(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910157502.8 (22)申请日 2019.03.01 (71)申请人 中石化石油工程技术服务有限公司 地址 100029 北京市朝阳区惠新东街甲6号 第12层 申请人 中石化江汉石油工程有限公司 中石化江汉石油工程有限公司井下 测试公司 (72)发明人 赵亚刚 蒋成白 向少华 张国强 苏浩 韩家新 林田兴 徐季 张相权 陈卫东 石陈梅 蒋嫚 杨军海 林俊 豆瑞杰 曾凡骄 杨波 刘亚中 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 朱宏伟 胡建平 (51)Int.Cl.B65B 69/00(2006.01)B65G 65/46(2006.01)B65G 69/00(2006.01)E21B 43/26(2006.01) (54)发明名称 页岩气压裂连续自动输砂装置及其安装方 法 (57)摘要 本发明涉及一种页岩气压裂连续自动输砂 装置及其安装方法，其装置包括破袋上料斗、平 台、垂直螺旋输送机构和用于储存压裂砂的A仓、 B仓和C仓；所述破袋上料斗安装在平台上；连续 自动输砂装置还包括第一螺旋、第二螺旋、第三 螺旋、三通、第一闸阀、第二闸阀和第三闸阀；当 第一闸阀、第三闸阀打开，第二闸阀关闭时，压裂 砂进入A仓；当第一闸阀打开，第二闸阀、第三闸 阀关闭时，压裂砂进入B仓；当第一闸阀、第三闸 阀关闭，第二闸阀打开时，压裂砂进入C仓。本发 明为国内非常规页岩气压裂施工所用压裂储砂 罐研制配套，并且满足三种不同规格压裂砂的输 砂专用装置，可连续自动输砂，操作简单，精确度 高，误差小，安全可靠，维护方便，可直接应用于 现场作业施工。权利要求书2页 说明书4页 附图5页CN 109808973 A 2019.05.28 C N 109808973 A
页岩气开采压裂技术分析与思考 摘要：目前，社会进步迅速，页岩气存储于致密泥页岩地层中，页岩连续分布、区域广，含有一定量的黏土矿物，塑性强，在高应力载荷下易发生形变，页岩储 层具有低孔低渗等特性，需对页岩储层进行改造才具备商业开发价值。目前涪陵 区块和川东南区块，均已实现页岩气大规模开发，形成一套成熟的页岩气开采工艺，工艺实施需借助现场施工实现，只有严格把控施工质量，确保工艺有效实施，才能够实现对页岩气资源的高效开发。下文对此进行简要的阐述。 关键词：页岩气；开采压裂技术分析；思考 引言 伴随着油田行业的深入发展，如今能源紧缺问题已经成为了社会性现实。页 岩气储层低孔低渗，往往要投入巨大的精力对其进行压裂改造才能够保障产能稳定。水力压裂中压裂液性能带来的影响十分直观与突出。 1页岩气压裂施工质量技术现状 当前，经常使用的技术大多是多级压裂、清水、压裂、水力喷射压裂、重复 压裂与同步压裂等等，页岩气开发过程中所使用的储层改造技术还有氮气泡沫压 裂和大型水力压裂也是国内外目前的主流压裂技术。影响页岩气产量的主要原因 是裂缝的发育程度，如何得到较多的人造裂缝是压裂设计主要应该考虑的。如何 才能得到有效而又经济的压裂成果，在实行水力压裂以前，经常要实行压裂的设计。然而，压裂设计的工作确双有许多，最为主要的核心应属压裂效果的模拟， 经过压裂的模拟才可以预测裂缝发育的宽度及长度，从而知道压裂能否顺利成功。 2页岩气压裂开采中对环境的影响 页岩气压裂在开采的过程当中必定会因为一些噪声及废水废气等开采事故灾 害对环境造成一些污染影响，通常会对水资源进行大量的消耗以及地下水层进行 污染。目前，有些专家和环保人士在对页岩气压裂开采的过程也是提出了很多相 关环境污染的影响问题，同时，岩气压裂在开采过程中确实造成了较为严重的环 境污染。 2.1大量消耗水资源 页岩气压裂的开采使用的水力压裂法是压裂液最为重要的，分别由高压水、 砂以及化学添加剂而组成的。页岩气压裂的开采其用水量也是较大的，一般情况 页岩气压裂开采需消耗四至五百万加化的水资源才能使页岩断裂。 2.2污染地下水层 页岩气压裂开采过程当中，其化学物质有可能会直接通过断裂及裂缝由地下 深处慢慢转向向上移动到地表或者浅层，同时也可能页岩气压裂开采过程中由于 质量问题或者某些操作的不当导致破裂或者空洞。某些石油公司把页岩气压裂使 用过程中的的压裂液中的化学添加剂当成非常重要化学物质，然而，也因为这些 化学物质就可能会造成地下水层的污染。其中的化学物质可能会泄露到地下水层 当中，从而就污染了湖泊及蓄水池等等的地下水资源。当整个开采过程完成以后，其很大部分的压裂液又转回流向了地面，而流回地面的压裂液当中不光只有压裂 液里面某些化学物质，也还有部分地壳中原本就存在的放射性物质以及大量盐之类。当一些有毒污水再流回现场时，转而再流向污水处理厂以及回收再利用，当 遇到雨季来临时，整个过程就造成了严重的地下水层污染。 3页岩气压裂施工工艺 随着页岩气开发力度的不断增大，常规的压裂施工技术已经不能满足大规模
页岩气压裂返排液处理方法研究 1 研究目的及意义 页岩气作为重要的非常规天然气资源，已成为全球油气资源勘探与开发的新亮点，但其特殊的钻采开发技术可能带来新的环境污染问题，尤其是在页岩气压裂作业过程中将产生大量压裂返排废水，这类废水中含有随着返排废水带出的地层地下水、废压裂液和钻屑等，具有高盐、高矿化度、高色度、含有毒有害物质、可生化性差和难处理的特点。因此，研究页岩气压裂返排液处理技术，对于缓解开发区块的环境问题显得格外重要，同时对于保障页岩气的正常生产和可持续发展具有重要意义。 2 国内外现状 中国石油西南油气田分公司已形成了加砂压裂用滑溜水返排液重复利用技术并在现场应用。其基本处理回用流程为：返排液→物理分离→水质检测→水质调整→水质检测→压裂用水或与清水混合后作为压裂用水。现场通过过滤、沉降去除机械杂质，补充添加剂来调整返排液性能，使其满足压裂施工要求，重复利用。该处理方式相对简单，但对成分较复杂的返排液处理后需与清水稀释才能满足压裂用水要求。 2.1 常规压裂返排处理技术 1）自然蒸发 依靠日照对返排液进行自然蒸发，去除水分，剩余盐类和淤泥采用固化处理。该方法处理能力小，处理周期长，受自然条件限制（温度和土地）。美国西部部分州和中国部分沙漠地区少量的返排液采用了自然蒸发处理。 2）冻融 冻融是将返排液冷冻至冰点以下结冰，盐因溶解度降低而析出，使冰的盐浓度降低，再将冰加热融化得到低浓度盐水，从而实现盐一水分离。该方法受地理气候限制，需要足够的冰冻天气，未见工业化应用报道。 3）过滤 过滤常被用于返排液预处理和返排液处理后固-液分离，去除机械杂质/悬浮
物等，也能在过滤时将部分油(脂)除去，且通常配以活性炭吸附处理。过滤效果受滤网/滤芯孔径限制，过滤效率受过滤后的水质要求限制。对于一些孔径较小的过滤器，细菌的存在将产生豁液堵塞过滤器，清洗后也难以保持。过滤处理返排液在国内外各大油气田均有应用，但通常与其它处理技术复合应用，除去返排液自身和处理过程中产生的机械杂质。
页岩气压裂返排液处理方法研究 1研究目的及意义 页岩气作为重要的非常规天然气资源，已成为全球油气资源勘探与开发的新亮点，但其特殊的钻采开发技术可能带来新的环境污染问题，尤其是在页岩气压裂作业过程中将产生大量压裂返排废水，这类废水中含有随着返排废水带出的地层地下水、废压裂液和钻屑等，具有高盐、高矿化度、高色度、含有毒有害物质、可生化性差和难处理的特点。因此，研究页岩气压裂返排液处理技术，对于缓解开发区块的环境问题显得格外重要，同时对于保障页岩气的正常生产和可持续发展具有重要意义。 2 国内外现状 中国石油西南油气田分公司已形成了加砂压裂用滑溜水返排液重复利用技术并在现场应用。其基本处理回用流程为：返排液→物理分离→水质检测→水质调整→水质检测→压裂用水或与清水混合后作为压裂用水。现场通过过滤、沉降去除机械杂质，补充添加剂来调整返排液性能，使其满足压裂施工要求，重复利用。该处理方式相对简单，但对成分较复杂的返排液处理后需与清水稀释才能满足压裂用水要求。 2.1常规压裂返排处理技术 1）自然蒸发 依靠日照对返排液进行自然蒸发，去除水分，剩余盐类和淤泥采用固化处理。该方法处理能力小，处理周期长，受自然条件限制（温度和土地）。美国西部部分州和中国部分沙漠地区少量的返排液采用了自然蒸发处理。 2）冻融 冻融是将返排液冷冻至冰点以下结冰，盐因溶解度降低而析出，使冰的盐浓度降低，再将冰加热融化得到低浓度盐水，从而实现盐一水分离。该方法受地理气候限制，需要足够的冰冻天气，未见工业化应用报道。 3）过滤 过滤常被用于返排液预处理和返排液处理后固-液分离，去除机械杂质/悬浮
物等，也能在过滤时将部分油(脂)除去，且通常配以活性炭吸附处理。过滤效果受滤网/滤芯孔径限制，过滤效率受过滤后的水质要求限制。对于一些孔径较小的过滤器，细菌的存在将产生豁液堵塞过滤器，清洗后也难以保持。过滤处理返排液在国内外各大油气田均有应用，但通常与其它处理技术复合应用，除去返排液自身和处理过程中产生的机械杂质。 4）臭氧氧化 臭氧氧化是利用臭氧的强氧化性去除返排液中的色、浊、嗅味以及可溶性有机物(包括挥发性酸、苯系物和环烷酸等)、油(脂)以及重金属等。该方法常与过滤配合应用，将一些重金属离子氧化成不溶性物质，过滤去除。中原油田、河南油田将臭氧化与絮凝等技术复合应用，取得了较好效果。 5）化学絮凝 絮凝剂加人返排液中能使返排液中的悬浮微粒集聚变大或形成絮团，加快悬浮微粒的聚沉，实现固-液分离。为了提高化学絮凝效果，减少絮凝剂用量，常先采用臭氧对返排液进行氧化处理，再进行化学絮凝。胜利油田采用化学絮凝处理王家岗污水站的返排液和钻井、洗井废水的混合物，处理后的水质达到了油田采出水处理系统要求。 6）电絮凝 电絮凝利用直流电的解离作用，在阳极产生Al3+、Fe2+等离子，经水解、聚合及Fe2+氧化，形成各种经基络合物、多核轻基络合物、氢氧化物，使返排液中的胶状杂质、悬浮杂质失去稳定性而凝聚沉淀分离。同时，带电杂质颗粒在电场中泳动，其电荷被电极中和而失去稳定性聚沉。此外，电絮凝能使返排液过滤效率大幅提升。有试验表明：电絮凝后返排液通过0.45um滤膜时的速率提高了7~8倍，且不受絮体量的影响。但电絮凝会消耗电极，普通钢或铝电极易结垢，有机物易吸附在电极表面形成涂层，降低处理效果。电絮凝处理返排液常与臭氧化、过滤或其它深度处理方式复合应用。海拉尔油田采用将电絮凝与悬浮污泥过滤(SSF)污水净化处理技术复合应用，取得了良好效果。 7）反渗透 反渗透利用淡水与盐水的渗透压不同，在压差作用下使返排液中盐-水分离。由于机械杂质冲刷将造成膜表面损坏，可溶性烃类可使膜失去分离性能，因此在
国外页岩气水力压裂技术及工具一览 页岩储层具有超低孔低渗特性，钻完井后需要压裂改造后才得到经济产量。国外油田服务公司最新工具达到了很高水平，水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术用高强度低密度球级差达到1/16in，封隔器耐压差达到70MPa，TAM公司自膨胀封隔器最高可达302 °C ；泵送桥塞射孔分段压裂技术所用桥塞可分为：堵塞式、单流阀式和投球式复合桥塞，桥塞耐压差达103.4MPa，耐温232 °C ；哈里伯顿CobraMax H连续油管喷射工具系统，目前最多达到44段。这些为国内页岩气水力压裂完井方式与压裂工具的选用打下基础。 从应用工具角度看，分段压裂工艺方面主要包括：水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术，泵送桥塞分段压裂技术，水力喷射分段压裂技术。 从压裂工具方面分析，目前页岩气压裂技术有可膨胀封隔器/裸眼封隔器+滑套多级压裂，泵送桥塞射孔压裂联作多级压裂，水力喷射压裂等。在美国的页岩气开发技术中，可膨胀封隔器/裸眼封隔器+滑套多级压裂，泵送桥塞射孔压裂联作多级压裂技术比较成熟，使用比较广泛，可适用于较长的水平段；水力喷射压裂可实现准确定位喷射，无需机械封隔，节省作业时间，非常适合用于裸眼井、筛管井以及套管中井。 1、水平井裸眼封隔器投球滑套多级压裂系统 封隔器投球滑套多级压裂技术一般采用可膨胀封隔器或者裸眼封隔器分段封隔。根据页岩气储层开发的需要，使用封隔器将水平井段分隔成若干段，水力压裂施工时水平段最趾端滑套为压力开启式滑套，其它滑套通过投球打开，从水平段趾端第二级开始逐级投球，进行有针对性的压裂施工。水平裸眼井多级压裂目前已经是北美页岩气压裂开采主要技术手段，并越来越受到作业者的欢迎。水平井多级压裂技术关键在于封隔器（压裂封隔器和可膨胀封隔器）和滑套可靠性和安全性能，尤其是管外封压裂管柱的可膨胀封隔器和开启滑套的高强度低密度球材料决定技术的成功与否。 目前国外油田服务公司都有自己成熟的工具，高强度低密度球级差达到1/16in，封隔器耐压差达到70MPa，TAM公司耐高温自膨胀封隔器最高可达30 °C 。 QuickFRAC和StackFRAC HD Packers Plus公司是开放完井多阶段压裂系统的先驱，并在设计和制造各种解决方案的革新方面是行业的领导者。自2000年公司开始运营以来，Packers Plus已经完成了超过7750个系统，并负责了超过8万级压裂。目前已经研发了两套最先进的裸眼多级压裂系统：QuickFRAC系统和StackFRAC HD系统。QuickFRAC系统原理是一次投入一个封堵球开启多个滑套的多级压裂批处理系统，已实现15次投球进行开启60级滑套的多级压裂的施
页岩气开发压裂工艺技术现状探讨 水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一，现已广泛应用在页岩气井的增产作业中。文中对目前常用的水力压裂技术（多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂）进行了探讨，并分析了各种压力技术的优缺点及适用情况，为井下作业合理选择水力压力技术提供参考。 标签：页岩气开发；水力压裂；技术现状 我国具有较丰富的页岩气资源，受页岩基质渗透率很低、勘探开发困难等客观条件限制，勘探开发程度较低。90%以上的井需要经过酸化、压裂等储层改造才能获得比较理想的产量。技术进步是页岩气产量提高的根本原因，特别是水平钻井技术和水力压裂技术的进步使页岩气产量有了突飞猛进的增长。 1 页岩气开发中水力压裂现状 水力压裂技术在国内常规油气开发中应用广泛，尤其是多级压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术，有较多成功应用的实例，国内学者对这些技术也进行了较多的研究，是中国页岩气开发现实可行的压裂技术。水力喷射压裂技术在国内起步较晚，主要依靠国外公司提供技术服务，压裂成本高，国内水平井水力喷射压裂技术尚不成熟。同步压裂技术是国外页岩气开发的常用技术，它适用于2口及2口以上的井同时作业，在国内页岩气勘探浅井和初期的开发单井中并不适用。 2 水力压裂工艺技术 2.1 清水压裂 清水压裂是在清水中加入少量的减阻剂、稳定剂、表面活性剂等添加剂作为压裂液进行的压裂作业。清水压裂早期只使用清水作为压裂液，产生的裂缝导流能力较差，添加了支撑剂的清水压裂效果明显好于不加支撑剂时的效果。清水压裂技术用清水添加微量添加剂作为压裂液来替代以往使用的凝胶压裂液，不但能够减小地层伤害，降低压裂成本，而且还能获得比凝胶压裂更高的产量。清水压裂成本低，地层伤害小，是目前页岩气开发最主要的压裂技术。 2.2 多级压裂 多级滑套封隔器分段压裂是目前页岩水平井多段压裂中前沿的完井方式，它能够在水平井或直井中同时压裂多个层段而不必使用桥塞分隔。滑套完井方法是一种可以通过机械或水力的方法进行操作的完井方式，它使用滑动套管和可膨胀的封割器，使作业者通过关闭一个和多个层段在一个井筒中选择性地进入多个不同的油层，而不需要使用连续油管或铰接管来分隔层段。在压裂流体中投入直径逐渐增大的封隔球，可以将已经压裂的层段封隔起来，进行下一个层段的压裂，
页岩气开采压裂技术 摘要：我国页岩气资源丰富但由于页岩地层渗透率很低,页岩气井完井后需要经过储层改造才能获得理想的产量,而水力压裂是页岩气开发的核心技术之一。在研究水力压裂技术开发页岩气原理的基础上,剖析了国外的应用实例,分析了各种水力压裂技术( 多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂以及同步压裂技术)的特点和适用性, 探讨了天然裂缝系统和压裂液配制在水力压裂中的作用。 关键词：水力压裂页岩气开采压裂液 0 前言 自1947年美国进行第1次水力压裂以来,经过50多年的发展,水力压裂技术从理论研究到现场实践都取得了惊人的发展。如裂缝扩展模型从二维发展到拟三维和全三维; 压裂井动态预测模型从电模拟图版和稳态流模型发展到三维三相不稳态模型,且可考虑裂缝导流能力随缝长和时间的变化、裂缝中的相渗曲线和非达西流效应及储层的应力敏感性等因素的影响; 压裂液从原油和清水发展到低、中、高温系列齐全的优质、低伤害、具有延迟交联作用的胍胶有机硼和清洁压裂液体系;支撑剂从天然石英砂发展到中、高强度人造陶粒,并且加砂方式从人工加砂发展到混砂车连续加砂;压裂设备从小功率水泥车发展到1000型压裂车和2000 型压裂车;单井压裂施工从小规模、低砂液比发展到超大型、高砂液比压裂作业;压裂应用的领域从特定的低渗油气藏发展到特低渗和中高渗油气藏(有时还有防砂压裂)并举。同时, 从开发井压裂拓宽到探井压裂,使压裂技术不但成为油气藏的增产增注手段,如今也成为评价认识储层的重要方法。 1 国内外现状 水力压裂技术自1947年在美国堪萨斯州试验成功至今近半个世纪了,作为油井的主要增产措施正日益受到世界各国石油工作者的重视和关注,其发展过程大致可分以下几个阶段: 60 年代中期以前, 以研究适应浅层的水平裂缝为主这一时期我国主要以油井解堵为目的开展了小型压裂试验。 60 年代中期以后, 随着产层加深, 以研究垂直裂缝为主。这一时期的压裂目的是解堵和增产, 通常称之为常规压裂。这一时期,我国进入工业性生产实用阶段,发展了滑套式分层压裂配套技术。 70年代，进入改造致密气层的大型水力压裂时期。这一时期,我国在分层压裂技术的基
作者简介：张士诚，１９６３年生，教授，博士生导师，本刊第七届编委会委员；长期从事采油工程理论与技术、油气渗流理论与应用的教学与研究工作。地址：（１０２２４９）北京市昌平区府学路１８号。电话：（０１０）８９７３３０４７。Ｅ‐ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｓｃ＠ｃｕｐ．ｅｄｕ．ｃｎ 页岩气压裂数值模型分析 张士诚１ 牟松茹１ 崔勇２ １．中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室 ２．中国石油海外勘探开发公司 张士诚等．页岩气压裂数值模型分析．天然气工业，２０１１，３１（１２）：８１‐８４． 摘 要 水力压裂和水平井开采是页岩气开发的主要技术，在我国尚处在工业试验阶段，存在很多技术瓶颈。在总结分析了页岩气压裂的特点基础上，探讨了网状裂缝形成的主控因素及裂缝扩展模型、产能预测模型的类型以及优缺点。结果认为，特殊的赋存生产机理、复杂的裂缝形态和多尺度的渗流模式是页岩气压裂的主要特点，其目的是形成网状裂缝，扩大储层改造体积；网状裂缝的形成主要受天然裂缝与人工裂缝的夹角、水平主应力差和岩石的脆性等因素的控制。页岩气压裂产能预测模型面临的主要问题是裂缝形态的模拟和气体流态的描述，主要有非常规裂缝模型、离散裂缝模型和双重介质模型等，这些模型和方法在一定程度上表征了页岩气压裂裂缝形态和渗流特点，但没有考虑不规则的裂缝形态等。 关键词 页岩气 开发 压裂（岩石） 裂缝扩展模型 产能预测模型 渗流 特点 ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００‐０９７６．２０１１．１２．０１４ １ 页岩气藏的特点 １．１ 特殊的赋存生产机理 页岩既是烃源岩又是储集层，就近赋存是页岩气成藏的特点。页岩气的赋存方式多样，游离方式、吸附状态和溶解状态并存。总体上主要以游离气和吸附气为主，吸附状态天然气的含量变化介于２０％～８５％。 目前认为页岩气的产出分为３个阶段：①在压降的作用下，基质系统中的页岩气在基质表面进行解吸附；②在浓度差的作用下，页岩气由基质系统向裂缝系统进行扩散；③在流动势的作用下，页岩气通过裂缝系统流向生产井筒。由于裂缝空间的有限性，因此早期以游离气为主的天然气产量快速下降并且达到稳定，稳定期的产量主要是基质孔隙里的游离气和解吸气。水力压裂可以增大裂缝空间和连通性，使更多的吸附气发生解吸附而向裂缝聚集。 １．２ 纳米级的微观孔隙结构 通过扫描电镜等成像技术和脉冲法等测试技术研究表明，纳米级的有机质孔隙是页岩的主要储集空间［１］ 和孔隙类型，其形成与分布与有机质的丰度密切相关；岩心观察表明天然裂缝较为发育，但绝大部分被矿物充填处于闭合状态。孔隙和吼道的尺寸为纳米级 别，孔隙、吼道配置关系复杂；基质渗透率为纳达西级 别，孔隙度一般小于７％。 页岩储层纳米级的微观孔隙结构，与相同孔隙度的微米级孔隙相比提供了更大的比表面积，为气体的吸附提供了条件。但是也相应引发如下的问题：①纳米级储层的物性特征参数难以用常规的方法测量和计算；②气体在纳米级孔隙中的渗流复杂多变，流动规律目前尚不明确；③需采用如水平井多级压裂等特殊的开发方式才能获得经济产量，且增产的机理也与常规压裂不同。１．３ 水力压裂形成复杂的裂缝形态 常规压裂形成的裂缝一般呈双翼对称裂缝的形式。但页岩气压裂中微地震监测的结果表明，裂缝的 形态复杂多变，如图１所示［２］ 。１口水平井压裂后微地震监测结果表明，第１、２段压裂施工形成了垂直于水平井段的平面缝，第３、４段施工形成了网状裂缝。目前认为页岩气压裂目的，就是要建立一个独立于传统意义裂缝半长的更加庞大的裂缝网络系统，实现更大规模的储层改造波及体积；生产实践也证明了储层改造体积越大压后增产效果越好。１．４ 多尺度的流动状态 页岩储层压裂后形成了多尺度的流动空间，包括 ? １?第３１卷第１２期 开 发 工 程 网络出版时间：2011-12-24 21:30 网络出版地址：https://www.doczj.com/doc/604867180.html,/kcms/detail/51.1179.TE.20111224.2130.009.html
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/604867180.html, 浅析页岩气压裂返排液处理技术 作者：马翔宇 来源：《中国科技博览》2017年第16期 [摘要]目前，压裂技术已成为页岩气稳产增产的一项核心技术，但在压裂作业过程中所产生的返排液已成为当前油层水体污染主要来源之一，因此，如何妥善解决页岩气压裂返排液已成为当下一项重要的工作。本文对页岩气压裂返排液的组成进行了分析，阐述了页岩气压裂返排液的危害，综述了国内外页岩气压裂返排液现有的处理方法，为促进油田压裂返排液处理再利用研究提供一定的思路。 [关键词]页岩气；压裂液；返排技术；再利用 中图分类号：TE357 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）16-0368-01 页岩气一种重要的非常规能源，现今在世界范围内正处于开发的热潮中，较常规天然气相比，由于页岩地层渗透率很低，开发难度很大。因此水力压裂是开发页岩气的主要手段，但压裂施工后返排液尚未形成达到环保要求的处理体系。因此深入研究页岩气压裂返排液处理方法，对于绿色开发与降本增效具有重要意义。 1 页岩气压裂返排液 1.1 返排液组成 目前，国内外主流页岩气压裂技术主要利用滑溜水压裂液进行体积改造。滑溜水压裂液体系是针对页岩气储层改造而发展起来的一种压裂液体系。主要由清水及减阻剂、助排剂和杀菌剂、活性剂、缓冲剂、粘土稳定剂等十几种类别的添加剂所组成。经过压裂作业后，这些添加剂会部分进入返排液体。此外，返排压裂液中还含有原油及地层岩屑和支撑剂颗粒、各种有机或无机化合污染物等。 1.2 返排液危害 页岩气压裂返排液为大部分为深色溶液，其中还有大量的硫酸盐还原菌代谢产物，其具有刺激性臭味。如返排液不经处理返排至地面或回注地层，将会对环境造成极大伤害。此外，返排液与添加剂作用可能会产生有毒气体，如果直接接触的话还有可能会造成腐蚀性烧伤[1]。 2 国内外页岩气压裂返排液处理技术 2.1 国外处理技术现状
页岩气开采（压裂技术）对环境、健康的影响 Shale gas exploitation (Fracking）and its environmental and health impact 周睿译普红雁程浩毅校 本译文由云南省健康与发展研究会提供 来源：《世界页岩气资源：美国以外14个区域的初步评估》，美国能源信息署，2011年，https://www.doczj.com/doc/604867180.html, 页岩气开采也涉及到许多其他的环境和健康问题。欧盟2012年8月的一项研究表明，压裂法开采页岩气存在着较高的风险，它有可能引发一系列环境问题，例如污染地下水、地表水和空气，引发水资源安全问题，占用土地资源，影响生物多样性，产生噪声污染及交通问题。
（1）用水 页岩气开采需要大量的水，可能会（导致）对钻井所在地区造成供水压力。每一次压裂操作大约使用1500万升水，而钻井可被压裂多达10次。根据我们的计算，单独一口井所使用的水能够供大约10000欧洲人使用一年。 在水资源供应本已存在压力或是由于气候变化可能存在压力的地区，水量需求水平尤为重要。在欧洲，德国和波兰拥有有丰富的页岩气储量，但其人均可再生水资源位列欧盟国家最末。在英国，目前进行的页岩气开采的地区，其供水情况已经被认为处于“超负荷”水平。2012年美国大部分地区遭遇夏季干旱的侵袭，页岩气开采表现出这种缺水的影响，德克萨斯和堪萨斯的某些地区被迫停止了页岩气的开采，而在宾夕法尼亚州，页岩气的开采则被禁止使用河水。在其他地方，页岩气运营商试图通过收买农场主或向土地所有者支付大量金钱来获得水资源的使用权。 尽管通常认为压裂法比煤和核能用水更少，但却不太可能简单地替代上述两种能源。实际上，如果将多种装置的累积效应考虑在内时，压裂法反而可能会需要更多的水。
页岩气压裂返排液处 理
页岩气压裂返排液处理方法研究 1研究目的及意义 页岩气作为重要的非常规天然气资源，已成为全球油气资源勘探与开发的新亮点，但其特殊的钻采开发技术可能带来新的环境污染问题，尤其是在页岩气压裂作业过程中将产生大量压裂返排废水，这类废水中含有随着返排废水带出的地层地下水、废压裂液和钻屑等，具有高盐、高矿化度、高色度、含有毒有害物质、可生化性差和难处理的特点。因此，研究页岩气压裂返排液处理技术，对于缓解开发区块的环境问题显得格外重要，同时对于保障页岩气的正常生产和可持续发展具有重要意义。 2 国内外现状 中国石油西南油气田分公司已形成了加砂压裂用滑溜水返排液重复利用技术并在现场应用。其基本处理回用流程为：返排液→物理分离→水质检测→水质调整→水质检测→压裂用水或与清水混合后作为压裂用水。现场通过过滤、沉降去除机械杂质，补充添加剂来调整返排液性能，使其满足压裂施工要求，重复利用。该处理方式相对简单，但对成分较复杂的返排液处理后需与清水稀释才能满足压裂用水要求。 2.1常规压裂返排处理技术 1）自然蒸发 依靠日照对返排液进行自然蒸发，去除水分，剩余盐类和淤泥采用固化处理。该方法处理能力小，处理周期长，受自然条件限制（温度和土地）。美国西部部分州和中国部分沙漠地区少量的返排液采用了自然蒸发处理。 2）冻融
冻融是将返排液冷冻至冰点以下结冰，盐因溶解度降低而析出，使冰的盐浓度降低，再将冰加热融化得到低浓度盐水，从而实现盐一水分离。该方法受地理气候限制，需要足够的冰冻天气，未见工业化应用报道。 3）过滤 过滤常被用于返排液预处理和返排液处理后固-液分离，去除机械杂质/悬浮物等，也能在过滤时将部分油(脂)除去，且通常配以活性炭吸附处理。过滤效果受滤网/滤芯孔径限制，过滤效率受过滤后的水质要求限制。对于一些孔径较小的过滤器，细菌的存在将产生豁液堵塞过滤器，清洗后也难以保持。过滤处理返排液在国内外各大油气田均有应用，但通常与其它处理技术复合应用，除去返排液自身和处理过程中产生的机械杂质。 4）臭氧氧化 臭氧氧化是利用臭氧的强氧化性去除返排液中的色、浊、嗅味以及可溶性有机物(包括挥发性酸、苯系物和环烷酸等)、油(脂)以及重金属等。该方法常与过滤配合应用，将一些重金属离子氧化成不溶性物质，过滤去除。中原油田、河南油田将臭氧化与絮凝等技术复合应用，取得了较好效果。 5）化学絮凝 絮凝剂加人返排液中能使返排液中的悬浮微粒集聚变大或形成絮团，加快悬浮微粒的聚沉，实现固-液分离。为了提高化学絮凝效果，减少絮凝剂用量，常先采用臭氧对返排液进行氧化处理，再进行化学絮凝。胜利油田采用化学絮凝处理王家岗污水站的返排液和钻井、洗井废水的混合物，处理后的水质达到了油田采出水处理系统要求。 6）电絮凝
新概念成套页岩气压裂项目 “小井场大作业”的简介 “小井场大作业”是由烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司(以下简称杰瑞集团）提出的，全套的综合压裂施工的设备解决方案。 “小井场大作业”是针对中国局促有限的作业施工环境，同时“满足适应各种压裂施工方案，满足全面的施工流程化要求，提高全集成控制能力”这三方面的一个与和关系的最终解决方案。 一．“小井场大作业”的背景： 近几年，中国压裂作业的施工理念现状： ①压裂返排液异地处理：压裂返排废液主要是指压裂施工作业完成后返排至地面的废液， 其具有高CODcr值、高稳定性、高粘度等特点。若返排废液不经处理而直接排放，将会带来 严重的环境污染，影响油气田开发的正常生产。压裂作业一直采用异地处理，短期来看符 合环保的理念，长远去考虑，它存在压裂液异地运输的成本高，及大规模压裂 作业的大量反排液处理难度大。所以说，集中处理适合于城市，并不适合中国 井场现状。 ②大型工厂的配液站：现在的配液都倾向于作业现场预混配或是工厂化的前期混 配模式混配。从物料的精细化配液的作业来说，预混配和前期混配应该是不错 的选择，但难于适应施工计划的调整；提升了运输和存储成本；需要留出多余 的混配余量导致了浪费和环境污染。与现阶段大规模的压裂施工作业比较来说， 工厂化的大型压裂液预混配存在一种资源浪费。 ③大规模的集群作业：大规模的集群作业是比较贴近现代化压裂的施工理念，虽 然说大规模的集群作业在北美已经成功开展了很多年，但是中国的开发环境与 美国不同，所以大规模集群作业并不适合中国有限井场的设备布局和油气开发。二．压裂增产作业的发展历程： 1947年的时候，在美国雨果镇地区的一口气井上进行了第一次压裂实验作业； 1950年的时候，由哈里伯顿公司进行了第一次的商业化作业，此后拉开了将近一个甲子的页岩气压裂作业的发展历程； 60年代的时候，成套压裂设备及远程控制开始出现，开始有了各种压裂设备的分工，混砂车、压裂车及远程控制操作台开始出现； 70年代，出现了一个大型的压裂作业及设备，压裂作业开始向集群化施工作业方向发展；
非常规油气田（页岩气）开发压裂的相关工艺与要 一、页岩气的基本简介 关于页岩气的定义，Curtis 认为页岩气可以是储存在天然裂隙和颗粒间孔隙中的游离气，也可以是干酪根和页岩颗粒表面的吸附气或者是干酪根和沥青质中的溶解气。中国地质大学张金川教授给出的定义是: 主体位于暗色泥页岩或者高碳泥页岩中，以吸附和游离状态为主要存在方式的地层中的天然气聚集。页岩气以多相态存在于致密页岩中以游离、吸附和溶解状态存在于暗色泥页岩中的天然气，其赋存形式具有多样性，但以游离态和吸附态为主，溶解态仅少量存在，游离气主要存在于粒间空隙和天然裂隙中，吸附气则存在于基质表面。对于页岩储层评价：页岩的埋深和厚度、孔隙度和渗透率、裂缝是页岩气储集的衡量条件，页岩气藏富集程度的关键因素主要包括页岩厚度、有机质含量和页岩储层空间三大因素。 1、美国页岩气的勘探开发现状。２０世纪３０年代，美国密歇根州的Ａｎｔｒｉｍ页岩气藏进入中等程度开发阶段。到８０年代已钻井９０００口，美国开发最积极的页岩气富集带位于Ｔｅｘａｓ的ＦｏｒｔＷｏｒｔｈ盆地的Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气藏它的成功开发。得到了工业界的广泛关注，１９８６年首次在Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气藏采用大规模的水力压裂。１９９２年在Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气藏完成第一口水平井通过不断提高的水力压裂技术和工艺，加速了Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气藏的开发。在此后的２０年里Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气藏的开发生产模式在北美工业界得到了推广。在过去的１０年间Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气的采收率从２％增加到５０％在美国４８个州。除阿拉斯加和夏威夷，广泛分布高有机质页岩，资源量在１４８３×１０１２１８５９×１０１２ｍ３加之煤层气和低渗透气藏的开发，将对美国能源形势起到重要的贡献。 2、开发瓶颈 中国页岩气开发还处于探索阶段，仅松辽、伊通盆地有几口井开始试气，初产在1000立方米左右，四川盆地和鄂尔多斯盆地也已经着手准备成立先导试验区。 作为一个新兴的非常规能源，页岩气资源的开发需要大量技术、资金和人员投入。而中国页岩气资源的开发刚刚起步，经验匮乏，技术不成熟，这些因素制约着中国页岩气的发展，页岩气资源的规模开发还有很长的路要走。页岩气开发对技术的要求很高，相对常规天然气来说，开采起来比较难，这主要是由页岩气藏的特点决定的。 页岩气开采的核心技术是水平井钻井法和水力压裂法（或称压裂法）。美国超过一半的天然气都是通过压裂法开采获得。该方法是用“压裂液体”，即化学物质夹杂着大量水、泥沙，用高压注入地下井，压裂邻近的岩石构造，扩张裂口，使天然气能流入井中得以收集。但是这些活动可能会对环境和人类健康产生负面影响，其中包括污染空气、水源和土壤等。更何况，页岩气生产区往往是缺水区，而该产业又必须消耗大量水资源，这就形成了一对矛盾，使其生产不可能无限制地快速增加。[4] 二、页岩气的开采工艺 从化学组成上说，页岩气是典型的干气，其主要成分是ＣＨ４（ＣＨ４含量大于等于９０％）但是某些储层也产出湿气。页岩气储层是富含有机质的岩层，其组成中占首要地位
页岩气钻完井工程发展趋势页岩气钻完井技术 2011. 8
页岩气钻完井工程发展趋势 ?当前，我国正处于工业化快速推进阶段，对能源需求量越来越大，同时减少 碳排放的压力也与日俱增。这些都为非常规天然气快速发展提供了机会。 ?页岩气，是一种重要的非常规天然气资源。页岩气在非常规天然气中异军突 起，已成为全球油气资源勘探开发的新亮点，并逐步向一场全方位的变革演进。由此引发的石油上游业的一场革命，必将重塑世界油气资源勘探开发新格局。加快页岩气资源勘探开发，已成为世界主要页岩气资源大国和地区的共同选择。 ?美国作为世界上页岩气资源勘探开发最早的国家，在政策、价格和开发技术 进步等因素推动下，已在北美地区形成成熟的评价方法和勘探开发技术，值得我国页岩气研究和勘探开发工作者学习借鉴。 ?我国与美国在页岩气地质条件上具有许多相似之处，页岩气富集地质条件优 越，具有与美国大致相同的页岩气资源前景和开发潜力。目前我国页岩气资源调查与勘探开发还处于探索起步阶段，至今尚未对其潜力进行全面估算，页岩气资源有利目标区有待进一步落实，勘探开发还处于“空白”状态。
目录 前言 一国内外页岩气开发状况二页岩气钻完井技术 三启示和建议
?中国页岩气资源量约为30.7万亿方（类比法），总面积达300万KM2,资源丰富、分布广阔，潜力巨大，勘探开发刚刚起步 ?南方海相21万亿占70%，四川古生界12万亿，需尽快探明 ?示范工程威201、宁201井昭104直井压裂初见成效，为开发提供了宝贵经验 中国页岩气资源分布图 一、国内外页岩气开发状况
页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气。大部分是自生自储于古生界志留寒武系。 ?游离相态存在于裂缝、孔隙及 其它储集空间 ?吸附状态(20～85%)存在于干 酪根、粘土颗粒及孔隙表面 ?极少量以溶解状态储存于干酪 根、沥青质及石油中页岩气（shale gas）是从页岩层（or泥岩层）中开采出来的天然气。
页岩气压裂 一、百度词条：页岩气压裂 二、目录： 1.页岩气压裂简介 2.页岩气压裂的技术发展 3.页岩气压裂体系 4.页岩气压裂设备制造 三、页岩气压裂简介： 1.页岩气概况：页岩气在全球范围内分布广泛，且开发潜力巨大。20世纪90年代以来，美国、加拿大等北美国家页岩气勘探取得成效，开发技术趋于成熟。据测算，全球页岩气资源量约为456×1012m3。页岩气的勘探开发使美国天然气储量增加了40%。2010年美国页岩气产量接近1000×108m3，约占美国当年天然气总产量的20%，页岩气已经成为美国主力气源之一。国内页岩气的勘探开发尚处于起步阶段，但是发展迅速。是继美国、加拿大之后，第三个勘探开发页岩气的国家。目前已经在中国渤海湾及松辽、四川和吐哈等盆地发现了高含有机炭的页岩。据预测，中国页岩气潜在资源量大于30×1012m3，开发潜力巨大。 2.页岩气压裂技术概况：页岩储层具有低孔特征和极低的基质渗透率,因此压裂是页岩气开发的主体技术。目前, 北美页岩气逐渐形成了以水平井套管完井、分簇射孔、快速可钻式桥塞封隔、大规模滑溜水或“滑溜水+ 线性胶”分段压裂、同步压裂为主, 以实现“体积改造”为目的的页岩气压裂主体技术。了解北美地区页岩气储层特点和开发技术, 加快技术研发和应用力度, 尽快形成和配套适应我国页岩气压裂技术应用的基础理论与技术系列, 对于加快我国页岩气勘探开发步伐有着重要的现实意义。 四、页岩气压裂的技术进展 页岩气储层必须经压裂才能形成工业气流。页岩气储层的压裂改造工艺、加砂规模等都与常规压裂改造有明显不同。不同区块页岩储层特性各不相同, 并不是所有的页岩都适合滑溜水、大排量压裂施工[ 7] 。脆性地层( 富含石英和碳酸盐岩) 容易形成网络裂缝, 而塑性地层( 黏土含量高) 容易形成双翼裂缝, 因此不同的页岩气储层所采用的工艺技术和液体体系
页岩气开采中的水力压裂与无水压裂技术 孙张涛 吴西顺 （中国地质图书馆，北京 1000813） 摘 要：随着“十二五”规划的发布，页岩气的大规模勘探开发在我国被提上议事日程。对于我国目前的页岩气勘探开发而言，技术配套和攻关是首要任务，还需处理好相关的环境问题。然而，页岩气开采中常用的水力压裂技术始终面临着两大难题：水资源的大量消耗和压裂导致的相关污染等。因此，出于环保和节约水资源的考虑，国外许多公司都加大了对氮气泡沫压裂、CO 2 压裂和液化油气压裂等无水压裂技术的研发投入。无水压裂技术不仅可以解决缺水难题，还能减少页岩气开发对环境造成的污染，可谓一举两得。目前我国尚未完全掌握相关核心技术，水资源又相对缺乏，基于这样的现实考虑，无水压裂技术或许能够解决我国页岩气开发中的水资源难题。 关键词：页岩气开采 水力压裂 无水压裂 压裂技术 基金项目：本文受中国地质调查“国外地质文献资料集成服务与分析研究”项目资助（项目编号：1212011220914）。 收稿日期：2014-05-12 第一作者简介： 孙张涛（1981-），女，助理研究员，主要从事地学文献情报研究。 1引言 我国“十二五”规划明确提出了“推进页岩气等 非常规油气资源的开发利用”，随后《页岩气发展规 划（2011～2015）》（以下简称《规划》）也应运而生， 该《规划》明确要求“加大页岩气勘探开发技术科技 攻关，掌握适用于我国页岩气开发的增产改造核心技 术”。虽然水力压裂技术是现阶段开采页岩气的主流 技术，但由于存在诸多尚未突破的“瓶颈”，已成为欧 美国家页岩气辩论中最具争议性的一个话题。随着人 们对水资源和环境问题的重视，许多国外公司纷纷探 索水力压裂的替代技术。我国“十八大”报告强调要 “全面促进资源节约”以及“加强水源地保护和用水 总量管理”，《规划》中也提出要“减少用水量”以及要 “加强环保监测实现压裂液无污染排放”，在水资源 匮乏、生态环境脆弱的中国，若要大规模开采页岩气， 必须考虑并规避水力压裂可能带来的风险，因此，技术 突破和攻关在现阶段显得尤为重要。 2水力压裂技术 2.1 水力压裂原理 水力压裂是通过高压将数百万加仑的压裂液泵入 油井或气井中，冲破页岩层生成岩层裂隙以实现油气 增产的一项技术，如果注入的压裂液能保证足够的压 力维持荷载，裂隙可以延伸数百米。压裂液中大约99% 为水，其他主要是化学添加剂和支撑剂（如砂粒或陶 粒），以防止压裂裂隙闭合。添加到压裂液中的化学品 包括摩擦减速剂、表面活性剂、胶凝剂、规模抑制剂、 酸性试剂、腐蚀抑制剂、抗菌剂、黏土稳定剂等。表1[1] 为水力压裂过程中可能使用的某种或多种压裂液的组 成和用途。 1947年，在美国堪萨斯州首次应用了水力压裂技 术，但该技术被迅速推广则得益于近年来页岩气在 全球的兴起。2008年，在世界范围内打了5万多口水 力压裂井，据估计，如今一半以上的钻井都要进行压裂 作业[2]。
页岩气压裂返排液处理工艺 近年，随着国家对能源的需求量不断增加，加大了对页岩气勘探开发的力度。目前页岩气试气作业主要运用长水平井分段压裂工艺技术，该技术是将大量的压裂液（5 000~30 000 m3）注入井内，以实现开采天然气。该方法带来油气产量的同时，井内剩余压裂液、天然水随着气体一同回到地表。返排出的压裂液数量大并混有烃类和其他化学物质，污染物含量高。 压裂返排液对环境的危害较大，由于其内在污染物成分复杂且较稳定，在自然力（如氧气）的作用下很难被降解，废液处理是页岩气井勘探开发面临的主要问题这一。为了解决这一难题，我们根据压裂返排液特点，优选破乳—絮凝—氧化处理工艺，通过大量实验室试验，确定了高效、低成本的破乳剂、混凝剂和氧化剂以及最佳药剂配方。 1 实验样品 试验样品采自页岩气开发试验井1﹟井、2﹟井、3﹟井的作业废水，共同的表征特性如下：浑浊，刺激性异味，粘度较大，沉淀少。水样的成分如表1。 3 类水样的COD 均大于500 mg/L，且悬浮物含量相对较高，实验需要以降低COD、降低悬浮物含量作为主要的处理指标。 2 实验过程 2.1 初实验阶段 在该阶段过程中，整体对破乳剂、混凝剂、氧化剂等进行了实验比选。 2.1.1 1﹟井初实验阶段及药剂初筛 实验选取破乳剂C1、破乳剂C2、混凝剂B1、混凝剂B2、混凝剂B3、混凝剂B4、氧化剂A1 等实验药剂对1﹟井压裂返排液进行处理。见表2。
通过不同药剂组合观察各个方案对水样处理效果，并测定各水样COD、SS 值，选择处理效果最好的混凝剂B1、破乳剂C2、氧化剂A1 药剂组合处理水样。（1）加药量确定 方案1：0.5%破乳剂C2+0.4%混凝剂B1。 方案2：0.2%破乳剂C2+0.3%混凝剂B1+0.25%氧化剂A1 +0.3%破乳剂C2。 方案3：0.2%破乳剂C2+0.3%混凝剂B1+0.5%氧化剂A1 +0.3%破乳剂C2。 （2）1﹟井初实验结果 通过对不同药剂的筛选和药剂配方的优选，确定1﹟井作业废水处理工艺为：0.2%破乳剂C2+0.3%混凝剂B1+0.5%氧化剂A1+0.3%破乳剂C2。达标处理方案各处理阶段污染物去除效果见表3。 2.1.2 2﹟井初实验阶段及药剂初筛 实验选取破乳剂：生石灰、C 剂；混凝剂：B 剂、PAC、PAM、PAFCS；氧化剂：氧化剂A1、氧化剂2等实验药剂对2﹟井作业废水进行处理。见表4。