壓裂返排液回用影響因素研究

王佳，沈燕賓，路建萍，李俊華

(陜西化工研究院有限公司 陜西省石油精細化學品重點實驗室，陜西 西安 710054)

壓裂液成分與返排液中的主要無機離子的成分很接近，處理后直接作配液用水成為返排液處理工藝主要研究方向[1]。研究表明，由地層混入返排液中的Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+成垢離子含量較高，可影響瓜膠基液交聯和耐溫性能；由殘膠或殘渣腐敗引起的SRB、TGB、FB細菌含量增加，可造成稠化劑腐敗、降黏；交聯劑中的B3+可能影響壓裂液的耐溫、抗剪切性能。因此壓裂后返排殘液必須經過特殊處理才能進行二次利用[2-3]。本文主要研究在返排液中含量較高的總鐵、Ca2+、Mg2+、B3+等因素對返排液回用的影響分析。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

NaCl、CaCl2、MgCl2·6H2O、FeCl3、Fe2(SO4)3等均為分析純；瓜膠、硼砂、有機硼等均為工業品；實驗用水為蒸餾水。

FA2004電子天平；HH-601超級恒溫水浴；ZNN-D6六速旋轉黏度計；101-A型干燥箱。

1.2 實驗方法

依據行業標準《油氣田水分析方法》對壓裂返排液的水質進行檢測。

2 結果與討論

2.1 壓裂返排液主要成分分析

調研油氣田部分壓裂返排液水質情況，共分析了6個返排液樣品水質特性，結果見表1。

由表1可知，返排液具有以下特征：懸浮物含量在60～800 mg/L之間；鈣離子含量在90～4 000 mg/L之間，鎂離子含量在20～500 mg/L之間；總鐵離子含量較高，在1～70 mg/L之間；細菌含量較高，三種細菌總數在0～106個/mL之間。

表1 壓裂返排液成分分析Table 1 Composition analysis of fracturing flowback fluid

2.2 鈣鎂離子含量對壓裂液影響

在瓜膠壓裂返排液處理再利用過程中，水體存在的Ca2+、Mg2+等二價金屬離子會對水體離子強度帶來影響，從而影響瓜膠壓裂液基液的性能[4]。本文選取 Ca2+、Mg2+進行研究。

2.2.1 Ca2+含量對壓裂液的影響 表2是不同濃度的Ca2+對瓜膠壓裂液交聯的影響及基液黏度情況。

表2 Ca2+對瓜膠壓裂液交聯及黏度的影響Table 2 Effect of Ca2+ on crosslinking and viscosity of gua gum fracturing fluid

由表2可知，隨著Ca2+濃度的增大，基液黏度降低，會對后續交聯造成影響。Ca2+的濃度<500 mg/L時，對壓裂液配制的影響小。壓裂液基液溶脹4 h后，加入一定比例的交聯劑，均可形成可挑掛的凍膠。Ca2+的濃度>1 000 mg/L時，黏度下降迅速。向基液中加入一定交聯劑后，均不能形成凍膠。

2.2.2 Mg2+含量對壓裂液的影響 表3 是不同濃度Mg2+對交聯的影響情況。

表3 Mg2+對瓜膠壓裂液交聯及黏度的影響Table 3 Effect of Mg2+ on crosslinking and viscosity of gua gum fracturing fluid

由表3可知，隨著Mg2+濃度增大，基液黏度降低，Mg2+濃度過高，會對基液黏度及后續交聯造成影響。Mg2+濃度<500 mg/L時，黏度變化范圍較小。向溶脹后的基液中加入一定比例的交聯劑，可形成可挑掛的凍膠。Mg2+的濃度>1 000 mg/L時，壓裂液黏度降低。加入交聯劑后，形成非均勻的、不可挑掛的凍膠，甚至不能形成凍膠。

2.2.3 Ca2+、Mg2+對壓裂液共同影響 Ca2+、Mg2+在水中大量存在，在一定程度上會降低壓裂液黏度，從而影響瓜膠壓裂液交聯成膠。分別改變Ca2+、Mg2+的濃度，研究對壓裂返排液共同作用時壓裂液成膠狀況，結果見表4。

表4 Ca2+、Mg2+濃度對壓裂液的影響Table 4 Effect of Ca2+and Mg2+ concentration on fracturing fluid

由表4可知，增加Ca2+、Mg2+離子濃度，會降低壓裂液黏度。

2.3 鐵含量對壓裂液影響

壓裂返排液中總鐵含量為1～70 mg/L，其中主要為Fe3+。配制不同濃度的含鐵水樣對壓裂液的影響，結果見表5。

表5 總鐵交聯情況對比Table 5 Comparison of total iron crosslinking

由表5可知，隨著總鐵含量的增加，壓裂基液的黏度逐漸降低。總鐵濃度<10 mg/L時，交聯好，能用玻璃棒挑掛。總鐵濃度為30，50 mg/L時，高于正常交聯比，交聯時間增加；總鐵濃度70 mg/L時，超過交聯比，無法形成可挑掛的凍膠。

2.4 硼酸根含量對壓裂液影響

壓裂返排液通常含有殘余的交聯劑，重新配制壓裂液會使壓裂液具有較高的初始黏度。返排液處理中硼元素的去除相對復雜，硼酸根對于瓜膠壓裂液的配制具有很大影響[5]。配制不同濃度的硼酸根水樣，研究其對壓裂液的影響，結果見表6。

表6 硼酸根含量對壓裂液黏度的影響Table 6 Effect of borate content on fracturing fluid viscosity

由表6可知，硼酸根含量<10 mg/L，所配制的壓裂液黏度基本在40.0 mPa·s；當硼酸根為 10 mg/L 時，黏度有明顯的降低。這是因為含有較高硼離子時，會使得基液在溶脹過程中出現提前交聯的現象，使得瓜膠在水中提前形成部分凍膠沉積于底部，最終導致凍膠整體性破壞。因此，硼酸根含量<10 mg/L，返排液配制壓裂液后膠體性能的不利影響較小。

2.5 多因素對壓裂液影響

Ca2+、Mg2+、總鐵、硼酸根單獨存在變化時，會對壓裂返排液回用效果產生一定的影響。比如總鐵可降低壓裂液黏度，阻止其形成凍膠。而硼酸根在黏度滿足一定條件下，使壓裂液最終形成凍膠，黏度越低需硼酸根濃度越高[6]。在實際應用過程時，返排液中各因素共同作用，單因素影響研究并不能說明返排液重復利用過程中各因素的影響。因此在單因素研究的基礎上，進一步研究多因素交叉。

按照上述單因素確定的推薦限值后，設計3因素3水平的正交實驗，進一步優化配液用水水質指標的限值，具體見表7、表8。

表7 因素水平表Table 7 Factor and level table

表8 正交實驗表Table 8 Orthogonal experimental table

由表8可知，總硬度、總鐵、硼酸根共同存在時，對壓裂返排液的影響與單獨存在時有差別。其中影響因素為：硼酸根>總硬度>總鐵，優化后的指標為A1B3C1，即總硬度<400 mg/L，總鐵<10 mg/L，硼酸根<3 mg/L。

3 結論

(1)對壓裂返排液的水質進行了檢測，壓裂返排液懸浮物含量在60～800 mg/L之間；鈣離子含量在90～4 000 mg/L之間，鎂離子含量在20～500 mg/L之間；總鐵離子含量較高，在1～70 mg/L之間；細菌含量較高，三種細菌總數在0～106個/mL之間。

(2)Ca2+、Mg2+、總鐵、硼酸根單獨存在變化時，會對壓裂返排液回用效果產生一定的影響。幾種重要元素的技術指標確定為：總硬度<400 mg/L，總鐵<10 mg/L，硼酸根<3 mg/L。