不同體系壓裂返排液重復利用處理與應用

岳自恒，田昊，李寧軍，岳占岐

（1.陜西海默油田服務有限公司，陜西 西安 710065；2.江蘇中車機電有限公司，江蘇 鹽城 224199）

在壓裂作業結束后，會有30%～60%的壓裂液返排至地面形成壓裂返排液，這些壓裂返排液含有大量懸浮物、大顆粒機械雜質、殘余的壓裂液添加劑和地層水。長慶油田隴東地區一個井場出現胍膠、EM30、稠化水等多種壓裂體系的返排液，導致壓裂返排液成為一種高黏度、高污染的多相分散體系[1]。目前對壓裂返排液的處理方式有回注、焚燒、回配和外排[2]。由于環保政策的日益嚴格和處理成本限制，壓裂返排液處理后回配是對返排液資源化利用的最好選擇[3-4]。影響壓裂返排液回配的主要影響因素包括有機雜質、懸浮物、聚合物、礦化度離子以及殘留添加劑[5]。周國娟[6]對油田壓裂返排液采用濃硫酸氧化/Fenton-絮凝的處理后，達到油田回注水要求。何婷婷[7]研究表明殘余交聯劑和殘余破交劑是影響返排液重復利用的關鍵因素，經有效處理后能實現壓裂返排液的重復再利用。同霄[8]對壓裂返排液水質進行分析后，確定了影響返排液重復利用因素以及相關的處理工藝。但為解決同一井場壓裂用水緊缺，針對混合壓裂液資源化回配利用問題，進行了室內可行性研究，根據現場情況采用藥劑優化、工藝設備改進等措施，實現了EM30 和稠化水的壓裂返排液處理后回配胍膠壓裂液回配目標，為以后的返排液回配提供實踐依據。

1 壓裂返排液水質分析及回配可行性分析

長慶某油井現場，XX 井位于甘肅省，目的層為長7 下、長7 上、長32 層，長7 下層采用稠化水清潔壓裂液體系，長7 上層采用EM30 壓裂體系，長32 層采用胍膠壓裂體系。甲方要求對XX 井長7上、下兩層的壓裂產生的稠化水和EM30 混合返排液進行處理，處理后清水用于重復配制胍膠壓裂液。采用現場的壓裂返排液經過預處理之后配置基液和交聯試驗發現，基液表觀黏度20～40 mPa·s；交聯劑后，快速攪拌，膠體出現脆、碎的現象，無法正常挑掛。觀察液體底部有沉淀產生。因此，必須對其進行處理才能達到重復配液要求。

1.1 壓裂返排液水質分析

現場取原液罐中EM30 和稠化水的混合壓裂返排液10 L，用于室內化驗分析，分析方法和結果參照《胍膠壓裂返排液重復配液水質標準》（Q/SYCQ 3559—2015，標準限值見表1。

表1 壓裂返排液原液分析結果

從表1數據可以看出，除pH 在重復配液水質要求的范圍內外，其他指標均超過重復配液水質要求，分析原因如下：水中的雜質、巖屑、垢、膠體以及細菌導致懸浮物含量高；由于水中的二價鐵被氧化成三價鐵，水由黃褐色變為黑色；聚丙烯酰胺的大分子水解和一些小分子醇類揮發引起COD 變化和氨氮濃度高，這種情況導致水體容易腐敗，臭味大；水中殘留的部分酰胺類物質和表面活性劑的存在，使得水中的膠體非常的穩定；大量地層水混入返排液中，導致水中礦化度離子含量很高，這樣混合的壓裂返排液水樣十分復雜，給回配胍膠壓裂液帶來了很大的影響[9-11]。不同壓裂液在配液時，關注的影響因素不一，這些影響因素也為后期不同體系壓裂返排液之間重復配液創造了可能，也是后期關注的重要指標。

1.2 回配可行性分析

1.2.1 技術可行性研究

1）胍膠壓裂返排液配置胍膠壓裂液。胍膠壓裂返排液中影響重復配液的因素包括有機雜質、殘余胍膠、懸浮物、鈣鎂鐵離子、殘余交聯劑（硼離子）、細菌等[12]。通過氧化降黏、化學軟化除鈣鎂鐵離子、絮凝沉降去除懸浮物和細菌后，殘留的硼離子還是會影響返排液重復配液，需要膜過濾、樹脂吸附的工藝將返排液中的硼離子從 60～80 mg·L-1降到10 mg·L-1以下，這樣便導致處理工藝流程長、工藝復雜、操作難度大，對人員的技術水平要求較高[13]。

2）EM30 壓裂返排液配置胍膠壓裂液。EM30壓裂液的主要特點就是環保低摩阻且可回收，在其返排液中主要含有聚丙烯酰胺聚合物、懸浮物等污染物，胍膠在含有聚合物的溶劑中，線團呈卷曲和緊縮，鏈段之間易于接近形成一些締結點，線團密度增加，導致胍膠溶脹起黏慢[10-11]。這些污染物可以通過常規氧化、絮凝等工藝去除。由于EM30 體系返排液中不含硼離子，在回配胍膠壓裂液時，無需復雜的工藝設備，大大簡化了處理流程，水質穩定。

3）稠化水壓裂返排液配置胍膠壓裂液。由于稠化水壓裂液主要采用長鏈脂肪酸季胺鹽類陽離子配置，不需要加入交聯劑便可攜砂，無需加入大量的化學藥劑[14-15]。現場對稠化水壓裂返排液簡單過濾后多次循化使用，最后的稠化水返排液的礦化度離子濃度很高，因此，對于稠化水返排液重復配置胍膠壓裂液時，應重點關注礦化度離子和懸浮物。

綜上所述，采用EM30 體系和稠化水返排液配置胍膠壓裂液重點關注懸浮物、石油類、高分子聚合物、礦化度離子及細菌。相比采用胍膠壓裂返排液，因為不需要去除硼離子，處理工藝簡單易行，出水穩定，更易于回配胍膠壓裂液，重點是工藝的合理組合，并篩選合理的藥劑配方。

1.2.2 經濟可行性研究

目前，壓裂返排液的主要去處有回注、回配、焚燒、外排等方向，隨著國家環保政策的日益嚴格，回配技術的優勢日益凸顯，將壓裂返排液處理后重復配置壓裂液有如下優點：降低開發成本、減少了環境影響風險、提高了資源化利用率、降低了處理成本。因此，將不同壓裂體系的返排液重復配液技術在經濟和技術上可行，也將會是解決壓裂返排液循環利用最主要的途徑之一。

2 現場工藝的優化及改進

2.1 現場處理工藝流程

根據現場的水質特征和處理要求，采用先除油，減少對后端設備的污堵；然后去除離子和絮凝，降低鈣鎂鐵離子和懸浮物；最后殺菌和抑菌，穩定水質的流程，具體工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

2.2 絮凝藥劑體系優化

目前，返排液處理現場采用無機絮凝劑，主要有聚鋁、聚鐵以及聚硅酸鋁鐵，助凝劑主要有陰離子聚丙烯酰胺和陽離子聚丙烯酰胺。

現場采用傳統絮凝破膠降黏方式，藥劑消耗大，泥水分離難，設備堵塞嚴重。分析原因主要是因為現場返排液中含有大量的酰胺類物質，該物質與加入的無機絮凝劑直接反應，形成大量的膠體，不僅起不到破膠降黏、除懸浮物的作用，而且會使水質更加復雜，處理難度更大。

除絮凝法外，常規的破膠降黏方法還有化學氧化劑破膠（如次氯酸鈉、電絮凝、強酸）、高級氧化法（芬頓、Fe/C 微電解）、生物法等，這些方法操作復雜，運行成本高，另外殘余的氧化劑對后期的重復配液存在嚴重影響，因此，絮凝法是目前破膠降黏的重要方法之一[16～21]。

根據該種情況，現場采用自主研制的HMHN-1絮凝劑和HMHN-2 助凝劑，該絮凝劑適應的pH 范圍廣，溶解度高，殘渣含量小，HMHN-1 絮凝劑能破壞返排液中殘留的酰胺基團，使高分子支鏈斷裂，無法自由延長伸展，黏度快速下降。然后再參與到后面絮凝作用中，去除水中的懸浮物、菌膠團以及油類，與以往的絮凝劑相比，藥劑加量更少，反應速度快，絮凝更加緊實，污泥產量少，降低了加藥量。不同因素對壓裂液性能的影響見表2。

表2 不同因素對壓裂液性能的影響

2.3 過濾系統的改進

現場采用石英砂過濾器+大通量膜的過濾方式，石英砂過濾器長期運行存在濾料板結、濾料腐敗問題，導致過濾器通量下降；過濾器自重大，搬遷困難；設備反洗水量大，運行費用高。

根據上述情況，采用經過活化的鋁硅酸鹽材料作為濾料，該活性濾料經過3 階段的活化反應后，改變了分子結構，使濾料增加了催化性質、增大了表面積以及生產表面電荷的特性。上述特性使濾料具備過濾精度高、抗污染、易反洗、不堵塞的特點，其密度比石英砂低15%，過濾前后指標對比如表3所示。

表3 過濾前后指標對比

由于活性濾料的電吸附和催化特性，因而具有更高的過濾精度，一級過濾效果可以達到兩級的過濾效果，浮油和懸浮物被吸附于濾料表面，而不能進去濾層深處，這樣不僅保證了高精度的過濾效果，而且擁有持續的高通量。

3 現場應用效果

經過藥劑優化和過濾系統的優化后，水質明顯提升，處理前后水質對比如表4所示。

表4 處理前后水質分析

從水質分析報告可以看出，經現場設備處理后的水質完全滿足胍膠壓裂液回配水質要求。項目共處理稠化水和EM30 混合壓裂返排液1 420 m3，處理后水質指標滿足回用要求，全部用于復配長32層的胍膠壓裂液，壓裂過程中加入0.2%的交聯劑JL-3，攜砂效果穩定，最高砂比12%。

4 結 論

目前，將壓裂返排液處理后用于重復配置壓裂液大多停留于室內研究，將不同體系的壓裂返排液處理后重復配液更是鮮有應用于現場，通過室內研究和現場應用得出以下結論：

1）采用優化后的絮凝沉降+過濾處理工藝，可以實現EM30 和稠化水混合壓裂返排液重復配置胍膠壓裂液的清水要求；

2）EM30 和稠化水混合壓裂返排液重復排液的難點是酰胺類膠體、礦化度離子及細菌的去除。破膠降黏屬于返排液處理的預處理關鍵階段，采用HMHN-1 絮凝劑和HMHN-2 助凝劑可以達到了很好的破膠降黏處理效果。

3）采用EM30 和稠化水混合壓裂返排液重復配置胍膠壓裂液的成功案例，充分證明了該工藝在技術上和經濟上可行，為以后的壓裂返排液循環利用和零排放用開辟了新的途徑，為現場的生產施工提供了一定的理論和實踐依據。

4）后期將開發更多體系的壓裂返排液重復配液室內研究和現場應用，最大限度地實現返排液的資源化利用。