綠色清潔滑溜水重復(fù)利用技術(shù)在瓜爾膠返排液中的應(yīng)用

徐太平 李栓

摘 ? ? ?要： 隨著單井壓裂規(guī)模的加大、壓裂井次的增多，壓裂返排液的重復(fù)利用需求逐漸增多。通過(guò)引入速分散、耐礦化度單體，提高降阻劑SLW-1的溶解及耐鹽性能，通過(guò)加入耐溫穩(wěn)定劑TS-2提高瓜爾膠返排液配置的滑溜水耐溫性能。當(dāng)KCl和CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～10%時(shí)，SLW-1降阻率保持在75%。在室溫條件下，SLW-1的溶解時(shí)間約為15 s;當(dāng)硼離子質(zhì)量濃度為0～40 mg·L-1時(shí)，降阻率維持在76%以上;當(dāng)過(guò)氧化物質(zhì)量濃度為0～60 mg·L-1時(shí)，降阻率保持在76%～77%之間。SLW-1及瓜爾膠返排液分別配置的滑溜水溶解速度均為 ? ?15 s，降阻率分別為76.5%、76.2%、76.0%;6 000 s-1剪切5 min，降阻率均為76%以上。SLW-1返排水配置的滑溜水在150 ℃時(shí)，降阻率為76.2%;瓜爾膠返排液配置的滑溜水加入耐溫穩(wěn)定劑TS-2后，在150 ℃時(shí)體系降阻率可以保持在75%;加入TS-2后的瓜爾膠返排水配置的高黏液體在120 ℃剪切100 min，黏度保持在 ? ?100 mPa·s以上。

關(guān) ?鍵 ?詞：滑溜水;壓裂返排液;水質(zhì)分析;重復(fù)利用;瓜尓膠

中圖分類(lèi)號(hào)：TE133 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）10-2203-05

Abstract： With the increase of fracturing operations， the reuse of fracturing recycling fluid has attracted attention widely. The solubility and salt resistance of reducer SLW-1 were improved by introducing fast dispersing and mineralization-resistant monomers. The temperature resistance of slick water with guar gum flow-backwater was improved by adding TS-2 as a temperature-resistant stabilizer. When the mass fraction of KCl and CaCl2 was 0%～10%， the resistance reduction rate of SLW-1 remained at 75%. At room temperature， the dissolution time of SLW-1 was about 15 s.When boron ion concentration was 0～40 mg·L-1， the resistance reduction rate maintained above 76%. And when peroxide content was 0～60 mg·L-1， resistance reduction rate maintained between 76%～77%.The dissolution rates of SLW-1 and guar gum reflux solution were 15 s， the resistance reduction rates were 76.5%， 76.2% and 76.0%，respectively.And after shearing for 5 min， all three resistance reduction rates were more than 76.0%. The resistance reduction rate of SLW-1 with slick water flow-back water was 76.2% at 150 ℃. When TS-2 was added to the slick water with guar gum flow-back water， the resistance reduction rate of the system could be maintained at 75% at 150 ℃. When TS-2 was added to the high-viscosity liquid with guar gum flow-back water， the viscosity of the system could be maintained at 100 mPa·s after shearing in 100 min at 120 ℃.

Key words： Slickwater; Flow-back water; Water analysis; Recycling; Guar gum

隨著我國(guó)環(huán)保要求的不斷提高，天然氣作為一種清潔能源得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。無(wú)論是煤改氣取暖項(xiàng)目，發(fā)電項(xiàng)目，燃料、動(dòng)力項(xiàng)目等，都需要或即將需要消耗更多的天然氣資源。國(guó)內(nèi)易于開(kāi)采的天然氣藏較少，不足以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，借鑒北美國(guó)家的頁(yè)巖氣技術(shù)變革經(jīng)驗(yàn)，近幾年來(lái)，開(kāi)采天然氣的水力壓裂作業(yè)迅猛發(fā)展，并屢獲突破[1-4]。

水力壓裂作業(yè)過(guò)程中對(duì)水資源的依賴(lài)較大，一方面是配置壓裂液對(duì)水資源的需求量大，另一方面是作業(yè)完成后污水（返排液）也較多，處置不當(dāng)會(huì)造成多次污染。壓裂返排液重復(fù)利用可以從水源問(wèn)題及返排液處置問(wèn)題兩方面，有效解決該問(wèn)題。然而，瓜爾膠壓裂返排液因其含有過(guò)多雜質(zhì)，即便經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)處理工藝后，其處理水直接重復(fù)配置瓜爾膠壓裂液，會(huì)出現(xiàn)部分問(wèn)題，影響施工效果。

瓜爾膠壓裂液是目前應(yīng)用最為廣泛的壓裂液，性?xún)r(jià)比較高。隨著壓裂作業(yè)的普及和推廣，瓜爾膠壓裂返排液的排放總量逐漸增多;同時(shí)國(guó)內(nèi)環(huán)保要求越來(lái)越高，且降低壓裂成本的內(nèi)在需求，瓜爾膠返排液重復(fù)配置壓裂液應(yīng)用逐漸受到青睞?，F(xiàn)場(chǎng)一般采用物理化學(xué)及膜處理等聯(lián)合處理工藝去除返排液中雜質(zhì)及部分離子，但是瓜爾膠返排液重復(fù)配置壓裂液目前仍然存在著瓜爾膠溶解不充分、耐溫性能差、提前破膠、施工摩阻高、攜砂能力不足等問(wèn)題[5-8]。

因此，適時(shí)推出一款可采用壓裂返排液配置的滑溜水壓裂液體系非常重要，不僅可以減少水資源的使用量，而且可以將返排液循環(huán)使用，從而達(dá)到更高的經(jīng)濟(jì)效益[5，9]。

滑溜水對(duì)配液水的要求較低，且滑溜水的耐鹽性能較好，部分性能對(duì)溫度適應(yīng)性強(qiáng)。因此嘗試采用瓜爾膠返排液配置滑溜水重復(fù)利用方案。本文通過(guò)滑溜水分子設(shè)計(jì)機(jī)理入手，引入耐鹽、速分散單體，改善滑溜水體系耐鹽、耐溫、抗剪切以及增稠性能，使用過(guò)濾掉不溶顆粒后的瓜爾膠返排液為配液水，配置成滑溜水回用體系，并進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。

1 ?室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 ?實(shí)驗(yàn)藥品

降阻劑（SLW-1，自制）、耐溫穩(wěn)定劑（TS-2，自制）、去離子水;過(guò)氧化銨、氯化鉀、氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣，工業(yè)級(jí)，天津市福晨化學(xué)試劑廠(chǎng);SLW-1現(xiàn)場(chǎng)返排液、瓜爾膠現(xiàn)場(chǎng)返排液。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)儀器

便攜式水質(zhì)分析儀、恒溫干燥箱等。

2 ?實(shí)驗(yàn)方法

2.1 ?實(shí)驗(yàn)原理

通過(guò)引入耐鹽、速分散單體，使得SLW-1的耐礦化度、耐剪切及溶解性能得到較大提高，同時(shí)具有摩阻小、容易返排的特點(diǎn)。

通過(guò)加入耐溫穩(wěn)定劑除掉瓜爾膠返排液中的過(guò)氧化物，提高返排液配置滑溜水的耐溫性能。

2.2 ?返排液處理

SLW-1、瓜爾膠返排液均經(jīng)過(guò)過(guò)濾處理，除掉懸浮物質(zhì)和機(jī)械雜質(zhì)。

2.3 ?返排液水質(zhì)分析

通過(guò)便攜式水質(zhì)分析儀檢測(cè)過(guò)濾后液體中離子質(zhì)量濃度。

2.4 ?滑溜水配置

將SLW-1加入去離子水中配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的溶液，記錄其溶解時(shí)間，并測(cè)試降阻性能。

將SLW-1加入SLW-1返排液（過(guò)濾后）中配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的溶液，記錄其溶解時(shí)間，并測(cè)試降阻性能。

將SLW-1加入瓜爾膠返排液（過(guò)濾后）中配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的溶液，記錄其溶解時(shí)間，并測(cè)試降阻性能。

2.5 ?高黏型滑溜水配置

將SLW-1加入去離子水中配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的溶液，測(cè)試耐溫耐剪切性能。

將SLW-1加入瓜爾膠返排液（過(guò)濾后）中配置成分?jǐn)?shù)為0.25%的溶液，測(cè)試耐溫耐剪切性能。

2.6 ?降阻率測(cè)試

降阻率測(cè)試基本條件：采用開(kāi)路式摩阻議測(cè)試，管徑10 mm，流速 30 L·min-1。

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 ?SLW-1耐鹽性能

為考察SLW-1耐鹽能力，向去離子水中分別加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KCl和CaCl2，測(cè)試其降阻性能。測(cè)試結(jié)果如圖1、圖2所示。由圖1、圖2可以看出，當(dāng)KCl和CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，SLW-1的初始降阻率都為78%;當(dāng)KCl和CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，SLW-1的降阻率分別為77%和76%;表明當(dāng)KCl和CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～10%時(shí)，對(duì)SLW-1的降阻率影響較小。

3.2 ?硼離子的影響

硼離子有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠增加瓜爾膠基液黏度，增加溶脹時(shí)間等[4，11]。因此測(cè)試硼離子對(duì)滑溜水性能的影響。

將0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)為SLW-1加入含有硼離子的去離子水中，測(cè)試室溫條件下，不同硼離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下SLW-1的溶解時(shí)間及降阻性能，如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)得知，隨著硼離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，滑溜水的溶解時(shí)間保持在15 s不變，其降阻率可維持在76%以上。表明硼離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)滑溜水降阻率影響較小。

3.3 ?過(guò)氧化物的影響

瓜爾膠返排液中一般都會(huì)含有過(guò)氧化物，主要來(lái)源于殘余的破膠劑，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)與破膠劑的加入量有關(guān)。過(guò)氧化物會(huì)對(duì)瓜爾膠壓裂液的基液和交聯(lián)膠都會(huì)產(chǎn)生重要影響 [12]。

配置不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)氧化物的鹽水，并加入0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SLW-1制備成滑溜水溶液，并測(cè)試其溶解時(shí)間及降阻性能。

由表2數(shù)據(jù)可知，在室溫條件下，隨著過(guò)氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，滑溜水的溶解時(shí)間約為15～16 s，變化不明顯，其降阻率保持在76%～77%之間。

3.4 ?返排液水質(zhì)分析結(jié)果

SLW-1及瓜爾膠返排液水質(zhì)分析結(jié)果如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，SLW-1返排液中Ca2+質(zhì)量濃度為162.01 mg·L-1，Mg2+質(zhì)量濃度為 ? ? ?13.37 mg·L-1，Cl-質(zhì)量濃度為12 435.66 mg·L-1。瓜爾膠返排液中Ca2+質(zhì)量濃度為201.33 mg·L-1，Mg2+質(zhì)量濃度為113.7 mg·L-1，Cl-質(zhì)量濃度為8 039.51 mg·L-1，B3+質(zhì)量濃度為27.31 mg·L-1。

3.5 ?返排液配液性能測(cè)試

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的SLW-1分別加入SLW-1返排液和瓜爾膠返排液中，測(cè)試其溶解時(shí)間及減阻性能，如表4所示。

由表4可以看出，去離子水、SLW-1和瓜爾膠返排液分別配置的滑溜水在25 ℃條件下，溶解速度均為15 s，降阻率分別為76.5%、76.2%、76.0%?？梢缘贸鲞@幾類(lèi)液體配置的滑溜水降阻率數(shù)值相差不大，表明SLW-1的降阻效果受返排液離子質(zhì)量濃度影響較小。

3.6 ?抗剪切性能

使用瓜爾膠返排液和SLW-1返排液分別配置滑溜水，在室溫條件下6 000 s-1剪切5 min，測(cè)試其降阻性能，如圖3所示。由圖3可以看出，兩種返排液配置的滑溜水降阻率均為76%以上，且基本保持不變。表明瓜爾膠返排液和SLW-1返排液分別配置滑溜水抗剪切性能優(yōu)異。

3.7 ?耐溫性能

返排液配置滑溜水耐溫性能如圖4所示。由圖4可知，SLW-1返排水配置的滑溜水在150 ℃時(shí)，降阻率為76.2%，耐溫性能較好。瓜爾膠返排液配置的滑溜水隨著測(cè)試溫度的升高，降阻率由90 ℃對(duì)應(yīng)的70%左右，快速降低至150 ℃對(duì)應(yīng)的50%以下?？赡苁怯捎诠蠣柲z返排液中含有的少量過(guò)氧化物，在高溫條件下將SLW-1氧化降解，降低了SLW-1的相對(duì)分子質(zhì)量，降低了溶液中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而降低了體系的降阻率。因此向瓜爾膠返排液中加入耐溫穩(wěn)定劑TS-2[13-14]后測(cè)試其降阻性能，如圖4（c）所示。由圖4（c）可以看出，加入TS-2后，體系降阻率在150 ℃時(shí)，可以保持在75%，受溫度影響顯著降低。

將降阻劑SLW-1配置成高黏液體測(cè)試耐溫性能如圖5所示。由圖5可知，加入TS-2后的瓜爾膠返排水配置的高黏液體在120 ℃剪切100 min，黏度保持在100 mPa·s以上。

4 ?結(jié) 論

1）當(dāng)KCl和CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～10%時(shí)，對(duì)SLW-1滑溜水的降阻率影響較小。

2）當(dāng)硼離子質(zhì)量濃度為0～40 mg·L-1時(shí)，SLW-1的溶解時(shí)間保持在15 s不變，其降阻率維持在76%以上。

3）在室溫條件下，當(dāng)過(guò)氧化物質(zhì)量濃度為 0～60 mg·L-1時(shí)，滑溜水的溶解時(shí)間約為15～16 s，其降阻率保持在76%～77%之間。

4）去離子水、SLW-1返排液和瓜爾膠返排液分別配置的滑溜水在25 ℃條件下，溶解時(shí)間均為15 s，降阻率分別為76.5%、76.2%、76.0%。

5）使用瓜爾膠返排液和SLW-1返排液分別配置滑溜水，在室溫條件下以6 000 s-1剪切5 min，降阻率均為76%以上。

6）SLW-1返排水配置的滑溜水在150 ℃時(shí)，降阻率為76.2%，耐溫性能較好。瓜爾膠返排液配置的滑溜水，降阻率由90 ℃對(duì)應(yīng)的70%左右，快速降低至150 ℃時(shí)的50%以下;加入耐溫穩(wěn)定劑TS-2后，體系降阻率在150 ℃時(shí)，可以保持在75%。

7）加入TS-2后的瓜爾膠返排水配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的SLW-1壓裂液在120 ℃剪切100 min，黏度保持在100 mPa·s以上。

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