绿色清洁滑溜水重复利用技术在瓜尔胶返排液中的应用

2020-12-14徐太平李栓

当代化工 2020年10期

徐太平李栓

摘要：随着单井压裂规模的加大、压裂井次的增多，压裂返排液的重复利用需求逐渐增多。通过引入速分散、耐矿化度单体，提高降阻剂SLW-1的溶解及耐盐性能，通过加入耐温稳定剂TS-2提高瓜尔胶返排液配置的滑溜水耐温性能。当KCl和CaCl2质量分数为0%～10%时，SLW-1降阻率保持在75%。在室温条件下，SLW-1的溶解时间约为15 s;当硼离子质量浓度为0～40 mg·L-1时，降阻率维持在76%以上;当过氧化物质量浓度为0～60 mg·L-1时，降阻率保持在76%～77%之间。SLW-1及瓜尔胶返排液分别配置的滑溜水溶解速度均为 15 s，降阻率分别为76.5%、76.2%、76.0%;6 000 s-1剪切5 min，降阻率均为76%以上。SLW-1返排水配置的滑溜水在150 ℃时，降阻率为76.2%;瓜尔胶返排液配置的滑溜水加入耐温稳定剂TS-2后，在150 ℃时体系降阻率可以保持在75%;加入TS-2后的瓜尔胶返排水配置的高黏液体在120 ℃剪切100 min，黏度保持在 100 mPa·s以上。

关键词：滑溜水;压裂返排液;水质分析;重复利用;瓜尓胶

中图分类号：TE133 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）10-2203-05

Abstract： With the increase of fracturing operations， the reuse of fracturing recycling fluid has attracted attention widely. The solubility and salt resistance of reducer SLW-1 were improved by introducing fast dispersing and mineralization-resistant monomers. The temperature resistance of slick water with guar gum flow-backwater was improved by adding TS-2 as a temperature-resistant stabilizer. When the mass fraction of KCl and CaCl2 was 0%～10%， the resistance reduction rate of SLW-1 remained at 75%. At room temperature， the dissolution time of SLW-1 was about 15 s.When boron ion concentration was 0～40 mg·L-1， the resistance reduction rate maintained above 76%. And when peroxide content was 0～60 mg·L-1， resistance reduction rate maintained between 76%～77%.The dissolution rates of SLW-1 and guar gum reflux solution were 15 s， the resistance reduction rates were 76.5%， 76.2% and 76.0%，respectively.And after shearing for 5 min， all three resistance reduction rates were more than 76.0%. The resistance reduction rate of SLW-1 with slick water flow-back water was 76.2% at 150 ℃. When TS-2 was added to the slick water with guar gum flow-back water， the resistance reduction rate of the system could be maintained at 75% at 150 ℃. When TS-2 was added to the high-viscosity liquid with guar gum flow-back water， the viscosity of the system could be maintained at 100 mPa·s after shearing in 100 min at 120 ℃.

Key words： Slickwater; Flow-back water; Water analysis; Recycling; Guar gum

隨着我国环保要求的不断提高，天然气作为一种清洁能源得到越来越广泛的应用。无论是煤改气取暖项目，发电项目，燃料、动力项目等，都需要或即将需要消耗更多的天然气资源。国内易于开采的天然气藏较少，不足以满足市场需求，借鉴北美国家的页岩气技术变革经验，近几年来，开采天然气的水力压裂作业迅猛发展，并屡获突破[1-4]。

水力压裂作业过程中对水资源的依赖较大，一方面是配置压裂液对水资源的需求量大，另一方面是作业完成后污水（返排液）也较多，处置不当会造成多次污染。压裂返排液重复利用可以从水源问题及返排液处置问题两方面，有效解决该问题。然而，瓜尔胶压裂返排液因其含有过多杂质，即便经过现场处理工艺后，其处理水直接重复配置瓜尔胶压裂液，会出现部分问题，影响施工效果。

瓜尔胶压裂液是目前应用最为广泛的压裂液，性价比较高。随着压裂作业的普及和推广，瓜尔胶压裂返排液的排放总量逐渐增多;同时国内环保要求越来越高，且降低压裂成本的内在需求，瓜尔胶返排液重复配置压裂液应用逐渐受到青睐。现场一般采用物理化学及膜处理等联合处理工艺去除返排液中杂质及部分离子，但是瓜尔胶返排液重复配置压裂液目前仍然存在着瓜尔胶溶解不充分、耐温性能差、提前破胶、施工摩阻高、携砂能力不足等问题[5-8]。

因此，适时推出一款可采用压裂返排液配置的滑溜水压裂液体系非常重要，不仅可以减少水资源的使用量，而且可以将返排液循环使用，从而达到更高的经济效益[5，9]。

滑溜水对配液水的要求较低，且滑溜水的耐盐性能较好，部分性能对温度适应性强。因此尝试采用瓜尔胶返排液配置滑溜水重复利用方案。本文通过滑溜水分子设计机理入手，引入耐盐、速分散单体，改善滑溜水体系耐盐、耐温、抗剪切以及增稠性能，使用过滤掉不溶颗粒后的瓜尔胶返排液为配液水，配置成滑溜水回用体系，并进行应用实验评价。

1 室内实验

1.1 实验药品

降阻剂（SLW-1，自制）、耐温稳定剂（TS-2，自制）、去离子水;过氧化铵、氯化钾、氯化钠、氯化镁、氯化钙，工业级，天津市福晨化学试剂厂;SLW-1现场返排液、瓜尔胶现场返排液。

1.2 实验仪器

便携式水质分析仪、恒温干燥箱等。

2 实验方法

2.1 实验原理

通过引入耐盐、速分散单体，使得SLW-1的耐矿化度、耐剪切及溶解性能得到较大提高，同时具有摩阻小、容易返排的特点。

通过加入耐温稳定剂除掉瓜尔胶返排液中的过氧化物，提高返排液配置滑溜水的耐温性能。

2.2 返排液处理

SLW-1、瓜尔胶返排液均经过过滤处理，除掉悬浮物质和机械杂质。

2.3 返排液水质分析

通过便携式水质分析仪检测过滤后液体中离子质量浓度。

2.4 滑溜水配置

将SLW-1加入去离子水中配置成质量分数为0.1%的溶液，记录其溶解时间，并测试降阻性能。

将SLW-1加入SLW-1返排液（过滤后）中配置成质量分数为0.1%的溶液，记录其溶解时间，并测试降阻性能。

将SLW-1加入瓜尔胶返排液（过滤后）中配置成质量分数为0.1%的溶液，记录其溶解时间，并测试降阻性能。

2.5 高黏型滑溜水配置

将SLW-1加入去离子水中配置成质量分数为0.25%的溶液，测试耐温耐剪切性能。

将SLW-1加入瓜尔胶返排液（过滤后）中配置成分数为0.25%的溶液，测试耐温耐剪切性能。

2.6 降阻率测试

降阻率测试基本条件：采用开路式摩阻议测试，管径10 mm，流速 30 L·min-1。

3 实验结果

3.1 SLW-1耐盐性能

为考察SLW-1耐盐能力，向去离子水中分别加入一定质量分数的KCl和CaCl2，测试其降阻性能。测试结果如图1、图2所示。由图1、图2可以看出，当KCl和CaCl2质量分数为0%时，SLW-1的初始降阻率都为78%;当KCl和CaCl2质量分数为10%时，SLW-1的降阻率分别为77%和76%;表明当KCl和CaCl2质量分数为0%～10%时，对SLW-1的降阻率影响较小。

3.2 硼离子的影响

硼离子有效质量分数能够增加瓜尔胶基液黏度，增加溶胀时间等[4，11]。因此测试硼离子对滑溜水性能的影响。

将0.1%质量分数为SLW-1加入含有硼离子的去离子水中，测试室温条件下，不同硼离子质量分数条件下SLW-1的溶解时间及降阻性能，如表1所示。

由表1数据得知，随着硼离子质量分数的增加，滑溜水的溶解时间保持在15 s不变，其降阻率可维持在76%以上。表明硼离子质量分数对滑溜水降阻率影响较小。

3.3 过氧化物的影响

瓜尔胶返排液中一般都会含有过氧化物，主要来源于残余的破胶剂，其质量分数与破胶剂的加入量有关。过氧化物会对瓜尔胶压裂液的基液和交联胶都会产生重要影响 [12]。

配置不同质量分数过氧化物的盐水，并加入0.1%质量分数的SLW-1制备成滑溜水溶液，并测试其溶解时间及降阻性能。

由表2数据可知，在室温条件下，随着过氧化物质量分数的增加，滑溜水的溶解时间约为15～16 s，变化不明显，其降阻率保持在76%～77%之间。

3.4 返排液水质分析结果

SLW-1及瓜尔胶返排液水质分析结果如表3所示。

由表3数据可以看出，SLW-1返排液中Ca2+质量浓度为162.01 mg·L-1，Mg2+質量浓度为 13.37 mg·L-1，Cl-质量浓度为12 435.66 mg·L-1。瓜尔胶返排液中Ca2+质量浓度为201.33 mg·L-1，Mg2+质量浓度为113.7 mg·L-1，Cl-质量浓度为8 039.51 mg·L-1，B3+质量浓度为27.31 mg·L-1。

3.5 返排液配液性能测试

将质量分数为0.1%的SLW-1分别加入SLW-1返排液和瓜尔胶返排液中，测试其溶解时间及减阻性能，如表4所示。

由表4可以看出，去离子水、SLW-1和瓜尔胶返排液分别配置的滑溜水在25 ℃条件下，溶解速度均为15 s，降阻率分别为76.5%、76.2%、76.0%。可以得出这几类液体配置的滑溜水降阻率数值相差不大，表明SLW-1的降阻效果受返排液离子质量浓度影响较小。

3.6 抗剪切性能

使用瓜尔胶返排液和SLW-1返排液分别配置滑溜水，在室温条件下6 000 s-1剪切5 min，测试其降阻性能，如图3所示。由图3可以看出，两种返排液配置的滑溜水降阻率均为76%以上，且基本保持不变。表明瓜尔胶返排液和SLW-1返排液分别配置滑溜水抗剪切性能优异。

3.7 耐温性能

返排液配置滑溜水耐温性能如图4所示。由图4可知，SLW-1返排水配置的滑溜水在150 ℃时，降阻率为76.2%，耐温性能较好。瓜尔胶返排液配置的滑溜水随着测试温度的升高，降阻率由90 ℃对应的70%左右，快速降低至150 ℃对应的50%以下。可能是由于瓜尔胶返排液中含有的少量过氧化物，在高温条件下将SLW-1氧化降解，降低了SLW-1的相对分子质量，降低了溶液中的网状结构的稳定性，从而降低了体系的降阻率。因此向瓜尔胶返排液中加入耐温稳定剂TS-2[13-14]后测试其降阻性能，如图4（c）所示。由图4（c）可以看出，加入TS-2后，体系降阻率在150 ℃时，可以保持在75%，受温度影响显著降低。

将降阻剂SLW-1配置成高黏液体测试耐温性能如图5所示。由图5可知，加入TS-2后的瓜尔胶返排水配置的高黏液体在120 ℃剪切100 min，黏度保持在100 mPa·s以上。

4 结论

1）当KCl和CaCl2质量分数为0%～10%时，对SLW-1滑溜水的降阻率影响较小。

2）当硼离子质量浓度为0～40 mg·L-1时，SLW-1的溶解时间保持在15 s不变，其降阻率维持在76%以上。

3）在室温条件下，当过氧化物质量浓度为 0～60 mg·L-1时，滑溜水的溶解时间约为15～16 s，其降阻率保持在76%～77%之间。

4）去离子水、SLW-1返排液和瓜尔胶返排液分别配置的滑溜水在25 ℃条件下，溶解时间均为15 s，降阻率分别为76.5%、76.2%、76.0%。

5）使用瓜尔胶返排液和SLW-1返排液分别配置滑溜水，在室温条件下以6 000 s-1剪切5 min，降阻率均为76%以上。

6）SLW-1返排水配置的滑溜水在150 ℃时，降阻率为76.2%，耐温性能较好。瓜尔胶返排液配置的滑溜水，降阻率由90 ℃对应的70%左右，快速降低至150 ℃时的50%以下;加入耐温稳定剂TS-2后，体系降阻率在150 ℃时，可以保持在75%。

7）加入TS-2后的瓜尔胶返排水配置质量分数为0.25%的SLW-1压裂液在120 ℃剪切100 min，黏度保持在100 mPa·s以上。

参考文献：

[1]郭刚，薛小佳，吴江，等.新型致密油藏可回收滑溜水压裂液的研发与应用[J].西安石油大学学报（自然科学版），2017，32（2）：98-104.

[2]陈效领，李帅帅，刘勇.致密油层体积压裂滑溜水体系研究及在昌吉油田的应用[J].石油地质与工程，2015，29（5）：175-180.