壓裂返排液回用技術(shù)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(xì)化學(xué)品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.中國石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司第九采油廠，陜西 西安 710000)

壓裂返排液成分復(fù)雜，不經(jīng)處理不能直接用來配壓裂液，必須經(jīng)過特殊處理才能進(jìn)行回用[1-2]。壓裂返排液回用的關(guān)鍵是去除影響重復(fù)配液的鈣、鎂離子、殘留硼和細(xì)菌等因素，必須通過物理或化學(xué)的方法，將對(duì)配制壓裂液有影響的組分除去或屏蔽。本文通過對(duì)返排液水質(zhì)進(jìn)行分析，研究了影響返排液回用的關(guān)鍵因素。并對(duì)壓裂返排液處理劑配方進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)處理劑處理后的壓裂液體系進(jìn)行了評(píng)價(jià)。同時(shí)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(diào)節(jié)”五個(gè)工序?qū)毫岩悍蹬乓哼M(jìn)行回用處理。

1 實(shí)驗(yàn)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(luò)合劑、屏蔽劑、殺菌滅藻劑、低用量多核交聯(lián)劑、斷裂催化劑均為自制。

FA2004電子天平；HH-601超級(jí)恒溫水浴；ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；101-A型干燥箱等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油氣田水分析方法》對(duì)壓裂返排液的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》，對(duì)處理后的壓裂返排液重復(fù)配制壓裂液進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

2 結(jié)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(fù)配制壓裂液，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油氣田水分析方法》對(duì)壓裂返排液的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，研究影響其回用的關(guān)鍵因素，見表1。為后續(xù)壓裂返排液回用提供重要依據(jù)。

表1 影響壓裂返排液回用的關(guān)鍵因素

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

2.2 壓裂返排液處理劑研究

目前，延長(zhǎng)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(duì)返排液處理配方進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 高效絡(luò)合劑優(yōu)化 硼酸可以與多元醇螯合形成絡(luò)合酸，能夠使得交聯(lián)延緩，采用多元醇對(duì)返排液中殘余的硼酸進(jìn)行絡(luò)合[3]。多元醇與硼酸的用量比為2∶1，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出高效絡(luò)合劑多元醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%。

2.2.2 屏蔽劑優(yōu)化 屏蔽劑可和多數(shù)金屬離子絡(luò)合，形成穩(wěn)定的水溶性絡(luò)合物。考慮Ca2+、Mg2+、總鐵對(duì)壓裂返排液回用的影響，采用屏蔽劑調(diào)節(jié)水質(zhì)，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(yīng)完全后測(cè)定水樣中的Ca2+、Mg2+、總鐵濃度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出屏蔽劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。

2.2.3 殺菌滅藻劑優(yōu)化 細(xì)菌可以降解分子鏈，數(shù)量在較短的時(shí)間內(nèi)呈指數(shù)增長(zhǎng)。細(xì)菌在溫度及合適的pH下，對(duì)瓜膠分解速度很快，對(duì)壓裂液的粘度影響很大。壓裂返排液處理后重復(fù)配制壓裂液，水質(zhì)中的細(xì)菌需滿足回配壓裂液用水水質(zhì)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(jù)實(shí)驗(yàn)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(luò)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(zhì)要求

2.3 壓裂返排液處理后回用性能評(píng)價(jià)

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》，對(duì)處理后的壓裂返排液重復(fù)配制壓裂液進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。壓裂返排液回用體系配方：

處理劑：0.15%高效絡(luò)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(lián)液：低用量多核交聯(lián)劑+斷裂催化劑，交聯(lián)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(jìn)行流變性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 粘度隨時(shí)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(shí)經(jīng)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(duì)配制好的瓜膠壓裂液進(jìn)行靜態(tài)濾失性能測(cè)定。設(shè)定溫度為30，60，90，110 ℃，分別測(cè)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(shù)及濾失速率都逐漸增大。

2.3.3 破膠性能評(píng)價(jià) 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(nèi)進(jìn)行破膠實(shí)驗(yàn)，研究破膠劑的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可知，配制的體系在3 h時(shí)后破膠液粘度為2.9 mPa·s，滿足壓裂液通用技術(shù)中指標(biāo)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(lián)劑和破膠劑。破膠完成后，進(jìn)行殘?jiān)氨砻鎻埩y(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明殘?jiān)繛?83 mg/L，表面張力為23.2 mN/m。

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

2.3.4 配伍性 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)用破膠液與地層水按不同的體積比進(jìn)行混合，放置4 h后，觀察是否有沉淀產(chǎn)生[5]。實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(jīng)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(diǎn)在于都需要預(yù)處理降低返排液中超標(biāo)的油類、懸浮物和滋生的細(xì)菌，都需要進(jìn)行一定精度的過濾。不同點(diǎn)在于回用處理的關(guān)鍵是去除影響重復(fù)配液的鈣、鎂離子、殘留硼和細(xì)菌等因素。因此必須通過物理或化學(xué)的方法，將對(duì)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(diào)節(jié)”五個(gè)主要工序組成，配套加藥、污泥處理系統(tǒng)輔助工序，使處理后的水滿足回用的要求。對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)和設(shè)備進(jìn)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(jīng)泵提升至初沉罐，然后自流進(jìn)入調(diào)節(jié)罐，進(jìn)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(jī)大分長(zhǎng)鏈，降低壓裂返排液的粘度、有機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)分離[7]。

2.4.3 絮凝-沉降-過濾 處理后出水進(jìn)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(zhì)從混濁變清澈。板框壓濾是固液分離工藝的一種，經(jīng)板框壓濾工藝處理后的壓裂返排液進(jìn)一步進(jìn)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(duì)細(xì)菌、大分子有機(jī)物、膠體、鐵等雜質(zhì)有明顯的去除作用。

2.4.4 脫硼處理 除硼工藝主要有化學(xué)萃取、化學(xué)共沉淀、絮凝吸附、膜分離等[8]。考慮處理成本并結(jié)合技術(shù)要求，采用引入高效絡(luò)合劑對(duì)壓裂返排液中殘余破膠劑進(jìn)行屏蔽處理。

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

3 結(jié)論

(1)壓裂返排液處理劑配方為：0.15%高效絡(luò)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(lián)液為低用量多核交聯(lián)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(shí)現(xiàn)返排液的重復(fù)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(diào)節(jié)”五個(gè)主要工序組成，配套加藥、污泥處理系統(tǒng)輔助工序，處理后的水滿足回用要求。