壓裂返排液循環利用技術的應用

喻曉林,石少敏,徐志佳,趙立陽,李夢琦,陳 剛

(1. 中國石油 長慶油田分公司 第八采油廠,陜西 西安 710000;2. 中國石油 長慶油田分公司 第四采油廠,寧夏 銀川 750001;3. 陜西鼎和源瑞環境工程有限公司,陜西 西安 710075;4. 延長油田股份有限公司 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，而壓裂返排液（簡稱返排液）成為污染井場周圍環境的重要因素。返排液組成復雜、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，實現返排液的循環利用，既可節約成本，又能降低環境污染［1-7］。

本文分析了返排液的主要成分，介紹了“水質調節—混凝沉淀—精細過濾” 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，以期實現返排液循環利用。

1 返排液水質分析

參照《油氣田水分析方法》（SY/T 5523—2006）［8］，對油氣井返排液水質進行了分析，分析結果及《壓裂返排液 回配壓裂液用水水質要求》（DB61/T 1248—2019）［9］標準限值見表1。

表1 返排液水質分析結果

由表1可見，返排液中的金屬離子、懸浮固體、細菌等含量均超出標準限值。金屬離子和細菌含量超標會嚴重影響基液的黏度和膠液的耐溫耐剪切能力；懸浮固體含量超標會導致殘渣含量增加，從而堵塞孔喉，降低儲層滲透率。

2 返排液處理工藝流程

返排液需經“水質調節—混凝沉淀—精細過濾”工藝流程［10-11］處理，以去除其中的金屬離子、懸浮固體、細菌、殘余破膠劑、殘余交聯劑等。

2.1 水質調節

當返排液pH為弱堿性時，可強化返排液的除鐵和絮凝處理效果。調節返排液pH，考察其對總鐵去除率的影響。實驗發現，隨著返排液pH的升高，總鐵去除率逐漸提高；當返排液pH為7.8~8.0時，總鐵去除率在99.5%以上，返排液中總鐵質量濃度為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，采用無機混凝劑+有機助凝劑+沉淀劑復合處理技術，通過多級處理設備（集混凝、沉淀于一體）對返排液進行處理。在混凝沉淀劑加入量為2.0~2.5g/L時，考察無機鋁鹽混凝劑（FJ-1）、無機鋁鹽混凝劑+有機陽離子高分子絮凝劑（FJ-2）以及無機鋁鹽混凝劑+有機陽離子高分子絮凝劑+沉淀劑（FJ-3）對返排液中懸浮固體、Ca2+和Mg2+的去除效果，結果見表2。

表2 混凝沉淀劑對返排液的處理效果

由表2可知，混凝沉淀劑FJ-3的處理效果最佳。FJ-3由無機鋁鹽混凝劑、有機陽離子高分子絮凝劑和沉淀劑復合而成，無機鋁鹽混凝劑通過電中和以及吸附架橋技術可去除大部分懸浮固體和金屬離子，有機陽離子高分子絮凝劑能有效提高絮凝強度，促進沉降，輔以沉淀劑進一步去除返排液中的Ca2+和Mg2+［11］。當FJ-3的加入量為2.0~2.5g/L時，混凝沉淀后水中的懸浮固體、Ca2+和Mg2+含量能達到DB61/T 1248—2019的標準要求。

2.3 精細過濾

采用20 μm有機濾膜對混凝沉淀后水進行過濾處理，處理后水質指標見表3。返排液經“水質調節—混凝沉淀—精細過濾”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，能滿足返排液重復配液對水質中懸浮固體和金屬離子含量的要求。

表3 組合工藝對返排液的處理效果

2.4 水質穩定

返排液中含有大量的SRB、TGB和IB等，若不進行處理會導致水質惡化。因此需使用季銨鹽類殺菌劑進行殺菌處理后再進行重復配液。殺菌劑加入量對基液黏度和細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定性較好；當殺菌劑加入量為100 mg/L時，處理后水中SRB、TGB和FB的含量基本達到DB61/T 1248—2019標準的要求；當殺菌劑加入量為150 mg/L時，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時即可保持水質穩定，返排液處理后水滿足配制胍膠壓裂液用水水質要求。

表4 殺菌劑加入量對基液黏度和細菌去除效果的影響

3 再配制胍膠壓裂液體系的性能

優選黏土穩定劑、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（以質量分數計）配制胍膠壓裂液［14］：0.35%羥丙基胍膠+1%黏土穩定劑+0.5%助排劑+0.1%殺菌劑+0.05%pH調節劑+0.045%硼砂+0.04%破膠劑，破膠溫度70℃。參照標準《水基壓裂液性能評價方法》（SY/T 5107—2005）［15］和《壓裂液通用技術條件》（SY/T 6376—2008）［16］，測試胍膠壓裂液體系的性能，結果見表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，均達到SY/T 6376—2008標準要求。

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比

4 現場應用效果

返排液處理后水pH為7.0，水清澈透明，滿足配液要求，現場配制的胍膠基液黏度為39 mPa·s，pH為9.2，交聯時間為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延125井山2層（3 578.7~3 587.0 m）進行壓裂施工，結果表明，壓裂施工進展順利，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井與鄰井施工參數及產量對比見表6。以返排液處理后水配制的胍膠壓裂液完全滿足現場壓裂要求，實現了返排液的循環利用。

延125井壓后2 h返排，返排8 h后點火成功，返排率達到75.0%，井口火焰長度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量。

表6 延125井與鄰井施工參數及產量對比

5 結論

a）開發了返排液“水質調節-混凝沉淀-精細過濾”處理工藝。將返排液pH調為7.8~8.0，總鐵去除率達99.5%以上；采用無機鋁鹽混凝劑+有機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+含量達到DB61/T 1248—2019的標準要求；采用20 μm有機濾膜對混凝沉淀后水進行過濾處理，再經季銨鹽類殺菌劑處理后水配制的壓裂基液黏度穩定性較好。

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，均達到SY/T 6376—2008標準要求。

c）以返排液處理后水配制的胍膠壓裂液完全滿足現場壓裂要求，實現了返排液的循環利用。