壓裂返排液回收再利用技術的研究與應用

黃依理，王俊旭，杜 彪，萬 華，薛小佳，丁 里

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壓裂返排液回收再利用技術的研究與應用

黃依理1，王俊旭1，杜 彪1，萬 華1，薛小佳2,3，丁 里2,3

（1.西安長慶化工集團有限公司，陜西 西安 710018； 2. 長慶油田分公司油氣工藝研究院， 陜西 西安 710021；3. 陜西低滲透油氣田勘探開發國家實驗室，陜西 西安 710021）

壓裂是改造儲層促進增產的重要施工手段，隨著體積壓裂等大規模施工工藝技術的應用，壓裂液用量越來越大，壓裂施工后返排液量也隨之大幅增加，這些壓裂返排液的大量排放造成了污水處理成本的驟增，污染物排放的加大。通過壓裂返排液回收再利用技術的介紹，以促進節水減排工藝技術的進步，為綠色石油、環保中國多作貢獻。

壓裂施工；返排液；回收；液體性能

隨著工廠化作業和體積壓裂工藝技術的應用，壓裂液用量越來越大，僅長慶油田年壓裂液用量達150萬m3，單井組液量最高達4萬m3，這些壓裂返排液造成了污水處理成本的驟增。如果能將這些壓裂返排液回收再利用，將減少污染物排放和節約水資源，這對于嚴重缺水、生態脆弱的西部地區有著重要的意義［1］。

壓裂返排液回收利用技術從壓裂液體系本身出發，將壓裂返排液中支撐劑、泥屑等機械雜質過濾，滿足壓裂液不同階段的液體性能，利用壓裂返排液中的有效成分，減少配液用水和化學劑的用量，盡可能不外排廢液，從而實現壓裂返排液的回收利用［2］。

1 壓裂返排液回收再利用技術的研究

1.1 低分子可回收壓裂液體系（LMF）

1.1.1 LMF體系研發

采用低分子量聚合物作為稠化劑，通過暫時性鏈接反應動態地改變化學鏈結構，實現絡合屏蔽與二次交聯提高交聯液體的粘彈性，改善攜砂能力滿足施工需要，施工結束后采用聚合物網絡結構破壞與恢復技術使體系的交聯和破膠可逆，稠化劑及各種化學添加劑不發生質的變化，從而實現返排液回收處理后，可以作為壓裂液而再次使用。基于上述原理，開發了分子量為40萬的天然改性聚合物CJ2-3，配套系列交聯劑（JLM-1、JLM-2和JLM-3），形成適應不同地層溫度的低分子可回收壓裂液體系［3, 4］。體系基本配方為：

基液：0.35%CJ2-3+功能性添加劑

交聯劑：JLM-1（JLM-2 、JLM-3）

交聯比：100：0.6

1.1.2 液體性能評價［5］

（1）原膠液粘度

測定不同濃度的LMF和羥丙基瓜爾膠壓裂液體系（HPGF）原膠液粘度，測定結果顯示，同一濃度LMF原膠液粘度約為HPGF原膠液粘度的三分之一。

（2）壓裂液流變性能

50 ℃下不同壓裂液的流變曲線如圖1所示。由圖可見，升溫期間，常規HPG-硼砂交聯壓裂液液體粘度有較大的波動，溫度穩定后，隨剪切時間的延長，粘度逐漸下降，而LMF的粘度變化平緩，恒溫后粘度保持穩定，這可以保證整個施工過程攜砂的穩定性和裂縫中均勻的砂床厚度。

圖1 50 ℃下LMF與HPGF的流變曲線對比圖

圖2為LMF壓裂液和LMF回收液60 ℃下流變曲線圖，二者流變性能相當。

圖2 LMF及LMF回收液60 ℃下流變曲線對比圖

圖3 90 ℃下LMF體系流變曲線圖

圖3為90 ℃壓裂液流變曲線，90 ℃、170 s-1的剪切速率條件下連續測試60 min，仍能保持120 mPa·s左右的粘度。表明通過體系配方性能調整，可以滿足90 ℃的井溫需要。

（3） 壓裂液的濾失

分別配制0.30%的原膠液，交聯后按石油行業標準《SY5405-1995》進行靜態濾失試驗，實驗結果見表1。LMF和HPGF具有幾乎相近的濾失系數。但是在實際作業中，HPGF的粘度會隨著時間的延長而降低，濾失量將會大于實驗室的數據。而LMF因在施工過程中粘度保持恒定，實際濾失量會更接近實驗室數據。

表1 壓裂液的濾失性能

（4）填砂裂縫導流能力

采用0.45～0.9 mm的陶粒，按5、10 kg/m2的鋪砂濃度形成裂縫，將配置好的不同類型的壓裂液分別加入到裝有支撐劑的實驗槽內，用液壓機加壓至規定的閉合壓力（30 MPa），模擬壓裂液的濾失過程，在45 ℃下破膠1 h后開始測試其導流能力，結果如表2所示，開發的LMF有更好的填砂裂縫導流能力。

表2 不同壓裂液對填砂裂縫導流能力的影響

（5）壓裂液的殘渣

表3為60 ℃完全破膠后測得的殘渣含量，可以看出LMF體系破膠后殘渣含量較低。

表3 不同壓裂液的殘渣分析數據

1.2 常規瓜爾膠壓裂返排液再利用體系

1.2.1 體系研發

通過氧化還原和離子屏蔽技術，去除返排液中殘留的氧化性破膠劑和屏蔽返排液中交聯劑和影響壓裂液性能的金屬離子，采用壓裂液性能恢復技術和復配交聯促進技術，使返排液性能恢復到壓裂施工所需的要求，從而實現常規瓜爾膠壓裂返排液回收再利用。基于上述原理，開發了RXL-1離子處理劑、LWD-2離子處理劑和RXL-3離子處理劑，及配套RX-A和JL-13交聯劑，形成了LMF回收再利用體系。體系基本配方為：

基 液：0.35%RXL-3+(0.15-0.25)%RXL-1+ 0.08%LWD-2+0.30%CJ2-6+0.5%TOF-1+0.5%TOC-1 交聯劑：90%RX-A+10%JL-13 交聯比：100︰1

1.2.2 液體性能評價

(1)耐溫性能

評價了用C24井第五段返排液處理后再配制壓裂液的交聯凍膠的耐溫性能，結果如圖4所示。在80℃時粘度都大于50 mPa·s，表明該體系可耐80 ℃高溫，能夠滿足80 ℃下壓裂返排液施工要求。

圖4 C24井第五段返排液處理后的交聯耐溫曲線

（2）返排液回收配制的交聯凍膠剪切流變性能

圖5 回收液體90 ℃剪切流變性

圖5是經過幾次對返排液的回收、處理、再利用的剪切流變圖，從圖5可以看出膠液性能逐漸降低。但通過適當增加瓜爾膠濃度、改善交聯比可有效增強液體性能，可以滿足90 ℃壓裂施工液體性能要求。

（3）返排液回收配制后的交聯凍膠破膠和殘渣含量

量取單位體積的交聯凍膠加入破膠劑，在75℃恒溫水浴鍋中徹底破膠后烘干，稱出殘渣含量，

結果如表4所示。

表4 返排液處理后交聯破膠和殘渣含量對比

2 壓裂返排液回收再利用技術的應用

2.1 低分子可回收壓裂液體系的應用

2.1.1 回收再利用流程(圖6)

圖6 回收再利用流程

2.1.2 現場應用情況

2005年起在西峰油田試驗，后根據不同井深完善了不同的配方體系，至2013年底總計應用462井次。均按設計施工，圓滿完成了加砂，施工成功率100%。單井回收液利用率最高達85.7%，平均回收液利用率47.88%。其中L128-22單井最大加砂85 m3，W93-19單層最大加砂45 m3，G53-12井深達3 287 m，L138-4井組回收液最多重復利用12井次。返排液重復利用多次后，壓裂液可徹底破膠，排液不受影響。現場實踐證明LMF體系是一套成熟的壓裂液體系。

LMF體系具有上述的流變性耐溫性好、殘渣含量低、填砂裂縫導流能力高等優點，具有造長縫、控底水和對地層傷害小等性能。因此對于油層物性、射孔段油層厚度相近的井，在加砂量相同或相近的情況下，LMF體系改造后的日產油比HPGF體系高，日產水低，改造效果顯著。表5是靖安區塊Y68-27井場LMF施工井與鄰井改造效果對比數據，LMF井平均日產油12.14 t/d，比對比井高72.4%，平均日產水比對比井低54.0%。

表5 靖安區塊Y68-27井場LMF施工井與鄰井改造效果對比（長4+522層）

注：表中斜體井號為LMF施工井及產量；加粗部分為射孔段數據。

LMF體系施工井投產后也較HPGF體系有較好的產油量，LMF體系施工的西36-36井組單井194天的生產，平均日產油3.55 t/d。HPGF體系施工的西34-0332井組單井230天的生產，平均日產油2.76 t/d。LMF體系平均日產油較對比井高28.6%。

2.2 常規瓜爾膠壓裂返排液再利用技術的應用

圖7 壓裂施工曲線

2012年起現場試驗至2013年現場應用共計34口井，利用回收液量20 310 m3，施工最高砂比47.3%，井深達4 395.0 m，交聯良好，施工順利，表明壓裂返排液回收處理后能夠滿足現場施工要求。其中C27井現場共配制壓裂返排液2 200 m3，儲液罐上部和底部基液粘度一致，交聯效果良好。累計加砂量677.1 m3，攜砂階段壓力平穩（見圖7）。該井壓裂后放噴求產，折合日產油62.4 t/d，日產水0，壓后液體返排率為64.0%。產油量和返排率與鄰井相當。

3 結論

壓裂返排液回收利用技術從壓裂液體系本身出發，充分利用壓裂返排液中的有效成分，節約配液用水和化學劑的用量，減少施工廢液外排，對節能減排、保護環境具有重要。

［1］王雷.某油田壓裂返排液的處理研究[J].油氣田環境保護，2013(6)：28-31．

［2］錢伯章 李武廣.頁巖氣井水力壓裂技術及環境問題探討[J].天然氣與石油,2013（1）:48-53．

［3］張迎.可回收環保型壓裂液技術低成本環保優勢明顯[J].石油鉆采工藝，2012(5)：70-70．

［4］李彥慶 陳叮琳 佀菲菲.一種低分子壓裂液體系制備及性能評價[J].應用化工，2013(7)：1275-1277.

［5］SY/T5107-2005.水基壓裂液性能評價方法[S]．

Research and Application of Fracturing Flowback Fluid Recycling Technology

1，1，1,1,2,3,2,3

（1. Xi 'an Changqing Chemical Group Co., Ltd. , Shaanxi Xi 'an 710018, China; 2. Changqing Oilfield Company Oil and Gas Technology Institute, Shaanxi Xi 'an 710018, China; 3. Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development National Laboratory in Shaanxi Province. , Shaanxi Xi 'an 710018, China）

Fracturing is an important construction method to promote reservoir production; along with large-scale application of the construction technology, fracturing fluid consumption is larger and larger, the amount of fracturing flowback fluid after the construction has been greatly increased, the emission of fracturing flowback fluid caused an explosion of sewage treatment cost, increase of pollutants. In this paper, the recycling technology of fracturing flowback fluid was discussed to promote the progress of technique of water saving and emissions reduction.

Fracturing construction; Flowback fluid; Recycling; Liquid performance

TE 357

A

1671-0460（2014）06-1039-04

2014-03-23

黃依理（1961-），男，陜西西安人，高級工程師，1984年畢業于華東石油學院采油工程專業，從事油田化學劑開發和管理工作。E-mail：huangyili_cq@petrochina.com.cn。