东北油气田压裂液返排液重复利用技术.pdf

第 3 2卷 第 4期 2 0 1 5年7月 钻井液与 完井液 DRI LLI NG F LUI D C OM P L ET I ON F LUI D 、 b1 ． 3 2 No ． 4 J ul y 2 01 5 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 ． i s s n ． 1 0 0 1 - 5 6 2 0 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 2 5 东北油气 田压裂液返排液重复利用技术 刘立宏 ， 陈江明 2 7 刘通义 一， 赵众从 ， 戴秀兰 1 ． 中石化东北油气分公司，长春 ； 2 ． 西南石油大学化学化工学院，成都 ； 3 ． 成都佰椿石油科技有限公司，成都 刘立宏等 ． 东北油气田压裂液返排液重复利用技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 5 ，3 2 4 9 2 9 5 ． 摘要针对压裂液返排液量大，净化处理成本高，对环境污染严重的问题，对东北油气田压裂液返排液重复利用 进行了研究。设计并研发了移动式污水处理装置，通过该装置制取了清洁压裂液和瓜胶压裂液 2种返排液的处理液。 用 Ma s t e r s i z e r 2 0 0 0激光粒度仪对处理液进行分析，结果表明，处理液中的固相颗粒去除率达到 9 9 ％ 以上。对处理液 进行了水质分析，结果表明 2种处理液中仍含有大量的C a 、Mg 等离子，北 2 0 1井处理液中还存在难去除的硼酸根 离子，这使得配制的H P G基液提前交联，形成冻胶； 北 2 0 1 井中高浓度的 C a 、Mg 使得 C MG稠化剂不能溶胀起黏。 通过对不同添加剂的优选和用量优化，确定 了利用处理液配制BC G ． 1非交联缔合型压裂液的最佳配方 0 ． 5 ％稠化剂 B C G一 1 0 ． 2 ％ 阻垢剂 B ． 4 3 0 - 3 ％金属离子螯合剂 B C G ． 5 0 ． 1 ％高温稳定剂 B ． 1 3 0 ．4 ％黏度增效剂 B 。 5 5 。性能评价表明 2种处理液配制的压裂液在 1 2 0℃、1 7 0 S 下剪切 1 2 0 mi n液体黏度均能达到 3 0 mP a S以上，耐温耐剪切性好 ；落球 沉降速度小于 0 ． 3 2 4 mm s ～ ，携砂性好 ； 破胶彻底，破胶液黏度小于 5 mP a S ，残渣含量低于 3 0 mg ／ L 。 关键词 重复利用 ； 非交联 ； 返排液处理 ； 水质分析 ； 性能评价 中图分类号 T E 3 5 7 ． 1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 5 0 4 ． 0 0 9 2 ． 0 4 针对水力压裂使用大量的水资源和压裂返排液污 染严重的问题 ，无论从成本还是从环保考虑 ，返排液 的重复利用都是油气 田工业发展的未来趋势 [ 1 】 。目前 ， 国内外对压裂液体系重复利用技术展开了一些研究 和尝试 ，但大多是建立在交联技术之上的 [ 2 - 3 ] o例如 哈利波顿公司研发了低分子量瓜胶压裂液体系 [4 ； 中 国首次报道的有关压裂液重复利用技术 问题 【 5 】 ，研发 的一种改性低分子量瓜胶压裂液体系 ； 李旦等 研 发的一种低 分子量聚合物 F YC 一 2压裂液体 系。这几 种压裂液都是用硼酸盐作为交联剂，虽然耐温都可达 到 1 2 0 o C，但存在基液易提前交联和残渣含量不能彻 底消除的问题。而黏弹性表面活性剂 VE S压裂液 具有无残渣 、施工摩 阻低 、抗剪切等性能 ，但耐温 性不理想 小于 1 0 0 o C ，且高温下无机盐离子会减 小液体的黏度 [ 8 】 。同时，由于压裂液中添加剂 的加人 和进人地层后与地层水 的接触使得返排液成分复杂 ， 矿化度高 ， 处理 困难 ， 再加上定型的处理工艺和设施 ， 增加了边远井 的处理费用 [9 - 1 0 1 。 为此，设计并研制了一套针对压裂返排液回收 再利用移动式处理装置 ，利用该装置中的化学和物理 方式处理后 的返排液透 明度 明显改善 ，并且处理液 与建立在非交联技术上同时具有结构流体性质 的 B C G一 1 压裂液体系中的 B C G一 1 稠化剂具有很好 的兼 容性。研究表 明，采用处理液配制的 B C G． 1 压裂液 具有很好 的抗盐 、 耐温耐剪切 、 携砂、低残渣等特性 ， 实现了压裂返排液的重复利用。 1 返排 液处理及水 质分析 1 ． 1 返排液处理流程 压裂返排液 中含有 大量污泥 、悬浮物 、油 、有 机物和溶解 性盐类 添加 剂、地层离子 等复杂成 分 ，实现返排液的回收利用 ，须对其进行经济有效的 处理。原有 的处理方式是通过罐 车将返 排液拉到废 水处理厂处理 ，这样会 因为人力 、运输、施工 等产 生一系列费用 ，而且程序 繁琐 。由此设计并研制 了 一 套针对压裂返排液 回收再利用移动式污水处理装 置。该装置由高效脱稳装置 处理剂 脱稳剂、碱化 剂、架桥剂 ，固液分离装置和深度净化装置 3 个操 作集装箱组成，图 1 为该装置的处理流程。通过该装 第一作者简介 刘立宏， 高级工程师， 毕业于大庆石油学院开发系油田开发专业， 现在主要从事采油工程和储层改造研究工作。 地址 吉林省长春市和平大街 6 6 0号工程院 ；邮政编码 1 3 0 0 0 0； E - ma i l 1 5 2 0 2 8 0 7 9 8 2 1 6 3 ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 4期 刘立宏等东北油气田压裂液返排液重复利用技术 9 3 置制取 了清洁压裂液和瓜胶压裂液 2种返排液的处理 液。用 Ma s t e r s i z e r 2 0 0 0激光粒度仪分别对处理后 的 返排液溶液中的固相颗粒杂质进行微观分析 ，实验结 果表 明 梨 6 - 2 HF井处理 液和北 2 0 1 井 处理液 ，溶 液 中均 只含有小粒径的固相颗粒 ，颗粒粒径主要分布 在 6 9 ． 1 8 3 ～ 1 6 5 9 ． 5 8 7 I x m 和 1 7 ． 3 7 8 ～6 3 0 ． 9 7 5 la m 范 围内 ，其 中颗粒 总体积 占液体 总体 积百分数分别 为 2 ． 5 4 ％ 和 0 ． 1 6 ％，处理后返排液 中的固相颗粒去除率 达到 9 9 ％ 以上 ，处理液的透 明度 明显改善。 冈 1 东北油气田压裂返排液回收利用处理流程 1 ． 2 处理液水质分析 按 照行业标准 s Y ／ T 5 5 2 3 --2 0 0 0 油气 田水质分 析方 法 测定处理液 中离子浓度 。梨 6 - 2 HF井和北 2 0 1 井处理液化学分析结果见表 1 。结果表 明，返排 液处理液中仍含有大量的 C a 、Mg 等离子，大量 二价金属离子 的存在 ，将对稠化剂的起黏和抗温性能 产生影响。但 另一方面高浓度 c r的存在 ，表明可 以 减少黏土稳定剂 KC 1 的使用 ，降低配液成本。 表 1 各 井返 排液处理液水质分析数据 2压裂 液配 方优选 2 ． 1 稠化剂 用 Z N N． D6型旋转黏度计在 1 0 0 r ／ mi n条件下测 试各稠化剂溶液的黏度 ，实验结果见表 2 。从表 2可 以看 出，缔 合 型稠 化 剂 B C G． 1 在 梨 6 - 2 H F井 和北 2 0 1 井处理液 中溶胀性均 良好 ，其溶胀时间分别为 5 、 4 mi n ，最终表观黏度分别为 6 3 、6 6 mP a S ，能够达 到 自来水 中的 9 1 ． 3 ％ 以上 ； 稠化剂 HP G在 2口井处 理 液 中均能溶胀 起黏 ，其 中，采用梨 6 - 2 HF井处理 液配制 ，基液的表观黏度为 5 1 mP a S ，达到了 自来 水 中的 8 9 ． 4 ％， 稠化剂分子在处理液中溶胀性能良好 ； 采用北 2 0 1 井处理液配制 ， 基液提前交联 ， 形成冻胶 ， 分析原因为该处理液中存在难去除的硼酸根离子造成 的 ； C MG稠化剂在梨 6 - 2 H F井处理液 中溶胀性不好 ， 起黏时间长 ，并且基液表观黏度仅为 3 2 mP a S；同 时在北 2 0 1 井处理液 中，溶液不能起黏 ，并出现絮状 物，可能 的原因是 C MG稠化剂分子中的羧酸根离子 与处理液中高浓度的钙 、镁离子发生化学反应 ，从溶 液 中析出。因此 ，选用 B C G． 1 作为用处理液配制压 裂液的稠化剂 。 表 2 不同稠化 剂在 不同返排液水样和 自来水 新都 中的溶胀情 况 2 ． 2 黏度增效剂 黏度增效剂 B 一 5 5能够与稠化剂溶液产生协 同效 应 ，直接缔 合到稠化剂分子 已存在的疏水微区内，从 而形成可逆结构 的冻胶 ，空 间网架结构 明显 f 1 ，能 显著提高压裂液的表观黏度和结构强度。从表 3可 以 看 出，黏度 增效剂 B 一 5 5加量为 0 ． 4 ％ 时，B C G． 1 压 裂液的表观黏度基本达到最大值 。 表 3 0 ． 5 ％BC G 一 1 压裂液加入 B 一 5 5 后 的黏度变化情况 AV ／ mP a S B _ ％ 丽 2 ． 3 其他添加剂 2种 类型 的处 理液 中都含有 大量 的 C a 、Mg 、 S O 一 和 HC O 。 一 ，使得配成的压裂液进人地层后，在一 定条件下形成垢状沉淀 ， 堵塞支撑裂缝导流通道 [ 1 3 - 1 4 ] ， 很大程度降低压裂增产效果。因此须向处理液中加入 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 4 钴井 液与 完井 液 2 0 l 5年 7月 性能优 良的阻垢剂和金属离子螯合剂。室 内实验研究 结果表明 ，在处理液中加入 0 ． 2 ％ w ／ v 阻垢剂 B ． 4 3 和 0 ． 3 ％ w ／ v 金 属离子螯 合剂 B C G． 5 ，在 6 0℃恒 温水浴中观测 4 8 h ，未发现结垢和沉淀，液体性能稳 定 ，有助于防止返排液 中高浓度金属离子产生二次沉 淀而堵塞支撑裂缝导流通道。另外 ，由于返排液中腐 生有机质多 ，细菌大量繁殖 ，使得处理液 中溶解氧的 含量高。采用处理液配制成压裂液后 ， 在高温条件下 ， 压裂液中的不稳定离子与稠化剂分子作用加剧 ，使得 溶液中稠化剂分子的氧化断链作用增强 ，显著降低稠 化剂分子的热稳定性。因此要 消除这一因素的影响 ， 必须 向压裂液中加入高温稳定剂 。采用 B一 1 3 作 为高 温稳定剂 ，实验研 究表 明，B ． 1 3的用量 只需 0 ． 1 ％， 压裂液的高温稳定性就能较大程度地提高 ， 高于 0 ． 1 ％ 后 ，其作用不会有明显上升，相反会造成压裂液破胶 闲难 。最终确定 B C G一 1 压裂液配方如下 。 0 ． 5 ％ 稠化 剂 B C G． 1 0 ． 2 ％ 阻 垢 剂 B ． 4 3 0 ． 3 ％ 金 属离子螯合剂 B C G 一 5 0 ． 1 ％高温稳定剂B 一 1 3 0 ．4 ％ 黏度增效剂 B ． 5 5 3 B CG． 1压裂 液性能评价 3 ． 1 耐温耐剪切性能 用 R S 6 0 0 0 高温流变仪在 1 2 0 、1 7 0 S - 下，对 采用 自来水或北 2 0 1 井返排液配制 的 B C G一 1 压裂液 进行 了耐温耐剪切性能测试 ，见同 2 、图 3 。 t ／ rain 图 2 采用自来水或北 2 0 1 井返排液配制的 B C G ． 1 压裂液黏度 随时 间变化 曲线 t l mi n 图 3 采用 自来水或梨 6 - 2 H F井返排液配制的 B C G一 1 压裂液黏度随时间变化曲线 从 图 2 、图 3可以看出 ，2种处理液不用 自来水 稀释 ，分别 配制 的 B C G一 1 压 裂液在 1 2 0℃ 、1 7 0 S 下剪切 1 2 0 mi n的表观黏度均能达到 3 0 mP a S以上 ， 显示 了 B C G． 1 在 2种类型的处理液中良好的适应性 。 3 ． 2 携砂性能 表 4为 B C G． 1 压 裂 液 和 H P G压 裂 液 0 ． 5 5 ％ HP G 0 ． 2 ％ 杀 菌 剂 1 2 2 7 交联 剂 0 ． 4 ％C Y B一 1 6 0的 悬浮性评价结果 ，实验使用哈克落球黏度计 C系列 ， 选 择铁镍合 金落球 密度为 8 ． 1 g ／ c m ，直径 为 1 5 ． 6 mm进行测试 ，实验在 8 0 下进行 ，测试前液体 预热 2 0 mi n 。从实验数据 可以看 出，落球在用返 排 液配制 的 B C G． 1压裂液 中的沉降速度 比用 自来水配 制的 BC G 一 1 压裂液中的沉降速度略大 ，但是相 比于 用 自来水配 制的 0 ． 5 5 ％HP G压裂液 中的速度低 ，显 示 了液体具有较好的携砂性 。 表 4 B C G． 1 压 裂液和 H P G压裂液 的悬浮性评价 结果 配 液 水 稠 化 剂沉 降 距 离 沉 降 时 问 沉 降 季 度 m i l l S m m／ s 3 ． 3破胶性 能 分 别 使 用 梨 6 - 2 HF井 和 北 2 0 1 井 返 排 液 配 制 B C G一 1压 裂 液 ，加 入 O ． O 3 ％～0 ． 0 6 ％ w ／ v A P S破 胶剂 ，在 9 0 下静 置 2 h后的黏度分 别为 3 ． 0 、4 ． 5 mP a S ，破胶液黏度满足 S Y／ T 5 6 7 4 --2 0 0 7 压裂用 植物胶通用技术条件 中规定的不大于 5 mP a S 的 要求。彻底破胶后 ，2种液体残渣含量分别为 2 2 、2 9 mg ／ L，残渣含量低 ，对地层的伤害小。 4 结论 1 ． 梨 6 - 2 HF井和北 2 0 1 井返 排液分 别经撬装 式 处理装置处理后 ，处理液中固相含量去除率达到 9 9 ％ 以上 ，且透明度明显改善。 2 ． 水质分析表明 ，2口井返排液处理液 中仍含有 大量的 C a 、Mg 等离子。 3 ． 采 用瓜胶压 裂液施工 的北 2 0 1 井 返排液 的处 理液 ，由于存在难去 除的硼 酸根离子 ，使得 配制的 HP G基液提前交联形成冻胶 ，无法使用 ，同时处理 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 4期 刘立宏等 东北油气田压裂液返排液重复利用技术 9 5 液中高浓度的 C a 、Mg ，使得 C MG稠化剂不能溶 胀起黏 ，因此只能选择其他类型的稠化剂 。 3 ． B C G一 1 稠化剂对这 2种返排液具有 良好的兼容 性 ，形成的压裂液体系在 1 2 0 o C、1 7 0 s 条件下流变 性 能 良好 ，且液体携砂性能强 ，破胶水化彻底 。 4 ． B C G． 1 压裂液实现 了水资源的循环利用 ，对于 促进东北油气分公司的资源开发利用具有重要意义。 参 考 文 献 白品 ． 压裂废水如何处理油气企业纷纷制定水资源战 略 [ N ] ． 中国能源报 ，2 0 1 2 0 5 ． 2 8 0 9． Bai Ji ng． H ow f r act ur i ng was t ewat er t r eat m e nt Oi l c o mp a n i e s h a v e t o d e v e l o p wa t e r r e s o u r c e s s t r a t e g y[ N] ． C h i n a E n e r g y Ne ws ，2 0 1 2 0 5 2 80 9． 张菅 ． 压裂液重复利用技术研究 [ D] ． 西安 西安石油大 学博士论文 ，2 0 1 2 ． Z h a n g J i a n ． F r a c t u r i n g fl u i d r e u s e t e c h n o l o g y r e s e a r c h[ D J _ Xi a n Xi a n P e t r o l e u m Un i v e r s i t y Do c t o r a l Di s s e r t a t i o n， 2 O1 2． 蒲祖凤，庾文静 ，李嘉 ，等 ． 可重复使用压裂液体系开 发与试验 [ J ] ． 钻采工艺，2 0 1 4 ，3 7 1 9 1 9 4 ． P u Z u f e n g ，Y u We n j i n g ，L i J i a ，e t a 1 ． R e u s a b l e fr a c t u r i n g fl u i d s y s t e m d e v e l o p me n t a n d t e s t [ J ] ． Dr i l l i n g＆ P r o d u c t i o n T e c h n o l o gy ，2 0 1 4，3 7 1 J 9 1 9 4 ． Pa r k e r M ， S l a b a u g h B ，W a l t e r s H ， c t a 1 ． Ne w h y d r a u l i c f r a c t u r i n g flu i d t e c h n o l o g y i n c r e a s e s p r o d u c t i o n i n t h e Ba r n e t t s h a l e a n d r e d u c e s i mp a c t o n t h e e n v i r o n me n t[ R] ． S P E 8 0 9 1 2 ， 2 0 0 3 ． 管保山，汪义发，何治武，等 ． C J 2 ． 3型可回收低分子瓜 尔胶压裂液的开发 [ J ] ． 油 田化学 ，2 0 0 6 ，2 3 1 2 7 3 1 ． Gua n Ba os ha n， W a ng Yi f a， He Zh i wu，e t a 1 ． Suc h a s t he d e v e l o p me n t o f l o w mo l e c u l a r we i g h t C J 2 3 r e c y c l a b l e s g u a r f r a c t u r i n g fl u i d[ J 】 ． O i lfie l d C h e mi c a l s ，2 0 0 6 ，2 3 1 27 31 ． 李旦，管保山，王航，等 ． 重复利用压裂液 F YC 一 2体系 性 能及应用 [ J ] ． 石油工业技术监督 ，2 0 1 1 ，1 0 5 - 7 ． Li Da n，Guan Baos ha n，W ang H a ng， e t a1 ． Re us e of fra c t u r i n g flu i d F YC一 2 s y s t e m p e r f o r ma n c e a n d a p p l i c a t i o n [ J ] ． T e c h n i c a l S u p e r v i s i o n i n P e t r o l e u m I n d u s t r y ，2 0 1 1 ， 1 0 5- 7． 李林地，张士诚，徐卿莲 ． 无伤害 V E S压裂液的研制及 其应用 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 1 ，2 8 1 5 2 5 4 ，9 2 ． L i L i n d i ，Z h a n g S h i c h e n g ，X u Qi n g l i a n ． No h a r m v e s f r a c t u r i n g fl u i d d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 1 1 ，2 8 1 5 2 ． 5 4 ，9 2 ． [ 8 ] 刘新全 ， 易明新，赵金钰 ， 等 ． 黏弹性表面活性剂 VE S 压 裂液 [ J ] 油 田化学 ，2 0 0 1 ，1 8 3 2 7 3 ． 2 7 7 ． Li u Xi n qua n，Yi M i ng xi n，Zha o J i ny u，e t a 1 ． Vi s c o e l a s t i c s u r f a c t a n t V E Sf r a c t u r i n g fl u i d [ J ] ． Oi lfie l d C h e mi c a l s ， 2 0 0 1 ，1 8 3 2 7 3 2 7 7 ． [ 9 ] 李兰，杨旭 ，杨德敏 ． 油气 田压裂返排液治理技术研究 现状 [ J J ． 环境工程 ，2 0 1 1 ，2 9 4 5 4 5 6 ． Li Lan， Ya ng Xu， Yang De m i n． The l i qui d t r ea t i ng t e c h n o l o g y f r a c tur i n g fl o wb a c k g a s fi e l d s [ J ] ．E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g，2 0 1 1 ，2 9 4 5 4 5 6 ． [ 1 0 】刘文士， 廖仕孟， 向启贵， 等 ． 美国页岩气压裂返排液处理 技术现状及启示 [ J ] ． 天然气工业， 2 0 1 3 ， 3 3 1 2 1 5 8 ． 1 6 2 ． L i u W e n s h i ，Li a o S h i me n g ，Xi a n g Qi g u i ． T h e U． S ． s h a l e g a s f r a c t u r i n g fl u i d h a n d l i ng t e c h n o l o g y s t a t u s a n d I n s p i r a t i o n r o w [ J ] ． N a t u r a l G a s I n d u s t r y，2 0 1 3 ，3 3 1 2 1 58 1 62． [ 1 1 ]刘通义，黄趾海 ，赵众从，等 ． 新型滑溜水压裂液的性 能研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 1 8 0 _ 8 3 ． Li u Tong yi， Hua ng Zhi ha i， Zha o Zhongc ong， e t a 1 ． P e r f o rm a n c e s t u d y o n a n e w s l i c k w a t e r fra c t u r i n g fl u i d [ J ] ． Dr i l l i n gF l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 1 4 ，3 1 1 8 0 8 3 ． [ 1 2 ]刘通义 ． 新型抗高温清洁压裂液研究 [ D】 ． 成都 西南石 油大学 ，2 0 0 5 5 3 ． 7 3 ． Li u To ng yi ．No ve l hi gh t e mpe r at ur e fra c t ur i n g flui d c l e a n r e s e a r c h [ D] ． C h e n g d u S o u t h we s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y ， 2 005 5 3- 7 3． [ 1 3 】杨振周 ． 影响羟丙基瓜胶 HP G性能的因素 [ J ] ． 钻井液与 完井液，2 0 0 2 ，1 9 3 2 4 ． 2 7 ． Ya n g Zhe n z h o u． Th e f a c t o r s a f f e c t t h e p e r f o r m a n c e o f h y d r o x y p r o p y 1 g u a r HP G[ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n Fl u i d，2 0 0 2， 1 9 3 2 4 2 7 ． [ 1 4 】杜艳霞，钱卫平，万 晓红，等 ． 耐温抗盐疏水缔合水 溶性聚合物性能研究 [ J ] _ 断块油气 田，2 0 0 5 ，1 2 4 56 58． Du Ya n x i a ，Qi a n We i p i n g ，Wa n Xi a o h o n g ，e t a 1 ． T h e wa t e r - s o l u b l e p o l y m e r p r o p e r t i e s s u c h a s t e mp e r a t u r e a n d s a l t h y d r o p h o b i c a s s o c i a t i o n r e s e a r c h [ J ] ．F a u l t B l o c k Oi l ＆ G a s F i e l d ，2 0 0 5 ，1 2 4 5 6 5 8 ． [ 1 5 ]刘素华， 刘徐慧，谭佳 ． 地层水压裂液体系研制 [ J 1 ． 钻井 液与完井液 ，2 0 1 5 ，3 2 2 8 1 - 8 4 ． Li u S uh u a， Li u Xv h u i ， Ta n J i a ． S t u d y o n fra c t u r i n g fl u i d p r e p a r e d wi t h f o r ma t i o n wa t e r [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆ Co mp l e t i o nFl u i d，2 0 1 5，3 2 2 8 1 8 4 ． 收稿 日期2 0 1 5 4 1 9 ；H G F 1 5 0 4 F 1 ；编辑付明颖 Ⅲ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m