水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王滿(mǎn)學(xué) ，劉建偉 ，何靜 ，王永煒 ，鄒楓

（1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065；2.中國(guó)石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 鄯善 838202；3.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075；4.中國(guó)石化中原油田分公司工程技術(shù)管理部，河南 濮陽(yáng) 457001）

0 引言

隨著水力壓裂技術(shù)的不斷進(jìn)步，壓裂規(guī)模越來(lái)越大，用水量從原來(lái)的每井次100 m3提高到10 000 m3以上。在壓裂作業(yè)后，這些壓裂液組分、泥砂、油氣和地層水等隨破膠液一起返排到地面。如果這些廢液處理不當(dāng)，會(huì)對(duì)井場(chǎng)周?chē)寥?、植被和地表水造成一定程度的影響。隨著《安全生產(chǎn)法》和《環(huán)境保護(hù)法》等相關(guān)法規(guī)的實(shí)施，相關(guān)部門(mén)要求企業(yè)在生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)零排放，這促使油田采取相應(yīng)技術(shù)措施，對(duì)壓裂返排的廢液進(jìn)行回收處理和再利用。

水基壓裂返排液的重復(fù)使用技術(shù)（即水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)）是近年來(lái)興起的一項(xiàng)“節(jié)能、降耗、綠色、環(huán)?！毙蛪毫岩杭夹g(shù)，該技術(shù)利用處理后的返排液配制壓裂液，既回收利用返排液中的水資源，同時(shí)又盡可能利用其中的有效化學(xué)劑，做到了降低壓裂綜合成本、保護(hù)環(huán)境和資源的充分利用，是今后水基壓裂液技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。

從目前文獻(xiàn)報(bào)道來(lái)看，水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)存在定義界定不清、技術(shù)術(shù)語(yǔ)使用混亂、技術(shù)水平落后，且沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，因此，有必要對(duì)水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，對(duì)其未來(lái)開(kāi)發(fā)研究方向進(jìn)行思考。

1 技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外

2002年，Halliburton公司研究開(kāi)發(fā)了一種可重復(fù)使用的低相對(duì)分子質(zhì)量瓜爾膠壓裂液體系［1］。具體方法是：采用特殊的工藝將普通大分子的瓜爾膠切割成20～30段小分子，除去其中纖維素和蛋白質(zhì)等水不溶物，提高瓜爾膠在水中的溶解性；以改性瓜爾膠為增稠劑，硼酸鹽為交聯(lián)劑，不需要破膠劑，依靠地層礦物來(lái)調(diào)節(jié)壓裂液的酸堿性，實(shí)現(xiàn)控制壓裂液快速交聯(lián)和破膠。更重要的是，改性的瓜爾膠分子鏈在破膠過(guò)程中沒(méi)有被破壞，保證了回收處理后的返排液在壓裂施工后能繼續(xù)配制壓裂液，并且所制備的壓裂液性能與黏彈性表面活性劑壓裂液相類(lèi)似，現(xiàn)場(chǎng)施工效果也優(yōu)于新配制的壓裂液。

2004—2009年， D.V.S.Gupta 等［2-3］采用重力分離、熱處理、堿洗和絮凝沉淀等常規(guī)的水處理工藝，分別對(duì)不同類(lèi)型的破膠返排液進(jìn)行回收處理，然后采用清水對(duì)處理后的返排液進(jìn)行稀釋?zhuān)顾|(zhì)滿(mǎn)足配制壓裂液要求，實(shí)現(xiàn)了壓裂返排液的回收和重復(fù)利用。

2013年，L.Fontenelle 等［4］提出采用電凝法和化學(xué)添加劑聯(lián)合處理的方式對(duì)壓裂返排液處理，實(shí)現(xiàn)了返排液的重復(fù)利用。

2013年，Q.Y.Jiang 等［5］利用陶瓷膜過(guò)濾和離子交換法對(duì)壓裂返排液進(jìn)行了處理，有效消除了可溶性固形物，提高了排液水的外觀，使處理后的壓裂返排液水質(zhì)滿(mǎn)足重復(fù)配制壓裂液的水質(zhì)要求。

通過(guò)對(duì)壓裂返排液初步處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢液中水資源的回收利用，但未對(duì)返排廢液中大量的有用化學(xué)劑進(jìn)行回收、利用。

1.2 國(guó)內(nèi)

國(guó)內(nèi)也對(duì)水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)進(jìn)行了研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。依據(jù)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)研究和應(yīng)用情況［6-18］分為3個(gè)階段：第1階段是通過(guò)對(duì)普通瓜爾膠壓裂返排液進(jìn)行氧化、絮凝等處理，先從返排液中“取水”，然后再配制壓裂液的水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)初級(jí)階段，其技術(shù)特點(diǎn)是對(duì)壓裂返排液中的水進(jìn)行回收，未對(duì)其中大量的有效組分進(jìn)行利用，同時(shí)在對(duì)壓裂返排液進(jìn)行回收處理過(guò)程中又產(chǎn)生二次污染；第2階段是通過(guò)對(duì)改性瓜爾膠壓裂返排液進(jìn)行回收處理，利用返排液中部分化學(xué)劑組分，減少了二次利用時(shí)添加劑的加量，降低了壓裂液制備成本；第3階段是采用新型水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)，充分利用壓裂返排液中的有效資源，顯著降低壓裂液的制備成本和廢物對(duì)環(huán)境的危害，是水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)的最高階段和終極目標(biāo)。

以制備水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)的增稠劑為主線，介紹壓裂液重復(fù)使用技術(shù)研究及其應(yīng)用現(xiàn)狀。

1.2.1 瓜爾膠類(lèi)壓裂液

2006年，管保山等［6-8］首先采用一種特殊的制造工藝，降低瓜爾膠相對(duì)分子質(zhì)量，同時(shí)在瓜爾膠分子鏈上引入親水性基團(tuán)，重新得到一種易水解和小分子的瓜爾膠CJ2-3。以CJ2-3為稠化劑、硼離子為交聯(lián)劑，制備了在地層內(nèi)可自動(dòng)破膠的能回收利用的一種新型水基凍膠壓裂液。0.35%CJ2-3壓裂液基液（pH值為8.5）黏度僅12 mPa·s，且壓裂液的熱剪切性能穩(wěn)定。在回收處理后的返排液中通過(guò)補(bǔ)加各種添加劑，再重新制備可回收壓裂液，其性能與原始?jí)毫岩阂恢隆Ｔ摷夹g(shù)在長(zhǎng)慶油田進(jìn)行了3口油井壓裂施工，壓裂液的返排率高達(dá)92.9%。

2006年，莊照鋒等［9］從交聯(lián)與非降解性破膠劑機(jī)理及非降解性破膠途徑出發(fā)，探討了羥丙基瓜爾膠/硼凍膠壓裂液回收再利用的可行性，分析了該體系的壓裂液凍膠在無(wú)通用破膠劑情況下的非降解性破膠機(jī)理。通過(guò)討論使用緩釋酸及3種非降解性破膠方法，作者認(rèn)為非降解性破膠不會(huì)影響低相對(duì)分子質(zhì)量壓裂液的回收和再利用。通過(guò)重新調(diào)節(jié)回收處理后的破膠返排液pH值，實(shí)現(xiàn)破膠液的再利用。該技術(shù)對(duì)減少環(huán)境污染、節(jié)約生產(chǎn)成本、提高壓裂施工效果，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2011年，李謙定等［10］針對(duì)南泥灣采油廠壓裂施工后返排液多、處理費(fèi)用高等問(wèn)題，研究了以羥丙基瓜爾膠為稠化劑、硼砂為交聯(lián)劑、緩釋型SS-1為破膠劑，制備可重復(fù)利用的壓裂液方法。在室內(nèi)的具體研究方法是：將破膠液與原基液按不同體積比混合制備成新基液，然后向混合液中加入交聯(lián)劑和破膠劑等，實(shí)現(xiàn)對(duì)破膠液進(jìn)行再利用。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用此方法制備的壓裂液可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工要求（60 s內(nèi)交聯(lián)，3 h后破膠）。

2014年，為解決壓裂作業(yè)水資源缺乏和返排液難處理的問(wèn)題，熊穎等［11］采用生物降解技術(shù)制備相對(duì)分子質(zhì)量為30×104～50×104的低分子瓜爾膠，并采用空氣懸浮成膜法制備出了一種膠囊破膠劑；通過(guò)利用pH值控制硼酸鹽離解，來(lái)改變瓜爾膠壓裂液的交聯(lián)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)其在酸性條件下的非降解性破膠。壓裂液在破膠后，瓜爾膠分子結(jié)構(gòu)未被破壞，可實(shí)現(xiàn)破膠液重復(fù)交聯(lián)使用的目的。同年，蒲祖鳳等［12］通過(guò)改變傳統(tǒng)改性瓜爾膠壓裂液體系的交聯(lián)和破膠思路，實(shí)現(xiàn)了改性瓜爾膠壓裂液的多次回收和重復(fù)利用。

2015年，劉立東等［13］針對(duì)東北油氣田壓裂液返排液量大，凈化處理成本高，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)并研發(fā)了移動(dòng)式污水處理裝置，開(kāi)展對(duì)壓裂返排液處理和再制備壓裂液研究。通過(guò)對(duì)處理液的水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)：處理液中存在的大量二價(jià)金屬離子，使得BCG稠化劑不能溶脹起黏，影響壓裂液的抗溫性；難去除的硼酸根離子，使得配制的HPG基液提前交聯(lián)形成凍膠，影響壓裂施工。通過(guò)對(duì)不同添加劑的優(yōu)選和用量?jī)?yōu)化，BCG-1非交聯(lián)締合型壓裂液可以較好解決上述技術(shù)問(wèn)題，達(dá)到壓裂破膠液重復(fù)利用的目的。

1.2.2 高分子聚合物類(lèi)壓裂液

李小玲等［14］研究了采用合成的具有表面活性的多效高分子聚合物制備新型可回收壓裂液的方法。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整聚合物主劑的質(zhì)量濃度，實(shí)現(xiàn)了壓裂破膠液可回收、降阻水、低黏液及攜砂液的功能。截至2014年底，該壓裂液已成功應(yīng)用于蘇里格氣田工廠化作業(yè)78口直井，取得了較好的改造效果。

何明舫等［15］針對(duì)以往氣田使用的一次性壓裂液返排液中稠化劑被深度降解破壞，回收后不能重復(fù)利用等問(wèn)題，研發(fā)了一種聚合物和表面活性劑復(fù)合型可回收壓裂液，初步形成了以EM50/50S生物膠可回收壓裂液體系為核心、以“混凝沉淀+過(guò)濾殺菌+污泥脫水”為主體的壓裂返排液精細(xì)回收處理技術(shù)，滿(mǎn)足蘇里格氣田大開(kāi)發(fā)對(duì)高效、綠色環(huán)保型壓裂新技術(shù)的需求。

李旦等［16］研究了以低分子聚合物FYC-2為增稠劑的壓裂液體系，實(shí)現(xiàn)了壓裂液的低殘?jiān)?0 mg/L）、自動(dòng)破膠且重復(fù)利用的目的。在延長(zhǎng)油田西區(qū)采油廠成功應(yīng)用3口井。

1.2.3 表面活性劑類(lèi)壓裂液

山樹(shù)民等［17］針對(duì)靖邊氣田儲(chǔ)層孔喉半徑較小、排驅(qū)壓力較低、壓裂液易滯留造成儲(chǔ)層傷害等問(wèn)題，開(kāi)展了可回收壓裂液體系研究。該技術(shù)選用長(zhǎng)碳鏈高分子、非離子表面活性劑烷基酚聚氧乙烯醚、丙烯酸酯等復(fù)合物作稠化劑，采用陰離子表面活性劑作助劑，同時(shí)在分子中引入能增加分子鏈剛性的環(huán)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，制備了一種新型可回收壓裂液（0.45%稠化劑+0.5%助排劑+0.35%助劑）。室內(nèi)評(píng)價(jià)表明：在120℃條件下，可回收壓裂液抗剪切性良好，減阻率57.8%，巖心傷害率小于15%，同時(shí)具有低黏高彈性的特點(diǎn)。對(duì)靖邊57口井壓裂效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，壓裂返排液的回收再利用率為94.26%。

1.2.4 其他類(lèi)型的水基壓裂液

王改紅等［18］利用將蔗糖經(jīng)微生物發(fā)酵得到一種微生物多糖稠化劑XYCQ-1與水混合，依靠分子間相互作用，形成一種可攜砂、能回收利用的清潔壓裂液。破膠液回收利用的方法是：通過(guò)水質(zhì)調(diào)節(jié)劑XYTJ-1，絡(luò)合回收破膠液中超量的Ca2+，Mg2+，使水質(zhì)達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)配液的水質(zhì)要求，然后再重新配制壓裂液，實(shí)現(xiàn)破膠液的重復(fù)利用。

2 目前技術(shù)存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)研究與應(yīng)用文獻(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn)，目前重復(fù)使用的水基壓裂液技術(shù)仍然存在許多亟待解決的技術(shù)難題。這些技術(shù)難題可歸納為3點(diǎn)：

1）未實(shí)現(xiàn)水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)目標(biāo)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有水基壓裂液重復(fù)利用技術(shù)現(xiàn)狀和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況的梳理發(fā)現(xiàn)，目前現(xiàn)場(chǎng)采用的水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)仍然處在從返排液中“取水”然后再配制壓裂液的水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)初級(jí)階段。室內(nèi)研究明顯滯后于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用步伐，是制約新技術(shù)大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的主要原因。

2）返排液處理工藝不合理，影響壓液返排液中有效物的回收，增加壓裂成本。由于對(duì)壓裂返排液處理和返排液中有效化學(xué)劑再利用缺乏系統(tǒng)研究，致使2種工序彼此相互脫節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施達(dá)不到廢液處理和再利用設(shè)計(jì)目標(biāo)，是造成資源不必要浪費(fèi)的主要因素。采用傳統(tǒng)的絮凝、氧化降解等水處理工藝對(duì)壓裂返排液進(jìn)行處理，造成大量的有用組分被當(dāng)成“廢物”除掉，造成了資源的浪費(fèi)；同時(shí)在處理壓裂返排液過(guò)程中，重新加入大量的化學(xué)藥劑，不但增加了壓裂整體成本，又產(chǎn)生了新污染。

3）壓裂液恢復(fù)性和抗鹽效果差是制約返排液重復(fù)使用的最大障礙。開(kāi)發(fā)一種抗鹽性好，成膠破膠“可逆”的新型水基壓裂液體系，是解決水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)難題的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

1）水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)影響因素很多，市場(chǎng)化需要解決的技術(shù)難題也很多。壓裂液成膠破膠“可逆”是實(shí)現(xiàn)水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)的關(guān)鍵；水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)室內(nèi)研究滯后于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，是影響新技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要原因，因此，需要投入大量的人力和物力，完善和推進(jìn)新技術(shù)早日市場(chǎng)化。

2）水基壓裂液重復(fù)利用技術(shù)是由壓裂液重復(fù)使用技術(shù)和返排液高效處理技術(shù)組成的一種復(fù)合技術(shù)，兩者相互影響，缺一不可。在新技術(shù)研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通盤(pán)考慮壓裂液技術(shù)開(kāi)發(fā)與壓裂后返排液的回收和再利用、環(huán)境安全和生產(chǎn)成本等因素，有益于提高技術(shù)應(yīng)用效率，降低壓裂綜合成本。

3）針對(duì)水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)名詞表述混亂，技術(shù)水平參差不齊，且沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可供參考等問(wèn)題，建議盡快完善技術(shù)指標(biāo)，制定水基壓裂液重復(fù)使用技術(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范和促進(jìn)新技術(shù)快速發(fā)展。

4）隨著國(guó)家對(duì)水資源和環(huán)境保護(hù)力度的日益增強(qiáng)，更加清潔和環(huán)保型壓裂液技術(shù)在我國(guó)油氣田開(kāi)發(fā)中的作用日趨重要，也必將成為今后油氣藏開(kāi)發(fā)技術(shù)的熱點(diǎn)。

［1］RIMASSA S M，HOWARD P R，BLOW K A.Optimizing fracturing fluids from flowback water［R］.SPE 125336，2009.

［2］EDWARDS J，TUDOR R，JONES D.Benefits of quality hydrocarbon fracturing fluid recycling［R］.SPE 124885，2009.

［3］GUPTA D V S，HLIDEK B T.Frac-fluid recycling and water conservation：a case history［R］.SPE 119478，2004.

［4］FONTENELLE L，WESTON M，LORD P，et al.Recycling water：case studies in designing fracturing fluids using flowback，produced，and nontraditional water sources［R］.SPE 165641，2013.

［5］JIANG Q Y，RENTSCHLER J，PERRONE R，et al.Application of ceramic membrane and ion-exchange for the treatment of the flowback water from Marcellus shale gas productions［J］.Journal of Membrane Science，2013，431（1）： 55-61.

［6］管保山，梁利，程芳，等.壓裂返排液取水應(yīng)用技術(shù)［J］.石油學(xué)報(bào)，2017，38（1）：99-104.

［7］管保山，汪義發(fā)，何治武，等.CJ2-3型可回收低分子量瓜爾膠壓裂液的開(kāi)發(fā)［J］.油田化學(xué)，2006，23（1）：27-31.

［8］管保山，薛小佳，何志武，等.低分子量合成聚合物壓裂液研究［J］.油田化學(xué)，2006，23（1）：36-38.

［9］莊照鋒，張士誠(chéng)，張勁，等.硼交聯(lián)羥丙基瓜爾膠壓裂液回收再用可行性研究［J］.油田化學(xué)，2006，23（2）：120-123.

［10］李謙定，張瑩，李善建，等.羥丙基胍膠壓裂液重復(fù)利用技術(shù)研究［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，26（5）：116-117.

［11］熊穎，劉友權(quán)，石曉松，等.可回收再利用的低分子胍膠壓裂液技術(shù)研究［J］.石油與天然氣化工，2014，43（3）：279-283.

［12］蒲祖鳳，庚文靜，李嘉，等.可重復(fù)使用壓裂液體系開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)［J］.鉆采工藝，2014，37（1）：91-94.

［13］劉立宏，陳江明，劉通義，等.東北油氣田壓裂液返排液重復(fù)利用技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2015，32（4）：92-95.

［14］李小玲，丁里，李寧軍，等.EM50可回收壓裂液體系的研制及其在蘇里格氣田應(yīng)用［J］.精細(xì)石油化工，2016，33（5）：19-23.

［15］何明舫，來(lái)軒昂，李寧軍，等.蘇里格氣田壓裂返排液回收處理方法［J］.天然氣工業(yè)，2015，35（8）：114-119.

［16］李旦，管保山，王航，等.重復(fù)利用壓裂液FYC-2體系性能及應(yīng)用［J］.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2011，27（10）：5-7.

［17］山樹(shù)民，呂小明，古正富，等.靖邊氣田新型可回收壓裂液研究與應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2016，28（16）：185-189.

［18］王改紅，廖樂(lè)軍，郭艷平.一種可回收清潔壓裂液的研制和應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2016，33（6）：101-105.