返排液中離子對滑溜水性能的影響及循環使用

胡君城

中國石油集團長城鉆探工程有限公司, 北京 100101

0 前言

近年來,以頁巖氣為代表的非常規油氣資源得到了越來越多的關注。在頁巖氣資源開發中,水平井壓裂技術的突破是頁巖氣規模開采的關鍵。頁巖氣井壓裂規模大,單井入井液量達數萬立方米,施工后返排回地面的返排液總量也較大。這些返排液中含有大量無機鹽、有機物和各種添加劑,如不經過處理直接排放,一方面會給井場周圍環境及地表水造成污染[1],另一方面還會大量消耗水資源,提高作業成本。在頁巖氣壓裂開發過程中,壓裂返排液的處理及循環使用技術成為當前研究及應用的主要方向。

頁巖氣壓裂主要使用滑溜水作為主要壓裂液體系。評價滑溜水壓裂液性能的主要指標是減阻率和黏度[2],減阻率越高,液體流經管路能量損失越小,泵注壓力越低;而黏度適當的滑溜水則具有一定的攜砂性,同時進入地層后有助于形成復雜裂縫網絡[3],提高油氣產出能力。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

GWFR-1高效減阻劑,由長城鉆探工程公司生產,分子量約600×104～800×104,水解度25%;KHCO3、KCl、Ca(HCO3)2和CaCl2均為分析純,購買自北京化學試劑廠;除特別說明外,所有實驗均使用去離子水[6]。

六速旋轉黏度計ZNN-D 6型,由青島森欣機電設備有限公司提供;環路摩阻測試儀HAMZ-IV型,由江蘇華安科研儀器公司提供,實驗管路長3 m、管徑14 mm,最大流速15 m/s。

1.2 實驗內容

1.2.1 配制減阻劑水溶液

量取20.0 L清水,倒入機械攪拌器中,調節攪拌器轉速,至液體形成較大漩禍。維持攪拌狀態,在1 min內均勻地加入20.0 g減阻劑(質量分數0.1%),繼續攪拌使其完全溶解,從攪拌器底部取樣品,觀察確認無未溶解固體,記錄溶解時間后停止攪拌。

1.2.2 減阻劑水溶液黏度測定

將以上用清水配置好的減阻劑水溶液按照SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評價方法》[7]中關于壓裂液的黏度測定根據進行測定。

1.2.3 減阻劑水溶液減阻率測定

將清水裝入管路摩阻測量儀基液罐中,選擇測試管路、螺桿泵及流量表,啟動螺桿泵,在1 min內將流量從 0 L/min 提升到127 L/min(折算流速≥13.5 m/s),待流量穩定后,記錄差壓傳感器顯示的清水流經管路時進出口的壓差值[8]。排空清水,將用清水配置好的減阻劑水溶液注入到配液罐中,按照以上相同流程測量差壓傳感器顯示的減阻劑溶液流經管路時進出口的壓差值,并每隔1 min記錄一次,至10 min后停止。按式(1)計算減阻劑水溶液在不同時間的減阻率[9]。

(1)

式中:η為與清水同一測量條件下減阻劑水溶液相對清水的減阻率,%;Δp0為清水流經管路時的穩定壓差,kPa;Δp為與清水在同一測量條件下減阻劑水溶液流經管路時的穩定壓差,kPa。

1.2.4 鹽對減阻劑溶解性能的影響

表1 清水及鹽水中減阻劑溶解時間對比表

Tab.1 Comparison of dissolving time of drag reduction agent in clean water and saline

序號減阻劑濃度/(mg·L-1)添加無機鹽種類添加無機鹽濃度/(mg·L-1)溶解時間/s01 000——2411 000KCl20 0009821 000KHCO320 00011431 000Ca(HCO3)220 00016141 000CaCl220 000168

1.2.5 鹽對減阻劑水溶液黏度的影響

圖1 不同濃度的鹽對減阻劑水溶液黏度影響曲線圖Fig.1 Effect of different salt concentrations on viscosityof drag reduction agent aqueous solution

1.2.6 鹽對減阻劑水溶液減阻率的影響

減阻率是滑溜水壓裂液的核心性能指標[12]。頁巖氣水平井體積壓裂施工改造規模大,液體排量大,入井時間長,液體需要長時間保持較好的減阻性能,以保障施工順利進行。在實驗室進行評價時,模擬現場施工情況,將流速維持在13.5 m/s以上,并記錄10 min內液體的減阻率保持情況[13]，見圖2。使用清水配制的減阻劑溶液,初始減阻率在76%以上,且在測試5 min時間內減阻率不發生變化,至10 min后減阻率降低至74%;而添加了濃度為20 000 mg/L的不同種類的鹽后,減阻率明顯降低。

總體上含有一價陽離子(K+)的無機鹽對液體的減阻率影響較小,而添加了含有二價陽離子(Ca2+)的無機鹽后,液體減阻率不僅在測試初期明顯降低,且隨著測試時間的增加迅速下降,尤其是含有CaCl2的液體在測試 10 min 后減阻率只有21%,已不具備實用性能[14]。這是因為減阻劑主要靠降低液體內層間作用力來降低摩阻,而添加的離子可能與減阻劑高分子發生成鍵作用,導致減阻劑分子間作用力增大,性能發生改變[15]。而高價陽離子體積大,成鍵作用更突出,甚至可以造成減阻劑分子絮凝沉淀等,因此減阻性能降低更為明顯[16]。

圖2 不同種類的鹽對減阻劑水溶液減阻率的影響曲線圖Fig.2 Effect of different kinds of salt on drag reducing efficiencyof drag reduction agent aqueous solution

2 應用部分

2.1 返排液處理及循環使用液體性能

根據以上結果,對頁巖氣壓裂返排液進行針對性處理,著重降低Ca2+和Cl-等離子的濃度,避免二次配液時對滑溜水性能產生較大影響[17]。針對性處理后的返排液水質情況見表2。

表2 針對性處理后返排液水質分析表

Tab.2 Water quality analysis of the flow-back liquid after targeted treatment

(mg·L-1)

使用經過針對性處理后的返排液重新配制減阻劑溶液,并同使用地表水(總礦化度約230 mg/L)及未處理的返排液配制的液體進行性能對比[18],減阻劑添加濃度均為1 000 mg/L,見圖3?？梢钥闯?使用處理后的返排液配制的減阻劑溶液,性能有明顯提升,接近使用地表水配制的液體性能,已具有較好的應用能力[19]。

2.2 現場應用效果分析

自2018年5月起,威H 70頁巖氣開發平臺施工全部使用經過以上技術處理后的返排液配制滑溜水壓裂液施工。根據現場施工曲線計算,平均減阻率為78.5%,施工期間液體性能穩定,施工成功率高。至本文統計時,已累計施工27段,共使用返排液48 640 m3,節約返排液處理成本約980萬元，大大降低了污水處理成本和淡水資源的消耗,取得了較好的經濟效益。

圖3 不同水源減阻劑溶液減阻率變化情況曲線圖Fig.3 Drag reducing efficiency changes of drag reduction agentaqueous solution from different water sources

3 結論

1)壓裂返排液中的離子對滑溜水壓裂液性能有較大影響,降低了液體的黏度、減阻率,延長了液體的配制時間。通過對不同類型的離子進行對比分析,發現Ca2+、Mg2+等高價陽離子對液體性能的影響大于低價陽離子對液體性能的影響,陰離子中Cl-的影響最大,是水處理的主要目標離子。

2)實現壓裂返排液的循環使用,必須有針對性降低部分特定離子的濃度。在處理后,壓裂返排液完全可實現循環使用,性能穩定,滿足壓裂施工需求。