煤礦井水配制壓裂液技術(shù)研究

王改紅, 高 燕, 劉國(guó)良

(中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司)

鄂爾多斯盆地榆林地區(qū)分布有豐富的煤礦及天然氣資源，伴隨著煤資源的有效開(kāi)發(fā)，大量的煤礦井水也隨之排出地面，處理后礦井水色度、濁度有明顯改善，pH值一般在6～8，但礦化度、硬度及硫酸根含量較高，且含Al3+、Fe2+、Fe3+等高價(jià)金屬離子，造成其僅能用于景觀用水、消防灑水、鍋爐循環(huán)冷卻用水等[1-5]；與此同時(shí)，該地區(qū)分布有開(kāi)采量可觀的榆林及長(zhǎng)北氣田，由于其典型的“三低”特征，該氣田的有效開(kāi)發(fā)必須經(jīng)過(guò)壓裂改造，而配制壓裂液需要大量的水資源；因此，如果能將該地區(qū)豐富的煤礦井水資源作為該地區(qū)氣田壓裂用水，將對(duì)緩解榆林/長(zhǎng)北氣田水資源供需矛盾、治理煤礦區(qū)環(huán)境傷害、促進(jìn)企業(yè)清潔化、經(jīng)濟(jì)化生產(chǎn)具有非常重要的意義。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1. 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

表面活性劑增稠劑XYC-7，自制；調(diào)節(jié)劑XYTJ-5，自制；煤油，工業(yè)品。

RS6000流變儀，德國(guó)HAAKE 公司；K100張力儀，德國(guó)Kruss公司；高速攪拌器，美國(guó)CHANDLER公司，ZNN-D6旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)公司。

2. 實(shí)驗(yàn)方法

(1)水質(zhì)特征分析。滴定法。

(2)增稠性能測(cè)試。把設(shè)計(jì)濃度的稠化劑XYC-7溶于煤礦處理水中，用高速攪拌器進(jìn)行攪拌的同時(shí)，加入調(diào)節(jié)劑XYTJ-5，測(cè)定不同時(shí)間下的壓裂液黏度。

(3)耐溫耐剪切性能測(cè)試。采用HAAKE流變儀，測(cè)試該體系在110℃下剪切60 min后的黏度獲得耐溫耐剪切性能曲線。

(4)黏彈性能測(cè)試。采用HAAKE流變儀，進(jìn)行頻率掃描，得到黏彈性能測(cè)試曲線。

(5)表面張力性能測(cè)試。采用K100張力儀，測(cè)試室溫下破膠液清液的表面張力。

二、結(jié)果和討論

1.煤礦處理水的水質(zhì)特征分析

外觀無(wú)色、無(wú)味、無(wú)沉淀，pH值6.5，離子含量見(jiàn)表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，該處理水總硬度596 mg/L，礦化度4 420 mg/L，高價(jià)金屬離子及含鹽量較高，超出了常規(guī)壓裂液的耐受范圍[6-9]。

表1 處理水的水質(zhì)特征分析(滴定法)

2.煤礦處理水配常規(guī)壓裂液性能分析

關(guān)于處理水、返排液及鹽水對(duì)配液性能的影響，劉素華[10]等在地層水壓裂液體系研究、返排廢液中無(wú)機(jī)鹽離子對(duì)壓裂液特性的影響中均指出，返排廢液中二價(jià)金屬鹽的水合作用會(huì)影響增稠劑羥丙基瓜爾膠高分子鏈的伸展、羥基硼生成速度降低等問(wèn)題，導(dǎo)致壓裂液體系的黏度降低，抗剪切性能下降，因此，在其研究中建議將鈣鎂離子含量控制在10 000 mg/L以下，袁長(zhǎng)忠等[7]在壓裂返排液水質(zhì)分析及無(wú)機(jī)鹽離子對(duì)壓裂液耐溫耐剪切性能影響做了深一步的實(shí)驗(yàn)研究，并強(qiáng)調(diào)了胍膠壓裂液配液水中的鈣、鎂離子總量不應(yīng)超過(guò)500 mg/L。

室內(nèi)采用該處理水配制0.4%胍膠壓裂液，檢測(cè)其耐溫能力為81.46℃，耐溫能力較清水配液降低40%以上，達(dá)不到施工要求。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述文獻(xiàn)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，因此，若在該區(qū)塊采用胍膠壓裂液體系，則首要任務(wù)是再次對(duì)煤礦處理水進(jìn)行降硬度處理，這將會(huì)造成工序繁瑣，且目前該區(qū)塊沒(méi)有可成熟推廣的水處理工藝，因此，需要研制一種新型壓裂液體系。

3.HSF-140體系構(gòu)成

HSF-140體系由稠化劑及調(diào)節(jié)劑構(gòu)成。該稠化劑XYC-7在鹽水中能夠快速形成疏水尾基在內(nèi)，親水頭基在外的蠕蟲(chóng)狀膠束結(jié)構(gòu)。

4.HSF-140增稠性能

稠化劑XYC-7在該配液水中溶解速度快，加入0.2%調(diào)節(jié)劑XYTJ-5后10 s起黏，3 min后黏度不再變化，pH值4～5，形成具有黏彈性的HSF-140弱酸性表面活性劑壓裂液，且隨著稠化劑XYC-7濃度的增大，壓裂液表觀黏度逐步增大。

5.耐溫耐剪切性能

圖1 HSF-140壓裂液耐溫耐剪切曲線

體系的耐溫耐剪切性能測(cè)試曲線見(jiàn)圖1。由圖1數(shù)據(jù)可知，該壓裂液在110℃、170 s-1下剪切60 min后黏度為22.73 mPa·s，且隨著剪切時(shí)間的延長(zhǎng)，黏度降低不明顯，表明該體系壓裂液抗剪切性能良好。

6.黏彈性能

采用震蕩剪切測(cè)量確定HSF-140體系的線性黏彈區(qū)，選取應(yīng)力值為0.45 Pa進(jìn)行0.1～10 Hz的頻率掃描，結(jié)果如圖2所示。

圖2 HSF-140壓裂液頻率掃描測(cè)試曲線

由圖2可以看出，隨著掃描頻率的增加，儲(chǔ)能模量始終高于耗能模量，且G′高于2 Pa、G＂高于0.5 Pa，表明體系黏彈性能良好。

7.破膠性能

常規(guī)清潔壓裂液遇地層油水破膠[11-12]，但實(shí)際施工中遇地層水含量低或干層時(shí)，導(dǎo)致清潔壓裂液破膠不徹底，無(wú)法有效返排。HSF-140壓裂液為弱酸性表面活性劑壓裂液，在施工泵注過(guò)程中該體系中的酸性物質(zhì)能夠消耗儲(chǔ)層巖心膠結(jié)物及填隙物中的碳酸鹽成分，實(shí)現(xiàn)破膠的同時(shí)可改善低滲儲(chǔ)層物性。室內(nèi)采用榆林氣田山2層巖心粉及工業(yè)煤油做破膠劑，模擬90℃儲(chǔ)層條件下該體系的破膠性能。90 min后體系黏度小于2 mPa·s，破膠徹底；且測(cè)試破膠液的表面張力為25.093 mN/m，表明在儲(chǔ)層條件下，該體系依然能夠徹底破膠并有效返排。

8.模擬返排液再配液耐溫能力

當(dāng)壓裂液泵入地層后，大約有40%～70%的破膠液返出至地面，因此，若該體系的返排液能夠繼續(xù)回用，將更大程度的實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，室內(nèi)考察了模擬返排液添加少量稠化劑后再配液的耐溫能力。

模擬返排液配方：50%破膠液+10%CaCl2水溶液(77g/L)+40%煤礦處理水。

模擬返排液再配壓裂液配方：模擬返排液+2.5%XYC-7+0.1%XYTJ-5。

圖3 模擬返排液再配液耐溫能力測(cè)試曲線

由圖3測(cè)試曲線可知，在模擬返排液再配該壓裂液耐溫仍可達(dá)120.26℃，表明該體系具有循環(huán)再利用可行性及較好的抗鹽性。

三、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及推廣前景分析

該體系的液態(tài)稠化劑XYC-7、調(diào)節(jié)劑XYTJ-5與水混合后即可增黏攜砂，施工簡(jiǎn)便，返排液除固體雜質(zhì)后即可循環(huán)再利用，圖4為該體系的現(xiàn)場(chǎng)施工流程圖。2017年該技術(shù)在長(zhǎng)慶區(qū)域X96井試驗(yàn)，選用井場(chǎng)沉降后洗井水及返排液配液150 m3，小樣測(cè)試黏度69 mPa·s，施工壓力平穩(wěn)，砂濃達(dá)320 kg/m3，施工順利。

圖4 HSF-140壓裂液現(xiàn)場(chǎng)施工流程示意圖

長(zhǎng)慶油氣田為典型的“三低”氣藏，幾乎每口井都要進(jìn)行壓裂改造才能達(dá)到工業(yè)氣流，每口井壓裂用水按500 m3計(jì)算，則該成果研究?jī)H水費(fèi)即可節(jié)省約5萬(wàn)元/井，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

四、結(jié)論

(1)新研制壓裂液具有良好的抗剪切、懸砂、耐溫及抗鹽性能。

(2)新研制壓裂液具有增稠快、可在線混配的特性。

(3)新研制壓裂液可采用煤礦處理水配液，有助于實(shí)現(xiàn)榆林地區(qū)煤礦及氣田的雙重清潔環(huán)保生產(chǎn)，降低工業(yè)投入，具有良好的推廣應(yīng)用前景。