綠色清潔滑溜水重復利用技術在瓜爾膠返排液中的應用

徐太平 李栓

摘 ? ? ?要： 隨著單井壓裂規模的加大、壓裂井次的增多，壓裂返排液的重復利用需求逐漸增多。通過引入速分散、耐礦化度單體，提高降阻劑SLW-1的溶解及耐鹽性能，通過加入耐溫穩定劑TS-2提高瓜爾膠返排液配置的滑溜水耐溫性能。當KCl和CaCl2質量分數為0%～10%時，SLW-1降阻率保持在75%。在室溫條件下，SLW-1的溶解時間約為15 s;當硼離子質量濃度為0～40 mg·L-1時，降阻率維持在76%以上;當過氧化物質量濃度為0～60 mg·L-1時，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，降阻率為76.2%;瓜爾膠返排液配置的滑溜水加入耐溫穩定劑TS-2后，在150 ℃時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 ?鍵 ?詞：滑溜水;壓裂返排液;水質分析;重復利用;瓜尓膠

中圖分類號：TE133 ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ?文章編號： 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

隨著我國環保要求的不斷提高，天然氣作為一種清潔能源得到越來越廣泛的應用。無論是煤改氣取暖項目，發電項目，燃料、動力項目等，都需要或即將需要消耗更多的天然氣資源。國內易于開采的天然氣藏較少，不足以滿足市場需求，借鑒北美國家的頁巖氣技術變革經驗，近幾年來，開采天然氣的水力壓裂作業迅猛發展，并屢獲突破[1-4]。

水力壓裂作業過程中對水資源的依賴較大，一方面是配置壓裂液對水資源的需求量大，另一方面是作業完成后污水（返排液）也較多，處置不當會造成多次污染。壓裂返排液重復利用可以從水源問題及返排液處置問題兩方面，有效解決該問題。然而，瓜爾膠壓裂返排液因其含有過多雜質，即便經過現場處理工藝后，其處理水直接重復配置瓜爾膠壓裂液，會出現部分問題，影響施工效果。

瓜爾膠壓裂液是目前應用最為廣泛的壓裂液，性價比較高。隨著壓裂作業的普及和推廣，瓜爾膠壓裂返排液的排放總量逐漸增多;同時國內環保要求越來越高，且降低壓裂成本的內在需求，瓜爾膠返排液重復配置壓裂液應用逐漸受到青睞。現場一般采用物理化學及膜處理等聯合處理工藝去除返排液中雜質及部分離子，但是瓜爾膠返排液重復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、攜砂能力不足等問題[5-8]。

因此，適時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使用，從而達到更高的經濟效益[5，9]。

滑溜水對配液水的要求較低，且滑溜水的耐鹽性能較好，部分性能對溫度適應性強。因此嘗試采用瓜爾膠返排液配置滑溜水重復利用方案。本文通過滑溜水分子設計機理入手，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，并進行應用實驗評價。

1 ?室內實驗

1.1 ?實驗藥品

降阻劑（SLW-1，自制）、耐溫穩定劑（TS-2，自制）、去離子水;過氧化銨、氯化鉀、氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣，工業級，天津市福晨化學試劑廠;SLW-1現場返排液、瓜爾膠現場返排液。

1.2 ?實驗儀器

便攜式水質分析儀、恒溫干燥箱等。

2 ?實驗方法

2.1 ?實驗原理

通過引入耐鹽、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，同時具有摩阻小、容易返排的特點。

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

2.2 ?返排液處理

SLW-1、瓜爾膠返排液均經過過濾處理，除掉懸浮物質和機械雜質。

2.3 ?返排液水質分析

通過便攜式水質分析儀檢測過濾后液體中離子質量濃度。

2.4 ?滑溜水配置

將SLW-1加入去離子水中配置成質量分數為0.1%的溶液，記錄其溶解時間，并測試降阻性能。

將SLW-1加入SLW-1返排液（過濾后）中配置成質量分數為0.1%的溶液，記錄其溶解時間，并測試降阻性能。

將SLW-1加入瓜爾膠返排液（過濾后）中配置成質量分數為0.1%的溶液，記錄其溶解時間，并測試降阻性能。

2.5 ?高黏型滑溜水配置

將SLW-1加入去離子水中配置成質量分數為0.25%的溶液，測試耐溫耐剪切性能。

將SLW-1加入瓜爾膠返排液（過濾后）中配置成分數為0.25%的溶液，測試耐溫耐剪切性能。

2.6 ?降阻率測試

降阻率測試基本條件：采用開路式摩阻議測試，管徑10 mm，流速 30 L·min-1。

3 ?實驗結果

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量分數的KCl和CaCl2，測試其降阻性能。測試結果如圖1、圖2所示。由圖1、圖2可以看出，當KCl和CaCl2質量分數為0%時，SLW-1的初始降阻率都為78%;當KCl和CaCl2質量分數為10%時，SLW-1的降阻率分別為77%和76%;表明當KCl和CaCl2質量分數為0%～10%時，對SLW-1的降阻率影響較小。

3.2 ?硼離子的影響

硼離子有效質量分數能夠增加瓜爾膠基液黏度，增加溶脹時間等[4，11]。因此測試硼離子對滑溜水性能的影響。

將0.1%質量分數為SLW-1加入含有硼離子的去離子水中，測試室溫條件下，不同硼離子質量分數條件下SLW-1的溶解時間及降阻性能，如表1所示。

由表1數據得知，隨著硼離子質量分數的增加，滑溜水的溶解時間保持在15 s不變，其降阻率可維持在76%以上。表明硼離子質量分數對滑溜水降阻率影響較小。

3.3 ?過氧化物的影響

瓜爾膠返排液中一般都會含有過氧化物，主要來源于殘余的破膠劑，其質量分數與破膠劑的加入量有關。過氧化物會對瓜爾膠壓裂液的基液和交聯膠都會產生重要影響 [12]。

配置不同質量分數過氧化物的鹽水，并加入0.1%質量分數的SLW-1制備成滑溜水溶液，并測試其溶解時間及降阻性能。

由表2數據可知，在室溫條件下，隨著過氧化物質量分數的增加，滑溜水的溶解時間約為15～16 s，變化不明顯，其降阻率保持在76%～77%之間。

3.4 ?返排液水質分析結果

SLW-1及瓜爾膠返排液水質分析結果如表3所示。

由表3數據可以看出，SLW-1返排液中Ca2+質量濃度為162.01 mg·L-1，Mg2+質量濃度為 ? ? ?13.37 mg·L-1，Cl-質量濃度為12 435.66 mg·L-1。瓜爾膠返排液中Ca2+質量濃度為201.33 mg·L-1，Mg2+質量濃度為113.7 mg·L-1，Cl-質量濃度為8 039.51 mg·L-1，B3+質量濃度為27.31 mg·L-1。

3.5 ?返排液配液性能測試

將質量分數為0.1%的SLW-1分別加入SLW-1返排液和瓜爾膠返排液中，測試其溶解時間及減阻性能，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%。可以得出這幾類液體配置的滑溜水降阻率數值相差不大，表明SLW-1的降阻效果受返排液離子質量濃度影響較小。

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，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試溫度的升高，降阻率由90 ℃對應的70%左右，快速降低至150 ℃對應的50%以下。可能是由于瓜爾膠返排液中含有的少量過氧化物，在高溫條件下將SLW-1氧化降解，降低了SLW-1的相對分子質量，降低了溶液中的網狀結構的穩定性，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定劑TS-2[13-14]后測試其降阻性能，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，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 論

1）當KCl和CaCl2質量分數為0%～10%時，對SLW-1滑溜水的降阻率影響較小。

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

3）在室溫條件下，當過氧化物質量濃度為 0～60 mg·L-1時，滑溜水的溶解時間約為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，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 ℃對應的70%左右，快速降低至150 ℃時的50%以下;加入耐溫穩定劑TS-2后，體系降阻率在150 ℃時，可以保持在75%。

7）加入TS-2后的瓜爾膠返排水配置質量分數為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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