故这么做的。”


据2016年Navigant研究报告显示,随着油气行业最求大规模天然气储量和监管压力的增加,预计到2025年,压裂返排液和采出水的处理和回注利润将达到38亿美元。

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处理方案


要想让水在压裂液配方中能够重复利用,那么就必须将返排液和采出水中的主要污染物除掉,包括悬浮颗粒和重金属离子等。另外,水处理还必须除去废液中的油,并对整个系统中细菌的含量加以控制。


通常来说,水处理方案包括热处理、物理过滤和化学处理三部分。其中,热处理比较复杂,且处理成本很高,并且只有在较低的流体流速下才能实施。


一般情况下,物理过滤包括两种技术:颗粒过滤,可除去大约0.5μm的固体颗粒;反渗透膜过滤,这种过滤中的水需通过高压过滤器。过滤膜上的小孔可除去所有固体和离子。反渗透还可除去氯化物,但也只能除去含盐量较低的返排液中的氯化物,并且它不适用于具有较高含盐度的页岩地层水。


此外,当进入系统的水已经被适量化学品进行预处理之后,反渗透过滤的作业效率最高。

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流体解决方案:Fountain Quail能源公司在二叠纪盆地测试一个占面积小,处理量为8000bpd的无人作业单元,用于除去废液中的悬浮固体、铁和油,并对微生物进行控制。


然而,返排液和采出水的成分和比例是不断变化的,所以预处理过程比较复杂。“返排液对处理工艺会产生影响,尤其是凝胶型压裂返排液,影响更大。”Horn表示,“返排液含有油、悬浮固体和凝胶等,处理起来难度非常大。”


“几个星期之后,如果废液多数是采出水,那么可能处理量会多一些;但如果生产的最初几天,排出的废液都是压裂返排液,那才是真正的难题。但是,我们可以解决它。”AOx是一系列化学处理,是通过与羟基离子反应,除去水中的有机和无机成分。该方法能产生出非常活跃的氧,整个过程由电力或紫外线辐射等外部能源驱动。


水处理方面的另外一个具有挑战性的问题就是,如何防止返排液和采出水中的细菌生长。随着压裂液一起被泵入井下的细菌会在近井处疯狂地生长,带来腐蚀和生产问题。在过去,工程师们利用一种被称为biocides的细菌破坏化学物质来解决这个难题。然而这样的方式却给过滤环节提出了难题。返排液和采出水性质的变化使作业人员难以确定,在特定时刻该向系统内加入多少biocides。

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从返排液中分离出来的油状凝胶固体


Horn说,这一难题也许能在自动化中找到答案。“当你添加biocides时,由于水在不断地变化,你不知道是否已经杀死了所有细菌。我们有一个二氧化氯自动计量系统,具有一个即时反馈回路,可持续控制水质。”


水源的质量和最终的处理标准决定了最佳处理方法。而压裂流体化学的进步正在改变着对水源质量的定义。比如,供应商们曾经认为,TDS值较高的水是不能用于复配压裂液的。但近年来,化学家们将高TDS值的水经过极少的预处理,除去一些固体、油脂和采出油,即可用来复配压裂液。


哈巴高级产品经理Paul Lord说:“我们可以通过使用交联剂和聚合物型凝胶,来将TDS高达300,000ppm的水利用起来。而且我们的润滑剂可以与这种类型的水相配伍,,这使得我们可以直接用采出水来重新复配压裂液,免去了大量的水处理时间和成本。”


长期以来,水处理一直是行业关注的焦点问题,近年来又进一步从边缘问题逐渐发展成为了核心的技术议题。油气价格持续地位,这在某种程度上强化了有效进行水处理的吸引力。此外,页岩气作业者最近对水资源的使用也受到了限制,其与地震活动之间的联系正在经历着相关部门的严格审查。为了得到监管机构和社会公众的认可,石油公司正在加大对水处理的投入,并将水处理从之前的“生产作业”逐渐发展成重要的“服务行业”。


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