壓裂返排液回用技術(shù)中對干擾基液黏度影響因素的研究

俞 音 ，蔣勇軍 ，章媛媛 ，高慶國

（1.新疆環(huán)境保護科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險預(yù)警重點實驗室，新疆烏魯木齊 830011；3.新疆清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊 830011；4.新疆新能源（集團）環(huán)境發(fā)展有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

壓裂技術(shù)現(xiàn)已廣泛用于油田壓裂增產(chǎn)技術(shù)當(dāng)中，經(jīng)過不斷的發(fā)展與進(jìn)步，羥丙基胍膠壓裂體系由于其較好的攜砂、濾失性和流變控制性能，已成為當(dāng)前水基壓裂液的主流體系[1-3]。以西南某井為例，在實際生產(chǎn)過程中配制了羥丙基胍膠壓裂液約6 000 m3，返排量達(dá)到40%左右，說明壓裂液的配制不僅耗費大量的水資源，在返排階段還會產(chǎn)生大量的壓裂返排廢液。在加上壓裂返排液具有高COD值、高黏度、高穩(wěn)定性等特征，是一種非常穩(wěn)定、難處理的復(fù)合體系[4]。量大、處理成本高、污染嚴(yán)重，使得壓裂返排液的處理成為亟待解決的難題。

壓裂返排液通過簡單預(yù)處理后代替清水回用配制壓裂液的技術(shù)，既能節(jié)約水資源，又能解決返排液污染處理難、處理成本高的問題，是一種具有較好的經(jīng)濟-環(huán)境-社會效益的處理新思路。為了保證回用技術(shù)中配制壓裂液基液在黏度性能上能夠達(dá)到《壓裂液通用技術(shù)條件》（SY/T6376-2008）中的相關(guān)要求，更準(zhǔn)確的找出回用配制壓裂液技術(shù)中需要去除的干擾因素，本文將通過對羥丙基胍膠壓裂液基液黏度影響因素進(jìn)行研究，確定出對黏度影響最大的干擾因素，為壓裂返排液回用技術(shù)的研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。

1 基液黏度干擾因素研究

壓裂液的性能及變化直接影響到壓裂效果，其中壓裂液黏度性能的控制尤其重要，它起著懸砂、控制流動摩阻、降低濾失和損害、提高造縫能力和影響殘液返排等作用[5]。而壓裂液的基液黏度還能夠有效表征胍膠的溶脹性能，若基液的表觀黏度較小，則表示胍膠未能完全溶脹，不能與交聯(lián)劑發(fā)生有效交聯(lián)形成凍膠[6]。因此，本文選取 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、懸浮物作為實驗因素，控制各因素在不同的濃度水平下，加入GR5-11配成的羥丙基胍膠體系基液中，測定放置不同時間的黏度變化，評價各因素對黏度的影響程度，以此來確定壓裂返排液回用預(yù)處理需要去除的主要干擾因素。

1.1 Na+、K+對基液黏度的影響

取不同量的NaCl、KCl，濃度梯度從1 000 mg/L到11 000 mg/L，分別加入配制成的0.35%GR5-11壓裂液基液，測定從0.5 h到48 h的黏度變化情況，結(jié)果（見圖1）。

隨Na+、K+濃度的增加基液黏度有少許下降，但下降幅度不大，說明Na+、K+濃度的變化對基液黏度影響不大。

1.2 Ca2+對基液黏度的影響

用無水CaCl2配制成濃度為1 000 mg/L、3 000 mg/L、5 000 mg/L、7 000 mg/L、9 000 mg/L、11 000 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)Ca2+溶液，分別加入配制成的壓裂液基液中，測定靜置不同時間的黏度變化，結(jié)果（見圖2）。

隨著Ca2+濃度從1 000 mg/L增大到11 000 mg/L，基液黏度下降，從峰值33.9 mPa·s下降到15.7 mPa·s，說明Ca2+對基液黏度有較大影響。

1.3 Mg2+對基液黏度的影響

圖1 Na+、K+對壓裂液基液黏度的影響

取不同量的MgCl2·6H2O配制成濃度為25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)Mg2+溶液，分別加入配制成的GR5-11壓裂液基液，測定靜置不同時間的黏度變化，結(jié)果（見圖3）。

圖2 Ca2+對壓裂液基液黏度的影響

圖3 Mg2+對壓裂液基液黏度的影響

圖4 Fe2+對壓裂液基液黏度的影響

隨著Mg2+濃度的增大和時間的延長，基液黏度的測定值和其初始黏度相比相差較大，從峰值31.2 mPa·s下降到17.0 mPa·s，說明Mg2+對基液黏度影響較大。

1.4 Fe2+對基液黏度的影響

取不同量的FeCl2·4H2O配制成濃度為5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L、25 mg/L、30 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液，分別加入配制成的GR5-11壓裂液基液，測定靜置不同時間的黏度變化，結(jié)果（見圖4）。

隨著Fe2+濃度的增大和時間的延長，基液黏度從峰值 31.3 mPa·s下降到 15.0 mPa·s，說明 Fe2+對基液黏度有較大影響。

1.5 Fe3+對基液黏度的影響

用FeCl3·6H2O配制不同濃度分別加入配制成的壓裂液基液，測定靜置不同時間的黏度，結(jié)果（見圖5）。

隨Fe3+濃度的增加基液黏度整體變化不大，說明Fe3+濃度的變化對基液黏度影響較小。

1.6 Al3+對基液黏度的影響

用AlCl3配制不同濃度分別加入配制成的壓裂液基液，測定靜置不同時間的黏度，結(jié)果（見圖6）。

隨Al3+濃度的增加基液黏度整體變化不大，說明Al3+濃度的變化對基液黏度影響不大。

1.7 懸浮物對基液黏度的影響

由于配制標(biāo)準(zhǔn)的懸浮物較為困難，會與實際產(chǎn)生的壓裂返排液中懸浮物組分、含量區(qū)別很大，故在懸浮物影響實驗時，選取了三個實際產(chǎn)生并單井處理壓裂返排液的點位，并分別取三個主要懸浮物去除的工藝段處理后的壓裂返排液作為實驗原樣。

取三個不同井位X4井、X10井、X基地，不同工藝段分為固液分離、二次活性炭過濾、三次精細(xì)過濾處理后的壓裂返排液，配制成濃度為0.35%GR5-11壓裂液基液，測定靜置不同時間的黏度，結(jié)果（見圖7）。

從圖7可以看出，X4井原樣進(jìn)行固液分離階段后，懸浮物含量下降37.8%，配制成的基液從6 h～48 h黏度平均上升54.95%；固液分離后進(jìn)行二次活性炭過濾懸浮物降低64.19%，配制成的基液從6 h～48 h黏度平均上升42.24%；二次活性炭過濾后進(jìn)行三次精細(xì)過濾，懸浮物降低64.15%，配制成的基液從6 h～48 h黏度平均上升35.48%。

X10井原樣進(jìn)行固液分離階段后，懸浮物含量下降43.85%，配制成的基液從6 h～48 h黏度平均上升55.25%；固液分離后進(jìn)行二次活性炭過濾懸浮物降低13.70%，配制成的基液從6 h～48 h黏度平均上升40.65%；二次活性炭過濾后進(jìn)行三次精細(xì)過濾，懸浮物降低60.32%，配制成的基液從6 h～48 h黏度平均上升33.96%。

圖5 Fe3+對壓裂液基液黏度的影響

圖6 Al3+對壓裂液基液黏度的影響

圖7 不同井位、不同工藝段壓裂液返排液配制基液黏度變化

X基地原樣進(jìn)行固液分離階段后，懸浮物含量下降37.25%，配制成的基液從6 h～48 h黏度平均上升60.07%；固液分離后進(jìn)行二次活性炭過濾懸浮物降低59.38%，配制成的基液從6 h～48 h黏度平均上升42.69%；二次活性炭過濾后進(jìn)行三次精細(xì)過濾，懸浮物降低63.08%，配制成的基液從6 h～48 h黏度平均上升29.86%。

2 干擾因素實驗結(jié)果分析

本文選取 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、懸浮物作為實驗因素，評價各因素對壓裂液基液黏度的影響，完成干擾因素實驗，得到以下實驗結(jié)果（見圖8）。

2.1 二價陽離子對基液黏度影響較大

根據(jù)《壓裂液通用技術(shù)條件》（SY/T6376-2008）中的相關(guān)要求20℃～60℃，基液表觀黏度達(dá)到10 mPa·s～40 mPa·s；60 ℃～120 ℃，基液表觀黏度達(dá)到 20 mPa·s～80 mPa·s；120 ℃～180 ℃，基液表觀黏度達(dá)到 30 mPa·s～100 mPa·s。Ca2+、Mg2+、Fe2+隨著濃度的增加，基液黏度都下降到了20 mPa·s以下，說明其濃度的增加已經(jīng)對基液黏度產(chǎn)生了較大影響，就《壓裂液通用技術(shù)條件》（SY/T6376-2008）中關(guān)于基液表觀黏度的要求一項已經(jīng)基本達(dá)不到配制壓裂液的標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 影響基液黏度變化主要因素對比圖

具體而言，隨Ca2+的濃度增加黏度降低50.2%、隨Mg2+濃度增加黏度降低40.9%、隨Fe2+的濃度增加黏度降低44%，而一價、三價陽離子隨濃度增加基液黏度變化較小，下降率在20%以下。

綜上，Ca2+、Mg2+、Fe2+等二價陽離子相較于一價、三價陽離子來說，其濃度變化對基液黏度的影響較大，分析原因可能是二價陽離子對于大分子線團存在屏蔽作用導(dǎo)致鏈的卷縮，分子線團尺寸的減小，導(dǎo)致基液黏度的下降。因此二價陽離子將會作為回用技術(shù)預(yù)處理時需要去除的主要影響因素。

2.2 懸浮物對基液黏度影響大

懸浮物對基液的黏度影響實驗結(jié)果顯示，X4井、X10井、X基地，壓裂返排液原樣從固液分離到三次精細(xì)過濾后，配制成的基液黏度隨著懸浮物的降低，分別平均升高了44.23%、43.28%、44.41%。說明隨著懸浮物含量的增大和時間的延長基液黏度會呈現(xiàn)明顯下降趨勢。分析原因可能是壓裂返排液中的懸浮物能與胍膠發(fā)生絮凝作用，發(fā)生沉降反應(yīng)，破壞分散體系，影響基液黏度。說明懸浮物是影響壓裂液基液黏度的主要因素，應(yīng)該在壓裂返排液的處理工藝上嚴(yán)格控制懸浮物的濃度。

3 結(jié)語

在壓裂技術(shù)的使用過程中，不僅需要大量的清水配制壓裂液，同時還會產(chǎn)生大量的對環(huán)境危害較大的返排液需要處理，且處理到達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)難度大。壓裂返排液回用處理技術(shù)，將預(yù)處理后的壓裂返排液代替新鮮水，用于配制壓裂液，是一種處理新思路。但是在壓裂返排液回用技術(shù)應(yīng)用過程中，必須將影響壓裂液配制的干擾因素去除才能有效的配制能夠滿足生產(chǎn)需要的壓裂液，本文選取 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、懸浮物作為實驗因素，控制各因素在不同的水平下，加入到GR5-11配成的基液中，測定放置不同時間的黏度變化情況，評價各因素對壓裂液基液黏度的影響。結(jié)果顯示出Ca2+、Mg2+、Fe2+等二價陽離子以及懸浮物對壓裂液基液的黏度影響大，是需要在預(yù)處理中去除的主要干擾因素。在后續(xù)壓裂返排液回用技術(shù)中要進(jìn)一步調(diào)整藥劑配方，優(yōu)先去除或掩蔽這些干擾因素，為壓裂返排液回用技術(shù)的研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。