壓裂返排液取水應用技術

近年隨著非常規儲層開發范圍的擴大、體積壓裂概念的流行，水平井開發力度逐步加大，水平井段的長度從1000m上升至5000m，單層壓裂施工所需壓裂液從幾百立方米到幾千立方米不等，壓裂施工用水需求大幅增加，造成壓裂返排液同步增加。壓裂施工規模的加大，提高了壓裂液“備、排”難度，給環境保護帶來了前所未有的挑戰。如長慶油田采氣井組有14口叢式工廠化井組，單井組最大施工液量達到41000m³、酸液1500m³。

據統計，壓裂作業完成后，約15%~90%的施工液體排至地面，水資源的大量消耗以及逐漸增多的廢水污染問題日益明顯。如何減少水資源的消耗量，合理處理油氣田開發過程中產生的大量返排液，成為制約油氣田規模開發的瓶頸之一。壓裂返排液含有大量的化學添加劑、來自地層的重金屬鹽等，如果處理不當，會對環境產生較為嚴重的污染。目前國內外對壓裂返排液的處理主要采取以下方法：

（1）廢液池貯存。將施工作業中產生的壓裂返排液貯存于專門的廢液池中，采用自然蒸發的方式干化，最后直接填埋。這種處理方式不僅耗時長，而且填埋的污泥塊仍然會滲濾出原油、重金屬、醛、酚等污染物，存在二次污染。

（2）回注。將壓裂返排液收集，集中進行絮凝、氧化等預處理，然后按照一定比例與采油污水摻混進行再處理，處理后的水質達標后用作回注水。油藏一般采取注水開發的方式，壓裂返排液可以有效用于回注，降低了處理費用；而氣井壓裂后的返排液要用于回注則需要經過長途運輸或者管輸才能抵達油田進行應用，成本增加明顯。從環境保護、節約用水和提高生產效率等方面考慮，使用壓裂返排液配制壓裂液是最為快捷有效的“取水”方式。因此，充分、合理利用壓裂返排液將成為必然趨勢。

壓裂返排液組成復雜，具有高黏度、高礦化度、高懸浮物等特點。衡量壓裂返排液能否重復利用的關鍵是控制重新配制壓裂液的合理交聯時間以及提高壓裂液交聯耐溫性能，使其達到攜砂造縫的目的，從而最終實現提高水資源利用率、保護環境的目的。筆者通過引入特殊的離子處理劑，對返排液中影響壓裂液性能的主要成分進行處理，使處理后的返排液水質達到重新配制壓裂液的要求，進行壓裂施工。

返排液成分

礦物離子

返排液中常見的離子主要包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^–、SO4^2-、HCO₃^–、CO3^2-等，其中陰離子和一價陽離子對壓裂液性能影響較小，高價陽離子尤其是鈣、鎂離子對壓裂液性能影響較大。筆者主要就鈣鎂離子對壓裂液性能的影響進行了分析。

針對長慶油田不同區塊，跟蹤了隴東區塊和姬塬區塊的28口井，依照不同放噴時間段進行取樣分析。其中4口井不同返排時間的返排液水質分析結果見表1。

以上實驗數據表明，隴東區塊、姬塬區塊壓裂返排液礦化度比當地自來水高7倍；壓裂返排液中Ca²⁺、Mg²⁺離子濃度比當地自來水高6~8倍。壓裂返排液礦化度隨著返排時間的延長，變化趨勢不大。每口井的返排液離子含量各不相同，礦化度差異大，給返排液的再利用造成了一定困難。

殘余添加劑

隨壓裂液進入地層的添加劑主要有助排劑、黏土穩定劑、過氧化物破膠劑、含有硼離子的交聯劑等，現場施工結束后14~42d的時間內，壓裂液返排率在15%~50%，表面活性類物質如助排劑、黏土穩定劑等一部分以電荷的形式吸附在高比表面的礦物表面，不能有效返排出，一部分隨著返排液排出地層，使返排液中含有一定量的添加劑，其中的過氧化物破膠劑和硼離子交聯劑對配制壓裂液性能有重要影響，需要處理后才能應用。

成分對壓裂液性能的影響

礦物離子

按照長慶油田返排液中Ca²⁺、Mg²⁺離子濃度含量范圍，依據中國石油行業標準，模擬評價各目標濃度的礦物離子對壓裂液性能影響。

對基液黏度的影響

在500mL蒸餾水中，配制0.4%濃度的瓜膠基液，分別加入相應質量分數的CaCl₂、MgCl₂，測不同時間段基液黏度，結果見表2。

從表2實驗結果來看，當CaCl₂質量分數小于1.0%時，其對瓜膠基液黏度影響較??；當CaCl₂質量分數大于1.0%時，其對瓜膠溶脹速度以及最終黏度有明顯影響。Mg²⁺在4.0%質量濃度范圍內對基液黏度影響不大。

對交聯性能的影響

取上述配制好的基液，加入0.3%TJ-1調理劑，攪拌均勻，加入JL-13交聯劑，交聯比100:0.3，測量交聯挑掛時間，實驗數據見表3。

從表3可以看出，隨著Ca²⁺濃度的增加，基液pH變化不明顯，基液交聯挑掛時間明顯增加；隨著Mg²⁺濃度的增加，基液pH值下降，基液交聯挑掛時間明顯減少。

對凍膠耐溫耐剪切的影響

取上述凍膠，采用高溫高壓流變儀評價90℃的耐溫耐剪切性能。Ca²⁺對凍膠抗剪切性能影響見圖1。

?

從圖1中可以看出，隨著Ca²⁺濃度的增加，凍膠的耐溫耐剪切性逐漸變差，主要原因是：①Ca²⁺可以與交聯劑中硼酸反應生成溶解度較小的CaB₂O₃，消耗了部分交聯劑，使得交聯劑有效含量降低；②Ca²⁺與部分瓜膠發生交聯反應，生成低強度的交聯物，影響凍膠耐溫耐剪切性能。

從圖2中可以看出，0.2%質量濃度Mg²⁺對凍膠耐溫耐剪切性能影響較大，0.5%質量濃度Mg²⁺對凍膠的耐溫耐剪切性能影響更大，其中TJ-1加量從0.3%調整到1.5%，但是壓裂液耐剪切性能均無明顯改善，可以排除Mg²⁺消耗TJ-1的因素。主要原因和Ca²⁺的影響機理類似：①Mg²⁺可以與交聯劑中硼酸反應生成溶解度較小的硼酸鎂，消耗了部分交聯劑，使得交聯劑有效含量降低；②Mg²⁺與部分瓜膠發生交聯反應，生成低強度的交聯物，也影響凍膠耐溫耐剪切性能。

殘余添加劑

過氧化物

壓裂返排液中殘余過氧化物濃度一般在60~120mg/L，且自動分解速率慢，而且隨著時間的延長，分解速度越來越慢（表4）。

過氧化物的存在對基液黏度、交聯時間都有影響，當壓裂液注入儲層后其破膠作用會隨著溫度的升高而愈加明顯。在0.4%瓜膠基液中，分別加入不同濃度的過氧化物，4h后測其表觀黏度。再加入0.3%TJ-1調理劑，攪拌均勻，加入0.3%JL-13交聯劑，測其交聯時間及流變性能（表5）。?

隨著過氧化物濃度的增加，基液黏度變小，交聯時間延長，凍膠的耐溫耐剪切能力變差，超過30mg/L后，對壓裂液性能的影響非常明顯。

殘余硼離子

返排液中硼離子的存在，使壓裂液初始黏度升高，摩阻增加，導致井口施工壓力增大，影響壓裂施工。用含有不同濃度硼離子的水配制0.4%瓜膠基液，測其表觀黏度的變化，見表6。?

試驗表明：當配液水中硼離子含量大于10mg/L時，基液發生弱交聯現象；當硼離子含量小于10mg/L時，對基液性能影響較小。

返排液處理技術

技術思路

返排液中離子尤其是鈣、鎂等高價金屬離子嚴重影響了植物膠類壓裂液的基液起黏、耐溫抗剪切等性能，在重新利用返排液進行壓裂施工中，采取徹底除掉的方式消除其影響，存在費用高、難度大的問題；殘余過氧化物破膠劑和硼離子交聯劑同樣對壓裂液性能產生不利影響，對此，研發了系列離子處理劑：TR-1與Ca²⁺、Mg²⁺發生絡合反應，形成鈣鎂絡合物，通過降低游離的Ca²⁺、Mg²⁺含量來減小其對壓裂液性能的影響；TR-2通過氧化還原化學反應，消耗掉壓裂返排液中過剩的過氧化物破膠劑；TR-3可屏蔽殘余硼離子交聯劑，從而阻止硼離子與植物膠多糖上的羥基交聯，不增加基液的黏度，使瓜膠可以在壓裂返排液中溶脹，消除硼離子對基液黏度的影響。

處理后返排液配制的壓裂液性能

壓裂返排液經過處理后對比清水和未處理的返排液，主要成分見表7。用3種液體配液，形成凍膠實驗結果見表8。?

實驗結果表明，未經過處理的返排液配制的壓裂液綜合性能比較差，只有增黏效果，加入交聯劑后形成的凍膠無法挑掛，不能滿足施工要求。用處理過的返排液配制的壓裂液溶脹速率和耐溫性能均好于清水配制的壓裂液。

現場試驗

該技術不要求通過復雜的物理、化學處理工藝處理返排液達到油田廢水排放或回注標準，只需在配制基液時按返排液中離子含量、過氧化物破膠劑和硼離子交聯劑的殘余量加入適量離子處理劑，使壓裂返排液配制的基液能滿足壓裂施工要求。與傳統壓裂廢液處理工藝相比，該技術不僅簡化了處理工藝，而且處理成本降低，實現了返排液的最大利用。

對壓裂返排液回收再利用的原則主要是通過離子處理劑絡合鈣、鎂等金屬離子，消除二價（及以上）金屬離子對瓜膠基液性能的影響；消耗殘余的過氧化物；屏蔽殘余硼離子交聯劑，使得處理后的返排液性能更接近配液用水的指標，達到配液要求。但由于其較強的絡合能力，離子處理劑的加入量也必須嚴格控制，否則會影響交聯劑的釋放，導致交聯延時時間長、液體耐溫性能差等問題。

長慶油田返排液再利用體系現場應用15口井125層段，回收處理液量累計為14000m³，入井液量為60167.6m³，回收利用率為23%，加砂規模為5622.1m³，平均攜砂濃度為300kg/m³，施工最高攜砂濃度為750kg/m³，施工成功率為98%。

結論

（1）針對油田體積改造需水量大及返排液處理費用高和可能存在的環境污染問題，提出采用返排液“取水”配制壓裂液的新方法。

（2）研制的離子處理劑可有效對返排液中含有的礦物離子、過氧化物及硼離子等成份進行屏蔽及消耗，經過處理劑處理的返排液能滿足配液要求，配制的壓裂液滿足現場施工需要。在長慶油田進行了現場試驗，取得較好的增產效果。

（3）返排液重復利用技術在原有流程上僅增加了返排液處理環節，不改變現有的施工流程，也不改變現有的液體體系。該方法操作簡單易行，并降低了壓裂液成本、污水處理費用，減少大量污水排放，具有明顯的經濟效益和社會效益。

版權聲明 | 來源：《石油學報》；作者：管保山等；版權歸原作者所有。

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