CN103101992A

CN103101992A - 制备钻井压裂液的正渗透水循环系统和工艺

Info

Publication number: CN103101992A
Application number: CN2012105761230A
Authority: CN
Inventors: 段伟; 黄浩勇; 王效宁; 蔡军刚
Original assignee: SINGAPORE SANTAI WATER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SINGAPORE SANTAI WATER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: CN103101992B

Abstract

本发明提供了一种制备钻井压裂液的正渗透水循环系统及工艺，该反应系统包括用于储存压裂液废液的第一储备池、渗透膜装置和用于储存压裂液的第二储备池；所述的制备钻井压裂液的工艺包括下列过程：第一储备池的压裂液废液和汲取液分别进入渗透膜装置的两侧，在正渗透压的作用下，压裂液废液中的水分子通过渗透膜进入汲取液中，从而得到稀释后的汲取液，将稀释后的汲取液通过第一出液口储存至第二储备池，而渗透膜装置的浓缩液则通过第二出液口返回至第一储备池；所述的汲取液是高浓度的压裂液。本发明的正渗透水循环系统低能耗，低污染，处理能力大，机动性强。

Description

制备钻井压裂液的正渗透水循环系统和工艺

技术领域

本发明涉及废水回用领域，具体的涉及一种压裂液废液回用的制备钻井压裂液的正渗透水循环系统和工艺。

背景技术

随着工业迅猛发展和人口的不断增加，水的消耗量越来越大，淡水资源的短缺和污染已经成为困扰当今世界的一大难题。为了解决这一问题，全世界越来越重视污水的资源化。

水力压裂技术用于油气生产增加或者恢复石油、天然气从地下天然油气田中渗出的速率。典型的油气储层是多孔砂岩、石灰岩、或者白云岩，但是也存在非常规的油气储层，例如页岩或者煤层。水力压裂技术能够从地层深处（通常是5,000-20,000英尺或者1,500-6,100米）的岩石中获得天然气和石油。在如此深的地底下，通常渗透量或者储层压力都不足以让天然气和石油能够以经济的速率从岩石中流入油气井中。所以，在岩石中制造出引导裂缝对于从页岩储层中抽取天然气是非常关键的，因为页岩中天然气的渗透速率是极低的。裂缝就提供了这种连接大储量储层到油气井的引导通道。

用于油气井水力压裂的压裂液的成分随着压裂类型的不同而变化，主要有凝胶基、泡沫基、或者减阻基。此外，支撑剂被用于保持压开的裂缝处于张开状态。支撑剂的种类包括石英砂、树脂包覆砂和人造陶瓷颗粒等，根据渗透类型或者颗粒强度的要求来选择。应用最广泛的支撑剂是石英砂。由于裂缝内的高孔隙率，大量的石油和天然气被释放出来。化学添加剂也被用于修饰注入物质以适应各种特殊的地质条件，保护油气井，改善油气井的运作。化学添加剂随着油气井类型的不同稍有变动。不管使用何种成分、支撑剂、化学药品，都需要大量水来制备用于水力压裂的压裂液。一般一个井在一周内平均需要3-8百万加仑(11,000to30,000m³)水。在缺水地区，就必须建设长距离管道系统从很远的水源地输送水过来。在枯水期，这就会影响到市政供水和一些工业用水。因此，为了减少用水量，压裂液废液尤其是压裂液废液循环利用就成为了一个重要的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种制备钻井压裂液的正渗透水循环系统和工艺，本发明采用高浓度的汲取液来汲取钻井压裂液废液中的水，实现了钻井压裂液废液的回用，投资成本低，运行成本低。

本发明的技术方案如下：

一种制备钻井压裂液的正渗透水循环系统，所述正渗透水循环系统包括用于储存压裂液废液的第一储备池、渗透膜装置和用于储存压裂液的第二储备池；

所述渗透膜装置的渗透膜组件两侧分别设置第一进液口和第二进液口，所述第一进液口与所述第一储备池相连通，所述第二进液口用于使汲取液进入渗透膜装置，在所述渗透膜装置的渗透膜组件两侧还设置有第一出液口和第二出液口，所述第一出液口与所述第二储备池相连通，所述第二出液口与所述第一储备池相连通；

所述的正渗透水循环系统以高浓度的压裂液为汲取液，压裂液废液和汲取液分别进入渗透膜组件的两侧，在正渗透压的作用下，压裂液废液中的水分子通过渗透膜进入汲取液中，从而得到稀释后的压裂液，将稀释后的压裂液通过第一出液口储存至第二储备池，而渗透膜装置的浓缩液则通过第二出液口返回至第一储备池。

在其中一个实施例中，所述的渗透膜装置的渗透膜是正渗透膜、反渗透膜或纳滤膜中的一种。

在其中一个实施例中，所述的高浓度压裂液是将添加剂、支撑剂和其他化学药剂配置成高浓度的溶液，所述汲取液的浓度高于钻井所使用的压裂液的浓度。

在其中一个实施例中，所述的第一进液口和第二出液口设置在所述渗透膜装置中放置压裂液废液的一侧，所述的第二进液口和第一出液口设置在所述渗透膜装置中放置汲取液的一侧；

所述渗透膜装置中放置压裂液废液的一侧的容积与放置汲取液的一侧的容积的比值大于0.1。

在其中一个实施例中，所述渗透膜组件为平板式、中空纤维式、管式或卷式。

在其中一个实施例中，所述的渗透膜装置是移动式的装置。

一种如上所述的正渗透水循环系统的制备钻井压裂液的工艺，所述的制备钻井压裂液的工艺包括下列过程：第一储备池的压裂液废液和汲取液分别进入渗透膜装置的两侧，在正渗透压的作用下，压裂液废液中的水分子通过渗透膜进入汲取液中，从而得到稀释后的汲取液，将稀释后的汲取液通过第一出液口储存至第二储备池，而渗透膜装置的浓缩液则通过第二出液口返回至第一储备池；

所述的汲取液是高浓度的压裂液。

在其中一个实施例中，所述的进入渗透膜装置两侧的汲取液和压裂液废液的浓度比大于1.2。

本发明的有益效果是：

（1）低能耗，本发明的正渗透水循环系统利用了正渗透原理，正渗透过程利用高浓度的汲取液所产生的渗透压作为水循环的驱动力，而不需要外加的压力；

（2）低污染，相比于其他压力驱动的过滤工艺，正渗透工艺的污染非常低，因此正渗透是油气开采污水处理的最佳选择；

（3）处理能力大，本发明的正渗透水循环系统处理废水的速度超过100加仑/分钟；

（4）机动性能高，本发明的正渗透水循环系统可以非常方便的在现场布置；

（5）节约用水，本发明合理利用了钻井压裂液废液，使得制备压裂液时，显著减少从外部运入的清水量；

（6）废弃物少，采用正渗透工艺能大幅度降低废弃物的处理和抛弃费用。

附图说明

以下结合具体附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1为本发明的制备钻井压裂液的正渗透水循环系统的一个实施例的整体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的制备钻井压裂液的正渗透水循环系统和工艺的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例一

一种制备钻井压裂液的正渗透水循环系统，所述正渗透水循环系统包括用于储存压裂液废液的第一储备池1、渗透膜装置2和用于储存压裂液的第二储备池3；

所述渗透膜装置2的渗透膜两侧分别设置第一进液口21和第二进液口22，所述第一进液口21与所述第一储备池1相连通，所述第二进液口22用于使汲取液进入渗透膜装置，在所述渗透膜装置的渗透膜两侧还设置有第一出液口23和第二出液口24，所述第一出液口23与所述第二储备池3相连通，所述第二出液口24与所述第一储备池1相连通；

所述的正渗透水循环系统以高浓度的压裂液为汲取液，压裂液废液和汲取液分别进入渗透膜装置的两侧，在正渗透压的作用下，压裂液废液中的水分子通过渗透膜进入汲取液中，从而得到稀释后的压裂液，将稀释后的压裂液通过第一出液口23储存至第二储备池3，而渗透膜装置的浓缩液则通过第二出液口24返回至第一储备池1。第二储备池中的稀释的压裂液可以通过压裂泵等进入钻井中使用。本实施例中的高浓度的汲取液可以现场配置，也可以设置一个高浓度的汲取液储存槽。所述的正渗透水循环系统应当靠近钻井。

钻井所使用的压裂液经过油气井，因此压裂液废液包含了使用过的压裂液，也可能包含多种溶解成分，如矿物质和盐水，这部分液体量大概是原压裂液量的30-70%。此外，自然界中的水也会进入压裂液废液中。为了合理利用压裂液废液，本实施例提供了一种制备钻井用的压裂液的装置，尤其，本实施例采用利用正渗透膜原理的渗透膜装置作为本实施例的制备钻井压裂液的正渗透水循环系统的主要部分，采用正渗透膜原理的渗透膜装置不需要外加压力即可完成渗透过程，能耗低；再者，本实施例采用高浓度的压裂液作为汲取液来汲取压裂液废液即压裂液废液中的水，这样可以合理利用压裂液废液中的水，减少废水排放，同时减少制备压裂液的采水量，节约水资源。再者，渗透膜装置所产生的浓水仍然回流至第一储备池以待整体处理，这样可以减少储存空间，节约投资。

较佳的，作为一种可实施方式，所述的渗透膜装置2的渗透膜是正渗透膜、反渗透膜或纳滤膜中的一种。为了更好的实现本发明的目的，本实施例中的渗透膜应当使得只有水分子能够通过。

较佳的，作为一种可实施方式，所述的高浓度压裂液是将添加剂、支撑剂和其他化学药剂配置成高浓度的溶液，所述汲取液的浓度高于钻井所使用的压裂液的浓度。本实施例的压裂液的具体配方根据实际需要确定，只要将压裂液根据配方配置为高浓度的溶液作为汲取液即可。

较佳的，作为一种可实施方式，所述的第一进液口21和第二出液口24设置在所述渗透膜装置中放置压裂液废液的一侧，所述的第二进液口22和第一出液口23设置在所述渗透膜装置中放置汲取液的一侧；所述渗透膜装置中放置压裂液废液的一侧的容积与放置汲取液的一侧的容积的比值大于0.1。这是为了使经过渗透膜装置的稀释后的压裂液符合钻井使用的要求。

较佳的，作为一种可实施方式，所述渗透膜为平板式的、中空纤维式、管式或卷式的。本实施例中的渗透膜单元中的渗透膜可以是任何类型的半透膜，只要它们可以允许溶剂如水等通过，但是控制各种类型的溶解溶质（钠盐、钾盐、镁盐、钙盐、氯盐、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐以及其他盐类，糖、蛋白质和其他化合物）通过。所述渗透膜可以组装制作成各种结构的组件，包括但不局限于中空纤维膜、管式膜、毛细管膜、平板膜和卷式膜。渗透膜的材质可以是有机材料也可以是无机材料。这些材料包括但不局限于醋酸纤维素，三醋酸纤维素、聚砜、聚四氟乙烯、聚酰胺、其他复合类型的材料、陶瓷材料。渗透膜的结构可以是不对称结构也可以是复合结构(包括支撑膜和复合膜)。

较佳的，作为一种可实施方式，所述的渗透膜装置是可移动式的装置。本实施例将渗透膜装置设置为可移动式的，而第一储备池和第二储备池可以现场施工得到，这样本实施例的正渗透水循环系统的机动性能高，可以非常方便的在现场布置，使用方便。

基于同一发明构思，本发明还提供一种制备钻井压裂液的工艺，该工艺包括下列过程：第一储备池的压裂液废液和汲取液分别进入渗透膜装置的两侧，在正渗透压的作用下，压裂液废液中的水分子通过渗透膜进入汲取液中，从而得到稀释后的汲取液，将稀释后的汲取液通过第一出液口储存至第二储备池，而渗透膜装置的浓缩液则通过第二出液口返回至第一储备池；所述的汲取液是高浓度的压裂液。

参见图1，钻井4中产生的压裂液废液进入第一储备池1，第一储备池1中的压裂液废液和汲取液分别进入渗透膜装置2的渗透膜的两侧，此时在正渗透压的作用下，压裂液废液中的水分子通过渗透膜进入汲取液的一侧，从而汲取液被稀释得到稀释后的压裂液，稀释后的压裂液通过第一出液口进入第二储备池3中储存，需要使用时则通过压裂泵5进入钻井中，形成循环，而渗透膜装置的浓缩水回流至第一储备池。

较佳的，作为一种可实施方式，所述的进入渗透膜装置两侧的汲取液和压裂液废液的浓度比大于1.2。这是为了使渗透膜两侧产生足够的渗透压来完成正渗透过程。并且进入渗透膜装置两侧的压裂液废液和汲取液的体积比应当大于0.1。这样可以保证得到的稀释后的压裂液符合工艺要求。

采用本发明的正渗透水循环系统，只需要配置少量的高浓度的压裂液溶液即可达到符合工艺要求的压裂液，这样省去了配置低浓度压裂液的设备，最重要的本发明的正渗透水循环系统合理利用了压裂液废液，节省了压裂液废液的废物排放，同时节约了配置新的压裂液的水。

正渗透是指水或者其他溶剂从较高水化学势(或较低渗透压)一侧区域通过选择透过性膜流向较低水化学势(或较高渗透压)一侧区域的过程。在具有选择透过性膜的两侧分别引入两种具有不同渗透压的溶液，一种为具有较低渗透压的原料液(Feed solution)，另一种为具有较高渗透压的驱动液(Draw solution)，正渗透正是利用了膜两侧溶液的渗透压差作为驱动力，使得水或者其他溶剂能从原料液一侧透过选择透过性膜到达驱动液一侧。

本实施例的工艺可以在不同的工艺条件下运行；所述压裂液废液和汲取液在渗透膜表面上作用的方式既可以是静态的也可以是错流式的；所述温度对工艺影响不大，所述温度为4℃-50℃的温度范围运行；所述压裂液废液和汲取液的pH值一般为2-11，较佳地，所述压裂液废液和汲取液的pH值为在4-10之间。较佳地，为了保持渗透膜的结构完整性，压裂液废液和汲取液两种溶液做膜面上流动产生的水压应该低于渗透膜的机械强度。

最后，需要说明的是，在本专利文件中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何关系或者顺序。而且，在本专利文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体，其意在涵盖而非排他性包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备，不仅包括这些要素，而且还包括没有明确列出而本领域技术人员能够知晓的其他要素，或者还包括为这些过程、方法、物品或者设备所公知的必不可少的要素。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种制备钻井压裂液的正渗透水循环系统，其特征在于：

所述正渗透水循环系统包括用于储存压裂液废液的第一储备池、渗透膜装置和用于储存压裂液的第二储备池；

2.根据权利要求1所述的正渗透水循环系统，其特征在于：

所述的渗透膜装置的渗透膜是正渗透膜、反渗透膜或纳滤膜中的一种。

3.根据权利要求2所述的正渗透水循环系统，其特征在于：

所述的高浓度压裂液是将添加剂、支撑剂和其他化学药剂配置成高浓度的溶液，所述汲取液的浓度高于钻井所使用的压裂液的浓度。

4.根据权利要求3所述的正渗透水循环系统，其特征在于：

所述的第一进液口和第二出液口设置在所述渗透膜装置中放置压裂液废液的一侧，所述的第二进液口和第一出液口设置在所述渗透膜装置中放置汲取液的一侧；

5.根据权利要求4所述的正渗透水循环系统，其特征在于：

所述渗透膜组件为平板式、中空纤维式、管式或卷式。

6.根据权利要求1所述的正渗透水循环系统，其特征在于：

所述的渗透膜装置是移动式的装置。

7.一种使用权利要求1~6任意一项所述的正渗透水循环系统的制备钻井压裂液的工艺，其特征在于：

所述的制备钻井压裂液的工艺包括下列过程：第一储备池的压裂液废液和汲取液分别进入渗透膜装置的两侧，在正渗透压的作用下，压裂液废液中的水分子通过渗透膜进入汲取液中，从而得到稀释后的汲取液，将稀释后的汲取液通过第一出液口储存至第二储备池，而渗透膜装置的浓缩液则通过第二出液口返回至第一储备池；

所述的汲取液是高浓度的压裂液。

8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于：

所述的进入渗透膜装置两侧的汲取液和压裂液废液的浓度比大于1.2。