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環保風波帶來水處理的角色大反轉

環保風波帶來水處理的角色大反轉

油氣運營商一直將水處理“納入”鉆井和生產作業的成本中。但北美頁巖氣的興起,讓水處理逐漸從“項目費用占有者”轉移到了“項目核心環節”。

來自 | Upstream
編譯 | 二丫 影子

為了能將頁巖產量最大化,運營商不惜拿出數百萬桶水來壓裂水平段越來越長的水平井。

在壓裂作業完成后,壓裂返排液隨著地層采出水一塊被返回至地面。這些液體已經被壓裂液中的化學物質以及來自儲層中的碳氫化合物、化學物質和礦物質所污染。

水密集型壓裂提出了兩個水資源管理問題。首先,運營商必須確保足夠的淡水資源供應,來復配大量的壓裂液,實現預定的完井計劃。

環保風波帶來水處理的角色大反轉

“很多開發項目目前都沒有處置井所需的管道?!?/span>

—Aaron Horn, Fountain Quail 能源服務公司

但是他們依然要設法處理這些數以千桶計的返排液和采出水。在實際開發中,出水和水處理往往是同時進行的。

根據2016年美國內政部填海局的報告顯示,從現場情況看,從當地土地所有者或市政當局購買水的費用為0.25~1.75$/桶。根據處理技術、水質、最終用途和項目所在地及類型幾個方面來看,處理返排液和采出水的成本大約為0.07~1.60$/桶。

逐漸地,相比于廢水處理,運營商開始傾向于回注,一次處理便解決了水供應和水處理雙重問題,可謂一箭雙雕?;刈⒓夹g通常要求將返排液和采出水處理到可復配壓裂液的標準。報告稱,根據技術和水源質量的不同,回注處理的費用從0.20~8.50$/桶不等。

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Fountain Quail能源公司在二疊紀盆地的一個廢水回注站。地面儲存罐(左)用來儲存未處理的水;蓄水池(右)用來儲存經過設備(中)處理的清水。該套裝置每天可處理廢水1,5000桶。

在水資源缺乏的地區,回注的作用尤其明顯。Fountain Quail公司副總裁Aaron Horn說:“目前,特拉華盆地和二疊紀盆地正在進行大量的回注作業。這兩個地區都是非常干燥的,另外還有一些沒有處置井所需管道的其他地區,也在進行回注作業?!?/span>

對于處理系統基礎設施較少的區域,回注也極具吸引力。例如,美國東部的Marcellus和Utica頁巖,他們使用的幾乎所有壓裂液都是用處理后的返排液和采出水重新復配而成的。

哈巴增產部全球業務發展和營銷經理Renee LeBas表示,“對于采出水應用的成本,必須從物流、化學品加工,以及處理成本等多個方面去考慮和分析。其中一個部分便是處置井的可用性,即從采出水井到處置井之間的距離。這其中有許多非常具體的因素,是個十分復雜的構成?!?/span>

還有第三種選擇,即地面處理。這種處理方式需要使用技術難度高且成本昂貴的熱處理方法,使被處理的廢水達到所需純度水平。

因此,將排出水進行再利用往往是經濟環保的最佳選擇。Horn表示,“Marcellus頁巖地區的水資源運輸和處理可能會導致運營商的成本提高13$/桶。如果運營商不能打破這種平衡,或者就說不能通過回注的方式節省資金,那么他們不會平白無故這么做的?!?/span>

據2016年Navigant研究報告顯示,隨著油氣行業最求大規模天然氣儲量和監管壓力的增加,預計到2025年,壓裂返排液和采出水的處理和回注利潤將達到38億美元。

處理方案

要想讓水在壓裂液配方中能夠重復利用,那么就必須將返排液和采出水中的主要污染物除掉,包括懸浮顆粒和重金屬離子等。另外,水處理還必須除去廢液中的油,并對整個系統中細菌的含量加以控制。

通常來說,水處理方案包括熱處理、物理過濾和化學處理三部分。其中,熱處理比較復雜,且處理成本很高,并且只有在較低的流體流速下才能實施。

一般情況下,物理過濾包括兩種技術:顆粒過濾,可除去大約0.5μm的固體顆粒;反滲透膜過濾,這種過濾中的水需通過高壓過濾器。過濾膜上的小孔可除去所有固體和離子。反滲透還可除去氯化物,但也只能除去含鹽量較低的返排液中的氯化物,并且它不適用于具有較高含鹽度的頁巖地層水。

此外,當進入系統的水已經被適量化學品進行預處理之后,反滲透過濾的作業效率最高。

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流體解決方案:Fountain Quail能源公司在二疊紀盆地測試一個占面積小,處理量為8000bpd的無人作業單元,用于除去廢液中的懸浮固體、鐵和油,并對微生物進行控制。

然而,返排液和采出水的成分和比例是不斷變化的,所以預處理過程比較復雜?!胺蹬乓簩μ幚砉に嚂a生影響,尤其是凝膠型壓裂返排液,影響更大?!盚orn表示,“返排液含有油、懸浮固體和凝膠等,處理起來難度非常大?!?/span>

“幾個星期之后,如果廢液多數是采出水,那么可能處理量會多一些;但如果生產的最初幾天,排出的廢液都是壓裂返排液,那才是真正的難題。但是,我們可以解決它?!盇Ox是一系列化學處理,是通過與羥基離子反應,除去水中的有機和無機成分。該方法能產生出非?;钴S的氧,整個過程由電力或紫外線輻射等外部能源驅動。

水處理方面的另外一個具有挑戰性的問題就是,如何防止返排液和采出水中的細菌生長。隨著壓裂液一起被泵入井下的細菌會在近井處瘋狂地生長,帶來腐蝕和生產問題。在過去,工程師們利用一種被稱為biocides的細菌破壞化學物質來解決這個難題。然而這樣的方式卻給過濾環節提出了難題。返排液和采出水性質的變化使作業人員難以確定,在特定時刻該向系統內加入多少biocides。

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從返排液中分離出來的油狀凝膠固體

Horn說,這一難題也許能在自動化中找到答案?!爱斈闾砑觔iocides時,由于水在不斷地變化,你不知道是否已經殺死了所有細菌。我們有一個二氧化氯自動計量系統,具有一個即時反饋回路,可持續控制水質?!?/span>

水源的質量和最終的處理標準決定了最佳處理方法。而壓裂流體化學的進步正在改變著對水源質量的定義。比如,供應商們曾經認為,TDS值較高的水是不能用于復配壓裂液的。但近年來,化學家們將高TDS值的水經過極少的預處理,除去一些固體、油脂和采出油,即可用來復配壓裂液。

哈巴高級產品經理Paul Lord說:“我們可以通過使用交聯劑和聚合物型凝膠,來將TDS高達300,000ppm的水利用起來。而且我們的潤滑劑可以與這種類型的水相配伍,,這使得我們可以直接用采出水來重新復配壓裂液,免去了大量的水處理時間和成本?!?/span>

長期以來,水處理一直是行業關注的焦點問題,近年來又進一步從邊緣問題逐漸發展成為了核心的技術議題。油氣價格持續地位,這在某種程度上強化了有效進行水處理的吸引力。此外,頁巖氣作業者最近對水資源的使用也受到了限制,其與地震活動之間的聯系正在經歷著相關部門的嚴格審查。為了得到監管機構和社會公眾的認可,石油公司正在加大對水處理的投入,并將水處理從之前的“生產作業”逐漸發展成重要的“服務行業”。

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