压裂返排液回用技术中对干扰基液黏度影响因素的研究

俞 音 ，蒋勇军 ，章媛媛 ，高庆国

（1.新疆环境保护科学研究院，新疆乌鲁木齐 830011；2.新疆环境污染监控与风险预警重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011；3.新疆清洁生产工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830011；4.新疆新能源（集团）环境发展有限公司，新疆乌鲁木齐 830011）

压裂技术现已广泛用于油田压裂增产技术当中，经过不断的发展与进步，羟丙基胍胶压裂体系由于其较好的携砂、滤失性和流变控制性能，已成为当前水基压裂液的主流体系[1-3]。以西南某井为例，在实际生产过程中配制了羟丙基胍胶压裂液约6 000 m3，返排量达到40%左右，说明压裂液的配制不仅耗费大量的水资源，在返排阶段还会产生大量的压裂返排废液。在加上压裂返排液具有高COD值、高黏度、高稳定性等特征，是一种非常稳定、难处理的复合体系[4]。量大、处理成本高、污染严重，使得压裂返排液的处理成为亟待解决的难题。

压裂返排液通过简单预处理后代替清水回用配制压裂液的技术，既能节约水资源，又能解决返排液污染处理难、处理成本高的问题，是一种具有较好的经济-环境-社会效益的处理新思路。为了保证回用技术中配制压裂液基液在黏度性能上能够达到《压裂液通用技术条件》（SY/T6376-2008）中的相关要求，更准确的找出回用配制压裂液技术中需要去除的干扰因素，本文将通过对羟丙基胍胶压裂液基液黏度影响因素进行研究，确定出对黏度影响最大的干扰因素，为压裂返排液回用技术的研究与应用提供基础支撑。

1 基液黏度干扰因素研究

压裂液的性能及变化直接影响到压裂效果，其中压裂液黏度性能的控制尤其重要，它起着悬砂、控制流动摩阻、降低滤失和损害、提高造缝能力和影响残液返排等作用[5]。而压裂液的基液黏度还能够有效表征胍胶的溶胀性能，若基液的表观黏度较小，则表示胍胶未能完全溶胀，不能与交联剂发生有效交联形成冻胶[6]。因此，本文选取 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、悬浮物作为实验因素，控制各因素在不同的浓度水平下，加入GR5-11配成的羟丙基胍胶体系基液中，测定放置不同时间的黏度变化，评价各因素对黏度的影响程度，以此来确定压裂返排液回用预处理需要去除的主要干扰因素。

1.1 Na+、K+对基液黏度的影响

取不同量的NaCl、KCl，浓度梯度从1 000 mg/L到11 000 mg/L，分别加入配制成的0.35%GR5-11压裂液基液，测定从0.5 h到48 h的黏度变化情况，结果（见图1）。

随Na+、K+浓度的增加基液黏度有少许下降，但下降幅度不大，说明Na+、K+浓度的变化对基液黏度影响不大。

1.2 Ca2+对基液黏度的影响

用无水CaCl2配制成浓度为1 000 mg/L、3 000 mg/L、5 000 mg/L、7 000 mg/L、9 000 mg/L、11 000 mg/L 的标准Ca2+溶液，分别加入配制成的压裂液基液中，测定静置不同时间的黏度变化，结果（见图2）。

随着Ca2+浓度从1 000 mg/L增大到11 000 mg/L，基液黏度下降，从峰值33.9 mPa·s下降到15.7 mPa·s，说明Ca2+对基液黏度有较大影响。

1.3 Mg2+对基液黏度的影响

图1 Na+、K+对压裂液基液黏度的影响

取不同量的MgCl2·6H2O配制成浓度为25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L 的标准Mg2+溶液，分别加入配制成的GR5-11压裂液基液，测定静置不同时间的黏度变化，结果（见图3）。

图2 Ca2+对压裂液基液黏度的影响

图3 Mg2+对压裂液基液黏度的影响

图4 Fe2+对压裂液基液黏度的影响

随着Mg2+浓度的增大和时间的延长，基液黏度的测定值和其初始黏度相比相差较大，从峰值31.2 mPa·s下降到17.0 mPa·s，说明Mg2+对基液黏度影响较大。

1.4 Fe2+对基液黏度的影响

取不同量的FeCl2·4H2O配制成浓度为5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L、25 mg/L、30 mg/L 的标准Fe2+溶液，分别加入配制成的GR5-11压裂液基液，测定静置不同时间的黏度变化，结果（见图4）。

随着Fe2+浓度的增大和时间的延长，基液黏度从峰值 31.3 mPa·s下降到 15.0 mPa·s，说明 Fe2+对基液黏度有较大影响。

1.5 Fe3+对基液黏度的影响

用FeCl3·6H2O配制不同浓度分别加入配制成的压裂液基液，测定静置不同时间的黏度，结果（见图5）。

随Fe3+浓度的增加基液黏度整体变化不大，说明Fe3+浓度的变化对基液黏度影响较小。

1.6 Al3+对基液黏度的影响

用AlCl3配制不同浓度分别加入配制成的压裂液基液，测定静置不同时间的黏度，结果（见图6）。

随Al3+浓度的增加基液黏度整体变化不大，说明Al3+浓度的变化对基液黏度影响不大。

1.7 悬浮物对基液黏度的影响

由于配制标准的悬浮物较为困难，会与实际产生的压裂返排液中悬浮物组分、含量区别很大，故在悬浮物影响实验时，选取了三个实际产生并单井处理压裂返排液的点位，并分别取三个主要悬浮物去除的工艺段处理后的压裂返排液作为实验原样。

取三个不同井位X4井、X10井、X基地，不同工艺段分为固液分离、二次活性炭过滤、三次精细过滤处理后的压裂返排液，配制成浓度为0.35%GR5-11压裂液基液，测定静置不同时间的黏度，结果（见图7）。

从图7可以看出，X4井原样进行固液分离阶段后，悬浮物含量下降37.8%，配制成的基液从6 h～48 h黏度平均上升54.95%；固液分离后进行二次活性炭过滤悬浮物降低64.19%，配制成的基液从6 h～48 h黏度平均上升42.24%；二次活性炭过滤后进行三次精细过滤，悬浮物降低64.15%，配制成的基液从6 h～48 h黏度平均上升35.48%。

X10井原样进行固液分离阶段后，悬浮物含量下降43.85%，配制成的基液从6 h～48 h黏度平均上升55.25%；固液分离后进行二次活性炭过滤悬浮物降低13.70%，配制成的基液从6 h～48 h黏度平均上升40.65%；二次活性炭过滤后进行三次精细过滤，悬浮物降低60.32%，配制成的基液从6 h～48 h黏度平均上升33.96%。

图5 Fe3+对压裂液基液黏度的影响

图6 Al3+对压裂液基液黏度的影响

图7 不同井位、不同工艺段压裂液返排液配制基液黏度变化

X基地原样进行固液分离阶段后，悬浮物含量下降37.25%，配制成的基液从6 h～48 h黏度平均上升60.07%；固液分离后进行二次活性炭过滤悬浮物降低59.38%，配制成的基液从6 h～48 h黏度平均上升42.69%；二次活性炭过滤后进行三次精细过滤，悬浮物降低63.08%，配制成的基液从6 h～48 h黏度平均上升29.86%。

2 干扰因素实验结果分析

本文选取 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、悬浮物作为实验因素，评价各因素对压裂液基液黏度的影响，完成干扰因素实验，得到以下实验结果（见图8）。

2.1 二价阳离子对基液黏度影响较大

根据《压裂液通用技术条件》（SY/T6376-2008）中的相关要求20℃～60℃，基液表观黏度达到10 mPa·s～40 mPa·s；60 ℃～120 ℃，基液表观黏度达到 20 mPa·s～80 mPa·s；120 ℃～180 ℃，基液表观黏度达到 30 mPa·s～100 mPa·s。Ca2+、Mg2+、Fe2+随着浓度的增加，基液黏度都下降到了20 mPa·s以下，说明其浓度的增加已经对基液黏度产生了较大影响，就《压裂液通用技术条件》（SY/T6376-2008）中关于基液表观黏度的要求一项已经基本达不到配制压裂液的标准。

图8 影响基液黏度变化主要因素对比图

具体而言，随Ca2+的浓度增加黏度降低50.2%、随Mg2+浓度增加黏度降低40.9%、随Fe2+的浓度增加黏度降低44%，而一价、三价阳离子随浓度增加基液黏度变化较小，下降率在20%以下。

综上，Ca2+、Mg2+、Fe2+等二价阳离子相较于一价、三价阳离子来说，其浓度变化对基液黏度的影响较大，分析原因可能是二价阳离子对于大分子线团存在屏蔽作用导致链的卷缩，分子线团尺寸的减小，导致基液黏度的下降。因此二价阳离子将会作为回用技术预处理时需要去除的主要影响因素。

2.2 悬浮物对基液黏度影响大

悬浮物对基液的黏度影响实验结果显示，X4井、X10井、X基地，压裂返排液原样从固液分离到三次精细过滤后，配制成的基液黏度随着悬浮物的降低，分别平均升高了44.23%、43.28%、44.41%。说明随着悬浮物含量的增大和时间的延长基液黏度会呈现明显下降趋势。分析原因可能是压裂返排液中的悬浮物能与胍胶发生絮凝作用，发生沉降反应，破坏分散体系，影响基液黏度。说明悬浮物是影响压裂液基液黏度的主要因素，应该在压裂返排液的处理工艺上严格控制悬浮物的浓度。

3 结语

在压裂技术的使用过程中，不仅需要大量的清水配制压裂液，同时还会产生大量的对环境危害较大的返排液需要处理，且处理到达标排放标准难度大。压裂返排液回用处理技术，将预处理后的压裂返排液代替新鲜水，用于配制压裂液，是一种处理新思路。但是在压裂返排液回用技术应用过程中，必须将影响压裂液配制的干扰因素去除才能有效的配制能够满足生产需要的压裂液，本文选取 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、悬浮物作为实验因素，控制各因素在不同的水平下，加入到GR5-11配成的基液中，测定放置不同时间的黏度变化情况，评价各因素对压裂液基液黏度的影响。结果显示出Ca2+、Mg2+、Fe2+等二价阳离子以及悬浮物对压裂液基液的黏度影响大，是需要在预处理中去除的主要干扰因素。在后续压裂返排液回用技术中要进一步调整药剂配方，优先去除或掩蔽这些干扰因素，为压裂返排液回用技术的研究与应用提供基础支撑。