威遠地區頁巖氣壓裂返排液配制鉆井液技術研究

范 勁，李俊材，邵 平

中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術服務公司

0 引言

近年來，隨著中國頁巖氣開發技術取得突破，作為一種非常規油氣資源的頁巖氣，正被政府和相關油氣公司重視。目前頁巖氣開采多采用長井段水平井、分段射孔和滑溜水體積壓裂技術，水力壓裂中壓裂液耗水量巨大，此外壓裂液中還含有多種化學添加劑，包括防垢劑、降阻劑、殺菌劑、表面活性劑和黏土穩定劑等［1-3］。壓裂作業后，體積占注入壓裂液60% ～ 80%的返排液逐漸返排至地表［4］。壓裂返排液具有高化學需氧量、高懸浮物、高礦化度、難生物降解和成分復雜等特點［5］，因此存在較大的安全環保隱患，一是壓裂返排液含有害物質多，無害化處理成本高，環境污染風險大；二是壓裂返排液現場存儲過程中易發黑變臭，影響周邊環境［6］。目前威遠地區頁巖氣壓裂返排液主要采用回用、回注、處理后排放的處理方式，為了豐富返排液處理手段，提升資源化再利用程度，本文通過對威遠地區頁巖氣壓裂返排液成分進行分析，提出了一套壓裂返排液處理的技術方法，可利用處理后的壓裂返排液配制鉆井液體系，實現頁巖氣壓裂返排液的現場處理及回用。

1 頁巖氣壓裂返排液分析

頁巖氣壓裂返排液的各種組分都不同程度地影響著返排液的重復使用，頁巖氣壓裂返排液的成分主要由鉆完井過程中引入的工作液、頁巖儲層壓裂改造引入的壓裂液、頁巖儲層本身引入的地層水以及外界環境直接引入的其他物質等構成。

通過調研和實地取樣分析得知，返排液主要成分為水，其余為懸浮物、可溶性鹽、有機物、細菌及少量油等。隨著返排液返排時間的延長，累計返排液量不斷增加，返排液中總溶解固體、氯根、金屬離子的含量也不斷增高。

本文共收集了W202H11、W202H13、W204H9、W204H1、W204H35五個平臺的地質資料、液體配方、施工資料、排液情況等多個數據，并現場取壓裂返排液樣品進行了分析。

由表1可知，威遠地區頁巖氣壓裂返排液為淡黃或深褐色懸濁液，弱酸性，帶有刺激性味道，密度稍大于水，隨著累計返排時間的增大，壓裂返排液呈現出顏色變深、味道變大的趨勢。

表1 威遠地區頁巖氣壓裂返排液基本情況

1. 1 離子分析

由于地層中可能存在多種可溶性鹽和地層水，以及頁巖氣井壓裂開始前注入地層的酸與地層巖石反應生成大量金屬離子，壓裂返排液成分十分復雜。本文對五個平臺的壓裂返排液進行了各種離子含量分析，結果見表2。

表2 頁巖氣壓裂返排液離子分析結果 （單位: mg/L）

威遠地區頁巖氣壓裂返排液總礦化度高，水樣中陽離子總值達到12 000 mg/L左右，其中含有大量的鈣、鎂、鐵等高價金屬離子；水樣中陰離子總值在10 000 mg/L左右，其中含有硫酸根、碳酸根等離子。壓裂返排液復雜的離子成分，導致在回用配制鉆井液時易造成常規鉆井液處理劑失效、鉆井液體系穩定性變差、起泡等現象。

1. 2 物化指標分析

威遠地區頁巖氣壓裂返排液中含有一定量的成垢離子和懸浮物，同時含有大量的SRB、FB、TGB等細菌?，F將采集的五個平臺的水樣進行物化指標分析，并與GB 3838—2002《國標地表水環境質量標準》中功能最低的V類地表水（鉆井液配漿水多采用井場附近池塘水）進行了對比，見表3。

表3 頁巖氣壓裂返排液物化指標分析結果

采集的水樣COD值在1 000 mg/L左右，懸浮物含量在400 ～ 1 000 mg/L，細菌含量（SRB）大于109個/mL。返排液物化指標均遠大于Ⅴ類地表水，不能直接用于配制鉆井液，易造成體系發酵、處理劑降解等問題。

1. 3 壓裂返排液配制鉆井液存在的問題

通過對威遠地區頁巖氣壓裂返排液進行分析，確定壓裂返排液不能直接用于配制鉆井液，主要問題有：①堿度偏低，大部分鉆井液處理劑需在堿性環境下才能發揮功效；②有機質含量高導致細菌大量繁殖，易造成鉆井液處理劑降解、發酵、發臭，直接回用影響鉆井液體系穩定性；③離子成分復雜，總礦化度高，鈣、鎂、鐵、鋇、鍶等金屬離子易導致鉆井液高分子聚合物鏈卷曲、失效； ④大量的酸根離子易導致鉆井液在循環攪拌過程中起泡。

2 頁巖氣壓裂返排液回用處理

2. 1 壓裂返排液處理的技術思路

通過壓裂返排液水樣及存在問題分析，形成以下處理思路及指標：①堿度調節：調節返排液pH值至7 ～ 8；②抑泡處理：起泡率≤ 1%；③殺菌處理：SRB（硫酸鹽還原細菌）≤25 個/mL，FB（鐵細菌）≤104個/mL，TGB（腐生菌）≤104個/mL；④高價金屬離子處理：總硬度≤200 mg/L［7］。

2. 2 堿度調節

頁巖氣壓裂返排液中堿度呈弱酸性，需調節pH值至7 ～ 8，加入常用的堿度調節劑燒堿。

2. 3 抑泡處理

將采集的五個返排液水樣取300 mL置于高攪杯中，高速攪拌后測試起泡率。五個水樣均有不同程度的起泡現象，其中W204H35平臺起泡率最高為48.33%，W204H9平臺起泡率最低為1.67%。其次是W202H11平臺起泡率為6.67%，W202H13平臺起泡率為5%，W204H9平臺起泡率為1.67%，W204H1平臺起泡率為21.67%。在壓裂返排液中加入一定量的消泡劑，改變返排液的表面張力，防止在攪拌循環過程中產生氣泡。本文選用了XP-1、柴油、SFJ三種常用消泡劑，加入各水樣中測試其處理前后的起泡率，加入消泡劑后五個平臺水樣起泡率均為0。

2. 4 殺菌處理

壓裂返排液殺菌主要有紫外線殺菌和殺菌劑滅菌兩種方式。本文采用液氯、次氯酸鈉、季銨鹽類、醛類殺菌劑對壓裂返排液進行殺菌及抑菌處理，如表4、表5。實驗結果顯示，四種殺菌劑均能對壓裂返排液中的細菌起到一定的殺菌效果，其中醛類殺菌劑瞬時殺菌效果以及長效抑菌效果最好［8-10］。

表4 殺菌劑瞬時殺菌效果對比表

表5 殺菌劑長效抑菌效果對比

2. 5 高價金屬離子處理

去除壓裂返排液中的高價金屬離子主要有化學沉淀和絡合反應?；瘜W沉淀是利用陰離子與高價金屬離子反應生成沉淀；絡合反應是分子或離子與金屬離子結合，形成很穩定的新的離子。本文分別選取了沉淀劑和絡合劑：絡合劑A、絡合劑B、Na2CO3來去除壓裂返排液中的高價金屬離子，其中絡合劑B去除高價金屬離子的效果最好，實驗結果如表6。實驗結果顯示，對金屬離子進行處理后五個水樣的總硬度均在150 mg/L左右。

表6 頁巖氣壓裂返排液總硬度處理前后對比

將處理后樣品在API濾失儀中進行壓濾，得到的濾餅在能譜儀下進行分析，實驗結果顯示壓濾的沉淀物含有鈣、鎂、鐵、鋇、鍶等金屬離子，說明壓裂返排液中的高價金屬離子能夠被有效地去除［11-12］。

3 壓裂返排液配制鉆井液體系構建

將頁巖氣壓裂返排液經過堿度調節、殺菌處理、抑泡處理、高價金屬離子處理后，各方面指標可滿足2.1中的設定指標。現采用清水、未處理返排液、處理后返排液按威遠區塊技術方案配制鉆井液體系，評價性能如表7所示。

表7 不同基液配制鉆井液性能對比

實驗結果顯示，采用未處理返排液配制的體系性能與清水配制體系性能相差很大，黏度和切力低，老化開罐后重晶石沉降，高溫高壓濾失量大，配制過程中均存在起泡現象。

采用處理后返排液配制的鉆井液體系與清水配制體系性能有一定差別，但是相差不大，主要表現為黏度和切力低于清水體系，高溫高壓濾失量高于清水體系。相比于未處理返排液體系性能已有明顯改善，仍然不能滿足現場施工需要。

頁巖氣返排液經過綜合處理能有效清除鈣鎂離子，但無法完全清除鍶離子、鐵離子等高價金屬離子（處理水中仍剩余28.1 ～ 43.5 mg/L的Fe3+），雖濃度低，但對鉆井液處理劑影響較大；同時大量存在的氯離子、鈉離子，也要求鉆井液處理劑必須有較好的抗鹽能力。在此基礎上進一步優選了高效抗鹽處理劑、抗高價金屬離子處理劑，對處理后返排液配制的鉆井液體系進行優化升級，實驗結果顯示，通過調整處理后返排液配制鉆井液體系中處理劑的種類和加量，優化升級后的鉆井液體系綜合性能與清水體系基本一致，可滿足現場施工的需要。

4 結論

（1）頁巖氣壓裂返排液中總礦化度高，含有大量的高價金屬離子，細菌含量高，易起泡，不能直接回用配制鉆井液。

（2）頁巖氣壓裂返排液經過堿度調節、殺菌處理、抑泡處理、高價金屬離子處理后，水質大大改善，可用于配制鉆井液。

（3）處理后的頁巖氣壓裂返排液配制的鉆井液體系與清水配制體系性能差別不大，對體系配方經過優化升級后，綜合性能與清水配制體系的綜合性能可達到一致。