壓裂返排液回用技術研究

王佳，王鵬程，路建萍，沈燕賓，李俊華

(1.陜西化工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省石油精細化學品重點實驗室，陜西 西安 710054；3.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第九采油廠，陜西 西安 710000)

壓裂返排液成分復雜，不經處理不能直接用來配壓裂液，必須經過特殊處理才能進行回用[1-2]。壓裂返排液回用的關鍵是去除影響重復配液的鈣、鎂離子、殘留硼和細菌等因素，必須通過物理或化學的方法，將對配制壓裂液有影響的組分除去或屏蔽。本文通過對返排液水質進行分析，研究了影響返排液回用的關鍵因素。并對壓裂返排液處理劑配方進行了優(yōu)化，經處理劑處理后的壓裂液體系進行了評價。同時形成了配套的回用工藝，采用“破膠降粘-除油-絮凝沉淀過濾-脫硼處理-成分調節(jié)”五個工序對壓裂液返排液進行回用處理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

瓜膠、過硫酸銨、硼砂等均為工業(yè)品；高效絡合劑、屏蔽劑、殺菌滅藻劑、低用量多核交聯劑、斷裂催化劑均為自制。

FA2004電子天平；HH-601超級恒溫水?。籞NN-D6六速旋轉粘度計；101-A型干燥箱等。

1.2 實驗方法

依據行業(yè)標準《油氣田水分析方法》對壓裂返排液的水質進行檢測。

依據行業(yè)標準SY/T 5107《水基壓裂液性能評價方法》，對處理后的壓裂返排液重復配制壓裂液進行性能評價。

2 結果與討論

2.1 壓裂返排液回用影響因素

為使壓裂返排液可重復配制壓裂液，依據行業(yè)標準《油氣田水分析方法》對壓裂返排液的水質進行檢測，研究影響其回用的關鍵因素，見表1。為后續(xù)壓裂返排液回用提供重要依據。

表1 影響壓裂返排液回用的關鍵因素

由表1可知，影響壓裂返排液回用的關鍵因素包括總硬度、總鐵、硼酸根、細菌。向壓裂返排液中添加化學處理劑，屏蔽或消除影響返排液回用的關鍵因素。

2.2 壓裂返排液處理劑研究

目前，延長油田使用的壓裂液主要以羥丙基瓜膠壓裂液體系為主。為保證處理后的壓裂返排液配制可回用，必須對返排液處理配方進行優(yōu)化。

2.2.1 高效絡合劑優(yōu)化 硼酸可以與多元醇螯合形成絡合酸，能夠使得交聯延緩，采用多元醇對返排液中殘余的硼酸進行絡合[3]。多元醇與硼酸的用量比為2∶1，根據實驗得出高效絡合劑多元醇的質量分數為0.15%。

2.2.2 屏蔽劑優(yōu)化 屏蔽劑可和多數金屬離子絡合，形成穩(wěn)定的水溶性絡合物?？紤]Ca2+、Mg2+、總鐵對壓裂返排液回用的影響，采用屏蔽劑調節(jié)水質，使處理后的返排液滿足配液要求。取返排液 500 mL，加入不同濃度的屏蔽劑，反應完全后測定水樣中的Ca2+、Mg2+、總鐵濃度。根據實驗得出屏蔽劑質量分數為0.1%。

2.2.3 殺菌滅藻劑優(yōu)化 細菌可以降解分子鏈，數量在較短的時間內呈指數增長。細菌在溫度及合適的pH下，對瓜膠分解速度很快，對壓裂液的粘度影響很大。壓裂返排液處理后重復配制壓裂液，水質中的細菌需滿足回配壓裂液用水水質要求，見表2[4]。因此壓裂返排液處理劑中需要添加殺菌滅藻劑，根據實驗得出殺菌滅藻劑加入量為0.1%。

通過以上研究，得出壓裂返排液處理劑最優(yōu)配方為：0.15%高效絡合劑+0.1%屏蔽劑+0.1%殺菌滅藻劑。

表2 回配壓裂液用水水質要求

2.3 壓裂返排液處理后回用性能評價

根據行業(yè)標準SY/T 5107《水基壓裂液性能評價方法》，對處理后的壓裂返排液重復配制壓裂液進行性能評價。壓裂返排液回用體系配方：

處理劑：0.15%高效絡合劑+0.1%屏蔽劑+0.1%殺菌滅藻劑。

處理后壓裂返排液回用的壓裂液體系為：

基液：0.35%瓜膠+0.35%多效壓裂助劑+0.01%專用螯合劑。

交聯液：低用量多核交聯劑+斷裂催化劑，交聯比100∶0.3。

2.3.1 耐溫抗剪切性能 用壓裂返排液處理后的液體配制瓜膠濃度為0.35%的瓜膠壓裂液體系，進行流變性能實驗，結果見圖1、圖2。

圖1 粘度隨時間變化曲線

圖2 粘度隨溫度變化曲線

由圖1、圖2可知，瓜膠濃度為0.35%，體系在120 ℃時經過120 min剪切，粘度大于50 mPa·s，壓裂液粘度隨溫度升高而逐漸下降。表明該新型瓜膠壓裂液體系耐溫耐剪切性能良好。

2.3.2 靜態(tài)濾失性能 采用高溫高壓失水儀對配制好的瓜膠壓裂液進行靜態(tài)濾失性能測定。設定溫度為30，60，90，110 ℃，分別測定1，5，10，15，25，30，35 min 的累積濾失量。

表3 靜態(tài)濾失性能Table 3 Static filtration performance

由表3可知，隨著溫度逐漸升高，壓裂返排液回用體系初濾失量、濾失系數及濾失速率都逐漸增大。

2.3.3 破膠性能評價 配制0.35%的瓜膠壓裂液，在凍膠中加入斷裂催化劑，在50 ℃水浴鍋內進行破膠實驗，研究破膠劑的影響，實驗結果見圖3。

由圖3可知，配制的體系在3 h時后破膠液粘度為2.9 mPa·s，滿足壓裂液通用技術中指標的要求。

按處理后壓裂返排液回用體系的配方配制壓裂液基液，恒溫溶脹4 h。然后往基液中加入交聯劑和破膠劑。破膠完成后，進行殘渣及表面張力測定。實驗結果表明殘渣含量為183 mg/L，表面張力為23.2 mN/m。

圖3 加入破膠劑后粘度隨時間變化曲線Fig.3 Viscosity curve with time after adding glue breaker

2.3.4 配伍性 室內實驗用破膠液與地層水按不同的體積比進行混合，放置4 h后，觀察是否有沉淀產生[5]。實驗得出破膠液和地層水按不同比例混合后，配伍性良好，無沉淀無絮凝現象，配伍性良好。

2.4 壓裂返排液回用工藝研究

壓裂返排液不經處理后不能直接用來配壓裂液，壓裂返排液回用跟回注的相同點在于都需要預處理降低返排液中超標的油類、懸浮物和滋生的細菌，都需要進行一定精度的過濾。不同點在于回用處理的關鍵是去除影響重復配液的鈣、鎂離子、殘留硼和細菌等因素。因此必須通過物理或化學的方法，將對配制壓裂液有影響的組分除去或屏蔽掉。

返排液處理后回用工藝采用“破膠降粘→除油→絮凝沉淀過濾→脫硼處理→成分調節(jié)”五個主要工序組成，配套加藥、污泥處理系統輔助工序，使處理后的水滿足回用的要求。對相關工藝參數和設備進行優(yōu)化，其流程見圖4。

圖4 壓裂返排液回用處理工藝流程Fig.4 Treatment process of fracturing flowback fluid reuse

2.4.1 破膠降粘 壓裂返排液由拉液車卸入卸液池，卸液池經泵提升至初沉罐，然后自流進入調節(jié)罐，進行破膠降粘。壓裂返排液在選擇性高分子斷裂處理劑的作用下，降解瓜膠有機大分長鏈，降低壓裂返排液的粘度、有機物濃度及色度。

2.4.2 除油 處理后的返排液與除油劑混合后，進入氣浮裝置，去除的主要是殘余浮油、Fe2+、S2-和懸浮物等[6]。由于油水表面張力大于油氣表面張力，使得空氣通入污水，加除油劑可以實現分離[7]。

2.4.3 絮凝-沉降-過濾 處理后出水進入絮凝脫穩(wěn)裝置中，加入絮凝劑、助凝劑。隨絮凝劑、助凝劑的加入，破壞了返排液中的平衡體系，使得沉降速度增加，出水水質從混濁變清澈。板框壓濾是固液分離工藝的一種，經板框壓濾工藝處理后的壓裂返排液進一步進行改性纖維球過濾。改性后的纖維球具有親水疏油的特性，具有過濾精度高，對細菌、大分子有機物、膠體、鐵等雜質有明顯的去除作用。

2.4.4 脫硼處理 除硼工藝主要有化學萃取、化學共沉淀、絮凝吸附、膜分離等[8]?？紤]處理成本并結合技術要求，采用引入高效絡合劑對壓裂返排液中殘余破膠劑進行屏蔽處理。

2.4.5 成分調節(jié) 本步工藝目的是確定處理后的返排液的成分。通過測試元素組成及含量，來確定成分調節(jié)的對象。主要測試項目有：K+、硼、Ca2+、pH等。K+作為粘土穩(wěn)定劑中主要成分，測定其在水中的濃度，可以作為再次添加氯化鉀的依據。硼作為交聯劑有效成分，在處理后的返排液中，準確測定，有助于后期交聯劑的減少加入。此外，硼的存在需要在配液的工藝上做出調整。

3 結論

(1)壓裂返排液處理劑配方為：0.15%高效絡合劑+0.1%屏蔽劑+0.1%殺菌滅藻劑。處理后壓裂返排液回用的壓裂液體系為：0.35%瓜膠+0.35%多效壓裂助劑+0.01%專用螯合劑；交聯液為低用量多核交聯劑+斷裂催化劑。

(2)優(yōu)化的壓裂返排液回用體系耐溫抗剪切性能良好，具有較好的靜態(tài)濾失、破膠性能及配伍性，可實現返排液的重復再利用。

(3)返排液處理后回用工藝由“破膠降粘-除油-絮凝沉淀過濾-脫硼處理-成分調節(jié)”五個主要工序組成，配套加藥、污泥處理系統輔助工序，處理后的水滿足回用要求。