紅河油田壓裂返排液回用技術(shù)研究

卜有偉（長江大學(xué)研究生院，湖北 荊州434023；中石化華北分公司資產(chǎn)裝備處，河南 鄭州 450006）

郝以周（中石化華北分公司實驗中心，河南 鄭州 450006）

吳萌，陳雁南（北京礦冶研究總院，北京 102600）

在石油能源的開發(fā)過程中，壓裂是油氣藏改造增產(chǎn)的重要手段之一，眾多的壓裂開采方式中以水力壓裂為主，其中水基壓裂液的配制和使用是核心技術(shù)之一。在壓裂施工作業(yè)結(jié)束后，部分壓裂液將從地層中返排回地面，成為壓裂返排液，通常情況下，壓裂返排液的量大約占壓裂液用量的50%～70%?！笆濉币?guī)劃期間，紅河油田總共施工水平井564口，產(chǎn)生壓裂液返排液113.3967×104m3；整個華北分公司施工水平井2968口，生產(chǎn)壓裂返排液達(dá)到605.8314×104m3。

壓裂返排液成分與壓裂液配方和地層水水質(zhì)密切相關(guān)。配方中主要包括稠化劑、黏土穩(wěn)定劑、破乳劑、破膠劑、交聯(lián)劑、起泡劑、pH值調(diào)節(jié)劑、殺菌劑等多種成分。返排液所含的污染物成分復(fù)雜，包括植物膠、甲醛、水溶性高分子聚合物、固體懸浮物（包括黏土顆粒、壓裂砂、地層微粒、破膠殘渣等）、原油、溶解性有機(jī)物（泥漿處理劑、破乳劑等）、微生物、無機(jī)鹽、無機(jī)酸等。由于油層所在的地層不同，地層水的水質(zhì)成分相差較大，因此壓裂施工結(jié)束后返排回地面上的返排液，不僅含有壓裂液中本身添加的多種化學(xué)物質(zhì)，還含有少量石油及地層水和油層中的成分，屬于高化學(xué)需氧量（COD）、高色度、高懸浮物和高溶解性總固體（TDS）的油田作業(yè)廢水，如將其直接外排，將嚴(yán)重污染周邊生態(tài)環(huán)境。處理后外排，工藝復(fù)雜，成本高，已成為壓裂施工企業(yè)面臨的嚴(yán)重負(fù)擔(dān)［1～3］。筆者研究出將返排液處理后直接用于配液的新技術(shù)，既可以縮短返排液的處理流程，降低處理成本，又可以在配液時少加、甚至不加氯化鉀類黏土穩(wěn)定劑，從而實現(xiàn)有價成分資源的循環(huán)經(jīng)濟(jì)利用。

1 紅河油田壓裂返排液成分普查

紅河油田選取HH37P11井、HH37P22井、HH12P27井、HH31P8井、HH55P22井這5口井，檢測壓裂返排液的溶解性總固體，固體懸浮物，鈣、鉀離子的質(zhì)量濃度，硼交聯(lián)劑質(zhì)量濃度，化學(xué)需氧量等指標(biāo)。

1.1 溶解性總固體（TDS）

由圖1可以看出，TDS變化隨返排時間的增加而逐漸增加。說明返排液前期只是加入的成分（主要指壓裂液中的添加劑，如黏土穩(wěn)定劑氯化鉀、pH值調(diào)節(jié)劑等）返回，隨著返排時間的增加，地下組分進(jìn)入返排液，特別是在抽吸階段（壓裂液返排過程分為放噴階段和抽吸階段，其中抽吸階段是指返排液在無法自然返排后，使用抽油機(jī)抽吸返排的過程，時間大約在放噴3～4d后）增加顯著。

1.2 固體懸浮物（SS）

由圖2可以看出，固體懸浮物的質(zhì)量濃度隨時間的變化范圍在200～550mg／L之間，表明返排過程中，每天固體懸浮物質(zhì)量濃度比較穩(wěn)定。

圖1 溶解性總固體（TDS）隨時間的變化

圖2 固體懸浮物（SS）隨時間的變化

1.3 鈣、鉀離子質(zhì)量濃度

Ca2＋作為主要的成垢元素，對二次配液會有明顯的影響。因此對于返排液中Ca2＋的確定，有助于量化處理工藝。每天返排液中Ca2＋的質(zhì)量濃度隨時間而增大（圖3），這是因為Ca2＋主要來自地層水，返排后期主要以地層水為主，因此返排后期的返排液中Ca2＋質(zhì)量濃度接近地層水中Ca2＋的質(zhì)量濃度。

K＋主要有兩個來源，一是壓裂液中添加的KCl，二是地層水中原有的。由圖4可以看出，這5口井K＋的質(zhì)量濃度變化較大。原因可能是壓裂液配方中KCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，也可能是每口井所處的地層對K＋的吸附能力不同造成的。

圖3 鈣離子質(zhì)量濃度隨時間的變化

圖4 鉀離子質(zhì)量濃度隨時間的變化

1.4 硼交聯(lián)劑質(zhì)量濃度

返排液中殘留的硼交聯(lián)劑對返排液回用處理影響較大，因此必須進(jìn)行有效監(jiān)控。由圖5可以看出，返排液中硼的質(zhì)量濃度隨著返排時間的延長而減少。

1.5 化學(xué)需氧量（COD）

COD主要反映了返排液中有機(jī)物的質(zhì)量濃度。由圖6可以看出，除HH55P22井外，其余4口井的COD變化相對平穩(wěn)，大多在2000～6000mg／L之間。返排前期有機(jī)物較多，因此COD值相對較高，后期隨著地層水的增加，有機(jī)物質(zhì)量濃度被稀釋，COD值下降。

圖5 硼交聯(lián)劑質(zhì)量濃度隨時間的變化

圖6 化學(xué)需氧量隨時間的變化

2 紅河油田返排液處理新技術(shù)

2.1 返排液處理工藝

研究選用的工藝流程是首先將返排液進(jìn)行絮凝、沉淀等復(fù)合預(yù)處理手段去除浮油、懸浮物等成分，使返排液的COD、色度等大幅降低；再利用返排液中有用組分采取誘導(dǎo)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對影響配液的關(guān)鍵成分進(jìn)行定點清除，達(dá)到自凈化目的；然后再清除高價無機(jī)離子等成分；最后在出水前設(shè)置調(diào)節(jié)步驟，以保證出水中部分助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足壓裂液配液要求，可在再次配液時減少助劑用量［4］。工藝流程見圖7。

圖7 返排液處理工藝流程

2.2 返排液處理成配液用水水質(zhì)指標(biāo)

返排液各主要成分對配液會有一定影響，研究制定了配液用水指標(biāo)，見表1。

2.3 處理后水樣配液驗證試驗

使用新工藝對2口油井的返排液進(jìn)行處理后，回用作為配液的壓裂液（即樣品1、2），與壓裂液基液和清水配液按照壓裂液配方配制成壓裂液的性能進(jìn)行對比評價?；旱酿ざ茸兓?guī)律（見圖8）與凍膠的抗溫抗剪切性能（見圖9）等主要指標(biāo)均能滿足配液的要求。

表1 各成分指標(biāo)要求

圖8 基液的黏度變化規(guī)律比較

圖9 凍膠的抗溫抗剪切性能比較

3 結(jié)語

1）研究將返排液處理和壓裂液配液影響因素綜合考慮，開發(fā)出一條 “保留對配液有利，去除對配液不利”的新工藝，該工藝對返排液中主要影響成分去除效果明顯，配液驗證試驗表明壓裂返排液定點除雜處理后用于配液技術(shù)上可行。

2）新工藝不僅降低了返排液處理成本，還可以減少配液時的助劑添加量而節(jié)約配液成本，可謂一舉二得，再結(jié)合原水的水資源使用費和凈化處理費用，綜合這幾項成本考慮，返排液的處理不僅不是負(fù)擔(dān)，而且還有利可圖，真正實現(xiàn)了變廢為寶。

3）研究首次系統(tǒng)全面提出將返排液處理和壓裂液配液工藝綜合考慮，以無害化處理、資源化利用為目的，為壓裂返排液的處理提出一個新的思路和壓裂施工用水的全面解決方案。思路新穎，技術(shù)創(chuàng)新，可靠實用，針對性強(qiáng)，具有較好的推廣價值。

［1］馬云，何順安，侯亞龍 .油田廢壓裂液的危害及其處理技術(shù)研究進(jìn)展 ［J］.石油化工應(yīng)用，2009，28（8）：1～3.

［2］寧方軍，王寶輝，高璽瑩 .殘余壓裂液污染防治技術(shù)綜述 ［J］.遼寧化工，2009，38（9）：667～669.

［3］鐘昇，林孟雄 .油氣田壓裂液處理技術(shù)研究進(jìn)展 ［J］.安徽化工，2006，32（6）：42～44.

［4］倪雙明，周山林，謝朝陽 .一種壓裂返排液回收處理工藝 ［P］.CN：101475290A，2009－07－08.