压裂返排液重复配液技术—基液粘度影响分析

（一）项目研究的背景和意义

近年来，长庆油田水平井开发力度逐步加大，单层压裂施工所需压裂液从几百立方米到几千立方米不等，压裂施工用水需求大幅增加，造成压裂返排液同步增加。以油井区块为例，2012和2013年水平井用液量约为63万方、160万方，如果压裂返排液以总液量30%计算，2012年和2013年长庆油田油井区块水平井压裂返排液量分别达到19万方、48万方，水资源大量消耗以及日益增多废水污染问题成为制约长庆油田开发的难题。

目前，国内对压裂废液的处理主要采取以下方法：

（1）废液池储存：将施工作业中产生的压裂废液储存在专门的废液池中，采用自然蒸发的方式干化，最后直接填埋。这种处理方式不仅耗时长，而且填埋的污泥块仍然会渗滤出油、重金属、醛、酚等污染物，存在严重的二次污染。

（2）回注：将压裂废液收集，集中进行絮凝、氧化等预处理，然后按照一定比例与采油污水掺混进行再处理，处理后的水质达标后用作回注用水。该方法存在大量的运输及处理费用，成本较高。

现阶段，长庆油田压裂返排液主要以第一种方法处理。由于压裂返排液中含有大量的化学药剂，使得返排废液成为油田不容忽视的污染源，对油田周边环境带来不良影响，随着国家环保执法力度的加大，长庆油田面临的环保压力越来越大。另外，长庆油田各区块水资源都比较匮乏，从节约施工用水，提高生产效率等方面考虑，使用压裂返排液是最为快捷有效的“取水”方式，因此，充分、合理的利用压裂返排液将成为长庆油田开发的必然趋势。

但是压裂返排液组成复杂，具有高粘度、高矿化度、高悬浮物等特点：

• 返排液主要成分包括胍胶、石油类化合物、悬浮物、表面活性剂、交联剂、破胶剂等多种化学药剂。
• 压裂返排液含盐量大，矿化度高，对配制的压裂液性能有很大影响。
• 压裂返排液中细菌含量较高，极易腐败。

基于上述因素，压裂返排液无法满足直接配制压裂液的要求，所以有必要研究压裂返排液处理重复利用技术。

• 项目研究内容

（一）返排液矿物离子成分分析

室内完成陇东区块木平24、木平4、木平83，姬塬区块安平43共计4口井16组压裂返排液水质分析工作，水质分析结果见表2-1。

表2-1  压裂返排液水质分析数据表

井号	取样日期	取样时间	离子含量（mg/L）						矿化度
			Na++K+	Ca2+	Mg2+	HCO3–	Cl–	SO42-	mg/L
木平24	XXXXX	18:20	918.1	186.8	226.7	312.1	738.1	2014.4	4.400×103
		18:45	1078.2	186.8	260.7	325.7	1968.2	805.8	4.630×103
		19:00	1090.1	224.1	306.0	325.7	1722.2	1432.5	5.100×103
		19:25	602.6	168.1	181.3	271.4	738.1	1163.9	3.130×103
木平4	XXXXX	15:10	1966.3	186.8	170.0	407.1	1968.2	2238.2	6.940×103
		15:40	1339.4	186.8	283.3	298.6	1230.1	2462.0	5.800×103
		16:00	785.3	280.2	283.3	244.3	738.1	2238.2	4.570×103
		16:25	907.1	186.8	226.7	434.3	1476.1	895.3	4.130×103
木平83	XXXXX	23:25	1449.9	186.8	226.7	325.7	2706.3	447.6	5.340×103
		23:45	1538.1	186.8	283.3	420.7	2952.3	447.6	5.830×103
		0:00	1679.6	186.8	226.7	366.4	2706.3	895.3	6.060×103
		0:30	1181.8	186.8	170.0	461.4	2214.2	223.8	4.440×103
安平43	放喷半小时		2098.3	280.2	566.7	1072.1	4428.4	447.6	8.890×103
	放喷一小时		2325.5	280.2	623.3	827.8	4920.5	671.5	9.650×103
	放喷二小时		2673.9	280.2	396.7	760.0	5166.5	223.8	9.500×103
	放喷三小时		3187.5	466.9	510.0	719.2	6642.6	223.8	1.175×104
平均			1551.4	228.8	308.8	473.3	2644.8	1052	6.259×103
工业自来水			168	35	39	390	85	166	0.883×103

从表2-1数据来看，各单井不同阶段返排液阳离子含量变化幅度不大，而阴离子含量没有明显变化规律，陇东压裂返排液水样矿化度在3000-7000 mg/L之间，姬塬压裂返排液矿化度在8000-12000 mg/L之间，压裂返排液Ca²⁺、Mg²⁺离子平均含量为228.8mg/L、308.8mg/L，比工业自来水高6-8倍，矿化度比工业自来水高7倍。

（二）矿物离子对压裂液性能影响

通过在清水中加入无机盐后配置胍胶基液，模拟各浓度目标矿物离子对压裂液性能的影响，得出了压裂液中稠化剂高分子受不同盐分组成及浓度的影响规律，为压裂返排废重复配液技术的研究提供实验依据。

1、Na⁺、K⁺对压裂液性能影响

（1） Na⁺、K⁺对基液粘度的影响

500ml蒸馏水中，分别加入相应质量分数的NaCl、KCl，配制0.4%CJ2-6胍胶基液，测不同时间段粘度，结果见表2-2

表2-2  Na⁺、K⁺对基液粘度的影响

NaCl、KCl质量分数	Na++K+离子浓度（mg/L）	基液粘度（mPa•s）
		30min	60min	120min	240min
空白	0	42	42	42	43.5
0.5%+0.5%	4.583×103	40.5	42	42	43.5
1%+1%	9.166×103	39	39	39	39
2%+2%	18.332×103	37.5	37.5	37.5	37.5

从表2-2数据可以看出，随着Na⁺、K⁺离子浓度的增加，胍胶基液粘度有轻微降低。实验结果表明：NaCl、KCl质量浓度小于1%时，其对基液粘度影响很小，当NaCl、KCl质量浓度大于1%时，其对基液粘度有一定影响。

2、Ca²⁺对压裂液性能影响

 （1） Ca²⁺对基液粘度的影响

500ml蒸馏水中，分别加入相应质量分数的CaCl₂，配制0.4%CJ2-6胍胶基液，测不同时间段粘度，结果见表2-4：

表2-4  Ca²⁺对基液粘度的影响

CaCl2质量分数	Ca2+离子浓度（mg/L）	配液水pH	基液粘度（mPa•s）				备注
			30min	60min	120min	240min
空白	0	6	42	42	42	43.5	吴茵混调器（6000r/min）
0.1%	0.360×103	6.5	42	42	42	42
0.2%	0.721×103	6.5	42	42	42	42
0.5%	1.802×103	7	40.5	42	42	40.5
1%	3.604×103	7	40.5	43.5	42	40.5
2%	7.208×103	7.5	27	28.5	34.5	34.5
4%	14.416×103	8	9	15	27	28.5
2%	7.208×103	7.5	分层				GJ-3S高速搅拌器（6000r/min）
4%	14.416×103	8	分层

从表2-4实验结果来看，当CaCl₂质量分数小于1%时，其对胍胶基液粘度影响较小；当CaCl₂质量分数大于1%时，其对胍胶溶胀速度以及最终粘度有明显影响。原因是分析纯CaCl₂药品中，含有少量氢氧化钙杂质，改变了配液水的pH，配液水变为碱性，其过量的0H^–阻碍了水分子与胍胶分子链上羟基的作用，破坏胍胶分子与水分子化合形成的分子间内氢键，削弱了胍胶分子间的相互作用力，使得胍胶分子不能完全伸展开，基液粘度降低或者出现分层现象。

3、Mg²⁺对压裂液性能影响

 （1）Mg²⁺对基液粘度的影响

500ml蒸馏水中，分别加入相应质量分数的MgCl₂，配制0.4%CJ2-6胍胶基液，测不同时间段粘度，结果见表2-6：

表2-6  Mg²⁺对基液粘度的影响

MgCl2质量分数	Mg2+离子浓度（mg/L）	基液粘度（mPa•s）
		30min	60min	120min	240min
空白	0	42	42	42	43.5
0.1%	0.253×103	40.5	42	43.5	43.5
0.2%	0.505×103	40.5	42	43.5	43.5
0.5%	1.263×103	40.5	40.5	40.5	40.5
1%	2.526×103	40.5	40.5	40.5	40.5
2%	5.053×103	40.5	40.5	40.5	39
4%	10.106×103	39	39	39	39

从表6可以看出，4%质量浓度范围内的Mg²⁺对基液粘度影响不大。

4、SO₄^2-对压裂液性能影响

  （1） SO₄^2-对基液粘度的影响

500ml蒸馏水中，分别加入相应质量分数的Na₂SO₄，配制0.4%CJ2-6胍胶基液，测不同时间段粘度，结果见表2-8：

表2-8  SO₄^2-对基液粘度的影响

Na2S04质量分数	SO42-离子浓度（mg/L）	基液粘度（mPa•s）
		30min	60min	120min	240min
空白	0	42	42	42	43.5
0.5%	3.38×103	40.5	42	42	42
1%	6.76×103	40.5	40.5	40.5	42
2%	13.52×103	39	40.5	40.5	42
4%	27.04×103	39	39	39	39

从表2-8可以看出，4%质量浓度范围内的SO₄ ^2-对基液粘度影响不大。

• HCO₃^－对压裂液性能影响

（1）HCO₃^－对基液粘度的影响

500ml蒸馏水中，分别加入相应质量分数的NaHCO₃配制0.4%CJ2-6胍胶基液，测不同时间段粘度，结果见表2-10：

表2-10  HCO₃^–对基液粘度的影响

NaHCO3质量分数	HCO3–离子浓度（mg/L）	基液粘度（mPa•s）
		30min	60min	120min	240min
空白	0	42	42	42	43.5
0.02%	0.145×103	42	42	42	42
0.1%	0.723×103	42	43.5	42	43.5
0.2%	1.452×103	39	39	39	39

从表2-10可以看出，HCO3-对基液粘度影响不大。

• 多矿物离子对压裂液性能的影响

前面通过单一矿物离子对压裂液性能影响的实验分析，我们知道了其对压裂液性能的影响规律，但是现场返排液中含多种矿物离子，下面依据表2-1中各矿物离子的平均含量，在蒸馏水中分别加入0.5%NaCl、0.5%KCl、0.5%Na₂SO₄、0.2%CaCl₂、0.2%MgCl₂、0.1%NaHCO₃模拟压裂返排液各矿物离子含量，做多矿物离子对压裂液性能的影响实验。

（1）多矿物离子对基液粘度的影响

500ml蒸馏水中，分别加入相应质量分数的无机盐，配制0.4%CJ2-6胍胶基液，测不同时间段粘度，结果见表2-12。

 表2-12 多矿物离子对基液粘度的影响

无机盐总质量分数	总离子浓度（mg/L）	基液粘度（mPa•s）
		30min	60min	120min	240min
空白	0	42	42	42	43.5
2%	20×103	39	42	42	42

从表2-12实验数据来看，在清水中加入模拟压裂返排液中矿物含量的无机盐，配制胍胶基液，基液粘度和清水配液相当。

• 杀菌剂防腐败实验

正平8-12井返排液取样，1^#样加入0.1%CJSJ-3，2^#样加入0.2%CJSJ-3，

于一周后带回公司，返排液按一下配方配液：返排液+0.35%RXL-3

+0.08%LWD-2+0.2%RXL-1+0.3%CJ2-6+0.5%TOS-1+0.5%TOF-1+0.1%CJSJ-3

表2-14   正平8-12井返排液配液粘度

返排液编号	返排液基本情况	返排液配液后放置时间	基液pH	粘度（mPa·s）
1#	pH=8粘度=3 mPa·s0.1%CJSJ-3	10min	6	27
		30min	6	27
		4h	6	24
		72h	6	3
2#	pH=8.5粘度=3 mPa·s0.2%CJSJ-3	10min	6.5	30
		30min	6.5	33
		4h	6.5	33
		72h	6.5	27

从实验情况来看，0.1%CJSJ-3加量下，返排液放置一周，配液后基液放置3天腐败；0.2%CJSJ-3加量下，返排液放置一周，配液后基液放置3天粘度无明显下降。

8、实验小结

• 陇东压裂返排液水样矿化度在3000-7000 mg/L之间，姬塬压裂返排液矿化度在8000-12000 mg/L之间，压裂返排液Ca²⁺、Mg²⁺离子平均含量为228.8mg/L、308.8mg/L，比工业自来水高6-8倍，矿化度比工业自来水高7倍。
• 从实验结果来看，单一无机盐离子中，影响基液性能的主要有Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^– 。
• 0.2%CJSJ-3加量下，返排液放置一周，配液后的基液粘度保持情况明显好于0.1%CJSJ-3加量时的粘度保持情况。

（三）离子处理剂的研发及配方确定

1、离子处理剂的研发

从压裂返排液的成分可以看出，主要存在以下因素影响其配液后的性能：

（1）压裂返排液矿化度高，含有大量影响压裂液性能的Ca²⁺、Mg²⁺。

（2）压裂返排液中存在残余破胶剂（过硫酸铵），会影响胍胶基液交联携砂性能，不利于施工。

（3）压裂返排液中存在残余交联剂，可能会使返排液重新配液后基液粘度偏大甚至交联。

• 压裂返排液中细菌含量高，易腐败。

返排液技术处理思路：

 返排液

除了第4个因素需要通过增加杀菌剂用量来控制细菌繁殖外，其余3个因素均可以通过化学方法来解决。基于此，研发了系列离子处理剂：LWD-2与Ca²⁺、Mg²⁺络合反应，通过降低Ca²⁺、Mg²⁺含量来减小其对压裂液性能的影响；RXL-3通过氧化还原化学反应，消耗掉压裂返排液中过剩的破胶剂（过硫酸铵）；RXL-1通过调节返排液pH，使胍胶可以在压裂返排液中溶胀起粘，并起到屏蔽残余交联剂的作用。

该技术与传统压裂废液处理理念不同：不要求达到油田废水排放或回注标准，只需要使压裂返排液处理后水质达到配液要求，配制的基液能满足压裂施工要求。