姬塬油田壓裂返排液配制調(diào)剖劑的探索研究

孫建新，浦三龍，魏江偉，張進(jìn)科，李曼平

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采油廠，陜西西安710200）

姬塬油田壓裂返排液配制調(diào)剖劑的探索研究

孫建新，浦三龍，魏江偉，張進(jìn)科，李曼平

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采油廠，陜西西安710200）

隨著長(zhǎng)慶油田開發(fā)的不斷深入，姬塬油田每年的壓裂工作量不斷增加，大量的壓裂返排液無法直接排放，且處理費(fèi)用高，給油田開發(fā)和環(huán)境保護(hù)都造成巨大壓力。因此，綜合考慮壓裂返排液的環(huán)境保護(hù)、處理成本、回收再利用的要求，本文通過國(guó)內(nèi)外調(diào)研、室內(nèi)分析以及姬塬油田儲(chǔ)層適應(yīng)性評(píng)價(jià)，對(duì)壓裂返排液用于調(diào)剖堵水進(jìn)行了可行性研究，初步建立了基于壓裂返排液的調(diào)剖劑配方，并進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，形成適合于姬塬油田自身的返排液回收再利用的研究方向和思路。

姬塬油田；壓裂返排液；調(diào)剖回收利用

近年來，長(zhǎng)慶姬塬油田壓裂酸化等增穩(wěn)產(chǎn)措施工作量逐年上升，導(dǎo)致措施廢水量逐年增加，僅2015年措施產(chǎn)生廢水超過30×104m3。這些措施廢水若處理、處置不當(dāng)，廢水中的石油類、重金屬、鹽類等污染物進(jìn)入環(huán)境會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。目前姬塬油田主要采用集中回注方式解決，處理費(fèi)用高。同時(shí)由于姬塬油田部分油藏平面矛盾突出，見水井逐年增多，注入水沿高滲條帶、大孔道推進(jìn)，平面、層內(nèi)矛盾突出，造成水驅(qū)效率低的問題。

因此，結(jié)合上述兩種問題，若能夠?qū)崿F(xiàn)利用壓裂返排液配制調(diào)剖液，不但有利于解決姬塬油田措施返排液處理難度大、費(fèi)用高的問題，同時(shí)還可以探索出一種適合姬塬油田的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保型穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)措施方式。

1　國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著石油工業(yè)生產(chǎn)過程中環(huán)境保護(hù)問題的日益突出，壓裂液返排液再次利用的研究越來越受到重視。目前國(guó)內(nèi)外各研究院所，針對(duì)壓裂液返排液處理技術(shù)開展了大量的攻關(guān)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，由于壓裂廢液中添加劑種類繁多，處理難度較大，主要采用化學(xué)法、生化法、固化法等方法進(jìn)行處理。目前較經(jīng)濟(jì)和安全的壓裂返排液的主流處理方式主要有兩種：一是經(jīng)過預(yù)處理后回注，二是處理后直接外排。兩種處理方法各有好處，但仍存在處理工藝復(fù)雜、利用率低、費(fèi)用高等問題，限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

長(zhǎng)慶油田經(jīng)過大量的攻關(guān)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，壓裂返排液經(jīng)沉降、除砂后可重新用于壓裂，已在水平井中重復(fù)利用，但其處理后的水質(zhì)僅能達(dá)到壓裂（水平井壓裂中的伴注）的要求。而壓裂返排液的再次利用與油田提高原油采收率技術(shù)相結(jié)合尚處于探索、攻關(guān)階段。

2　水質(zhì)綜合分析

對(duì)姬塬油田5口油井的長(zhǎng)8層胍膠壓裂返排液進(jìn)行了取樣和水質(zhì)綜合分析。通過觀察分析，在密閉塑料桶存放過程中，水樣顏色不斷加深，且產(chǎn)生強(qiáng)烈的異臭味，表現(xiàn)為厭氧菌不斷繁殖的現(xiàn)象。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，密閉存放20 d左右的各水樣中硫酸鹽還原菌（SRB）含量為104～106個(gè)/毫升。水樣外觀圖（見圖1）。

2.1離子分析

室內(nèi)采用離子色譜分析儀對(duì)5個(gè)水樣進(jìn)行了離子類型及含量的全分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表1）。

從表1可以看出，5個(gè)水樣中的總礦化度最高超過10 000 mg/L，其中，二價(jià)離子含量超過3 500 mg/L，且種類較多，包括SO42-、Ca2+、Mg2+、Sr2+，這些二價(jià)離子對(duì)胍膠返排液配制調(diào)剖劑的成膠性能有較大影響，對(duì)調(diào)剖劑組分的抗鹽性能提出更高要求。

2.2固體懸浮物（TSS）分析

固體懸浮物（TSS）即不可濾殘?jiān)侵覆荒芡ㄟ^孔徑為0.45 μm濾膜的固體物。室內(nèi)對(duì)水樣的TSS進(jìn)行了分析測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表2）。

圖1　姬塬油田胍膠壓裂返排液水樣外觀

表1　壓裂返排液水樣離子色譜分析結(jié)果

表2　水樣固體懸浮物（TSS）含量測(cè)定結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可以看出，被測(cè)水樣的TSS含量均高于國(guó)家三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。通常，懸浮物會(huì)使水體渾濁，往往也是微生物隱蔽的載體，水體中的有機(jī)懸浮物沉積后易厭氧發(fā)酵，使水質(zhì)惡化。對(duì)于配制調(diào)剖劑來說，水中高含量的TSS，不溶物影響調(diào)剖劑的注入性能和成膠性能。

2.3化學(xué)需氧量、氨氮、總磷及總氮分析

化學(xué)需氧量（CODCr）表示在強(qiáng)酸性條件下重鉻酸鉀氧化一升污水中有機(jī)物所需的氧量，它反映了有機(jī)物、亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等還原性物質(zhì)對(duì)水的污染程度，是評(píng)價(jià)水體中有機(jī)污染物質(zhì)相對(duì)含量的一項(xiàng)重要綜合性指標(biāo)。

室內(nèi)采用國(guó)家HJ-T399-2007標(biāo)準(zhǔn)所述的快速消解分光光度法，對(duì)水樣的CODCr、氨氮、總磷及總氮進(jìn)行了分析測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表3）。

表3　壓裂返排液水樣化學(xué)需氧量、氨氮、總磷及總氮測(cè)定結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定分析結(jié)果，被測(cè)水樣的CODCr、氨氮、總磷及總氮值總體上遠(yuǎn)高于國(guó)家最低排放標(biāo)準(zhǔn)。其中化學(xué)需氧量（CODCr）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，說明壓裂返排液中含有大量的有機(jī)物，這些有機(jī)物的存在，不僅產(chǎn)生有毒氣體，使返排液毒性大，同時(shí)導(dǎo)致水質(zhì)差且不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響調(diào)剖劑的成膠強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

通過上述分析，壓裂返排液具有以下主要特點(diǎn)：（1）外觀呈土黃色至黑色，具有惡臭氣味；（2）固體懸浮物含量較高，硫酸鹽還原菌（SRB）含量達(dá)到104～106個(gè)/毫升；（3）總礦化度6 500 mg/L～10 000 mg/L，其中二價(jià)成垢離子含量超過3 500 mg/L；（4）有機(jī)物含量高，化學(xué)需氧量（CODCr）含量介于600 mg/L～5 500 mg/L，氨氮、總氮及總磷總體含量超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。以上特點(diǎn)使得壓裂返排液不能直接排放，處理難度大，壓裂返排液對(duì)調(diào)剖劑成膠性能和穩(wěn)定性能可能具有較大影響，因此對(duì)壓裂返排液配制調(diào)剖劑進(jìn)行相關(guān)可行性分析，包括調(diào)剖劑配方研究和性能評(píng)價(jià)。

3　基于壓裂返排液的調(diào)剖劑配方研究

3.1配伍性對(duì)比

通過對(duì)壓裂返排液水質(zhì)分析，選擇具有較強(qiáng)耐鹽、耐溫和污水適應(yīng)能力的聚合物作為主劑配制調(diào)剖劑，室內(nèi)利用胍膠壓裂返排液與自來水配制聚合物溶液對(duì)比（見圖2），并考察其黏度穩(wěn)定性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表4）。

圖2　自來水與胍膠壓裂返排液配制調(diào)剖劑外觀對(duì)比圖

表4　不同聚合物在自來水和壓裂返排液中老化時(shí)間與黏度關(guān)系對(duì)比表

從表4可以看出，胍膠壓裂返排液配制的3種聚合物溶液化學(xué)降解嚴(yán)重，黏度下降明顯。其中，聚合物FH12在胍膠壓裂返排液中配制的溶液老化48 h后，黏度18.5 mPa·s，黏度保持率相對(duì)較高，再通過添加穩(wěn)定劑，可以使其滿足調(diào)剖劑基液性能要求。

3.2聚合物主劑類型的確定

聚合物是調(diào)剖劑的主要成分，其性能關(guān)系到調(diào)剖劑體系的性能。選擇五種國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的不同相對(duì)分子質(zhì)量和水解度的聚丙烯酰胺商業(yè)品作為主劑，對(duì)其進(jìn)行篩選，考察聚合物濃度與黏度的關(guān)系（見表5）。

表5　不同聚合物濃度與黏度關(guān)系對(duì)比表

從表5可以看出，5 000 mg/L～6 000 mg/L的AP-4和6 000 mg/L的FH12配制的溶液能滿足調(diào)剖劑基液性能要求，AP-4配制溶液的溶解時(shí)間大于2 h，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用困難。FH12為五元共聚物，具有速溶和良好的耐溫抗鹽性能，因此初步選擇FH12作為聚合物主劑。

3.3聚合物濃度的確定

采用姬塬油田長(zhǎng)8層壓裂返排液配制，聚合物濃度5 000 mg/L，黏度穩(wěn)定劑N濃度1 000 mg/L，交聯(lián)劑A濃度800 mg/L，B濃度400 mg/L，反應(yīng)溫度80℃（見表6）。

表6　不同聚合物濃度對(duì)成膠性能的影響

從表6可以看出，隨聚合物濃度增大，基液黏度增大，成膠時(shí)間縮短，凝膠黏度增大，當(dāng)聚合物大于5000mg/L時(shí)，成膠后凝膠性能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，綜合考慮成膠時(shí)間和成本，選擇FH12濃度范圍為5 000 mg/L～6 000 mg/L。3.4黏度穩(wěn)定劑優(yōu)選

由于壓裂返排液配制的聚合物溶液黏度低，且下降明顯，因此需要添加黏度穩(wěn)定劑，達(dá)到減少聚合物用量和保持溶液黏度長(zhǎng)期穩(wěn)定性的目的。采用長(zhǎng)8層壓裂返排液配制，聚合物濃度6 000 mg/L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表7）。

表7　不同黏度穩(wěn)定劑對(duì)聚合物溶液黏度的影響

從表7可以看出，3種黏度穩(wěn)定劑效果相差較大，其中FH12+0.2%N的黏度穩(wěn)定效果最好，在胍膠壓裂返排液中配制的溶液老化48 h后，黏度27 mPa·s，較未添加穩(wěn)定劑的溶液增加8.5 mPa·s，選擇N作為穩(wěn)定劑，進(jìn)一步優(yōu)化其用量為0.08%～0.1%。

3.5交聯(lián)劑優(yōu)選

采用長(zhǎng)8層壓裂返排液配制，黏度穩(wěn)定劑N濃度1 000 mg/L，交聯(lián)助劑C濃度400 mg/L，交聯(lián)穩(wěn)定劑QL-C濃度2 000 mg/L，反應(yīng)溫度80℃。在此條件下，對(duì)交聯(lián)劑各組分濃度進(jìn)行優(yōu)選（見表8）。

表8　不同交聯(lián)劑濃度對(duì)聚合物溶液黏度的影響

從表8可以看出，隨交聯(lián)劑濃度增大，成膠時(shí)間縮短，凝膠黏度增大，當(dāng)交聯(lián)劑A濃度大于800 mg/L和B濃度大于400 mg/L時(shí)，成膠后凝膠性能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，綜合考慮成膠時(shí)間和成本，選擇交聯(lián)劑A濃度范圍為800 mg/L～1 000 mg/L，交聯(lián)劑B濃度范圍為400 mg/L～500 mg/L。

3.6配方的確定

通過配方優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)，確定了壓裂返排液配制聚合物凝膠調(diào)剖劑配方中各組分最佳濃度，配方（見表9）?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓裂返排液情況及段塞設(shè)計(jì)選擇適合現(xiàn)場(chǎng)的最優(yōu)濃度。

表9　調(diào)剖劑配方

4　性能評(píng)價(jià)

4.1耐溫性能

采用長(zhǎng)8層壓裂返排液配制，黏度穩(wěn)定劑N濃度1 000 mg/L，交聯(lián)助劑C濃度400 mg/L?？疾鞙囟葘?duì)調(diào)剖劑成膠性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表10）。

表10　溫度對(duì)調(diào)剖劑成膠性能的影響

從表10可以看出，在50℃～90℃范圍內(nèi)，溫度對(duì)成膠時(shí)間影響較大，溫度升高，成膠時(shí)間縮短，凝膠黏度先增后降，體系在70℃時(shí)凝膠黏度最大，90℃時(shí)黏度下降明顯，因此不適宜90℃以上地層調(diào)剖。

4.2熱穩(wěn)定性能

采用長(zhǎng)8層壓裂返排液配制，黏度穩(wěn)定劑N濃度1 000 mg/L，交聯(lián)劑A濃度800 mg/L，交聯(lián)劑B濃度400 mg/L，交聯(lián)助劑C濃度400 mg/L（見表11）。

表11　調(diào)剖劑凝膠長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性能

可以看出，熱穩(wěn)定性能是凝膠有效期的重要指標(biāo)，在60℃～90℃范圍內(nèi)，聚合物充分交聯(lián)10 d左右時(shí)間，此時(shí)凝膠黏度達(dá)到最大，黏度隨考察時(shí)間增加略有下降，但凝膠黏度整體性能穩(wěn)定，僅90℃時(shí)有少量脫水。

4.3耐鹽性能

采用長(zhǎng)8層壓裂返排液配制，黏度穩(wěn)定劑N濃度1 000 mg/L，黏度穩(wěn)定劑NS濃度1 000 mg/L，交聯(lián)劑A濃度800 mg/L，交聯(lián)劑B濃度400 mg/L，交聯(lián)助劑C濃度400 mg/L（見表12）。

表12　礦化度對(duì)成膠性能的影響

從表12可以看出，調(diào)剖劑體系在不同水中均能交聯(lián)成膠，隨礦化度增加，成膠時(shí)間增加，在長(zhǎng)8地層水中凝膠黏度與壓裂返排液相差不大，說明壓裂返排液配制的調(diào)剖劑與地層水配伍性能良好，均能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)調(diào)剖劑的要求。

5　結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行室內(nèi)分析，了解了姬塬油田壓裂返排液的水質(zhì)特點(diǎn)及配制調(diào)剖劑的影響因素，開展了基于返排液的調(diào)剖劑配方研究和性能評(píng)價(jià)，并取得以下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

（1）壓裂返排液具有顏色深、帶惡臭氣味，固體懸浮物含量較高，硫酸鹽還原菌（SRB）含量達(dá)到104～106個(gè)/毫升；總礦化度6 500 mg/L～10 000 mg/L，其中二價(jià)成垢離子含量超過3 500 mg/L；有機(jī)物含量高，化學(xué)需氧量（CODCr）含量介于600 mg/L～5 500 mg/L，氨氮、總氮及總磷總體含量超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)。

（2）室內(nèi)對(duì)壓裂返排液配制調(diào)剖劑進(jìn)行了配方研究和性能評(píng)價(jià)，壓裂返排液用于調(diào)剖劑可行，其配方為：5 000 mg/L～6 000 mg/L聚合物FH12+800 mg/L～1 000 mg/L黏度穩(wěn)定劑N+800 mg/L～1 000 mg/L交聯(lián)劑A+400 mg/L～500 mg/L交聯(lián)劑B+400 mg/L交聯(lián)助劑C+1 000 mg/L～2 000 mg/L交聯(lián)穩(wěn)定劑QL-C。

［1］陳進(jìn)富，李忠濤，等.采油廢水的有機(jī)構(gòu)成及其COD的處理技術(shù)研究［J］.石油與天然氣化工，2001，30（1）：47-52.

［2］馬云，何順安.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.

［3］王海蒙.預(yù)處理+生物法處理壓裂廢水的實(shí)驗(yàn)研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2013.

［4］陳文婷.油田采出水處理技術(shù)綜合評(píng)價(jià)［D］.北京：中國(guó)石油大學(xué)，2011.

［5］嚴(yán)志虎，戴彩麗.壓裂返排液處理技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］.油田化學(xué)，2015，32（3）：444-448.

Exploratory study on the preparation of profile control agent for fracturing flow-back fluid in Jiyuan oilfield

SUN Jianxin，PU Sanlong，WEI Jiangwei，ZHANG Jinke，LI Manping
（Oil Production Plant 5 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710200，China）

With the deep-going of the development of Changqing oilfield，the fracturing workload of Jiyuan oilfield annual increase，a large number of fracturing flow-back fluid can not be discharged directly，and the high cost of oilfield development and environmental protection have caused tremendous pressure.Therefore，the comprehensive consideration of the environmental protection，treatment costs，recovery and reuse of fracturing flow-back fluid，through the domestic and foreign research，laboratory analysis and Jiyuan oilfield reservoir layer adaptability evaluation and the fracturing back drainage for profile control and water shutoff carried out a feasibility study.The formula of profile control agent based on fracturing flow-back fluid is established and the performance evaluation form，return to the direction of research and ideas of drainage recycling for Jiyuan oilfield itself.

Jiyuan oilfield；fracturing flow-back fluid；profile control recycleing

TE357.12

A

1673-5285（2016）10-0050-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.10.013

2016－08-10