氣田壓裂返排液回用影響因素研究

范 婧 劉 寧 邱 奇 姜偉光 姬 偉 蔣繼輝

(1.中國石油長慶油田油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室)

0 引 言

壓裂返排液是井場廢水的主要來源，其產生量大、組成復雜，將壓裂返排液處理后回用配制壓裂液，滿足再次壓裂施工要求，是解決壓裂返排液污染環境、水資源浪費大的主要出路之一[1-2]。長慶油氣田普遍采用胍膠體系壓裂液，影響其壓裂返排液回用的因素主要有pH值、金屬離子、細菌、泡沫等[3-5]。pH值能影響返排液基液黏度及膠聯凍膠形成[3]；金屬離子會影響基液黏度、耐溫抗剪切性[4，6]；細菌會造成現場配制液體腐敗變質，還可能導致生物污染，降低儲層滲透率[3-4]。泡沫來自氣田泡排劑的使用，回用配液攪動時產生大量泡沫，使配液無法正常進行，且影響胍膠的溶脹[7]。

目前，長慶油田壓裂返排液處理主要采用混凝工藝，上清液可回用配制壓裂液，降低配液成本。本實驗針對氣田壓裂返排液，采用微渦流混凝裝置[8]，研究了pH值、金屬離子、細菌和泡沫對處理后上清液回用配制壓裂液的影響，為實現氣井壓裂返排液不落地回收處理提供依據。

1 材料與方法

1.1 藥品與儀器

藥劑：碳酸鈉(Na2CO3)、氫氧化鈉(NaOH)、殺菌劑(氣田壓裂專用殺菌劑)、消泡劑(二月桂酸、十二醇及二甲基硅油)。

儀器：便攜式pH計、便攜式濁度儀、便攜式紅外測油儀、便攜式多參數水質分析儀(HACH DR2800)、721 分光光度計等。

1.2 實驗方法

氣田壓裂返排液采用微渦流混凝裝置，處理后出水回用配制壓裂液，壓裂液實驗配方采用0.4%羥丙基胍膠和0.35%交聯劑[9]。分別在處理后出水中加入不同化學藥劑，分析pH值、金屬離子、細菌和泡沫對回用配液的影響。

2 結果與討論

2.1 pH值對配液的影響

不同pH值條件下，配液效果見表1。

表1 pH值對配液的影響

由表1可知，配液效果與pH值關系密切，當pH值低于6.0時，胍膠易于溶脹，但不易發生交聯；當pH值高于7.0時，胍膠起黏較慢、黏度小，甚至會提前出現交聯的情況。這是因為pH值能影響硼酸與硼酸根離子的轉化，其平衡關系如下[6]：

(1)

胍膠在弱酸性條件下(pH值一般為6.0～7.0)易于溶脹水合增黏，減少“魚眼”產生。但較低的pH值使平衡向左側移動，硼主要以硼酸的形式存在，會影響加入交聯劑后，胍膠與交聯劑的絡合交聯[3，10]。而在堿性條件下(pH值>7.5)，上述平衡向右移動，由于返排液中殘留有硼，上清液中的硼酸根離子與胍膠形成凍膠[3，10]。可見，控制pH值對配制壓裂液十分重要，在本實驗中，當pH值為6.5時，可實現壓裂返排液經處理后再配制壓裂液的目標，再配制的壓裂液黏度為34～37 mPa·s，攜砂性能好。

2.2 金屬離子的影響及去除

2.2.1 金屬離子對配液的影響

對長慶油田某氣井井場壓裂返排液中的離子含量進行檢測，結果見表2。由表2可知Ca2+、Mg2+含量≥400 mg/L，Fe3+含量≥22 mg/L。

表2 氣田壓裂返排液中金屬離子含量 mg/L

根據Q/SY CQ 3559—2015《胍膠壓裂液返排液回收再利用水質標準》[11]，回用配制壓裂液Ca2+、Mg2+含量<150 mg/L，Fe3+含量<20 mg/L。

金屬離子對配液的影響見表3。

表3 金屬離子對配液的影響 mg/L

由表3可知，當Ca2+、Mg2+含量>150 mg/L、Fe3+含量>20 mg/L時，交聯效果比較弱，會降低壓裂液耐溫抗剪切性。

2.2.2 金屬離子的去除

分別采用Na2CO3和NaOH去除Ca2+、Mg2+、Fe3+，結果見圖1、圖2。

圖1 Ca2+、Mg2+去除實驗

圖2 Fe3+去除實驗

由圖1可知，Ca2+、Mg2+處理劑采用復配的Na2CO3和NaOH，隨著Na2CO3和NaOH加入量的增加，Ca2+、Mg2+含量降低，當復配比為800/600時，Ca2+、Mg2+含量達到穩定。由圖2可知，Fe3+處理劑為NaOH，隨著NaOH加入量的增加，Fe3+含量降低，當加入量達到300 mg/L時，Fe3+含量達到穩定，為7 mg/L，計算可得去除率為74%。

2.3 細菌對配液的影響

由于返排液中存在細菌，當處理后上清液存放時間超過3 d時，上清液發黑變質，不能回用配制壓裂液，影響液體再利用性能。故現場采用氣田壓裂專用殺菌劑，此殺菌劑具有殺菌效果好、殺菌劑的添加不影響液體配制壓裂液的優點。殺菌劑效果見表4。

表4 殺菌劑殺菌效果對比

由表4可知，殺菌劑延長處理后水體質量只能維持約3 d，超過3 d水體繼續惡化，細菌含量達到105個/mL，超過7 d細菌含量達到107個/mL，水體發黑，有黑色細小顆粒物。

2.4 泡沫對配液的影響

由于氣田壓裂過程中加入泡排劑，處理后的上清液回用配制壓裂液時，攪動會產生超大量泡沫，使配液無法正常進行，同時影響胍膠粉在液體中的溶脹。不同消泡劑的消泡效果對比見表5。

表5 不同消泡劑的消泡效果對比

由表5可知，二月桂酸使用量較大，雖然消泡效果明顯，但由于有機錫類會在堿性液體中水解，生成十二酸鈉，產生大量泡沫，實驗發現其泡沫產生量與有機錫類添加量成正比，故不適于作為消泡劑。十二醇消泡能力較好，但不易分散在較低溫度的液體中，在現場溫度下易凝固，使用不便。二甲基硅油用量少、無毒，現場使用效果良好，不影響配制壓裂液，故選用二甲基硅油作為消泡劑。

2.5 現場運行效果

實驗采用微渦流混凝裝置，在長慶油田某氣井井場完成了壓裂返排液處理實驗，回收利用率達到98.4%。處理后水質情況見表6。

表6 氣田壓裂返排液處理后水質指標

壓裂返排液處理后pH值為6～7，SS<20 mg/L，含油量均<5 mg/L，細菌含量<100個/mL，Mg2++Ca2+<150 mg/L，總鐵<10 mg/L，水質滿足Q/SY CQ 3559—2015《胍膠壓裂液返排液回收再利用水質標準》要求。

3 結 論

1)氣田返排液回用配制壓裂液的配液效果與pH值關系密切，當pH值為6.5時，再配制的壓裂液黏度為34～37 mPa·s，攜砂性能好。

2)Ca2+、Mg2+、Fe3+離子會影響配制的壓裂液性能，當Na2CO3和NaOH的復配比為800/600時，能有效去除Ca2+、Mg2+離子；NaOH投加量為300 mg/L時，Fe3+離子去除率達74%。

3)細菌會引起現場配制壓裂液變質，采用氣田壓裂專用殺菌劑能將細菌含量降至100個/mL。

4)通過加入二甲基硅油消泡劑，消泡效果明顯，同時有抑泡作用，且用量少、無毒，現場使用效果良好。

5)在現場采用撬裝微渦流混凝裝置處理氣田壓裂返排液，處理后水質滿足Q/SY CQ 3559—2015《胍膠壓裂液返排液回收再利用水質標準》要求，達到回用配制壓裂液的需求，回收利用率達到98.4%。