不同體系壓裂返排液重復(fù)利用處理與應(yīng)用

岳自恒，田昊，李寧軍，岳占岐

（1.陜西海默油田服務(wù)有限公司，陜西 西安 710065；2.江蘇中車機電有限公司，江蘇 鹽城 224199）

在壓裂作業(yè)結(jié)束后，會有30%～60%的壓裂液返排至地面形成壓裂返排液，這些壓裂返排液含有大量懸浮物、大顆粒機械雜質(zhì)、殘余的壓裂液添加劑和地層水。長慶油田隴東地區(qū)一個井場出現(xiàn)胍膠、EM30、稠化水等多種壓裂體系的返排液，導(dǎo)致壓裂返排液成為一種高黏度、高污染的多相分散體系[1]。目前對壓裂返排液的處理方式有回注、焚燒、回配和外排[2]。由于環(huán)保政策的日益嚴格和處理成本限制，壓裂返排液處理后回配是對返排液資源化利用的最好選擇[3-4]。影響壓裂返排液回配的主要影響因素包括有機雜質(zhì)、懸浮物、聚合物、礦化度離子以及殘留添加劑[5]。周國娟[6]對油田壓裂返排液采用濃硫酸氧化/Fenton-絮凝的處理后，達到油田回注水要求。何婷婷[7]研究表明殘余交聯(lián)劑和殘余破交劑是影響返排液重復(fù)利用的關(guān)鍵因素，經(jīng)有效處理后能實現(xiàn)壓裂返排液的重復(fù)再利用。同霄[8]對壓裂返排液水質(zhì)進行分析后，確定了影響返排液重復(fù)利用因素以及相關(guān)的處理工藝。但為解決同一井場壓裂用水緊缺，針對混合壓裂液資源化回配利用問題，進行了室內(nèi)可行性研究，根據(jù)現(xiàn)場情況采用藥劑優(yōu)化、工藝設(shè)備改進等措施，實現(xiàn)了EM30 和稠化水的壓裂返排液處理后回配胍膠壓裂液回配目標(biāo)，為以后的返排液回配提供實踐依據(jù)。

1 壓裂返排液水質(zhì)分析及回配可行性分析

長慶某油井現(xiàn)場，XX 井位于甘肅省，目的層為長7 下、長7 上、長32 層，長7 下層采用稠化水清潔壓裂液體系，長7 上層采用EM30 壓裂體系，長32 層采用胍膠壓裂體系。甲方要求對XX 井長7上、下兩層的壓裂產(chǎn)生的稠化水和EM30 混合返排液進行處理，處理后清水用于重復(fù)配制胍膠壓裂液。采用現(xiàn)場的壓裂返排液經(jīng)過預(yù)處理之后配置基液和交聯(lián)試驗發(fā)現(xiàn)，基液表觀黏度20～40 mPa·s；交聯(lián)劑后，快速攪拌，膠體出現(xiàn)脆、碎的現(xiàn)象，無法正常挑掛。觀察液體底部有沉淀產(chǎn)生。因此，必須對其進行處理才能達到重復(fù)配液要求。

1.1 壓裂返排液水質(zhì)分析

現(xiàn)場取原液罐中EM30 和稠化水的混合壓裂返排液10 L，用于室內(nèi)化驗分析，分析方法和結(jié)果參照《胍膠壓裂返排液重復(fù)配液水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（Q/SYCQ 3559—2015，標(biāo)準(zhǔn)限值見表1。

表1 壓裂返排液原液分析結(jié)果

從表1數(shù)據(jù)可以看出，除pH 在重復(fù)配液水質(zhì)要求的范圍內(nèi)外，其他指標(biāo)均超過重復(fù)配液水質(zhì)要求，分析原因如下：水中的雜質(zhì)、巖屑、垢、膠體以及細菌導(dǎo)致懸浮物含量高；由于水中的二價鐵被氧化成三價鐵，水由黃褐色變?yōu)楹谏痪郾０返拇蠓肿铀夂鸵恍┬》肿哟碱悡]發(fā)引起COD 變化和氨氮濃度高，這種情況導(dǎo)致水體容易腐敗，臭味大；水中殘留的部分酰胺類物質(zhì)和表面活性劑的存在，使得水中的膠體非常的穩(wěn)定；大量地層水混入返排液中，導(dǎo)致水中礦化度離子含量很高，這樣混合的壓裂返排液水樣十分復(fù)雜，給回配胍膠壓裂液帶來了很大的影響[9-11]。不同壓裂液在配液時，關(guān)注的影響因素不一，這些影響因素也為后期不同體系壓裂返排液之間重復(fù)配液創(chuàng)造了可能，也是后期關(guān)注的重要指標(biāo)。

1.2 回配可行性分析

1.2.1 技術(shù)可行性研究

1）胍膠壓裂返排液配置胍膠壓裂液。胍膠壓裂返排液中影響重復(fù)配液的因素包括有機雜質(zhì)、殘余胍膠、懸浮物、鈣鎂鐵離子、殘余交聯(lián)劑（硼離子）、細菌等[12]。通過氧化降黏、化學(xué)軟化除鈣鎂鐵離子、絮凝沉降去除懸浮物和細菌后，殘留的硼離子還是會影響返排液重復(fù)配液，需要膜過濾、樹脂吸附的工藝將返排液中的硼離子從 60～80 mg·L-1降到10 mg·L-1以下，這樣便導(dǎo)致處理工藝流程長、工藝復(fù)雜、操作難度大，對人員的技術(shù)水平要求較高[13]。

2）EM30 壓裂返排液配置胍膠壓裂液。EM30壓裂液的主要特點就是環(huán)保低摩阻且可回收，在其返排液中主要含有聚丙烯酰胺聚合物、懸浮物等污染物，胍膠在含有聚合物的溶劑中，線團呈卷曲和緊縮，鏈段之間易于接近形成一些締結(jié)點，線團密度增加，導(dǎo)致胍膠溶脹起黏慢[10-11]。這些污染物可以通過常規(guī)氧化、絮凝等工藝去除。由于EM30 體系返排液中不含硼離子，在回配胍膠壓裂液時，無需復(fù)雜的工藝設(shè)備，大大簡化了處理流程，水質(zhì)穩(wěn)定。

3）稠化水壓裂返排液配置胍膠壓裂液。由于稠化水壓裂液主要采用長鏈脂肪酸季胺鹽類陽離子配置，不需要加入交聯(lián)劑便可攜砂，無需加入大量的化學(xué)藥劑[14-15]。現(xiàn)場對稠化水壓裂返排液簡單過濾后多次循化使用，最后的稠化水返排液的礦化度離子濃度很高，因此，對于稠化水返排液重復(fù)配置胍膠壓裂液時，應(yīng)重點關(guān)注礦化度離子和懸浮物。

綜上所述，采用EM30 體系和稠化水返排液配置胍膠壓裂液重點關(guān)注懸浮物、石油類、高分子聚合物、礦化度離子及細菌。相比采用胍膠壓裂返排液，因為不需要去除硼離子，處理工藝簡單易行，出水穩(wěn)定，更易于回配胍膠壓裂液，重點是工藝的合理組合，并篩選合理的藥劑配方。

1.2.2 經(jīng)濟可行性研究

目前，壓裂返排液的主要去處有回注、回配、焚燒、外排等方向，隨著國家環(huán)保政策的日益嚴格，回配技術(shù)的優(yōu)勢日益凸顯，將壓裂返排液處理后重復(fù)配置壓裂液有如下優(yōu)點：降低開發(fā)成本、減少了環(huán)境影響風(fēng)險、提高了資源化利用率、降低了處理成本。因此，將不同壓裂體系的返排液重復(fù)配液技術(shù)在經(jīng)濟和技術(shù)上可行，也將會是解決壓裂返排液循環(huán)利用最主要的途徑之一。

2 現(xiàn)場工藝的優(yōu)化及改進

2.1 現(xiàn)場處理工藝流程

根據(jù)現(xiàn)場的水質(zhì)特征和處理要求，采用先除油，減少對后端設(shè)備的污堵；然后去除離子和絮凝，降低鈣鎂鐵離子和懸浮物；最后殺菌和抑菌，穩(wěn)定水質(zhì)的流程，具體工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

2.2 絮凝藥劑體系優(yōu)化

目前，返排液處理現(xiàn)場采用無機絮凝劑，主要有聚鋁、聚鐵以及聚硅酸鋁鐵，助凝劑主要有陰離子聚丙烯酰胺和陽離子聚丙烯酰胺。

現(xiàn)場采用傳統(tǒng)絮凝破膠降黏方式，藥劑消耗大，泥水分離難，設(shè)備堵塞嚴重。分析原因主要是因為現(xiàn)場返排液中含有大量的酰胺類物質(zhì)，該物質(zhì)與加入的無機絮凝劑直接反應(yīng)，形成大量的膠體，不僅起不到破膠降黏、除懸浮物的作用，而且會使水質(zhì)更加復(fù)雜，處理難度更大。

除絮凝法外，常規(guī)的破膠降黏方法還有化學(xué)氧化劑破膠（如次氯酸鈉、電絮凝、強酸）、高級氧化法（芬頓、Fe/C 微電解）、生物法等，這些方法操作復(fù)雜，運行成本高，另外殘余的氧化劑對后期的重復(fù)配液存在嚴重影響，因此，絮凝法是目前破膠降黏的重要方法之一[16～21]。

根據(jù)該種情況，現(xiàn)場采用自主研制的HMHN-1絮凝劑和HMHN-2 助凝劑，該絮凝劑適應(yīng)的pH 范圍廣，溶解度高，殘渣含量小，HMHN-1 絮凝劑能破壞返排液中殘留的酰胺基團，使高分子支鏈斷裂，無法自由延長伸展，黏度快速下降。然后再參與到后面絮凝作用中，去除水中的懸浮物、菌膠團以及油類，與以往的絮凝劑相比，藥劑加量更少，反應(yīng)速度快，絮凝更加緊實，污泥產(chǎn)量少，降低了加藥量。不同因素對壓裂液性能的影響見表2。

表2 不同因素對壓裂液性能的影響

2.3 過濾系統(tǒng)的改進

現(xiàn)場采用石英砂過濾器+大通量膜的過濾方式，石英砂過濾器長期運行存在濾料板結(jié)、濾料腐敗問題，導(dǎo)致過濾器通量下降；過濾器自重大，搬遷困難；設(shè)備反洗水量大，運行費用高。

根據(jù)上述情況，采用經(jīng)過活化的鋁硅酸鹽材料作為濾料，該活性濾料經(jīng)過3 階段的活化反應(yīng)后，改變了分子結(jié)構(gòu)，使濾料增加了催化性質(zhì)、增大了表面積以及生產(chǎn)表面電荷的特性。上述特性使濾料具備過濾精度高、抗污染、易反洗、不堵塞的特點，其密度比石英砂低15%，過濾前后指標(biāo)對比如表3所示。

表3 過濾前后指標(biāo)對比

由于活性濾料的電吸附和催化特性，因而具有更高的過濾精度，一級過濾效果可以達到兩級的過濾效果，浮油和懸浮物被吸附于濾料表面，而不能進去濾層深處，這樣不僅保證了高精度的過濾效果，而且擁有持續(xù)的高通量。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

經(jīng)過藥劑優(yōu)化和過濾系統(tǒng)的優(yōu)化后，水質(zhì)明顯提升，處理前后水質(zhì)對比如表4所示。

表4 處理前后水質(zhì)分析

從水質(zhì)分析報告可以看出，經(jīng)現(xiàn)場設(shè)備處理后的水質(zhì)完全滿足胍膠壓裂液回配水質(zhì)要求。項目共處理稠化水和EM30 混合壓裂返排液1 420 m3，處理后水質(zhì)指標(biāo)滿足回用要求，全部用于復(fù)配長32層的胍膠壓裂液，壓裂過程中加入0.2%的交聯(lián)劑JL-3，攜砂效果穩(wěn)定，最高砂比12%。

4 結(jié) 論

目前，將壓裂返排液處理后用于重復(fù)配置壓裂液大多停留于室內(nèi)研究，將不同體系的壓裂返排液處理后重復(fù)配液更是鮮有應(yīng)用于現(xiàn)場，通過室內(nèi)研究和現(xiàn)場應(yīng)用得出以下結(jié)論：

1）采用優(yōu)化后的絮凝沉降+過濾處理工藝，可以實現(xiàn)EM30 和稠化水混合壓裂返排液重復(fù)配置胍膠壓裂液的清水要求；

2）EM30 和稠化水混合壓裂返排液重復(fù)排液的難點是酰胺類膠體、礦化度離子及細菌的去除。破膠降黏屬于返排液處理的預(yù)處理關(guān)鍵階段，采用HMHN-1 絮凝劑和HMHN-2 助凝劑可以達到了很好的破膠降黏處理效果。

3）采用EM30 和稠化水混合壓裂返排液重復(fù)配置胍膠壓裂液的成功案例，充分證明了該工藝在技術(shù)上和經(jīng)濟上可行，為以后的壓裂返排液循環(huán)利用和零排放用開辟了新的途徑，為現(xiàn)場的生產(chǎn)施工提供了一定的理論和實踐依據(jù)。

4）后期將開發(fā)更多體系的壓裂返排液重復(fù)配液室內(nèi)研究和現(xiàn)場應(yīng)用，最大限度地實現(xiàn)返排液的資源化利用。