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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•开始产气压裂过程非传统传统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项目编号:936编号#:061312_001样品描述:Newtonville油井水采样时间:06/07/2012阴离子酚酞碱度(mg/LasCaCO3)40总碱度(mg/LasCaCO3)530氯离子(mg/LasCl-)55硫酸根离子(mg/LasSO42-)112阳离子砷离子(mg/LasAs+5)ND钠离子(mg/LasNa1+)289钾离子(mg/LasK1+)6.7钙离子(mg/LasCa2+)5.9镁离子(mg/LasMg2+)3.6钡离子(mg/LasBa2+)ND锶离子(mg/LasSr2+)0.5亚铁离子(mg/LasFe2+)ND总铁离子(mg/LasFe)0.3硼离子(mg/LasB+3)1.1其他pH9.25电导率(毫欧)1,581渗透力(mOsm/Kg)26硬度(mg/LasCaCO3)30总悬浮颗粒物(mg/L)4比重1.003DATP(rlu)–微生物含量1,153微生物含量非常高朗格利尔饱和指数(LSI)1.43朗格利尔势产生结垢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+地层水返排液产出水流速高（10%到30%的压裂液排出）低（10到100桶/天/井)持续时间一到两周持续到井的使用寿命总盐浓度开始的时候浓度低，逐渐达到地层水的浓度高，并且取决于地层水的浓度有机聚合物浓度高，主要是压裂化学试剂及其残留物一般表面活性剂浓度高，主要取决于化学试剂的组分如果发泡剂添加到井里，浓度基本上保证稳定冷凝物浓度一般稳定，取决于冷凝剂的使用量砂浓度很高低，但是现在要求必须除砂其他颗粒物浓度高取决于腐蚀条件返排液和产出水的比较天然气田的总水平衡-10,00020,00030,00040,00050,00060,00070,00080,00090,000100,00020052010201520202025203020352040204520502055桶/天时间TotalSourceWater,BBL/DayTotalWaterforRecycleorDisposal,BBL/Day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。项目编号#:862862862862862编号#:041612_026041612_027041612_028041612_029041612_030桶数:6001,1001,6002,1002,600采样时间:03/24/1203/25/1203/25/1203/26/1203/26/12阴离子酚酞碱度(mg/LasCaCO3)0.00.00.00.00.0总碱度(mg/LasCaCO3)420470490470480氯离子(mg/LasCl-)25,70027,30027,80028,60029,000硫酸根离子(mg/LasSO42-)304306292283282阳离子砷离子(mg/LasAs+5)NDNDNDNDND钠离子(mg/LasNa1+)14,92014,89015,16016,02016,130钾离子(mg/LasK1+)503487478459469钙离子(mg/LasCa2+)1,4401,5271,6381,7521,752镁离子(mg/LasMg2+)144153163174177钡离子(mg/LasBa2+)4.54.74.85.05.1锶离子(mg/LasSr2+)229248265285287亚铁离子(mg/LasFe2+)4.04.34.44.64.8总铁离子(mg/LasFe)8.78.98.88.08.0硼离子(mg/LasB+3)6563636261其他pH7.357.337.337.327.32电导率(毫欧)70,00072,20073,80076,30076,300渗透力(mOsm/Kg)1,4221,4741,4951,5571,565硬度(mg/LasCaCO3)4,1914,4464,7635,0945,104总悬浮颗粒物(mg/L)455510460360405比重1.0391.0361.0411.0411.047朗格利尔饱和指数(LSI)1.661.711.761.761.77朗格利尔势产生结垢产生结垢产生结垢产生结垢产生结垢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02,5005,0007,50010,00012,50015,00017,50020,00022,50025,00001,5003,0004,5006,0007,5009,00010,50012,000Constituent(ppm)Flowback(barrels)CalciumMagnesiumStrontium钙离子镁离子锶离子浓度(ppm)回流量(桶)这些化学添加剂或其分解的产物将存在于返排液/产出水。添加剂主要成分目的主要成分的应用稀酸（15%)杀菌剂过硫酸铵破胶剂阻蚀剂交联剂减阻剂胶体铁离子控制氯化钾去氧剂酸碱调节剂支撑剂阻垢剂表面活性剂盐酸戊二醛N，N-二甲基甲酰胺硼酸盐聚丙烯酰胺，矿物油羟乙基纤维素胶柠檬酸氯化钾亚硫酸铵碳酸钠，碳酸钾二氧化硅，石英砂乙二醇异丙醇分解矿物质和破坏矿石抑制会产生腐蚀性副产物的细菌延缓聚合物的分解防止管道腐蚀在温度上升的情况下保持粘性润滑压裂液减少摩擦增稠压裂液，防止悬沙防止金属氧化物沉淀作为浓盐水载体去除氧气，防止管道腐蚀保持其他化学组分的有效性维持裂缝的存在，保证气体的逃逸防止管道结垢增强裂缝中流体的粘性游泳池，清洁剂染发，家用塑料的生产洗涤剂，洗手液，化妆品医药品，腈纶，塑料水处理，土壤调节，卸妆液化妆品，牙膏，冰激凌食品添加剂，香料盐调味剂化妆品，食品加工，水处理洗手液，洗衣液，肥皂饮用水过滤家用清洁玻璃清洁剂注意：这些产品的使用依赖于客户的偏好、水源水质和矿区特征。以上化学试剂是在页岩气水力压裂中的典型例子。医疗设备的消毒压裂液添加剂–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1001,00010,000100,0001,000,000PinedaleMagnoliaMarcellusGroundbirch总溶解固体TDS浓度，毫克/升地表排放的阈值,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