袁長忠，潘永強，杜春安，呂永利，梁　雪，汪衛(wèi)東

（1.中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營257000；2.中石化勝利油田分公司河口采油廠，山東東營257200）

勝利油田瓜膠壓裂液返排液回收利用水質(zhì)指標

袁長忠1，潘永強1，杜春安1，呂永利1，梁雪2，汪衛(wèi)東1

（1.中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營257000；2.中石化勝利油田分公司河口采油廠，山東東營257200）

袁長忠等.勝利油田瓜膠壓裂液返排液回收利用水質(zhì)指標［J］.鉆井液與完井液，2016，33（5）：109-113.

通過對勝利油田多口壓裂井返排液水質(zhì)指標的分析，確定了瓜膠壓裂液返排液的水質(zhì)特點。在此基礎(chǔ)上，分別考察了pH、還原性離子、硬度、礦化度、含油量和懸浮物含量對瓜膠壓裂液性能的影響程度，確定了壓裂液返排液回收利用需要控制的水質(zhì)指標：pH值為6.5～7.5，F(xiàn)e2+含量不超過5 mg/L，S2-含量不超過2 mg/L，Ca2+不超過500 mg/L，礦化度低于100 000 mg/L，懸浮物不超過300 mg/L，懸浮物和原油含量對瓜膠壓裂液的基液黏度和耐溫耐剪切性能無影響，說明懸浮物和原油與瓜膠和交聯(lián)劑都不發(fā)生反應(yīng)。因此，在壓裂返排液回用過程中，可適當放寬對原油和懸浮物含量的要求。為壓裂液返排液的回收利用提供了依據(jù)。

壓裂液返排液；瓜膠；回收利用；水質(zhì)指標

目前，關(guān)于水質(zhì)指標對壓裂液性能的影響，林雪麗等［1］利用模擬水考察了無機離子對瓜膠壓裂液性能的影響，提出了要得到特性優(yōu)良的壓裂液，需將水中Ca2+、Mg2+的濃度控制在1%以下。蔣繼輝等［2］通過模擬井場廢水研究了無機鹽種類及含量對瓜膠壓裂液特性的影響。研究表明，當廢水中無機鹽質(zhì)量分數(shù)大于1%時，配制的壓裂液性能明顯下降，其中鈣鎂等高價陽離子及碳酸根離子對壓裂液性能的影響最大，應(yīng)去除。另外，蔣繼輝等［3］還提出在廢水回收再利用配制壓裂液之前，需控制pH值在6.0～7.5，Ca2+和Mg2+含量分別小于300 mg/L和150 mg/L，F(xiàn)e2+和Fe3+含量小于 20 mg/L，A13+含量小于20 mg/L，懸浮物含量小于0.2%，細菌含量小于100個/mL。卜有偉等［4］提出壓裂返排液回用水質(zhì)控制指標：固體懸浮物含量小于12 mg/L，鐵離子含量小于20 mg/L，成垢離子含量小于200 mg/L，硫化物含量不大于10 mg/L，含油量不大于30 mg/L。于洪江等［5］在對油層水進行分析的基礎(chǔ)上，研究油層水中各種金屬離子、原油及懸浮物對壓裂液基液黏度以及交聯(lián)的影響。實驗結(jié)果表明，懸浮物對基液黏度影響很大，羥丙基瓜膠與硼砂交聯(lián)實驗得出，Ca2+、懸浮物對其交聯(lián)影響很大。盡管以上研究提出了關(guān)于壓裂返排液回用的水質(zhì)指標，但與勝利油田的壓裂施工配液和壓裂返排液的現(xiàn)場情況差別較大。因此在對勝利油田多口壓裂井返排液進行水質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，考察了各水質(zhì)指標對羥丙基瓜膠壓裂液性能的影響，確定了壓裂返排液回收利用水質(zhì)控制指標。

1　壓裂液返排液水質(zhì)分析

勝利油田多口壓裂井的返排液分析結(jié)果見表1。從分析結(jié)果來看，壓裂返排液主要含有一些原油、懸浮物，具有一定的黏度，含有少量的Fe（以Fe2+為主）或S2-，細菌含量少，pH值從中性至堿性，具有較高的硬度和礦化度。

表1　幾口壓裂井返排液水質(zhì)分析結(jié)果

2　水質(zhì)指標對壓裂液性能影響

采用單因素法，分別考察了返排液主要水質(zhì)指標對壓裂液性能的影響程度，其中壓裂液采用羥丙基瓜膠交聯(lián)型。

2.1pH值的影響

目前，現(xiàn)場應(yīng)用最廣泛的壓裂液是有機硼交聯(lián)瓜膠壓裂液［5］。該類型壓裂液在pH值為9～12的堿性條件下，用有機硼交聯(lián)劑和改性瓜膠進行交聯(lián)得到，在破膠后返排液的pH值為6～9。因此分別用磷酸二氫鈉、氫氧化鈉和鹽酸配制pH值為6.0、 6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0的模擬水，配制0.6%的瓜膠基液，溶脹4 h后測試基液表觀黏度分別為94.5、93、93、91.5、3、1.5、1.5 mPa·s。由此可以看出，pH對瓜膠基液表觀黏度有較大影響，當pH值為6.0～7.5，瓜膠在水中溶脹較好，當pH值超過8時，瓜膠無法溶脹，在燒杯底部呈泥餅狀。因此，考慮溶脹性和經(jīng)濟性，在利用返排液重新配制壓裂液時，應(yīng)將pH值調(diào)整到6.5～7.5。

2.2Fe2+和S2-的影響

配制0.6%的瓜膠基液，利用氮氣脫氧后，加入FeSO4，配成一定Fe2+含量的瓜膠；向瓜膠基液中加入Na2S，配制成一定S2-含量的瓜膠，混合均勻并靜置24 h后，測定其基液黏度，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1　不同F(xiàn)e2+含量下0.6%瓜膠基液表觀黏度

圖2　不同S2-含量下0.6%瓜膠基液表觀黏度

從測試結(jié)果來看，F(xiàn)e2+和S2-對瓜膠基液黏度都有很大影響，分析認為主要原因是Fe2+和S2-同屬還原性離子，在瓜膠基液中不穩(wěn)定，遇到氧化性因素發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致瓜膠分子斷鏈，從而使黏度下降。這一點可能與還原性離子對聚合物黏度的影響有相似的原理［6-7］。

2.3Ca2+的影響

勝利油田低滲透區(qū)塊地層水Ca2+含量為0～40 000 mg/L，用CaCl2分別配制不同Ca2+含量的模擬水考察其對瓜膠基液表觀黏度的影響，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，含量為0～40 000 mg/L，對瓜膠基液表觀黏度影響不大，都在90 mPa·s以上，滿足壓裂液對基液表觀黏度的要求。

圖3　不同含量Ca2+對0.6%瓜膠基液表觀黏度的影響

隨后，考察了Ca2+對壓裂液交聯(lián)和挑掛性能的影響，結(jié)果如表2所示。其中交聯(lián)劑采用有機硼交聯(lián)劑JL-1，交聯(lián)劑加量為0.4%。

表2　Ca2+對瓜膠交聯(lián)和挑掛性能的影響

從表2可知，Ca2+含量大于5 000 mg/L時，有白色絮狀物析出，挑掛性能變差，原因是在調(diào)節(jié)pH值的過程中形成了溶解度較低的Ca（OH）2，導(dǎo)致瓜膠無法形成均勻的凍膠。從交聯(lián)性能來看，應(yīng)將Ca2+控制在5 000 mg/L以下。如圖4所示，Ca2+含量對瓜膠交聯(lián)壓裂液耐溫耐剪切性能的影響較大，當配制用水中Ca2+含量超過500 mg/L時，交聯(lián)后的瓜膠壓裂液，在120 ℃，170 s-1下剪切120 min后，剩余黏度低于50 mPa·s。

圖4　Ca2+含量對瓜膠壓裂液耐溫耐剪切性能的影響

盡管在評價交聯(lián)性能時，Ca2+含量可以容許到5 000 mg/L，但在耐溫耐剪切性能評價時，對配制用水中Ca2+含量容許度僅到500 mg/L，主要原因是交聯(lián)過程為常溫條件，由pH值調(diào)節(jié)所形成的Ca（OH）2有一定的溶解度，而當在120 ℃模擬油藏溫度下，Ca（OH）2的溶解度非常低，此時，Ca（OH）2的大量析出導(dǎo)致所形成凍膠鏈的斷裂，使其耐溫耐剪切性能下降。因此，為滿足現(xiàn)場施工要求，應(yīng)將返排液的鈣離子控制在500 mg/L以下。

2.4礦化度的影響

勝利油田低滲透區(qū)塊地層水的礦化度范圍為0～200 000 mg/L，其中NaCl占90%，因此以NaCl配制模擬水，來考察礦化度對瓜膠基液表觀黏度的影響，礦化度為0、20 000、50 000、100 000、200 000 mg/L時，基液表觀黏度為91.5、87.0、85.5、85.5和87.0 mPa·s。從測試結(jié)果來看，隨著礦化度的增加，瓜膠基液表觀黏度呈現(xiàn)先降低后略有升高的趨勢，但總體來看，當?shù)V化度在200 000 mg/L以下時，對瓜膠基液表觀黏度影響不大。隨后，又考察了礦化度對交聯(lián)和挑掛性能的影響，結(jié)果如表3所示。隨著礦化度的增大，交聯(lián)時間不斷延長，挑掛性能逐漸變差，造成這種現(xiàn)象的主要原因是，礦物質(zhì)的存在影響瓜膠分子的伸展，進而影響其交聯(lián)和挑掛性能。據(jù)統(tǒng)計，勝利油田低滲透區(qū)塊地層水的礦化度大部分在100 000 mg/L以下，返排液的礦化度受地層水的影響，但都不會超過地層水，因此，從基液黏度和交聯(lián)及挑掛性能來看，可以用返排液來直接配制壓裂液。

隨后又進一步考察了礦化度對瓜膠交聯(lián)壓裂液體系耐溫耐剪切性能的影響，結(jié)果如圖5所示。

表3　礦化度對瓜膠壓裂液交聯(lián)和挑掛性能的影響

圖5　礦化度對瓜膠交聯(lián)體系耐溫耐剪切性能影響

先按照交聯(lián)劑用量為0.4%，分別考察了礦化度為10 000和20 000 mg/L條件下瓜膠壓裂液的耐溫耐剪切性能，結(jié)果當?shù)V化度達20 000 mg/L時，在120 ℃、170 s-1下剪切120 min后，剩余黏度低于50 mPa·s。隨后又將交聯(lián)劑的用量由0.4%提高到0.5%，結(jié)果在礦化度達100 000 mg/L時，在120 ℃、170 s-1下剪切120 min后，剩余黏度高于50 mPa·s，滿足壓裂施工要求。因此，總體認為礦化度對壓裂液的性能影響較小，在礦化度低于100 000 mg/L條件下，僅通過調(diào)整交聯(lián)劑的用量，便可用返排液進行再次配液。

2.5懸浮物的影響

利用較小粒徑（微米級）的硅藻土作懸浮物質(zhì)，加入到自來水中，配制不同懸浮物含量的瓜膠基液，溶脹4 h后測定基液表觀黏度，測得懸浮物含量為0、50、100、200、500、1 000、3 000、5 000 mg/L時，基液的表觀黏度分別為94.5、99、97.5、94.5、96、96、97、99 mPa·s。由此可知，在所考察范圍內(nèi)，懸浮物對瓜膠基液表觀黏度基本沒有影響。

隨后又考察了懸浮物含量對耐溫耐剪切性能的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6　懸浮物含量對瓜膠交聯(lián)體系耐溫耐剪切性能影響

從圖6可知，在懸浮物含量低于5 000 mg/L的情況下，對壓裂液的耐溫耐剪切性能無明顯影響。隨后又考察了懸浮物對殘渣含量的影響［8］，測得懸浮物含量分別為0、50、100、200、300、400、500、600 mg/L時，瓜膠體系的殘渣含量分別為260、312、365、459、572、683、784和872 mg/L。由此可以看出，隨著懸浮物含量的增加，殘渣含量成線性增加，主要是由于污水中的懸浮物雜質(zhì)，在殘渣含量測定過程中被計入殘渣含量。因此，為確保殘渣含量達到標準要求（小于600 mg/L），應(yīng)將懸浮物含量控制在300 mg/L以下。

2.6含油量的影響

取勝利油田低滲透區(qū)塊30 ℃下流動性較好的原油，用乳化機分別配制不同含油量的模擬水，利用該水配制瓜膠基液，測得含油量為0、50、100、150、200、250、500、1 000 mg/L時，基液表觀黏度分別為94.5、 96.0、 94.5、 96.0、 94.5、 94.5、 93.0和96.0 mPa·s。由此可知，在含油量低于1 000 mg/L時，原油的存在不影響瓜膠基液黏度。隨后又考察了其在120 ℃、170 s-1下交聯(lián)體系的耐溫耐剪切性能，結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，含油量對瓜膠交聯(lián)體系的耐溫耐剪切性能也沒有影響，說明原油未與交聯(lián)劑發(fā)生反應(yīng)。

按照各水質(zhì)指標對壓裂液基液黏度影響程度不超過10%，耐溫耐剪切性能達到施工要求，確定了瓜膠壓裂返排液需要控制的水質(zhì)指標：pH值在6.5～7.5，F(xiàn)e2+含量不超過5.0 mg/L，S2-含量不超過2 mg/L，Ca2+含量不超過500 mg/L，礦化度低于100 000 mg/L，懸浮物含量不超過300 mg/L。

圖7　含油量對瓜膠交聯(lián)體系耐溫耐剪切性能的影響

3　結(jié)論

1.與常規(guī)采油污水不同，瓜膠壓裂返排液呈弱堿性，具有黏度，F(xiàn)e2+含量高、硬度和礦化度高。

2.采用單因素法，確定了瓜膠壓裂返排液回用需要控制的pH值、鐵離子含量、硫離子含量、鈣離子含量、礦化度和懸浮物含量等指標，對壓裂返排液的回用提供了一定的依據(jù)。

3.懸浮物和原油含量對瓜膠壓裂液的基液黏度和耐溫耐剪切性能無影響，說明懸浮物和原油與瓜膠和交聯(lián)劑都不發(fā)生反應(yīng)。因此，在壓裂返排液回用過程中，可適當放寬對原油和懸浮物含量的要求。

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Quality Index of Water for Recycling Flowback Fluid of Guar Gum Fracturing Fluid in Shengli Oilfield

YUAN Changzhong1， PAN Yongqiang1， DU Chu'an1， LYU Yongli1， LIANG Xue2， WANG Weidong1
（1. Research Institute of Petroleum Engineering， SINOPEC Shengli Oilfield Company， Dongying， Shandon 257000；2. Hekou Oil Production Plant of SINOPEC Shengli Oilfield Company， Dongying， Shandong 257000）

he quality of water from the backflow fluid of guar gum fracturing fluids is determined through analyses of the backflow fluid from multiple wells. The effects of pH， reducing ions， hardness， salinity， oil contents and contents suspended matters on the performance of the guar gum fracturing fluids were studied based on the aforesaid analyses. To recycle the backflow fluid， the water quality should be controlled as follows: pH between 6.5 and 7.5， Fe2+less than 5 mg/L， S2+less than 2 mg/L， Ca2+less than 500 mg/L，salinity less than 100，000 mg/L， and suspended matter less than 300 mg/L. These data provide a basis for the recycling of the backflow fluids of fracturing fluids.

Flowback fluid of fracturing fluid； Guar gum； Recycle； Water quality

TE357.61

A

1001-5620（2016）05-0109-03

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.023

中石化科技攻關(guān)項目“非常規(guī)壓裂返排液無害化處理回用技術(shù)研究”（P14011）。

袁長忠，高級工程師，1976年生，畢業(yè)于石油大學(xué)（北京）應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在從事油田污水處理與資源化技術(shù)研究工作。電話 （0546）8557248；E-mail：yuancz007@163.com。

（2016-5-8；HGF=1603N11；編輯王小娜）