清潔壓裂液返排液配制強抑制性鉆井液研究

張 潔，張 凡，趙 毅，都偉超,，陳 剛,3

(1.西安石油大學化學化工學院，陜西省油氣田環境污染控制技術與儲層保護重點實驗室，陜西 西安 710065；2.陜西省環境保護公司，陜西 西安 710021；3.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室，中國石油安全環保技術研究院，北京 102206)

隨著非常規致密油氣藏、頁巖氣、頁巖油的開發，對壓裂液的要求越來越高，相對常規聚合物返排率低、地層傷害高等缺點[1-6]，清潔壓裂液以其低摩阻、低傷害等優勢得到大規模應用[7-9]。它與常規的聚合物壓裂液有很大不同，由長鏈季銨鹽表面活性劑和反離子鹽組成，配制簡單；表面活性劑的分子量是胍膠分子量的五千分之一到一萬分之一，本身無固相、殘渣，對地層傷害小，屬環保型壓裂液；靠表面活性劑膠束結構可自動成膠、破膠；施工后返排速度較快，返排率高，甚至達100%；因屬粘彈體而擁有優良的攜砂性能[10-11]。但是大規模的壓力施工也產生了大量的返排液，其中返排液中含有無機鹽、季銨鹽、表面活性劑及其他各種添加劑，如果隨意外排或者不當處理，均會對環境造成一定的危害[12]。隨著國家對環境問題越來越重視，亟需實現壓裂返排液無害化處理，推行清潔生產[13]。

對壓裂返排液的處理方法主要有處理達標后外排和回用，而回用方向有重新配制壓裂液、鉆井液和回注等幾種方式。壓裂返排液處理后重新配制鉆井液技術主要是針對胍膠和聚合物類壓裂液。清潔壓裂液返排液中含有大量季銨鹽，對黏土的水化膨脹有強抑制作用，為保護膨潤土配制的鉆井液的穩定性，需要加入護膠劑，防止返排液中的季銨鹽對鉆井液產生絮凝。而對于富含黏土的地層，以清潔壓裂液返排液配制的鉆井液，季銨鹽的抑制性得到有益的利用。用壓裂返排液配制鉆井液不僅解決了壓裂返排液處理排放的成本和環境問題，還可以充分利用壓裂返排液中的殘余有效成分，實現鉆井液的相應功能，具有顯著的社會效益和經濟效益。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

鈣基膨潤土、鈉基膨潤土、絡合劑、羧甲基纖維素鈉(CMC)、改性膠粉、陽離子表面活性劑、植物酚、無水碳酸鈉、氯化鉀、水楊酸和苯甲酸。

GJSS-B12K型變頻高速攪拌機、ZNN-D6型六速旋轉黏度計、SD-6型多聯中壓濾失儀、NZ-3A黏滯系數測定儀、液體密度計、NP-01型常溫常壓膨脹量測定儀、FE28 pH計、FE38電導率儀。

1.2 模擬清潔壓裂液返排液的配制

將一定量的KCl和陽離子表面活性劑混合均勻，加入一定量的水楊酸，充分交聯后，在70 ℃下加入一定量苯甲酸進行破膠，直到破膠液的黏度小于5 mPa·s，靜置備用。

1.3 清潔壓裂液返排液配制鉆井液及性能評價

分別配制8%、12%、16%、20%和24%的基漿，30℃下老化24 h備用；將絡合劑和植物酚一定比例復配后加入清潔壓裂液返排液中，將其pH值調成堿性，然后將清潔壓裂液返排液和8%、12%、16%、20%和24%的基漿分別按1∶1、2∶1、3∶1、4∶1和5∶1混合，混合均勻后，分別加入一定比例的CMC和改性膠粉，在30 ℃下老化12 h后，用低速攪拌器攪拌均勻，評價各個混合比例下的鉆井液性能，優選出最佳混合比例。

在以上最優混合比例下，為使混合后鉆井液的各個性能較好，實驗中主要考察改性膠粉和CMC的加量、植物酚-絡合劑復配比例，設計L9(33)正交實驗(見表1)。以表觀黏度、塑性黏度、動切力和濾失量為評價指標，進行田口分析和極差分析確定反應的主要影響因素和較適宜反應條件。

依據國家標準GB/T16783.1-2014《石油天然氣工業鉆井液現場測試第1部分：水基鉆井液》，對水基鉆井液性能進行評價。主要評價的性能包括：表觀黏度(AV)、塑性黏度(PV)、動切力(YP)、動塑比(YP/PV)、API濾失量(FL)、濾餅摩阻(tg)、電導率(κ)、pH值、密度(ρ)等[14-16]。

表1 L9(33)正交實驗設計

1.4 清潔壓裂液返排液配制的鉆井液對黏土抑制性評價

線性膨脹率評價實驗：稱取8.0 g充分烘干的鈉基膨潤土，用壓片機壓成樣片(10 MPa下壓5 min)，取出樣片，測量樣片厚度H0，用NP-01型常溫常壓膨脹量測定儀測量樣片1.5 h的膨脹量H1，根據公式1計算樣片的線性膨脹率[17]。

(1)

式中：Hr為黏土的線性膨脹率；H1為黏土的膨脹量，mm；H0為黏土片厚度，mm。

泥球實驗：將鈉基膨潤土在105 ℃下烘2 h，然后以二比一的質量比，將鈉膨潤土與蒸餾水均勻混合，揉成大約10 g的泥球，置入裝有不同液體的燒杯中，每隔一定時間記錄現象并拍照。

2 結果與討論

2.1 清潔壓裂液返排液與基漿混合篩選

將壓裂返排液和不同比例的基漿混合，考察混合后的鉆井液性能，優選出最適宜的混合比例，結果如表2所示。

根據表2中的數據，可以得出相對于返排液和20%基漿以4∶1混合，返排液與8%和12%的基漿按1∶1和2∶1混合后，鉆井液的表觀黏度和塑性黏度較大；返排液與16%和24%基漿按3∶1和5∶1混合后，濾失量較大。為了使鉆井液的表觀黏度、塑性黏度、動切力和濾失量相對于其他比例下總體較好，又能充分利用返排液，返排液和20%的基漿按4∶1混合配制鉆井液較好。

表2 不同比例清潔壓裂液返排液與基漿混合后的鉆井液性能評價

2.2 清潔壓裂液返排液與20%基漿混合的鉆井液性能評價

清潔壓裂液返排液與基漿混合后的鉆井液性能主要受CMC加量、改性膠粉加量和植物酚-絡合劑復配比例的影響。

為了分析各個條件對鉆井液性能影響的主次關系，優選配制條件，采用正交實驗對各因素進行考察，結果如表3所示。

表3 正交實驗評價結果

根據表3中的數據，采用極差法對反應結果進行分析，優選反應條件。正交實驗的AV、PV、YP和FL的均值響應分別如表4、表5、表7和表9所示。

表4 AV均值響應

表5 PV均值響應

通過正交實驗和極差分析，對于AV和PV，由表4和表5可以得到改性膠粉為主要影響因素，其次是CMC，植物酚-絡合劑復配比例影響最弱。正交實驗所得反應條件：0.5%改性膠粉，0.10% CMC，植物酚-絡合劑復配比例1.5∶0.03，固定0.10%CMC，植物酚-絡合劑復配比例1.5:0.03，通過改變改性膠粉的加量進行鉆井液性能評價。考察不同加量對清潔壓裂液返排液與20%基漿混合后配制的鉆井液的AV和PV的影響，結果如表6所示。

表6 改性膠粉加量對鉆井液AV和PV的影響

由表6數據可見，當改性膠粉的加量為1.5%時，清潔壓裂液返排液和20%基漿混合后的鉆井液的AV和PV較適宜，并且鉆井液的其他性能也較好。因此，改性膠粉的最適加量為1.5%。清潔壓裂液返排液和20%基漿混合后配制鉆井液的最適條件為：1.5%改性膠粉，0.5% CMC，植物酚-絡合劑復配比例1.5∶0.03。

通過正交實驗和極差分析，CMC為主要影響因素，其次是改性膠粉，植物酚-絡合劑復配比例影響最弱(表7)。所得反應條件：1.5%改性膠粉，0.2% CMC，植物酚-絡合劑復配比例1.5∶0.01，通過單因素實驗確定CMC的最佳加量，結果如表8所示。

表7 YP均值響應

表8 CMC加量對鉆井液動切力的影響

由表8數據可見，隨著CMC加量的增加，鉆井液的動切力逐漸變大，當CMC的加量為0.2%時，清潔壓裂液返排液和20%基漿混合后的鉆井液的動切力較大，并且鉆井液的其他性能也較好。因此，清潔壓裂液返排液和20%基漿混合后配制的鉆井液最適條件為：1.5%改性膠粉，0.2%CMC，植物酚-絡合劑復配比例1.5∶0.01。

通過正交實驗和極差分析，由表9可以得到改性膠粉為主要影響因素，其次是CMC，植物酚-絡合劑復配比例影響最弱。正交實驗所得反應條件：1.5%改性膠粉，0.2%CMC，植物酚-絡合劑復配比例1.5∶0.01，由此通過單因素實驗確定改性膠粉的最佳加量，結果如表10所示。

表9 FL均值響應

表10 改性膠粉加量對鉆井液濾失量的影響

由表10數據可見，隨著改性膠粉加量的增加，鉆井液的濾失量逐漸變小，當改性膠粉的加量為1.0%時，鉆井液的濾失量較小，并且鉆井液的其他性能也較好。因此，清潔壓裂液返排液和20%基漿混合后配制的鉆井液適條件為：1.0%改性膠粉，0.2% CMC，植物酚-絡合劑復配比例1.5∶0.01。

表11 清潔壓裂返排液配制的鉆井液在不同溫度下的鉆井液性能評價結果

2.3 溫度對壓裂返排液配制的鉆井液性能影響

由表11可以看出，隨著溫度的升高，鉆井液的表觀黏度和塑性黏度先減小后增大；動切力先減小后增大；濾失量先增大后減小再增大。當溫度達到180 ℃時，鉆井液的濾失量較大，不滿足鉆井液性能要求；溫度小于150 ℃時，鉆井液的濾失量滿足鉆井液性能要求，因此以CMC作為護膠劑，鉆井液的耐高溫在150 ℃左右。

2.4 清潔壓裂液返排液配制的鉆井液對黏土水化抑制性評價

2.4.1 線性膨脹率

常溫下，對以CMC作為護膠劑配制的鉆井液及其上清液的線性膨脹率進行測定，從而評價其對黏土的抑制性，結果如圖1所示。

由圖1可見：

清潔壓裂液返排液配制的鉆井液和鉆井液上清液對黏土水化膨脹均有良好的抑制作用。其中清潔壓裂液返排液配制的鉆井液對抑制黏土水化膨脹效果最佳，360 min時，黏土膨脹率為18.65%，明顯低于4% KCl溶液的61.80%。這可能是由于清潔壓裂液返排液配制的鉆井液中含有季銨鹽和改性膠粉，季銨鹽分子鏈上的極性基團與黏土發生吸附，進而形成吸附層，滯緩水分子向頁巖中的滲透作用[18]；改性膠粉為高分子聚合物，相對分子質量較大和空間阻力使其較難進入黏土晶層，所以其主要是通過分子鏈上大量的羥基通過氫鍵或靜電吸力吸附在黏土顆粒表面，在表面形成一層薄膜，防止自由水侵入。

圖1 不同處理劑對黏土線性膨脹率的影響

2.4.2 泥球實驗

泥球實驗結果顯示，自來水浸泡的泥球表層松軟、有明顯的裂痕、體積明顯增大；在清潔壓裂液返排液與20%基漿混合后配制的鉆井液的上清液溶液中浸泡后，泥球表面水化，未出現裂痕；在清潔壓裂液返排液與20%基漿混合后配制的鉆井液中浸泡的泥球表面未出現水化和裂痕(見圖2)。表明清潔壓裂液返排液與20%基漿混合后配制的鉆井液對黏土水化膨脹有顯著的抑制作用，這與膨潤土的線性膨脹率結果一致。

a.自來水 b.鉆井液土清液 c.鉆井液

圖2 泥球在不同處理劑中浸泡24 h

3 結論

(1)清潔壓裂液返排液與20%的基漿混合后配制的鉆井液各個性能較好。

(2)通過正交實驗、極差分析及單因素實驗，優選出了鉆井液的最適配方。

(3)配制的鉆井液和鉆井液上清液對膨潤土的水化膨脹都有較好的抑制性，效果優于4%KCl。