返排液中離子對(duì)滑溜水性能的影響及循環(huán)使用

胡君城

中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司, 北京 100101

0 前言

近年來(lái),以頁(yè)巖氣為代表的非常規(guī)油氣資源得到了越來(lái)越多的關(guān)注。在頁(yè)巖氣資源開(kāi)發(fā)中,水平井壓裂技術(shù)的突破是頁(yè)巖氣規(guī)模開(kāi)采的關(guān)鍵。頁(yè)巖氣井壓裂規(guī)模大,單井入井液量達(dá)數(shù)萬(wàn)立方米,施工后返排回地面的返排液總量也較大。這些返排液中含有大量無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物和各種添加劑,如不經(jīng)過(guò)處理直接排放,一方面會(huì)給井場(chǎng)周?chē)h(huán)境及地表水造成污染[1],另一方面還會(huì)大量消耗水資源,提高作業(yè)成本。在頁(yè)巖氣壓裂開(kāi)發(fā)過(guò)程中,壓裂返排液的處理及循環(huán)使用技術(shù)成為當(dāng)前研究及應(yīng)用的主要方向。

頁(yè)巖氣壓裂主要使用滑溜水作為主要壓裂液體系。評(píng)價(jià)滑溜水壓裂液性能的主要指標(biāo)是減阻率和黏度[2],減阻率越高,液體流經(jīng)管路能量損失越小,泵注壓力越低;而黏度適當(dāng)?shù)幕锼畡t具有一定的攜砂性,同時(shí)進(jìn)入地層后有助于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)[3],提高油氣產(chǎn)出能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

GWFR-1高效減阻劑,由長(zhǎng)城鉆探工程公司生產(chǎn),分子量約600×104～800×104,水解度25%;KHCO3、KCl、Ca(HCO3)2和CaCl2均為分析純,購(gòu)買(mǎi)自北京化學(xué)試劑廠;除特別說(shuō)明外,所有實(shí)驗(yàn)均使用去離子水[6]。

六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)ZNN-D 6型,由青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司提供;環(huán)路摩阻測(cè)試儀HAMZ-IV型,由江蘇華安科研儀器公司提供,實(shí)驗(yàn)管路長(zhǎng)3 m、管徑14 mm,最大流速15 m/s。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 配制減阻劑水溶液

量取20.0 L清水,倒入機(jī)械攪拌器中,調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速,至液體形成較大漩禍。維持?jǐn)嚢锠顟B(tài),在1 min內(nèi)均勻地加入20.0 g減阻劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%),繼續(xù)攪拌使其完全溶解,從攪拌器底部取樣品,觀察確認(rèn)無(wú)未溶解固體,記錄溶解時(shí)間后停止攪拌。

1.2.2 減阻劑水溶液黏度測(cè)定

將以上用清水配置好的減阻劑水溶液按照SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》[7]中關(guān)于壓裂液的黏度測(cè)定根據(jù)進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 減阻劑水溶液減阻率測(cè)定

將清水裝入管路摩阻測(cè)量?jī)x基液罐中,選擇測(cè)試管路、螺桿泵及流量表,啟動(dòng)螺桿泵,在1 min內(nèi)將流量從 0 L/min 提升到127 L/min(折算流速≥13.5 m/s),待流量穩(wěn)定后,記錄差壓傳感器顯示的清水流經(jīng)管路時(shí)進(jìn)出口的壓差值[8]。排空清水,將用清水配置好的減阻劑水溶液注入到配液罐中,按照以上相同流程測(cè)量差壓傳感器顯示的減阻劑溶液流經(jīng)管路時(shí)進(jìn)出口的壓差值,并每隔1 min記錄一次,至10 min后停止。按式(1)計(jì)算減阻劑水溶液在不同時(shí)間的減阻率[9]。

(1)

式中:η為與清水同一測(cè)量條件下減阻劑水溶液相對(duì)清水的減阻率,%;Δp0為清水流經(jīng)管路時(shí)的穩(wěn)定壓差,kPa;Δp為與清水在同一測(cè)量條件下減阻劑水溶液流經(jīng)管路時(shí)的穩(wěn)定壓差,kPa。

1.2.4 鹽對(duì)減阻劑溶解性能的影響

表1 清水及鹽水中減阻劑溶解時(shí)間對(duì)比表

Tab.1 Comparison of dissolving time of drag reduction agent in clean water and saline

序號(hào)減阻劑濃度/(mg·L-1)添加無(wú)機(jī)鹽種類添加無(wú)機(jī)鹽濃度/(mg·L-1)溶解時(shí)間/s01 000——2411 000KCl20 0009821 000KHCO320 00011431 000Ca(HCO3)220 00016141 000CaCl220 000168

1.2.5 鹽對(duì)減阻劑水溶液黏度的影響

圖1 不同濃度的鹽對(duì)減阻劑水溶液黏度影響曲線圖Fig.1 Effect of different salt concentrations on viscosityof drag reduction agent aqueous solution

1.2.6 鹽對(duì)減阻劑水溶液減阻率的影響

減阻率是滑溜水壓裂液的核心性能指標(biāo)[12]。頁(yè)巖氣水平井體積壓裂施工改造規(guī)模大,液體排量大,入井時(shí)間長(zhǎng),液體需要長(zhǎng)時(shí)間保持較好的減阻性能,以保障施工順利進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),模擬現(xiàn)場(chǎng)施工情況,將流速維持在13.5 m/s以上,并記錄10 min內(nèi)液體的減阻率保持情況[13]，見(jiàn)圖2。使用清水配制的減阻劑溶液,初始減阻率在76%以上,且在測(cè)試5 min時(shí)間內(nèi)減阻率不發(fā)生變化,至10 min后減阻率降低至74%;而添加了濃度為20 000 mg/L的不同種類的鹽后,減阻率明顯降低。

總體上含有一價(jià)陽(yáng)離子(K+)的無(wú)機(jī)鹽對(duì)液體的減阻率影響較小,而添加了含有二價(jià)陽(yáng)離子(Ca2+)的無(wú)機(jī)鹽后,液體減阻率不僅在測(cè)試初期明顯降低,且隨著測(cè)試時(shí)間的增加迅速下降,尤其是含有CaCl2的液體在測(cè)試 10 min 后減阻率只有21%,已不具備實(shí)用性能[14]。這是因?yàn)闇p阻劑主要靠降低液體內(nèi)層間作用力來(lái)降低摩阻,而添加的離子可能與減阻劑高分子發(fā)生成鍵作用,導(dǎo)致減阻劑分子間作用力增大,性能發(fā)生改變[15]。而高價(jià)陽(yáng)離子體積大,成鍵作用更突出,甚至可以造成減阻劑分子絮凝沉淀等,因此減阻性能降低更為明顯[16]。

圖2 不同種類的鹽對(duì)減阻劑水溶液減阻率的影響曲線圖Fig.2 Effect of different kinds of salt on drag reducing efficiencyof drag reduction agent aqueous solution

2 應(yīng)用部分

2.1 返排液處理及循環(huán)使用液體性能

根據(jù)以上結(jié)果,對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液進(jìn)行針對(duì)性處理,著重降低Ca2+和Cl-等離子的濃度,避免二次配液時(shí)對(duì)滑溜水性能產(chǎn)生較大影響[17]。針對(duì)性處理后的返排液水質(zhì)情況見(jiàn)表2。

表2 針對(duì)性處理后返排液水質(zhì)分析表

Tab.2 Water quality analysis of the flow-back liquid after targeted treatment

(mg·L-1)

使用經(jīng)過(guò)針對(duì)性處理后的返排液重新配制減阻劑溶液,并同使用地表水(總礦化度約230 mg/L)及未處理的返排液配制的液體進(jìn)行性能對(duì)比[18],減阻劑添加濃度均為1 000 mg/L,見(jiàn)圖3。可以看出,使用處理后的返排液配制的減阻劑溶液,性能有明顯提升,接近使用地表水配制的液體性能,已具有較好的應(yīng)用能力[19]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

自2018年5月起,威H 70頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)平臺(tái)施工全部使用經(jīng)過(guò)以上技術(shù)處理后的返排液配制滑溜水壓裂液施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工曲線計(jì)算,平均減阻率為78.5%,施工期間液體性能穩(wěn)定,施工成功率高。至本文統(tǒng)計(jì)時(shí),已累計(jì)施工27段,共使用返排液48 640 m3,節(jié)約返排液處理成本約980萬(wàn)元，大大降低了污水處理成本和淡水資源的消耗,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 不同水源減阻劑溶液減阻率變化情況曲線圖Fig.3 Drag reducing efficiency changes of drag reduction agentaqueous solution from different water sources

3 結(jié)論

1)壓裂返排液中的離子對(duì)滑溜水壓裂液性能有較大影響,降低了液體的黏度、減阻率,延長(zhǎng)了液體的配制時(shí)間。通過(guò)對(duì)不同類型的離子進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)Ca2+、Mg2+等高價(jià)陽(yáng)離子對(duì)液體性能的影響大于低價(jià)陽(yáng)離子對(duì)液體性能的影響,陰離子中Cl-的影響最大,是水處理的主要目標(biāo)離子。

2)實(shí)現(xiàn)壓裂返排液的循環(huán)使用,必須有針對(duì)性降低部分特定離子的濃度。在處理后,壓裂返排液完全可實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用,性能穩(wěn)定,滿足壓裂施工需求。