返排液中离子对滑溜水性能的影响及循环使用

2020-05-08胡君城

天然气与石油 2020年2期

胡君城

中国石油集团长城钻探工程有限公司, 北京 100101

0 前言

近年来,以页岩气为代表的非常规油气资源得到了越来越多的关注。在页岩气资源开发中,水平井压裂技术的突破是页岩气规模开采的关键。页岩气井压裂规模大,单井入井液量达数万立方米,施工后返排回地面的返排液总量也较大。这些返排液中含有大量无机盐、有机物和各种添加剂,如不经过处理直接排放,一方面会给井场周围环境及地表水造成污染[1],另一方面还会大量消耗水资源,提高作业成本。在页岩气压裂开发过程中,压裂返排液的处理及循环使用技术成为当前研究及应用的主要方向。

页岩气压裂主要使用滑溜水作为主要压裂液体系。评价滑溜水压裂液性能的主要指标是减阻率和黏度[2],减阻率越高,液体流经管路能量损失越小,泵注压力越低;而黏度适当的滑溜水则具有一定的携砂性,同时进入地层后有助于形成复杂裂缝网络[3],提高油气产出能力。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

GWFR-1高效减阻剂,由长城钻探工程公司生产,分子量约600×104～800×104,水解度25%;KHCO3、KCl、Ca(HCO3)2和CaCl2均为分析纯,购买自北京化学试剂厂;除特别说明外,所有实验均使用去离子水[6]。

六速旋转黏度计ZNN-D 6型,由青岛森欣机电设备有限公司提供;环路摩阻测试仪HAMZ-IV型,由江苏华安科研仪器公司提供,实验管路长3 m、管径14 mm,最大流速15 m/s。

1.2 实验内容

1.2.1 配制减阻剂水溶液

量取20.0 L清水,倒入机械搅拌器中,调节搅拌器转速,至液体形成较大漩祸。维持搅拌状态,在1 min内均匀地加入20.0 g减阻剂(质量分数0.1%),继续搅拌使其完全溶解,从搅拌器底部取样品,观察确认无未溶解固体,记录溶解时间后停止搅拌。

1.2.2 减阻剂水溶液黏度测定

将以上用清水配置好的减阻剂水溶液按照SY/T 5107-2005《水基压裂液性能评价方法》[7]中关于压裂液的黏度测定根据进行测定。

1.2.3 减阻剂水溶液减阻率测定

将清水装入管路摩阻测量仪基液罐中,选择测试管路、螺杆泵及流量表,启动螺杆泵,在1 min内将流量从 0 L/min 提升到127 L/min(折算流速≥13.5 m/s),待流量稳定后,记录差压传感器显示的清水流经管路时进出口的压差值[8]。排空清水,将用清水配置好的减阻剂水溶液注入到配液罐中,按照以上相同流程测量差压传感器显示的减阻剂溶液流经管路时进出口的压差值,并每隔1 min记录一次,至10 min后停止。按式(1)计算减阻剂水溶液在不同时间的减阻率[9]。

(1)

式中:η为与清水同一测量条件下减阻剂水溶液相对清水的减阻率,%;Δp0为清水流经管路时的稳定压差,kPa;Δp为与清水在同一测量条件下减阻剂水溶液流经管路时的稳定压差,kPa。

1.2.4 盐对减阻剂溶解性能的影响

表1 清水及盐水中减阻剂溶解时间对比表

Tab.1 Comparison of dissolving time of drag reduction agent in clean water and saline

序号减阻剂浓度/(mg·L-1)添加无机盐种类添加无机盐浓度/(mg·L-1)溶解时间/s01 000——2411 000KCl20 0009821 000KHCO320 00011431 000Ca(HCO3)220 00016141 000CaCl220 000168

1.2.5 盐对减阻剂水溶液黏度的影响

图1 不同浓度的盐对减阻剂水溶液黏度影响曲线图Fig.1 Effect of different salt concentrations on viscosityof drag reduction agent aqueous solution

1.2.6 盐对减阻剂水溶液减阻率的影响

减阻率是滑溜水压裂液的核心性能指标[12]。页岩气水平井体积压裂施工改造规模大,液体排量大,入井时间长,液体需要长时间保持较好的减阻性能,以保障施工顺利进行。在实验室进行评价时,模拟现场施工情况,将流速维持在13.5 m/s以上,并记录10 min内液体的减阻率保持情况[13]，见图2。使用清水配制的减阻剂溶液,初始减阻率在76%以上,且在测试5 min时间内减阻率不发生变化,至10 min后减阻率降低至74%;而添加了浓度为20 000 mg/L的不同种类的盐后,减阻率明显降低。

总体上含有一价阳离子(K+)的无机盐对液体的减阻率影响较小,而添加了含有二价阳离子(Ca2+)的无机盐后,液体减阻率不仅在测试初期明显降低,且随着测试时间的增加迅速下降,尤其是含有CaCl2的液体在测试 10 min 后减阻率只有21%,已不具备实用性能[14]。这是因为减阻剂主要靠降低液体内层间作用力来降低摩阻,而添加的离子可能与减阻剂高分子发生成键作用,导致减阻剂分子间作用力增大,性能发生改变[15]。而高价阳离子体积大,成键作用更突出,甚至可以造成减阻剂分子絮凝沉淀等,因此减阻性能降低更为明显[16]。

图2 不同种类的盐对减阻剂水溶液减阻率的影响曲线图Fig.2 Effect of different kinds of salt on drag reducing efficiencyof drag reduction agent aqueous solution

2 应用部分

2.1 返排液处理及循环使用液体性能

根据以上结果,对页岩气压裂返排液进行针对性处理,着重降低Ca2+和Cl-等离子的浓度,避免二次配液时对滑溜水性能产生较大影响[17]。针对性处理后的返排液水质情况见表2。

表2 针对性处理后返排液水质分析表

Tab.2 Water quality analysis of the flow-back liquid after targeted treatment

(mg·L-1)

使用经过针对性处理后的返排液重新配制减阻剂溶液,并同使用地表水(总矿化度约230 mg/L)及未处理的返排液配制的液体进行性能对比[18],减阻剂添加浓度均为1 000 mg/L,见图3。可以看出,使用处理后的返排液配制的减阻剂溶液,性能有明显提升,接近使用地表水配制的液体性能,已具有较好的应用能力[19]。

2.2 现场应用效果分析

自2018年5月起,威H 70页岩气开发平台施工全部使用经过以上技术处理后的返排液配制滑溜水压裂液施工。根据现场施工曲线计算,平均减阻率为78.5%,施工期间液体性能稳定,施工成功率高。至本文统计时,已累计施工27段,共使用返排液48 640 m3,节约返排液处理成本约980万元，大大降低了污水处理成本和淡水资源的消耗,取得了较好的经济效益。