卜有偉（長(zhǎng)江大學(xué)研究生院，湖北 荊州434023；中石化華北分公司資產(chǎn)裝備處，河南 鄭州 450006）

郝以周（中石化華北分公司實(shí)驗(yàn)中心，河南 鄭州 450006）

吳萌，陳雁南（北京礦冶研究總院，北京 102600）

在石油能源的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，壓裂是油氣藏改造增產(chǎn)的重要手段之一，眾多的壓裂開(kāi)采方式中以水力壓裂為主，其中水基壓裂液的配制和使用是核心技術(shù)之一。在壓裂施工作業(yè)結(jié)束后，部分壓裂液將從地層中返排回地面，成為壓裂返排液，通常情況下，壓裂返排液的量大約占?jí)毫岩河昧康?0%～70%?！笆濉币?guī)劃期間，紅河油田總共施工水平井564口，產(chǎn)生壓裂液返排液113.3967×104m3；整個(gè)華北分公司施工水平井2968口，生產(chǎn)壓裂返排液達(dá)到605.8314×104m3。

壓裂返排液成分與壓裂液配方和地層水水質(zhì)密切相關(guān)。配方中主要包括稠化劑、黏土穩(wěn)定劑、破乳劑、破膠劑、交聯(lián)劑、起泡劑、pH值調(diào)節(jié)劑、殺菌劑等多種成分。返排液所含的污染物成分復(fù)雜，包括植物膠、甲醛、水溶性高分子聚合物、固體懸浮物（包括黏土顆粒、壓裂砂、地層微粒、破膠殘?jiān)龋?、原油、溶解性有機(jī)物（泥漿處理劑、破乳劑等）、微生物、無(wú)機(jī)鹽、無(wú)機(jī)酸等。由于油層所在的地層不同，地層水的水質(zhì)成分相差較大，因此壓裂施工結(jié)束后返排回地面上的返排液，不僅含有壓裂液中本身添加的多種化學(xué)物質(zhì)，還含有少量石油及地層水和油層中的成分，屬于高化學(xué)需氧量（COD）、高色度、高懸浮物和高溶解性總固體（TDS）的油田作業(yè)廢水，如將其直接外排，將嚴(yán)重污染周邊生態(tài)環(huán)境。處理后外排，工藝復(fù)雜，成本高，已成為壓裂施工企業(yè)面臨的嚴(yán)重負(fù)擔(dān)［1～3］。筆者研究出將返排液處理后直接用于配液的新技術(shù)，既可以縮短返排液的處理流程，降低處理成本，又可以在配液時(shí)少加、甚至不加氯化鉀類(lèi)黏土穩(wěn)定劑，從而實(shí)現(xiàn)有價(jià)成分資源的循環(huán)經(jīng)濟(jì)利用。

1 紅河油田壓裂返排液成分普查

紅河油田選取HH37P11井、HH37P22井、HH12P27井、HH31P8井、HH55P22井這5口井，檢測(cè)壓裂返排液的溶解性總固體，固體懸浮物，鈣、鉀離子的質(zhì)量濃度，硼交聯(lián)劑質(zhì)量濃度，化學(xué)需氧量等指標(biāo)。

1.1 溶解性總固體（TDS）

由圖1可以看出，TDS變化隨返排時(shí)間的增加而逐漸增加。說(shuō)明返排液前期只是加入的成分（主要指壓裂液中的添加劑，如黏土穩(wěn)定劑氯化鉀、pH值調(diào)節(jié)劑等）返回，隨著返排時(shí)間的增加，地下組分進(jìn)入返排液，特別是在抽吸階段（壓裂液返排過(guò)程分為放噴階段和抽吸階段，其中抽吸階段是指返排液在無(wú)法自然返排后，使用抽油機(jī)抽吸返排的過(guò)程，時(shí)間大約在放噴3～4d后）增加顯著。

1.2 固體懸浮物（SS）

由圖2可以看出，固體懸浮物的質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化范圍在200～550mg／L之間，表明返排過(guò)程中，每天固體懸浮物質(zhì)量濃度比較穩(wěn)定。

圖1 溶解性總固體（TDS）隨時(shí)間的變化

圖2 固體懸浮物（SS）隨時(shí)間的變化

1.3 鈣、鉀離子質(zhì)量濃度

Ca2＋作為主要的成垢元素，對(duì)二次配液會(huì)有明顯的影響。因此對(duì)于返排液中Ca2＋的確定，有助于量化處理工藝。每天返排液中Ca2＋的質(zhì)量濃度隨時(shí)間而增大（圖3），這是因?yàn)镃a2＋主要來(lái)自地層水，返排后期主要以地層水為主，因此返排后期的返排液中Ca2＋質(zhì)量濃度接近地層水中Ca2＋的質(zhì)量濃度。

K＋主要有兩個(gè)來(lái)源，一是壓裂液中添加的KCl，二是地層水中原有的。由圖4可以看出，這5口井K＋的質(zhì)量濃度變化較大。原因可能是壓裂液配方中KCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，也可能是每口井所處的地層對(duì)K＋的吸附能力不同造成的。

圖3 鈣離子質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

圖4 鉀離子質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

1.4 硼交聯(lián)劑質(zhì)量濃度

返排液中殘留的硼交聯(lián)劑對(duì)返排液回用處理影響較大，因此必須進(jìn)行有效監(jiān)控。由圖5可以看出，返排液中硼的質(zhì)量濃度隨著返排時(shí)間的延長(zhǎng)而減少。

1.5 化學(xué)需氧量（COD）

COD主要反映了返排液中有機(jī)物的質(zhì)量濃度。由圖6可以看出，除HH55P22井外，其余4口井的COD變化相對(duì)平穩(wěn)，大多在2000～6000mg／L之間。返排前期有機(jī)物較多，因此COD值相對(duì)較高，后期隨著地層水的增加，有機(jī)物質(zhì)量濃度被稀釋?zhuān)珻OD值下降。

圖5 硼交聯(lián)劑質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

圖6 化學(xué)需氧量隨時(shí)間的變化

2 紅河油田返排液處理新技術(shù)

2.1 返排液處理工藝

研究選用的工藝流程是首先將返排液進(jìn)行絮凝、沉淀等復(fù)合預(yù)處理手段去除浮油、懸浮物等成分，使返排液的COD、色度等大幅降低；再利用返排液中有用組分采取誘導(dǎo)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)影響配液的關(guān)鍵成分進(jìn)行定點(diǎn)清除，達(dá)到自凈化目的；然后再清除高價(jià)無(wú)機(jī)離子等成分；最后在出水前設(shè)置調(diào)節(jié)步驟，以保證出水中部分助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足壓裂液配液要求，可在再次配液時(shí)減少助劑用量［4］。工藝流程見(jiàn)圖7。

圖7 返排液處理工藝流程

2.2 返排液處理成配液用水水質(zhì)指標(biāo)

返排液各主要成分對(duì)配液會(huì)有一定影響，研究制定了配液用水指標(biāo)，見(jiàn)表1。

2.3 處理后水樣配液驗(yàn)證試驗(yàn)

使用新工藝對(duì)2口油井的返排液進(jìn)行處理后，回用作為配液的壓裂液（即樣品1、2），與壓裂液基液和清水配液按照壓裂液配方配制成壓裂液的性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)?；旱酿ざ茸兓?guī)律（見(jiàn)圖8）與凍膠的抗溫抗剪切性能（見(jiàn)圖9）等主要指標(biāo)均能滿足配液的要求。

表1 各成分指標(biāo)要求

圖8 基液的黏度變化規(guī)律比較

圖9 凍膠的抗溫抗剪切性能比較

3 結(jié)語(yǔ)

1）研究將返排液處理和壓裂液配液影響因素綜合考慮，開(kāi)發(fā)出一條 “保留對(duì)配液有利，去除對(duì)配液不利”的新工藝，該工藝對(duì)返排液中主要影響成分去除效果明顯，配液驗(yàn)證試驗(yàn)表明壓裂返排液定點(diǎn)除雜處理后用于配液技術(shù)上可行。

2）新工藝不僅降低了返排液處理成本，還可以減少配液時(shí)的助劑添加量而節(jié)約配液成本，可謂一舉二得，再結(jié)合原水的水資源使用費(fèi)和凈化處理費(fèi)用，綜合這幾項(xiàng)成本考慮，返排液的處理不僅不是負(fù)擔(dān)，而且還有利可圖，真正實(shí)現(xiàn)了變廢為寶。

3）研究首次系統(tǒng)全面提出將返排液處理和壓裂液配液工藝綜合考慮，以無(wú)害化處理、資源化利用為目的，為壓裂返排液的處理提出一個(gè)新的思路和壓裂施工用水的全面解決方案。思路新穎，技術(shù)創(chuàng)新，可靠實(shí)用，針對(duì)性強(qiáng)，具有較好的推廣價(jià)值。

［1］馬云，何順安，侯亞龍 .油田廢壓裂液的危害及其處理技術(shù)研究進(jìn)展 ［J］.石油化工應(yīng)用，2009，28（8）：1～3.

［2］寧方軍，王寶輝，高璽瑩 .殘余壓裂液污染防治技術(shù)綜述 ［J］.遼寧化工，2009，38（9）：667～669.

［3］鐘昇，林孟雄 .油氣田壓裂液處理技術(shù)研究進(jìn)展 ［J］.安徽化工，2006，32（6）：42～44.

［4］倪雙明，周山林，謝朝陽(yáng) .一種壓裂返排液回收處理工藝 ［P］.CN：101475290A，2009－07－08.