页岩油气压裂作业环境保护技术浅析.pdf

2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT页页岩岩油油气气压压裂裂作作业业环环境境保保护护技技术术浅浅析析尤璐天津市诺星技术发展有限公司天津 300280摘要:讨论了页岩油气水力压裂的技术现状及发展趋势,分析了压裂作业各工序污染物的产生及其对环境的影响、风险的主要来源;认为水污染源为压裂液、返排液及生活污水,大气污染源为扬尘、车辆尾气等,噪声污染源为压裂设备、施工车辆,提出相应环境保护技术。研究为页岩油气清洁环保开发提供支撑。关键词:页岩油气;压裂;环境保护;废气;废液;噪声作者简介:尤璐,女,毕业于长江大学,工程师,从事环境影响评价工作。随着勘探开发力度的不断加大,常规油气勘探难度越来越大,非常规油气领域的勘探开发突破成为油气资源接替的重要手段。页岩油气属于非常规油气,我国页岩油气资源丰富,据不完全统计,页岩油资源量约 476 108t1,页岩气可采资源量在 36.1 1012m32。页岩油是一种页岩层系中所含的石油资源,包括泥页岩孔隙和裂缝中的石油,也包括泥页岩层系中的致密碳酸岩或碎屑岩邻层和夹层中的石油资源,而页岩气以游离态和吸附态存在于页岩微纳米孔隙中,两者同常规油气勘探开发相比,最大的区别在于必须通过“水平井+水力压裂”的方式才能释放出产能。页岩油气压裂作业会对环境产生不利影响,必须采取针对性措施进行防控。水污染源主要为压裂液、返排液中的化学添加剂,通过选用环境友好型添加剂、开发无水/少水压裂技术、优化返排液处理技术、压裂液重复使用以及执行严格的施工要求等措施,可以明显减少压裂作业对水环境的影响;大气污染源主要来源为扬尘、车辆尾气,通过采取优化管理、合理车辆布局、缩短车辆运输距离等措施可以控制大气污染物的产生;噪声污染源主要为施工车辆、设备运转产生的噪声,通过合理安排施工时间、加装隔板、选用低噪声设备等是避免噪声扰民、减少环境影响的主要举措。1压裂作业现状压裂作业利用水力能量在储层中形成裂缝,又称水力压裂。压裂作业利用液体传递压力的原理,通过压裂车将压裂液以大于储层吸收能力的排量向井内注入,使井筒压力逐渐升高,当压力增高至地层破裂压力以上,储层就会被压开,形成裂缝。连续向地层注入带有支撑剂的压裂液,可以使裂缝向地层深处继续延伸。当地面停止注入液体,裂缝逐渐闭合,此时支撑剂支撑已压开的裂缝,使其不能闭合,当压裂液返排出地层后,就会在储层中留下一条或多条长宽高不等的裂缝,使储层与井筒之间建立起新的流体通道,提高油气层的渗透能力,增加产量。自 1965 年美国首次实施页岩气直井小规模水力压裂以来,压裂技术不断发展,压裂规模不断增加,在 2005 年首次实施了工厂化压裂,2006 年首次提出了体积压裂概念,并在 2012 年开展了LPG 无水压裂试验,当前美国页岩气压裂以分段多簇压裂技术为主体,页岩气开发效果好。截至2020 年,美国页岩气产量约占当年天然气总产量的 78%,占据主导地位。国内随着钻井技术的不断发展,页岩油气的技术指标不断刷新,水平段的长度达 5 060 m(华H90-3 井),压 裂 作 业 压 裂 段 长 度 一 般 超 过2000 m,普遍出现“千方砂、万方液”现象。水平段的增长,致使压裂可分段数不断增加,通常要进行数十段的压裂,施工周期长达数月;压裂作业施工量大,消耗大量液体、化学剂及支撑剂,需要多种车辆联合作业,使用吊车等各型设备,涉及作业队、技术人员、指挥等多个单位人员。因此,压裂作业人员、车辆、设备庞杂,使用固、液体体量大,环保压力大。本文梳理了压裂作业施工流程,分析了各作业环节污染物的产生,评价了污染 物 对 环 境 的 影 响,并 制 定 了 相 关 环 保措施。56 2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT2压裂作业流程分析2.1压裂准备2.1.1井场和井筒准备(1)平整井场公路,使具备重型卡车等相关压裂施工设备、车辆安全出入井场条件;(2)平整、清理井场,确保能承载并容纳所有压裂设备;(3)换装井口,并考虑压裂规模、压裂设备等因素安装适配井口管线;(4)使用管柱/连续油管井筒进行刮削清洁,对分段压裂等压裂方式,还会下入压裂管柱,使井筒具备压裂条件。2.1.2材料准备压裂材料主要包括工作液和支撑剂。经常使用的压裂工作液体系是滑溜水以及复合压裂液,主要包括线性胶、滑溜水、交联液和泡沫等;现场使用支撑剂多具备密度低、粒径小、强度高等特点,较常见的为 50 100 目陶粒,其相比石英砂在高闭合应力下不容易破碎,但是价格更为昂贵,近年也出现了树脂包层石英砂产品。2.1.3配液按设计要求提前在现场配置足够数量的压裂液配液罐,并使用到增稠剂、防膨剂、助排剂等化学药品,配液期间各型车辆将材料运送至现场,完成压裂液配置。2.1.4车辆摆放压裂现 场使 用 压 裂 泵 车、仪 表 车、平 衡 车、混砂车等 多 种 车 辆,车 辆 在 井 口 的 摆 放 须 遵 循石油天然气钻井、开发、储运防火防爆安全生产技术规范(SY/T 52252019)的要求。2.1.5循环、试压通过循环冲洗管线,排空管线流程中的空气,保证车辆上水平稳,然后进行试压,以检查管线有无刺漏。2.2压裂施工2.2.1低替采用小排量顶替压裂液进入油管中,将井内压井液等液体从套管环空返出地面。2.2.2压裂按照泵注程序,进行压裂施工,较常用的一种注入顺序为冻胶、滑溜水、前置液、携砂 液、线性胶、滑溜水。施工过程中可根据压力响应情况对泵注程序、砂浓度、段塞以及冲洗量长度等进行调整。2.2.3加砂依据压裂设计在压裂时进行加砂作业,根据现场施工情况调整加砂强度,加入的支撑剂一般为小粒径石英砂、高强度陶粒砂。2.2.4压裂提效分段多簇压裂技术目前为国内页岩油气压裂的主体技术,在此基础上,陆续发展出同步压裂技术和拉链式压裂技术,通过对 2 口或多口井同步或异步进行分段压裂,进一步提升缝网复杂程度、压 裂 改 造 体 积,并 缩 短 施 工 周 期,降 低成本。2.3压后焖井、返排页岩油气水力压裂后,大量压裂液聚集在裂缝附近,缝内压力高、含水饱和度高,为使注入能量充分扩展、在油气层内形成足够长度的高导流能力填砂裂缝,通常需要进行焖井,避免无效返排、提高单井页岩气产能;压裂作业完成后,需要进行返排,最大限度将地下压裂液返排出井口,而将支撑剂尽可能多地留在裂缝里。3污染物分析及控制措施3.1水污染控制措施压裂施工期产生的水污染危害风险,主要来源为压裂液、返排液及生活污水。3.1.1控制压裂液的方法为控制压裂液污染,可选用环境友好型添加剂、应用无水/少水压裂技术、严格执行施工要求。(1)选用环境友好型添加剂水力压裂用水量巨大,并使用多种化学添加剂,包括破胶剂、缓蚀剂、助排剂、交联剂、减阻剂等,极易造成大范围污染,选用环境友好型添加剂是控制压裂液污染的重要手段。(2)应用无水/少水压裂技术针对非常规油气开发,研究较多的无水压裂技术主要包括 CO2压裂技术和 LPG(液化石油气)压裂技术,少水压裂技术主要包括 N2泡沫压裂技术、CO2泡沫压裂技术等,通过使用无水/少水压裂技术可节约大量水资源、保护环境3-5。(3)严格执行施工要求压裂液配液罐摆放平整,闸门灵活,配制液体时,严禁液体外溢、滴漏等现象发生;压裂车出口与井口采用高压密闭连接,施工中做到密闭作业,密闭施工;在倒换液体管线时,用容器盛66 2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT接,避免管线内液体洒、滴至井场地面;盛装药品的桶不能倾斜或倒放,避免药品外流。3.1.2控制返排液的方法压裂返排液中不仅含有大量的化学添加剂,还含有从地层中返出的泥沙、细菌、重金属等物质,控制返排液污染的主要方法为现场收集、环保处理、重复使用、拉运处理6。(1)现场收集配备压裂返排液地上收集罐,对压裂返排液进行统一收集,入罐率 100%。(2)拉运处理对于返排液的运输路线及运输方式还需要进行合理性分析,运输线路选择路况较好、避开环境敏感区的道路,控制单次运输量,采用罐车运输,避免转运途中返排液的“跑、冒、滴、漏”。(3)环保处理压裂返排液处理技术较多,主要包括氧化处理、沉淀、过滤、吸附等,使处理的液体达到排放标准或者重复使用要求。(4)重复使用环保型压裂液返排后,经过杀菌、过滤、沉降等简单处理后可继续用于压裂配液。配液用水采用的压裂返排液,须满足 页岩气 储层改造 第3 部分:压裂返排液回收和处理方法(NB/T14002.32022)中对返排液回用的水质要求。重复使用井内返排出的压裂液可以有效减少水力压裂对淡水的需求,实现资源的最大化应用目标,显著减少返排废水处理量,有效保护生态环境7。3.1.3控制生活污水的方法生活污水主要为盥洗废水,直接泼洒场地抑尘,另外施工营地设置临时防渗环保厕所,主要污染物为 COD、BOD5、氨氮、SS,污染物浓度较低,对地下水环境影响很小。3.2大气污染控制措施压裂作业中,压裂作业中,大气污染物主要为扬尘、车辆尾气等。3.2.1扬尘控制扬尘主要来自于施工车辆的来往行驶、人员活动、堆放的材料等,扬尘影响范围有限,对区域环境空气质量影响小。车辆运输产生的扬尘量、粒径大小等与路面状况、车辆行驶速度、车辆载重量和天气情况等多种因素相关,其受风力因素影响最大,随着风速的增大,施工扬尘的污染程度和超标范围也将随之增大。因此,施工期间需要采取合理化管理、控制作业面积、大风天停止作业等措施。3.2.2车辆尾气控制项目施工期,各种物料拉运需要的运输车辆较多,车辆 排 放 的 尾 气 会 对 大 气 环 境 造 成 一 定污染。(1)优化车辆管理运输车辆必须使用合格油料,确保尾气排放的污染物符合国家标准。同时,通过采取合理车辆布局、尽量缩短车辆运输距离的手段可进一步减少污染物排放。(2)采用电驱压裂设备与常规柴油动力压裂车组等相比,电驱压裂设备在成本低、安全环保方面具有明显优势。通过大功率变频系统控制电机,驱动压裂泵,显著减少了尾气排放、降低了施工噪声8。随着压裂装备的不断革新,越来越多的电驱压裂设备应用于现场,国内中石油宝石机械、中石化四机石油机械、中航科工四川宏华石油设备等多家公司已自主开发多种型号的电驱压裂设备,截至 2020 年底,国内电动压裂设备市场规模已达 110 104kW,占整个压裂装备市场的 23.8%,目前应用受限的因素包括对电网依赖高、全电动化程度不足、抗风险能力较低等9。3.3噪声污染控制措施现场噪声主要来源为压裂车组、材料运输车辆、吊车等各型车辆运转施工。控制噪声污染的方法主要包括优化施工组织、选用低噪声设备。3.3.1优化施工组织压裂井场附近有居民、动物活动区域的,应合理安排压裂时间,做到夜间不施工,并在压裂车组 1 2 m 处加装隔声板,消减噪声对环境的影响。3.3.2选用低噪声设备选用低噪声设备,是避免噪声扰民、影响环境的革新措施。实施全电动化压裂,可显著减小噪声污染,如某井压裂施工中,相比于传统压裂车组,采取降噪措施后在 50 m 外的噪声为 73 dB,采用全电动压裂设备后噪声降为 65 dB。4结束语我国页岩油气储量丰富,勘探开发潜力巨大,但是其革新开发手段“水力压裂”在克服对环境影响方面还存在巨大挑战。压裂作业对环境的影76 2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT响主要包括水污染、大气污染及噪声污染,压裂液及返排液污染,通过使用环境友好型添加剂可减少水力压裂对环境影响,配合严格施工要求、消减噪音、合理安排作业时间、优化车辆管理等针对性措施,可取得较好的环境保护效果。此外,近年来研究的无水/少水压裂技术大幅降低了压裂作业对环境的不利影响,电动压裂装备及技术推动了页岩气低成本、绿色低碳开发,建议进一步试验推广。参考文献1 刘招君,董清水,叶松青,等.中国油页岩资源现状 J.吉林大学学报(地球科学版),2006,51(6):869-876.2 肖钢,陈晓智.页岩气 沉睡的能量(新能源丛书)M.武汉:武汉大学出版社,2012.3 郭云霞.非常规油气开发节水压裂液技术及返排液处理 J.能源与节能,2022,27(9):62-64.4 赵金州,任岚,蒋廷学,等.中国页岩气压裂十年:回顾 与 展 望 J.天 然 气 工 业,2021,41(8):121-142.5 吕效明,潘进进,张昕.页岩气压裂技术现状及发展 方 向 J.当 代 化 工,2019,48(7):1599-1602.6 卜掌印,朱德儒,刘志前.油田压裂返排液处理技术研究进展探究 J.辽宁化工,2022,51(9):1270-1272,1295.7 姚兰,李还向,焦炜霞,等.压裂返排液重复利用技术现状及展望 J.油田化学,2022,39(3):548-553.8 张斌,李磊,邱勇潮,等.电驱压裂设备在页岩气储层改造中的应用 J.天 然气 工业,2020,40(5):50-57.9 刘红磊,周林波,陈作,等.中国石化页岩气电动压裂技术现 状 及发 展建 议 J.石 油 钻探 技术,2023,51(1):62-68.86