瓜膠壓裂返排液配制環(huán)保型鉆井液的工藝研究

艾浩辰，張 凡，李志軍，陳 剛,3

(1.陜西省油氣田環(huán)境污染控制技術(shù)與儲層保護(hù)重點實驗室，西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安長慶化工集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710068；3.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室，中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京，102206）

壓裂技術(shù)已廣泛用于油田壓裂增產(chǎn)技術(shù)中。硼交聯(lián)羥丙基瓜膠壓裂體系因具有良好的攜砂、濾失性以及流變可控等優(yōu)點，已成為水基新型壓裂液的首選體系[1]。隨著壓裂規(guī)模和井次的增加，瓜膠壓裂返排液也成為了導(dǎo)致油田水體污染的主要污染源之一[2]。瓜膠壓裂返排液中除原本含有的數(shù)十種添加劑如稠化劑、交聯(lián)劑、殺菌劑、穩(wěn)定劑之外，還含有從地層中攜帶的固懸物、微生物、金屬離子等。若壓裂返排液未及時進(jìn)行處理或直接外排，周圍的環(huán)境及土壤會受到嚴(yán)重傷害，尤其是周圍的農(nóng)作物及淡水環(huán)境，會受到不可逆轉(zhuǎn)的污染危害，最終威脅人們的生產(chǎn)生活[3-7]。目前國內(nèi)外對壓裂返排液的處理方法主要有外排、回注地層和回用[8-9]?，F(xiàn)有技術(shù)很難在處理后達(dá)到外排水質(zhì)量指標(biāo)，且處理成本較高；處理后進(jìn)行地層回注也有較高的運(yùn)行成本，初期投入較大且易受回注地層狀況的影響?；赜每梢猿浞掷梅蹬乓褐惺Ｓ嗟母鞣N化學(xué)添加劑和水資源，并重新使用壓裂液，從而有效緩解環(huán)境污染的問題，特別在自然資源缺乏的地方，顯得尤為重要。

本文研究了將瓜膠壓裂返排液用于配制鉆井液的可行性。由于壓裂返排液中含有的氯化鉀成分對黏土的水化膨脹有強(qiáng)抑制作用，難以直接配制鉆井液，因此，用瓜膠壓裂返排液制備的滲透液，其穩(wěn)定性受到護(hù)膠劑一定的保護(hù)。瓜膠壓裂返排液因其成分中含有鉀鹽和銨鹽，用其制備的鉆井液具有較好的抑制性能，這對于富含黏土地層所需的鉆井液極其重要，不僅解決了需要花費高成本處理壓裂返排液的問題以及排放后帶來的環(huán)境危害問題，還可以重復(fù)利用其殘余的添加劑成分，從而提高鉆井液性能，對油氣田開采具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

鈣基膨潤土、鈉基膨潤土、改性植物酚、瓜膠、低黏CMC（均為工業(yè)級）；無水碳酸鈉、過硫酸銨（均為分析純）。

GJSS-B12K變頻攪拌裝置，ZNN-D6黏度計，液體密度計，NP-01膨脹測定裝置。

1.2 溶液的配置

取一定體積的水加入0.3%瓜膠中，用低速攪拌器攪拌均勻后，密封溶脹4h左右。加入四硼酸鈉，用玻璃棒攪拌，充分交聯(lián)后再加入一定量的過硫酸銨，65℃下破膠至黏度小于5 mPa·s，加入1%的KCl。

1.3 瓜膠壓裂返排液配制的鉆井液的性能評價

在此次實驗中，分別配置濃度為8%、12%、16%、20%和24%的鈣基膨潤土基漿，向1.2中配制的壓裂返排液中加入一定比例的絡(luò)合劑和改性植物酚，調(diào)節(jié)其pH值為堿性，將返排液和以上濃度的基漿，分別按1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1的比例混合均勻后，再加入一定比例的低黏CMC，評價各配方的性能并優(yōu)選出最佳混合配方。

在最佳混合配方下，設(shè)計了L9(33)正交實驗（表1），考察因素為低黏CMC加量、改性植物酚加量、絡(luò)合劑加量。為確定反應(yīng)的主要影響因素和較適宜的反應(yīng)條件，進(jìn)行了田口分析和極差分析，評價指標(biāo)為表觀黏度、塑性黏度、動切力和濾失量。按照鉆井液的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對此次配置的鉆井液的各項性能進(jìn)行檢測和討論，并給出符合實際的評價結(jié)果[10-12]。

表1 L9(33)正交實驗設(shè)計

1.4 瓜膠壓裂返排液配制的鉆井液對黏土的抑制性

稱取8g膨潤土烘干后，利用壓片裝置在10MPa下持續(xù)5min，壓成需要的樣片，取出，測量樣片的厚度，并用NP-01測定儀進(jìn)行膨脹量的檢測，按式(1)進(jìn)行線性膨脹率的計算[13]。

式中，Kr為線性膨脹率，%；K1為樣片的膨脹量，mm；K0為樣片的厚度，mm。

接著進(jìn)行泥球?qū)嶒?。先把膨潤土?05℃下烘烤2h，然后按m(鈉膨潤土)∶m(蒸餾水)=2∶1的比例攪拌均勻后，揉成質(zhì)量約為10g的泥球，并放入盛有不同液體的燒杯中。每過一段時間，進(jìn)行觀察并拍照記錄。

1.5 鉆井液的可生化性

鉆井廢水的可生化性，是指廢水中的有機(jī)污染物被生物分解的困難程度，是廢水的關(guān)鍵特性之一，也稱為廢水的生物可降解性。目前，BOD5/CODCr比值法是評價廢水水質(zhì)指標(biāo)可生化性最有用的方法。廢水的可生化性評價參考數(shù)據(jù)見表2[14]。

表2 廢水可生化性評價參考數(shù)據(jù)

水質(zhì)化學(xué)需氧量(CODCr)的測定參照HJ 828-2017《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》[15]。水質(zhì)5日生化需氧量(BOD5)的測定依據(jù)HJ 505-2009《水質(zhì)五日生化需氧量(BOD5)的測定 稀釋與接種法》[16]。水中溶解性氧質(zhì)量濃度的測定依據(jù)GB/T 7489-1987《水質(zhì)溶解氧的測定 碘量法》[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 瓜膠壓裂返排液與基漿的混合比例

利用瓜膠壓裂返排液配制鉆井液，為了使所制備的鉆井液的各項性能較好，將壓裂返排液與多種配比的鉆井液基漿混勻后，評價了瓜膠壓裂返排液與不同比例的基漿混合后的鉆井液性能，以便優(yōu)選出最恰當(dāng)?shù)幕旌吓浔?，具體結(jié)果見表3。

表3 5個混合比例配置的鉆井液的性能檢測結(jié)果

從表3的數(shù)據(jù)可以確定，相較于返排液與20%基漿以4∶1混合的配方，返排液與8%、12%、16%的基漿，分別按4∶1、2∶1、3∶1的比例混合后，鉆井液的表觀黏度和塑性黏度較大；返排液與24%基漿按5∶1混合后，動切力較小，濾失量較大。若要使鉆井液的表觀黏度、塑性黏度、動切力和濾失量的效果更好，并能重復(fù)利用返排液以發(fā)揮其優(yōu)點，則返排液與20%的基漿按4∶1比例混合后配制的鉆井液，效果較好。

2.2 20%鉆井液基漿與瓜膠壓裂返排液混合后的性能

鉆井液基漿與瓜膠壓裂返排液混合后，其性能會受到不同因素的影響，包括低黏CMC用量、改性植物酚用量、絡(luò)合劑用量等。擇優(yōu)篩選反應(yīng)條件，分析影響鉆井液實際性能的因素，利用正交實驗，對各個影響因素展開評價，結(jié)果見表4。

表4 正交實驗結(jié)果

2.2.1 AV與低黏CMC、改性植物酚、絡(luò)合劑的均值響應(yīng)

采用極差法分析表4的實驗數(shù)據(jù)，以確定最佳的反應(yīng)條件。AV均值的主效應(yīng)見圖1，各項條件的均值響應(yīng)結(jié)果見表5。

圖1 AV均值的主效應(yīng)圖

表5 AV均值響應(yīng)表

由正交實驗和極差分析可知，低黏CMC為最大的影響因素，其次是改性植物酚，絡(luò)合劑的影響較小。正交實驗確定的反應(yīng)條件為：低黏CMC為1.5%，改性植物酚為0.5%，絡(luò)合劑為0.01%。固定改性植物酚用量為0.5%，絡(luò)合劑為0.01%，考察不同的低黏CMC加量對20%鉆井液基漿混合壓裂返排液的塑性黏度的影響，結(jié)果見表6。從表6可以發(fā)現(xiàn)，CMC為1%時，鉆井液的黏度較合適，因此確定低黏CMC的最適加量為1.0%。為了使20%鉆井液基漿混合壓裂返排液的表觀黏度較適宜，最佳條件為：低黏CMC 用量為1.0%，改性植物酚為0.5%，絡(luò)合劑為0.01%。

表6 低黏CMC加量對鉆井液的表觀黏度和塑性黏度的影響

2.2.2 PV與低黏CMC、改性植物酚、絡(luò)合劑的均值響應(yīng)

PV與低黏CMC、改性植物酚、絡(luò)合劑的均值主效應(yīng)圖見圖2，各項條件的均值響應(yīng)結(jié)果見表7。從正交實驗和極差分析結(jié)果可知，低黏CMC為首要影響因素，絡(luò)合劑次之，改性植物酚的影響最弱。正交實驗確定的反應(yīng)條件為：低黏CMC用量為1.5%，改性植物酚為0.5%，絡(luò)合劑為0.01%。

表7 PV均值響應(yīng)表

圖2 PV均值主效應(yīng)圖

固定改性植物酚用量為0.5%，絡(luò)合劑為0.01%，改變CMC加入量，考察不同配比的CMC對20%鉆井液基漿混合壓裂返排液的塑性黏度的影響，結(jié)果見表6。由表6可知，當(dāng)?shù)宛MC的加量為0.5%時，20%鉆井液基漿混合壓裂返排液的塑性黏度較小，因此低黏CMC的最適加量為0.5%。為了使20%鉆井液基漿混合壓裂返排液的塑性黏度較小，最佳條件為：低黏CMC用量為0.5%，改性植物酚量為0.5%，絡(luò)合劑量為0.01%。

2.2.3 YP與低黏CMC、改性植物酚、絡(luò)合劑的均值響應(yīng)

YP與低黏CMC、改性植物酚、絡(luò)合劑的均值主效應(yīng)圖見圖3，各項條件的均值響應(yīng)結(jié)果見表8。從正交實驗結(jié)果可知，低黏CMC是影響最為顯著的因素，其次是改性植物酚，最后是絡(luò)合劑。正交實驗確定的反應(yīng)參數(shù)為：低黏CMC用量為2.5%，改性植物酚用量為1.5%，絡(luò)合劑用量為0.01%。通過單因素分析確定最佳的CMC配比含量，結(jié)果見表9。

圖3 YP均值主效應(yīng)圖

表8 YP均值響應(yīng)表

由表9數(shù)據(jù)可知，低黏CMC的加量為2.5%時，20%鉆井液基漿混合壓裂返排液的動切力較大，為了使20%鉆井液基漿混合壓裂返排液的動切力較大，最佳條件為：低黏CMC用量為2.5%，改性植物酚為1.5%，絡(luò)合劑為0.01%。

表9 不同加量的CMC對鉆井液性能的影響

2.2.4 FL與低黏CMC、改性植物酚、絡(luò)合劑的均值響應(yīng)

FL與低黏CMC、改性植物酚、絡(luò)合劑的均值主效應(yīng)圖見圖4，各項條件的均值響應(yīng)結(jié)果見表10?？梢园l(fā)現(xiàn)，改性植物酚是最為顯著的影響因素，其次是低黏CMC，最后是絡(luò)合劑。確定的反應(yīng)條件為：低黏CMC用量為2.5%，改性植物酚為1.5%，絡(luò)合劑為0.02%。利用單因素分析方法確定改性植物酚在鉆井液配置中的最佳用量，結(jié)果見表11。

表10 FL均值響應(yīng)表

圖4 FL均值主效應(yīng)圖

從表11可知，改性植物酚的用量為1.5%時，鉆井液的濾失量達(dá)到了最小值，因此最佳條件為：低黏CMC用量為2.5%，改性植物酚為1.5%，絡(luò)合劑為0.02%。綜上所述，瓜膠壓裂返排液用于配制鉆井液的最佳條件為：低黏CMC用量為1.5%，改性植物酚為1.5%，絡(luò)合劑為0.01%。

表11 不同用量的改性植物酚對鉆井液性能的影響

2.3 溫度對壓裂返排液配制的鉆井液性能的影響

不同溫度下鉆井液的性能參數(shù)變化結(jié)果見表12。隨著溫度升高，配置的鉆井液的塑性黏度逐漸變差，動切力先降低再增高又減低，濾失量逐漸升高。溫度升至150℃時，鉆井液的各項性能較好；溫度升至180℃，鉆井液的濾失量較大，無法滿足鉆井液要求。

表12 不同溫度條件下鉆井液的性能變化

2.4 鉆井液的可生化性

表13是鉆井液的可生化性評價結(jié)果。由表13可知，以低黏CMC作護(hù)膠劑，用瓜膠壓裂返排液配制的鉆井液具有較好的生化降解性，對地層的傷害小，表明所配制的鉆井液具有環(huán)保性。

表13 鉆井液的生化性評價

2.5 瓜膠壓裂返排液配制的鉆井液在水化抑制方面的性能

2.5.1 線性膨脹率

用瓜膠壓裂返排液配制的鉆井液對膨潤土線性膨脹的抑制作用如圖5所示。從圖5可知，利用瓜膠壓裂返排液配制的鉆井液以及鉆井液上清液，對黏土的水化膨脹有不錯的抑制表現(xiàn)。從數(shù)據(jù)來看，瓜膠壓裂返排液配制的鉆井液的表現(xiàn)更優(yōu)，處理90min時，黏土膨脹率只有9.04%，明顯低于用蒸餾水及4%氯化鉀溶液配置的鉆井液，表明用壓裂返排液配制的鉆井液，抑制水化膨脹的性能更佳，原因在于用瓜膠壓裂返排液配制的鉆井液中存在大量的銨離子及其他金屬離子，從而降低了水化半徑，使得這些離子能進(jìn)入黏土層的微觀空間中，憑借著晶格固定來緩解水化膨脹，這也是該鉆井液不同于普通鉆井液的重要原因[18]。

圖5 不同處理劑對黏土線性膨脹率的影響

2.5.2 泥球?qū)嶒?/p>

如圖6所示，分別將黏土泥球在清水、鉆井液上清液、鉆井液泥漿中浸泡24h，直到滲透水化明顯，泥球膨脹變大、塌陷，表層疏松，有明顯裂縫。從圖6可知，泥球b的體積明顯比泥球c大，泥球c沒有明顯的水化膨脹跡象，從外表看不到明顯的裂痕。泥球b存在一定的水化膨脹，同時表面更為光滑。實驗結(jié)果表明，當(dāng)壓裂返排液與基漿充分?jǐn)嚢杌靹蚝?，對黏土有一定的膨脹抑制作用。泥球?qū)嶒灥慕Y(jié)果與前面的線性膨脹率的檢測數(shù)據(jù)是相同的，更加佐證了實驗結(jié)果的正確性。

圖6 用不同處理劑浸泡泥球24h后的外觀圖

3 結(jié)論

1）通過正交實驗、極差分析及單因素實驗，確定了瓜膠壓裂返排液和20%基漿混合配制鉆井液的最佳配方：低黏CMC用量為1.5%，改性植物酚為1.5%，絡(luò)合劑為0.01%。經(jīng)多次實驗，優(yōu)化調(diào)整了各成分的配比，優(yōu)化后的配方對膨潤土有很好的抑制膨脹作用，比4%氯化鉀的效果更好。同時，配制的鉆井液的濾液具有較好的生物降解性，表明用瓜膠壓裂返排液配制的鉆井液具有環(huán)境友好性。

2）壓裂返排液回注運(yùn)行的成本較高，且易引發(fā)各種環(huán)境安全事件，而先處理至符合標(biāo)準(zhǔn)再排放，又具有較高的技術(shù)難度和較大的處理成本，因此將壓裂返排液用于配制鉆井液，既能利用壓裂返排液中的有效成分，又節(jié)約了水資源，對油田開采具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。