壓裂返排液循環(huán)利用技術(shù)的應(yīng)用

喻曉林,石少敏,徐志佳,趙立陽,李夢(mèng)琦,陳 剛

(1. 中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司 第八采油廠,陜西 西安 710000;2. 中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司 第四采油廠,寧夏 銀川 750001;3. 陜西鼎和源瑞環(huán)境工程有限公司,陜西 西安 710075;4. 延長(zhǎng)油田股份有限公司 吳起采油廠,陜西 吳起 717600)

壓裂是油氣田增產(chǎn)的主要措施之一，壓裂液是壓裂過程中必不可少的工作介質(zhì)，而壓裂返排液（簡(jiǎn)稱返排液）成為污染井場(chǎng)周圍環(huán)境的重要因素。返排液組成復(fù)雜、污染物含量高且生物降解性較差，處理成本高、難度大。若將返排液處理后回用于配制壓裂液，實(shí)現(xiàn)返排液的循環(huán)利用，既可節(jié)約成本，又能降低環(huán)境污染［1-7］。

本文分析了返排液的主要成分，介紹了“水質(zhì)調(diào)節(jié)—混凝沉淀—精細(xì)過濾” 的返排液處理工藝流程，比較了返排液處理后水配制的胍膠壓裂液和自來水配制的胍膠壓裂液的性能，以期實(shí)現(xiàn)返排液循環(huán)利用。

1 返排液水質(zhì)分析

參照《油氣田水分析方法》（SY/T 5523—2006）［8］，對(duì)油氣井返排液水質(zhì)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果及《壓裂返排液 回配壓裂液用水水質(zhì)要求》（DB61/T 1248—2019）［9］標(biāo)準(zhǔn)限值見表1。

表1 返排液水質(zhì)分析結(jié)果

由表1可見，返排液中的金屬離子、懸浮固體、細(xì)菌等含量均超出標(biāo)準(zhǔn)限值。金屬離子和細(xì)菌含量超標(biāo)會(huì)嚴(yán)重影響基液的黏度和膠液的耐溫耐剪切能力；懸浮固體含量超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致殘?jiān)吭黾?，從而堵塞孔喉，降低?chǔ)層滲透率。

2 返排液處理工藝流程

返排液需經(jīng)“水質(zhì)調(diào)節(jié)—混凝沉淀—精細(xì)過濾”工藝流程［10-11］處理，以去除其中的金屬離子、懸浮固體、細(xì)菌、殘余破膠劑、殘余交聯(lián)劑等。

2.1 水質(zhì)調(diào)節(jié)

當(dāng)返排液pH為弱堿性時(shí)，可強(qiáng)化返排液的除鐵和絮凝處理效果。調(diào)節(jié)返排液pH，考察其對(duì)總鐵去除率的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著返排液pH的升高，總鐵去除率逐漸提高；當(dāng)返排液pH為7.8~8.0時(shí)，總鐵去除率在99.5%以上，返排液中總鐵質(zhì)量濃度為0~2.5 mg/L。

2.2 混凝沉淀

返排液中金屬離子和懸浮固體的含量較高，采用無機(jī)混凝劑+有機(jī)助凝劑+沉淀劑復(fù)合處理技術(shù)，通過多級(jí)處理設(shè)備（集混凝、沉淀于一體）對(duì)返排液進(jìn)行處理。在混凝沉淀劑加入量為2.0~2.5g/L時(shí)，考察無機(jī)鋁鹽混凝劑（FJ-1）、無機(jī)鋁鹽混凝劑+有機(jī)陽離子高分子絮凝劑（FJ-2）以及無機(jī)鋁鹽混凝劑+有機(jī)陽離子高分子絮凝劑+沉淀劑（FJ-3）對(duì)返排液中懸浮固體、Ca2+和Mg2+的去除效果，結(jié)果見表2。

表2 混凝沉淀劑對(duì)返排液的處理效果

由表2可知，混凝沉淀劑FJ-3的處理效果最佳。FJ-3由無機(jī)鋁鹽混凝劑、有機(jī)陽離子高分子絮凝劑和沉淀劑復(fù)合而成，無機(jī)鋁鹽混凝劑通過電中和以及吸附架橋技術(shù)可去除大部分懸浮固體和金屬離子，有機(jī)陽離子高分子絮凝劑能有效提高絮凝強(qiáng)度，促進(jìn)沉降，輔以沉淀劑進(jìn)一步去除返排液中的Ca2+和Mg2+［11］。當(dāng)FJ-3的加入量為2.0~2.5g/L時(shí)，混凝沉淀后水中的懸浮固體、Ca2+和Mg2+含量能達(dá)到DB61/T 1248—2019的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 精細(xì)過濾

采用20 μm有機(jī)濾膜對(duì)混凝沉淀后水進(jìn)行過濾處理，處理后水質(zhì)指標(biāo)見表3。返排液經(jīng)“水質(zhì)調(diào)節(jié)—混凝沉淀—精細(xì)過濾”組合工藝處理后，其中的總鐵、Ca2+和Mg2+得到有效去除，懸浮固體含量也大幅降低，能滿足返排液重復(fù)配液對(duì)水質(zhì)中懸浮固體和金屬離子含量的要求。

表3 組合工藝對(duì)返排液的處理效果

2.4 水質(zhì)穩(wěn)定

返排液中含有大量的SRB、TGB和IB等，若不進(jìn)行處理會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)惡化。因此需使用季銨鹽類殺菌劑進(jìn)行殺菌處理后再進(jìn)行重復(fù)配液。殺菌劑加入量對(duì)基液黏度和細(xì)菌去除效果的影響見表4。

由表4可知：加入季銨鹽類殺菌劑后，處理后水配制的壓裂基液黏度穩(wěn)定性較好；當(dāng)殺菌劑加入量為100 mg/L時(shí)，處理后水中SRB、TGB和FB的含量基本達(dá)到DB61/T 1248—2019標(biāo)準(zhǔn)的要求；當(dāng)殺菌劑加入量為150 mg/L時(shí)，處理后水中SRB、TGB和FB基本被全部消除［12-13］。綜合考慮處理效果與成本，殺菌劑用量為100~150 mg/L時(shí)即可保持水質(zhì)穩(wěn)定，返排液處理后水滿足配制胍膠壓裂液用水水質(zhì)要求。

表4 殺菌劑加入量對(duì)基液黏度和細(xì)菌去除效果的影響

3 再配制胍膠壓裂液體系的性能

優(yōu)選黏土穩(wěn)定劑、助排劑、殺菌劑及破膠劑種類，采用返排液處理后水按如下配方（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）配制胍膠壓裂液［14］：0.35%羥丙基胍膠+1%黏土穩(wěn)定劑+0.5%助排劑+0.1%殺菌劑+0.05%pH調(diào)節(jié)劑+0.045%硼砂+0.04%破膠劑，破膠溫度70℃。參照標(biāo)準(zhǔn)《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》（SY/T 5107—2005）［15］和《壓裂液通用技術(shù)條件》（SY/T 6376—2008）［16］，測(cè)試胍膠壓裂液體系的性能，結(jié)果見表5。

由表5可知，用返排液處理后水配制的胍膠壓裂液體系，無論是基液基礎(chǔ)性能還是膠液耐溫耐剪切能力以及破膠性能都與自來水配制的胍膠壓裂液性能相近，均達(dá)到SY/T 6376—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 返排液處理后水和自來水配制的胍膠壓裂液的性能對(duì)比

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

返排液處理后水pH為7.0，水清澈透明，滿足配液要求，現(xiàn)場(chǎng)配制的胍膠基液黏度為39 mPa·s，pH為9.2，交聯(lián)時(shí)間為55 s，挑掛性能良好。采用返排液處理后水配制胍膠壓裂液對(duì)延125井山2層（3 578.7~3 587.0 m）進(jìn)行壓裂施工，結(jié)果表明，壓裂施工進(jìn)展順利，施工泵壓57.5~67.5 MPa，破裂壓力37.2 MPa，停泵壓力31.4 MPa，平均砂比19.0%，加砂量40 m3，入地液量299.4 m3。延125井與鄰井施工參數(shù)及產(chǎn)量對(duì)比見表6。以返排液處理后水配制的胍膠壓裂液完全滿足現(xiàn)場(chǎng)壓裂要求，實(shí)現(xiàn)了返排液的循環(huán)利用。

延125井壓后2 h返排，返排8 h后點(diǎn)火成功，返排率達(dá)到75.0%，井口火焰長(zhǎng)度4 m左右，無阻流量5.92×104m3/d。該井及鄰井山2層的無阻流量均較高，壓后取得較好的天然氣產(chǎn)量。

表6 延125井與鄰井施工參數(shù)及產(chǎn)量對(duì)比

5 結(jié)論

a）開發(fā)了返排液“水質(zhì)調(diào)節(jié)-混凝沉淀-精細(xì)過濾”處理工藝。將返排液pH調(diào)為7.8~8.0，總鐵去除率達(dá)99.5%以上；采用無機(jī)鋁鹽混凝劑+有機(jī)陽離子高分子絮凝劑+沉淀劑（FJ-3）處理后，混凝沉淀后水中的懸浮固體、Ca2+和Mg2+含量達(dá)到DB61/T 1248—2019的標(biāo)準(zhǔn)要求；采用20 μm有機(jī)濾膜對(duì)混凝沉淀后水進(jìn)行過濾處理，再經(jīng)季銨鹽類殺菌劑處理后水配制的壓裂基液黏度穩(wěn)定性較好。

b）返排液處理后水配制的胍膠壓裂液體系，無論是基液基礎(chǔ)性能還是膠液耐溫耐剪切能力以及破膠性能都與自來水配制的胍膠壓裂液性能相近，均達(dá)到SY/T 6376—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

c）以返排液處理后水配制的胍膠壓裂液完全滿足現(xiàn)場(chǎng)壓裂要求，實(shí)現(xiàn)了返排液的循環(huán)利用。