页岩气压裂返排液处理新技术综述

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工大学机械工程专业,获硕士学位,现在中石化 石油工程机械有限公司研究院产品所从事石油 机械的研究。
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图4 平台结构疲劳分析模型 根据平台井口的布置,针对不同井口位 置计算组块平台的疲劳损伤。本文中考虑4 个最极端井口位置进行计算。总的疲劳损伤 等于各个井口位置的疲劳损伤之和,疲劳寿 命等于设计疲劳寿命除以总疲劳损伤。 根据API规范的到公式(1) ∑Di = ∑SFi * di < 1.0 (式1) 其中: di =每个井口位置的疲劳损伤 SFi = 2.0 (疲劳损伤计算安全系数) 通过分析,平台结构在设计寿命期间是 安全的,疲劳损伤值大于0.5的节点数据。 计算结果表明:平台结构与下部浮力塔 直接相连的四根主立柱与其他杆件焊接处易 发生疲劳破坏;平台结构疲劳损伤最严重的 地方发生在此四根立柱的最下部节点处,损 伤程度高达0.949,但未超过设计使用寿命内 允许的疲劳损伤。 4 结论 (1)采用WA M I T与S A C S两种软件相 结合的方法对该浮力塔式平台结构进行疲 劳损伤分析的方法,充分利用了WA M I T对 于浮式结构性能分析的强大功能,同时规避 了SACS本身关于浮式平台运动计算的局限 性,分析过程更为严密,结果更可靠。 (2)计算实例表明,该浮力塔式平台 结构在设计寿命期间内是安全的。
勘探开发
中国石油和化工标准与质量
页岩气压裂返排液处理新技术综述
6月(下)
许剑 李文权 高文金 中石化石油机械装备重点实验室 湖北 武汉 430233
中石化石油工程机械有限公司研究院 湖北 武汉 430233 【摘要】本文综述了页岩气压裂返排液的国内外处理现状,着重分析了国外正在应用的三种新技术,分别是MVR蒸馏技术、电絮凝技术以及臭氧催
但是传统的臭氧氧化技术在应用范围上 有一定的局限性,在处理过程中,臭氧对污 染物的去除表现出选择性,将优先与反应速 率快的污染物进行反应而将其去除,从而使 反应速率低的污染物不能被去除。但是羟基 却可以避免此问题,因此臭氧要与其他氧化 技术组成催化氧化体系,其中臭氧与活性炭 就是典型的联用技术。该技术采用活性炭表 面附载纳米MnO2金属氧化物作为催化剂,以 提高其催化活性。
(2)搞好下井套管的校验:套管下井 前要对其管体、螺纹和强度进行检验。
(3)在注水开发的区块要防止注入水 进入泥岩层段,改变泥岩的应力状态、力学 性质,使泥岩产生膨胀和位移,对套管造成 挤压,引起套损。
(4)在注水井早期注防膨剂,注水开 发油田为避免注入水进入泥岩后引起套管变 形,在注水井的早期注水中注入防膨剂,可 以有效的控制泥岩膨胀,防止套管变形。
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作者简介 许剑,男,助理工程师,2011 年毕业于武汉理
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作者简介 张绍营,男,硕士,毕业于北京石油大学(华
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目前,美国Halliburton公司采用 C l e a n Wa v e技术,通过车载电絮凝装置破坏 压裂返排液中胶状物质的稳定分散状态。当 压裂返排液进入该装置时,阳极释放带正电 的离子,并和胶状颗粒上带负电的离子相结 合,产生凝聚。同时,在阴极产生气泡附着 在凝结物上,使其漂浮到水面,再由分离器 除去,而较重的絮凝物沉到水底而排出。
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 的处理却难以达到环保要求。
压裂返排液具有粘度大、稳定性高、悬 浮物多、矿化度高和成分复杂等特点。若不 进行妥善处理,对页岩气开发的长远发展将 造成不可估量的损失。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。
化氧化技术。这些技术均可有效解决不同污染物组份的压裂返排液污染问题,节约处理成本,保护生态环境,代表了未来该领域的主要发展方向。 【关键词】页岩气 压裂返排液 MVR蒸馏技术 电絮凝 臭氧催化氧化
1 前言
页岩气一种重要的非常规能源,近年来 我国正处于开发页岩气的热潮中,国家在页 岩气“十二五”规划中明确要求推进页岩气 等非常规油气资源的开发利用,增加天然气 资源供应,缓解我国天然气供需矛盾,调整 能源结构,促进节能减排。
由此看出,目前国内对于页岩气压裂
返排液的处理还没有形成系统的有效解决方 法。为了保护生态环境的需要,促进页岩气 进入更好更快地发展,因此研究压裂返排液 处理的新技术势在必行。
3 新技术研究
近年来,国外研究开发出一些压裂返排 液处理的新技术,如MVR蒸馏技术、电絮 凝技术和臭氧催化氧化技术。这些新技术能 有效处理压裂返排液,去除石油类、悬浮物 以及难降解有机物,无论从经济上还是从处 理效果上,都能达到重复利用要求和排放标 准,现针对这些新技术做进一步的阐述。
国内对压裂返排液的处理方法主要是自 然风干和化学处理,自然风干是将压裂返排 液储存在专门的返排液池中,采取自然蒸发 的方法进行干化,最后直接填埋。这种方式 不仅耗费大量时间,而且填埋后的污泥块依 然会渗滤出油、重金属、醛、酚等污染物, 存在严重的二次污染。
化学处理是将返排液集中进行加药絮 凝、过滤等预处理,然后将返排液回注到地 层中,这种方法的处理工艺流程复杂,应用 范围有一定的局限性。由于国内页岩气的开 采地区均属于新开发区块,附近没有合适的 回注井,需要运输至较远的井场,此方式将 无形中增加了处理成本。
2 国内外处理现状
国外对压裂返排液的处理方法主要是重 复利用。根据国外的技术资料显示,他们从 水力压裂技术的生产成本和环境保护要求考 虑,认为水资源的重复利用将是未来发展的 趋势。因此提高现有水资源的重复利用率, 从而减少对淡水资源的依赖性。这种方式不 仅降低了处理压裂返排液的成本,而且还减 少了相关污染物的排放。
3.1 MVR蒸馏技术 M V R(M e c h a n i c a l Va p o r
Recompression)是指机械式蒸汽再压缩,该 技术是重新利用自己产生的二次蒸汽能量, 从而减少对外界能源需求的一项节能技术。 MVR蒸馏由蒸发器、换热器、压缩机及离心 机等部件构成,主要去除压裂返排液中的重 金属离子,从而降低总矿化度。
基金项目:中国石油化工集团公司科技部项目“页岩油气压裂返排液重复利用与处理技 术研究”。
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3.2 电絮凝技术 电絮凝技术是利用电能的作用,在反应
过程中同时具有电凝聚、电气浮和电化学的 协同作用,由电源、电絮凝反应器、过滤器 等部件构成,主要去除压裂返排液中的悬浮 物和重金属离子。
具体工作原理是首先在电源的作用下, 利用铁板或铝板作为电絮凝反应器的阳极, 经过电解后阳极失去电子,发生氧化反应而 产生铁、铝等离子。然后经过一系列水解、 聚合及亚铁的氧化反应生成各种絮凝剂,如 羟基络合物、多核羟基络合物以及氢氧化 物,使污水中的胶体污染物、悬浮物在絮凝 剂的作用下失去稳定性。最后脱稳后污染物 与絮凝剂之间发生互相碰撞,生成肉眼可见 的大絮体,从而达到分离。
5 结论 压裂返排液具有间歇式排放、悬浮物含
量高、成分复杂及难降解等特点,直接排放 会对油气田生产和生态环境发展造成不可估 量的损失。本文综述了三种国外页岩气压裂 返排液处理的新技术,分析了每项技术的基 本原理和应用案例,同时提出了未来该领域 的主要发展方向,为压裂返排液处理装置的 研制与现场应用提供了理论基础。
3.3 臭氧催化氧化技术 臭氧催化氧化技术是利用臭氧与活性炭
联用的处理技术,由催化反应器、空气气源 处理系统、冷却水系统、臭氧发生器等部件 组成,主要用来去除压裂返排液中的难降解 有机物和细菌。
传统的臭氧氧化技术是利用臭氧超强的 氧化能力,打断各种难降解有机物的碳链结 合键,使其快速氧化,合成为新的化合物。 与常用的化学氧化剂相比,臭氧氧化电位为 2.07V,作为氧化电位最高、氧化能力最强 的物质,因此常用作处理难降解有机物。
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6月(下)
同时加以超声波协同,发生水力空化反 应,促进臭氧分解生成羟基,使难降解有机 物的去除率显著提高。水力空化是指水进入 含有超声波的反应器时,将由于振动产生数 以万计的微小气泡,并逐渐长大,最后发生 剧烈的崩溃,从而产生羟基去除难降解有机 物。
目前,美国Fountain Quail公司正利用 MVR蒸馏技术处理压裂返排液。该公司通过 撬装设备首先回收蒸发或浓缩过程中损失的 热量,然后再将回收的热量用来为另外的蒸 发过程提供燃料,这样可以提高能源效率。 压裂返排液经过处理后,就能得到纯净的蒸 馏水,而留下的是少量浓缩的盐溶液,其中 包含压裂过程中的所有污染物和残留物。
东),现从事钻井工程相关工作。
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导致套管损坏的因素类型。例如跃进二号地 区套管的腐蚀结垢现象比较严重,该地区地 层水矿化度高,腐蚀性强,易造成套管的穿 孔,破漏。
3 套管损坏的预防措施
(1)选用合理的套管,优化套管结 构,在易引起套损的井段,如射孔、断层附 近等选用高强度的厚壁套管。
具体工作原理是利用从蒸发器蒸发出 来的二次蒸汽,经过压缩机压缩,压力和温 度得到升高,同时热焓增加。然后送到蒸发 器的加热室作为加热蒸汽的热源使用,使液 体维持沸腾状态,而压缩后的蒸汽将被冷凝 成蒸馏水。这样原先要被废弃的蒸汽得到了 充分的利用,回收了潜热,提高了热利用效 率。
MVR蒸馏技术相比传统蒸馏技术,在能 源节约上的优势体现在:蒸汽被加热室利用 一次后,产生的二次蒸汽中蕴含大部分的低 品质能量,经过压缩机收集起来,并在花费 很小电能的基础上,将这部分二次蒸汽提高 为高品质能量,送回蒸发器作为热源使用, 因此可以达到能量循环利用的目的。
目前,美国Ecosphere公司采用以超声波 催化,活性炭与臭氧氧化协同作用的处理方 式,不使用化学药剂,用臭氧破坏细胞壁, 从而杀灭细菌、抑制结垢。该装置为车载形 式,可Βιβλιοθήκη Baidu根据页岩气开发的具体要求,提高 或者降低处理速率,以满足不同的环境要 求。
4 发展方向 随着页岩气的大规模开发,压裂返排
液的处理将成为亟待解决的重要问题。根据 国外资料研究,采用机械处理为主、化学处 理为辅的方式将成为未来主要发展方向。该 方式可结合新型物化处理方法与高级氧化技 术,提高处理效果。同时可根据处理要求, 工艺流程采用模块式组合,满足由于开发区 块变化而引起的压裂返排液组份变化。有效 解决不同污染物组份的压裂返排液污染问 题,节约处理成本,保护生态环境。
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