硼含量对压裂液特性的影响

陈新建 ，康定宇 ，石升委 ，杜佳佳 ，屈撑囤 ，2，李 彦 ，鱼 涛 ，2

（1.西安石油大学陕西省油气田环境污染控制与储层保护重点实验室，陕西西安 710065；2.石油石化污染物控制与处理国家重点实验室，北京 102206）

在油田压裂作业过程中会不断产生大量的返排废液[1]，返排液经过高效破胶、絮凝、除硼及脱除部分金属离子后，重新配制的胍胶压裂液满足《压裂液通用技术条件》要求[2]，是压裂废液再利用的关键。由于压裂返排液中含有较高浓度的硼，且硼在水环境中主要以硼酸的形式存在，现阶段的处理方法难度较大，且浓度越低处理成本越大[3，4]。因此，针对压裂返排液的二次利用降低成本和提高处理效率，分析压裂返排液硼含量对二次利用时的影响关系具有重要意义。

本文主要通过研究蒸馏水、自来水、长六模拟水和处理后返排液中硼含量对压裂液基液黏度、耐温及抗温抗剪切性能的影响，以及硼含量在不同矿化度下对压裂液特性的影响，得出压裂液中稠化剂在不同硼浓度及不同矿化度的影响规律，为处理后返排液回用技术研究提供实验依据[5]。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

羟丙基瓜尔胶（HPG），工业级；硼砂、碳酸氢钠、硫酸钠、氯化镁、氯化钙、氯化钠、氯化钾、氢氧化钠，分析纯。

Haake RV30哈克旋转黏度计（德国哈克公司）。ZNN-D6六速旋转黏度计，青岛恒泰达机电设备有限公司。复杂流体流动特性测定仪，美国。

1.2 实验方法

选择蒸馏水、自来水、长六模拟水和处理后返排液的不同矿化度溶液，通过加入硼砂分别制备不同浓度的蒸馏水、自来水、长六模拟水和处理后返排液，向以上溶液中加入浓度0.4%的羟丙基瓜尔胶制备压裂液基液，并使用氢氧化钠调节pH，硼砂作为交联剂，且加量为0.8%[6]。

1.3 黏度测试

取1.2制备好的压裂液基液350 mL，使用ZNND6六速旋转黏度计测试黏度。

测试条件及方法：30℃恒温水浴保存4 h后，使用ZNN-D6六速旋转黏度计测定100 r/min下的黏度[7]。

1.4 耐温能力测试

向1.2制备好的基液中加入交联剂，形成冻胶，使用复杂流体流动特性测定仪测试耐温性。

测试条件及方法：剪切速率为170 s-1下升高温度，温度变化范围为30℃到100℃，时间为90 min，以压裂液表观黏度降到50 mPa·s时对应的温度为最高耐温温度。

1.5 抗温抗剪切能力测试

测定条件及方法：剪切速率为170 s-1，温度为60℃，剪切时间60 min，使用Haake RV30哈克旋转黏度计测试。

2 结果与讨论

2.1 自来水、长六模拟水及处理后返排液离子含量

自来水和处理后返排液采样进行部分离子测定及长六模拟水中的离子含量（见表1）。

自来水和处理后返排液离子含量分析按照《油田水分析方法》SY/T 5523-2016规定测定。

表1 自来水、长六模拟水、压裂返排液常规离子分析表

2.2 硼含量在不同溶剂下对压裂液特性的影响

2.2.1 硼含量在不同矿化度下对基液黏度的影响 将硼分别按不同浓度通过硼砂加入蒸馏水、自来水、长六模拟水和处理后返排液中配成溶液，配制羟丙基胍胶基液，分别测定其基液黏度（见图1）。

图1 硼浓度在不同矿化度下对基液黏度的影响

根据石油行业标准SY/T 6376-2008《压裂液通用技术条件》[8]。基液黏度降到10 mPa·s以下，不符合标准。由图1可知，蒸馏水中硼含量为1 mg/L，自来水中硼含量为2 mg/L，长六模拟水中硼含量为12 mg/L，处理后压裂返排液外加硼含量为20 mg/L，基液黏度在10 mPa·s以上，超过以上硼浓度限值，基液黏度降到10 mPa·s以下，不符合标准。

图2 蒸馏水中硼对压裂液抗性能力的影响

水溶液中含有硼酸根，就会影响胍胶在水中的溶胀程度，从而影响到基液黏度。由实验数据分析得出，水溶液中初始硼酸根浓度越大，则基液黏度受到的影响程度也越大，在不同矿化度下，超过某一值时，基液黏度大幅度减小，非常明显；这是因为胍胶在水中还来不及完全溶胀，胍胶分子在水中还没有完全伸展延伸，水溶液中加入的硼砂已经与胍胶交联反应，形成相对分子质量和体积都相对较小的胶状形态，导致压裂液基液黏度变小，甚至出现分层，无法交联[9]。

2.2.2 硼浓度在不同溶剂下对压裂液抗温抗剪切性的影响 按照实验方法配制压裂液，在不同溶剂下增加硼浓度，制成溶液，配制不同矿化度下不同硼浓度的压裂液，按压裂液的评价方法对配制的压裂液进行抗温抗剪切评价实验。实验结果（见图2，图3，图4，图5）。

由图2、图3、图4和图5硼浓度在不同溶剂中分别表现出的抗温抗剪切性能可以得出，在蒸馏水中硼含量为1 mg/L时，自来水中含量为2 mg/L时，能够达到压裂液性能要求；长六模拟水和处理后返排液未加硼时，剪切2 min黏度显著下降，不符合要求。

长六模拟水和处理后返排液中矿化度高，用含盐水配胶时，无机盐对水分子的争夺反应将会加剧，因此配胶时抗温抗剪切特性明显弱于其在淡水配胶时的抗温抗剪切能力[10]。

溶剂里面的矿化度不高时，硼浓度影响很大；当里面矿化度较高时，其他离子之间相互作用影响压裂液的性质。由实验分析可知，矿化度不断增加，配制基液的交联速度在很大部分上是小于淡水，交联速度逐渐下降。因为交联剂加入之后依赖于硼酸的水合[11]，大量无机盐离子的存在可能造成高分子的盐析效应[12]，致使网络型高分子链形成比较困难，使得硼交联剂生成羟基硼的速度明显降低，而且因为HPG交联依赖于羟基硼的存在，所以系统中矿化度增加可致使高分子伸展受阻，致使HPG体系交联过程的迟滞[5]。

图3 自来水中硼对压裂液抗性能力的影响

图4 长六模拟水中硼对压裂液抗性能力的影响

图5 处理后返排液中硼对压裂液抗性能力的影响

2.2.3 硼浓度在不同溶剂下对压裂液耐温性的影响压裂液的耐温能力决定了其适用的地层深度，因此，有必要对其耐温性能进行评价[13]。为了考察不同溶剂含硼配制的压裂液在耐温方面的性能，采用不同浓度硼在不同溶剂中配制压裂液。不同溶剂中硼浓度对压裂液耐温性的影响（见图6，图7，图8，图9）。

硼在蒸馏水中含量为0 mg/L和1 mg/L时，对应耐温温度分别为81.62℃和78.81℃；在自来水中含量为0 mg/L、1 mg/L、2 mg/L时，对应耐温温度分别为82.35℃、79.5℃、78.81℃；而长六模拟水和处理后返排液中无外加硼时，耐温温度分别为60.35℃、57.65℃。由此可知，以上硼浓度限值在蒸馏水和自来水中，对压裂液耐温性能无影响；长六模拟水和处理后返排液对压裂液耐温性能影响较大，使之耐温能力在60℃左右，不能达到压裂液性能指标。

图6 硼在蒸馏水中对压裂液耐温能力的影响

图7 硼在自来水中对压裂液耐温能力的影响

图8 硼在长六模拟水中对压裂液耐温能力的影响

图9 处理后返排液中硼对压裂液耐温能力的影响

长六模拟水和处理后返排液里含有较高的Ca2+和Mg2+，由于Ca2+和交联剂硼砂中四羟基硼发生反应；硼砂与可溶性钙盐（氯化钙）反应合成硼酸钙，属于多硼酸盐，主要以六形式存在，反应式为：

硼酸钙，生成不溶于水的硼酸钙，影响胍胶的交联，进而减弱压裂液的耐温性能；不同种类无机盐离子对压裂液特性的不利影响，以Ca2+和Mg2+影响最大，对压裂液的耐温性能产生较大影响[5]。

3 结论

（1）蒸馏水和自来水中硼含量控制到一定量时，可以满足压裂液性能指标；长六模拟水和处理后返排液配液前无外加硼时，均不能符合压裂液性能指标。因此，矿化度较低时，硼含量对压裂液基液黏度、抗温抗剪切性能及耐温性能影响显著，而当矿化度高时，矿化度是影响配液的主要因素。

（2）长六模拟水和处理后返排液不能直接用于配制压裂液，需降低里面矿化度，主要为Ca2+和Mg2+，然后再进行硼含量的控制，才能作为配制压裂液用水。

（3）蒸馏水和自来水中矿化度较低时，蒸馏水和自来水中硼含量分别为1 mg/L和2 mg/L时，才可配制成高性能的压裂液。

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