致密氣壓裂返排液回收利用技術(shù)研究

張紅杰，王 景，趙 俊，祁 健，王 鵬

（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100016；2.中海油能源發(fā)展有限公司，天津 300452）

2005 年以來鄂爾多斯盆地東緣山西臨興、陜西神府地區(qū)致密氣獲得探明儲(chǔ)量為1 248.2×108m3，開發(fā)前景良好[1，2]，但中國致密氣儲(chǔ)層滲透率普遍偏低，各致密氣井均需要采用壓裂施工等手段，方可高效、經(jīng)濟(jì)的開發(fā)山西低滲透致密氣藏，提高其采收率。在壓裂施工過程中產(chǎn)生了大量壓裂返排液[3]，按照國家《環(huán)境保護(hù)法》和地方相關(guān)環(huán)保規(guī)定，這種高黏度、高COD 的重污染工業(yè)廢水必須進(jìn)行有效處置，使其資源化利用（回用）或零排放無害化處理[4，5]。目前，壓裂返排液處理后回用的工業(yè)化應(yīng)用主要用于配制壓裂施工中的消耗量不大的前置液，而作為壓裂施工中使用量最大的攜砂液的規(guī)?；瘧?yīng)用案例則少之又少，在技術(shù)方面主要存在的問題是交聯(lián)液攜砂性能差、支撐劑沉降速度快以及抗溫抗剪切性能達(dá)不到施工要求。在此基礎(chǔ)上，本文提出了將壓裂返排液處理后再次復(fù)配致密氣胍膠體系壓裂液的處理思路，使復(fù)配的壓裂液達(dá)到攜砂液的性能要求，為此展開試驗(yàn)研究。

1 壓裂返排液回收利用技術(shù)

1.1 壓裂返排液處理工藝流程（見圖1）

圖1 返排液處理工藝流程

1.2 試驗(yàn)依據(jù)

試驗(yàn)主要參照SY/T 5523-2016《油田水分析方法》及SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)山西致密氣壓裂返排液處理液進(jìn)行水質(zhì)分析，并根據(jù)現(xiàn)場施工配方配制胍膠體系壓裂液，并開展壓裂液性能評(píng)價(jià)。

2 復(fù)配壓裂液性能評(píng)價(jià)

2.1 返排液處理液水質(zhì)分析

采用離子色譜法對(duì)返排液處理液進(jìn)行分析并與現(xiàn)場清水水質(zhì)分析做對(duì)比，結(jié)果（見表1）。

通過表1 中返排液處理液與現(xiàn)場清水的水質(zhì)分析結(jié)果對(duì)比可以看出：

（1）返排液處理液中鈣、鎂及鐵離子濃度已控制至較低水平，這為后續(xù)復(fù)配的壓裂液交聯(lián)性能提供了必要條件，若上述三種離子含量很高，尤其是鈣離子，壓裂液在交聯(lián)時(shí)，殘留的鈣離子會(huì)大量消耗壓裂液體系中的pH 調(diào)節(jié)劑，并生成Ca（OH）2沉淀，嚴(yán)重影響交聯(lián)液性能，且會(huì)增大pH 調(diào)節(jié)劑的消耗量。

表1 處理液水質(zhì)分析

（2）返排液處理液中交聯(lián)劑硼的含量仍較高（常規(guī)壓裂液中硼的含量是50 mg/L～60 mg/L），殘留的交聯(lián)劑硼會(huì)對(duì)返排液處理液復(fù)配壓裂液產(chǎn)生不利的影響，主要表現(xiàn)是壓裂液交聯(lián)時(shí)間過短，交聯(lián)液黏度快速升高，流動(dòng)性能迅速降低，進(jìn)而增大現(xiàn)場壓裂施工設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷。

（3）與清水相比，返排液處理液中其他各離子濃度均較高，這也間接體現(xiàn)了壓裂返排液的水質(zhì)復(fù)雜性。

2.2 處理液-壓裂配方復(fù)配性能評(píng)價(jià)

本文研究的山西致密氣壓裂返排液來自于貝克休斯的壓裂體系，壓裂體系主要組成包括增稠劑、黏土穩(wěn)定劑、助排劑、pH 調(diào)節(jié)劑、交聯(lián)劑等，壓裂體系基液組成及交聯(lián)液組成配方（見表2）。

表2 壓裂液配方表

表3 壓裂液基液黏度穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 基液穩(wěn)定性能 壓裂液基液的黏度穩(wěn)定性是一項(xiàng)重要的參數(shù)，就目前國內(nèi)壓裂施工而言，現(xiàn)場配制壓裂液基液后，往往是在數(shù)小時(shí)后才進(jìn)行壓裂施工。壓裂液基液在存放期間內(nèi)，若黏度下降過快，待壓裂施工時(shí)，交聯(lián)液強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到施工的要求，最后造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，且影響井場施工進(jìn)度。因此，對(duì)于返排液處理后再次復(fù)配的壓裂液，其基液黏度的穩(wěn)定性是一個(gè)重要的考察因素。試驗(yàn)按照表3 的壓裂液配方，采用處理后的返排液進(jìn)行配液，考察了不同殺菌劑加量和不同存放條件下的基液黏度變化情況，采用Fann35 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，在300 r/min 條件下測試不同條件的基液黏度，結(jié)果（見表3）。從表3 可以得出以下結(jié)論：

（1）返排液處理后再次復(fù)配壓裂液，其基液黏度穩(wěn)定性較好，存放5 h 后，黏度仍未出現(xiàn)明顯下降，存放20 h 后，殺菌劑加量小的樣品，出現(xiàn)明顯黏度下降。

（2）殺菌劑加量對(duì)壓裂液基液黏度穩(wěn)定性有很大影響，從表3 可以看出，在其他條件相同的情況下，殺菌劑加量越大，壓裂液基液的黏度保持率越好。當(dāng)殺菌劑加量從0.05 ‰增大到0.10 ‰，存放20 h 后，其黏度保持率由57.89 %增大至85 %。

2.2.2 交聯(lián)性能 壓裂返排液中殘留一定濃度的交聯(lián)劑是影響其回收再利用的一個(gè)關(guān)鍵因素，主要對(duì)壓裂施工造成不利影響是： 殘留的交聯(lián)劑嚴(yán)重影響復(fù)配壓裂液的交聯(lián)時(shí)間，導(dǎo)致交聯(lián)時(shí)間過短，達(dá)不到現(xiàn)場施工要求。

試驗(yàn)采用返排液處理液與清水按照一定比例混合后作為配液用水，配制壓裂液基液，測試基液黏度及交聯(lián)時(shí)間及挑掛性能，并與實(shí)際施工要求指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果（見表4）。

結(jié)合返排液處理后液體的水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，液體中的硼殘留量為27 mg/L，采用返排液與清水按照不同比例混合后，再次復(fù)配壓裂液，從表4 可以計(jì)算出，第2 到6 組試驗(yàn)中，配液用水中的硼殘留量分別為：2.7 mg/L、5.4 mg/L、8.1 mg/L、10.8 mg/L、13.5 mg/L。對(duì)照交聯(lián)時(shí)間及現(xiàn)象可以判斷當(dāng)配液用水中硼殘留量小于10 mg/L時(shí)，硼殘留對(duì)交聯(lián)時(shí)間影響不明顯。

表4 基液及交聯(lián)性能對(duì)比結(jié)果

當(dāng)配液用水中硼殘留量大于10 mg/L 后，硼的殘留對(duì)交聯(lián)時(shí)間影響明顯，100 %采用返排液處理后液體進(jìn)行配液，其交聯(lián)時(shí)間僅5 s，交聯(lián)速度太快，現(xiàn)場無法施工，對(duì)于此次試驗(yàn)樣品，當(dāng)返排液在清水中占比不超過30 %時(shí)，返排液中殘留交聯(lián)劑對(duì)再次復(fù)配壓裂液的交聯(lián)時(shí)間無明顯影響，可正常使用。

2.2.3 耐溫耐剪切性能 壓裂液耐溫耐剪切性能對(duì)于胍膠體系壓裂液工程化應(yīng)用是一項(xiàng)極為重要的性能參數(shù)，這一性能的好壞直接影響到壓裂液交聯(lián)液的攜砂性能。交聯(lián)液進(jìn)入地層后，其溫度逐漸升高，若交聯(lián)液耐溫耐剪切性能不達(dá)標(biāo)，交聯(lián)液強(qiáng)度迅速下降，壓裂液交聯(lián)液不足以將壓裂支撐劑懸浮其中，現(xiàn)場壓裂施工時(shí)容易出現(xiàn)施工井砂堵問題，最終導(dǎo)致壓裂失敗。

圖2 耐溫耐剪切性能曲線圖

試驗(yàn)采用返排液處理液與清水按照3:7 比例混合后，按照表2 配方配制壓裂液基液，加入0.15 L/m3XLW-32 交聯(lián)劑及0.8 L/m3XLW-30G 延時(shí)交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)。采用Rheo Stress 6000 流變儀評(píng)價(jià)該交聯(lián)液的耐溫耐剪切性能，試驗(yàn)條件：溫度：60 ℃、剪切速率：170 s-1、時(shí)間：90 min，試驗(yàn)結(jié)果（見圖2）。

采用壓裂返排液處理液與清水按照3:7 比例混合后配制壓裂液，在上述試驗(yàn)條件下測試其耐溫耐剪切性能，60 ℃條件下，連續(xù)剪切90 min，其凍膠黏度仍保持在292.6 mPa·s，完全達(dá)到了現(xiàn)場施工的性能要求。

2.2.4 破膠性能評(píng)價(jià)

2.2.4.1 破膠液黏度 在壓裂液耐溫耐剪切性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將配制的壓裂液交聯(lián)后，在60 ℃條件下開展靜態(tài)破膠試驗(yàn)，結(jié)果表明，過硫酸銨用量在0.025 %～0.03 %時(shí)，90 min 內(nèi)破膠液黏度即可降至5 mPa·s 以下，滿足現(xiàn)場施工要求，試驗(yàn)結(jié)果（見表5）。

2.2.4.2 殘?jiān)?在破膠液黏度評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，在交聯(lián)液中添加0.03 %過硫酸銨，在60 ℃條件下完全破膠后，分析破膠液中的殘?jiān)?，并與自來水配制壓裂液的破膠液殘?jiān)窟M(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，測試結(jié)果（見表6）。

破膠液殘?jiān)渴窃u(píng)價(jià)壓裂液性能的一個(gè)重要參數(shù)，殘?jiān)窟^大，底層堵塞的風(fēng)險(xiǎn)高，從而將對(duì)底層的油氣通過性能產(chǎn)生不利的影響，由表6 可以看出，壓裂返排液處理液與清水按一定比例混合后配制壓裂液，在相同的破膠條件下，其殘?jiān)颗c自來水配制壓裂液產(chǎn)生的殘?jiān)肯喈?dāng)。

3 結(jié)論

本文利用現(xiàn)有壓裂返排液處理工藝，對(duì)山西致密氣壓裂返排液開展了室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)返排液處理后的液體進(jìn)行了全面的水質(zhì)分析；結(jié)合現(xiàn)場施工的壓裂液配方及相應(yīng)配液材料，將返排液處理后，與清水按照不同比例混合后再次復(fù)配壓裂液，對(duì)復(fù)配的壓裂液開展了主要參數(shù)的實(shí)驗(yàn)室性能評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

表5 壓裂液破膠性能測試結(jié)果

表6 壓裂液破膠液殘?jiān)繙y試結(jié)果

（1）山西致密氣返排液處理后復(fù)配壓裂液是可行的，其基液黏度、交聯(lián)性能、抗溫抗剪切性能等參數(shù)均滿足致密氣井壓裂液施工要求，這對(duì)于山西致密氣壓裂返排液處理提供了一個(gè)全新的解決思路，解決環(huán)保問題的同時(shí)，變廢為寶，將處理后的液體重復(fù)使用，解決了山西致密氣現(xiàn)場水資源緊缺的問題。

（2）壓裂返排液中殘留的交聯(lián)劑是一個(gè)影響返排液重復(fù)利用的關(guān)鍵因素，通過對(duì)水樣進(jìn)行分析，將返排液處理液與清水按照一定比例混合后，再次復(fù)配壓裂液的思路是可行的，測試不同混合比例條件下的交聯(lián)時(shí)間，挑選其滿足壓裂施工的比例進(jìn)行現(xiàn)場施工。