胜利油田瓜胶压裂液返排液回收利用水质指标

袁长忠，潘永强，杜春安，吕永利，梁　雪，汪卫东

（1.中石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营257000；2.中石化胜利油田分公司河口采油厂，山东东营257200）

胜利油田瓜胶压裂液返排液回收利用水质指标

袁长忠1，潘永强1，杜春安1，吕永利1，梁雪2，汪卫东1

（1.中石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营257000；2.中石化胜利油田分公司河口采油厂，山东东营257200）

袁长忠等.胜利油田瓜胶压裂液返排液回收利用水质指标［J］.钻井液与完井液，2016，33（5）：109-113.

通过对胜利油田多口压裂井返排液水质指标的分析，确定了瓜胶压裂液返排液的水质特点。在此基础上，分别考察了pH、还原性离子、硬度、矿化度、含油量和悬浮物含量对瓜胶压裂液性能的影响程度，确定了压裂液返排液回收利用需要控制的水质指标：pH值为6.5～7.5，Fe2+含量不超过5 mg/L，S2-含量不超过2 mg/L，Ca2+不超过500 mg/L，矿化度低于100 000 mg/L，悬浮物不超过300 mg/L，悬浮物和原油含量对瓜胶压裂液的基液黏度和耐温耐剪切性能无影响，说明悬浮物和原油与瓜胶和交联剂都不发生反应。因此，在压裂返排液回用过程中，可适当放宽对原油和悬浮物含量的要求。为压裂液返排液的回收利用提供了依据。

压裂液返排液；瓜胶；回收利用；水质指标

目前，关于水质指标对压裂液性能的影响，林雪丽等［1］利用模拟水考察了无机离子对瓜胶压裂液性能的影响，提出了要得到特性优良的压裂液，需将水中Ca2+、Mg2+的浓度控制在1%以下。蒋继辉等［2］通过模拟井场废水研究了无机盐种类及含量对瓜胶压裂液特性的影响。研究表明，当废水中无机盐质量分数大于1%时，配制的压裂液性能明显下降，其中钙镁等高价阳离子及碳酸根离子对压裂液性能的影响最大，应去除。另外，蒋继辉等［3］还提出在废水回收再利用配制压裂液之前，需控制pH值在6.0～7.5，Ca2+和Mg2+含量分别小于300 mg/L和150 mg/L，Fe2+和Fe3+含量小于 20 mg/L，A13+含量小于20 mg/L，悬浮物含量小于0.2%，细菌含量小于100个/mL。卜有伟等［4］提出压裂返排液回用水质控制指标：固体悬浮物含量小于12 mg/L，铁离子含量小于20 mg/L，成垢离子含量小于200 mg/L，硫化物含量不大于10 mg/L，含油量不大于30 mg/L。于洪江等［5］在对油层水进行分析的基础上，研究油层水中各种金属离子、原油及悬浮物对压裂液基液黏度以及交联的影响。实验结果表明，悬浮物对基液黏度影响很大，羟丙基瓜胶与硼砂交联实验得出，Ca2+、悬浮物对其交联影响很大。尽管以上研究提出了关于压裂返排液回用的水质指标，但与胜利油田的压裂施工配液和压裂返排液的现场情况差别较大。因此在对胜利油田多口压裂井返排液进行水质分析的基础上，考察了各水质指标对羟丙基瓜胶压裂液性能的影响，确定了压裂返排液回收利用水质控制指标。

1　压裂液返排液水质分析

胜利油田多口压裂井的返排液分析结果见表1。从分析结果来看，压裂返排液主要含有一些原油、悬浮物，具有一定的黏度，含有少量的Fe（以Fe2+为主）或S2-，细菌含量少，pH值从中性至碱性，具有较高的硬度和矿化度。

表1　几口压裂井返排液水质分析结果

2　水质指标对压裂液性能影响

采用单因素法，分别考察了返排液主要水质指标对压裂液性能的影响程度，其中压裂液采用羟丙基瓜胶交联型。

2.1pH值的影响

目前，现场应用最广泛的压裂液是有机硼交联瓜胶压裂液［5］。该类型压裂液在pH值为9～12的碱性条件下，用有机硼交联剂和改性瓜胶进行交联得到，在破胶后返排液的pH值为6～9。因此分别用磷酸二氢钠、氢氧化钠和盐酸配制pH值为6.0、 6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0的模拟水，配制0.6%的瓜胶基液，溶胀4 h后测试基液表观黏度分别为94.5、93、93、91.5、3、1.5、1.5 mPa·s。由此可以看出，pH对瓜胶基液表观黏度有较大影响，当pH值为6.0～7.5，瓜胶在水中溶胀较好，当pH值超过8时，瓜胶无法溶胀，在烧杯底部呈泥饼状。因此，考虑溶胀性和经济性，在利用返排液重新配制压裂液时，应将pH值调整到6.5～7.5。

2.2Fe2+和S2-的影响

配制0.6%的瓜胶基液，利用氮气脱氧后，加入FeSO4，配成一定Fe2+含量的瓜胶；向瓜胶基液中加入Na2S，配制成一定S2-含量的瓜胶，混合均匀并静置24 h后，测定其基液黏度，结果如图1和图2所示。

图1　不同Fe2+含量下0.6%瓜胶基液表观黏度

图2　不同S2-含量下0.6%瓜胶基液表观黏度

从测试结果来看，Fe2+和S2-对瓜胶基液黏度都有很大影响，分析认为主要原因是Fe2+和S2-同属还原性离子，在瓜胶基液中不稳定，遇到氧化性因素发生氧化还原反应，导致瓜胶分子断链，从而使黏度下降。这一点可能与还原性离子对聚合物黏度的影响有相似的原理［6-7］。

2.3Ca2+的影响

胜利油田低渗透区块地层水Ca2+含量为0～40 000 mg/L，用CaCl2分别配制不同Ca2+含量的模拟水考察其对瓜胶基液表观黏度的影响，结果如图3所示。从图3可知，含量为0～40 000 mg/L，对瓜胶基液表观黏度影响不大，都在90 mPa·s以上，满足压裂液对基液表观黏度的要求。

图3　不同含量Ca2+对0.6%瓜胶基液表观黏度的影响

随后，考察了Ca2+对压裂液交联和挑挂性能的影响，结果如表2所示。其中交联剂采用有机硼交联剂JL-1，交联剂加量为0.4%。

表2　Ca2+对瓜胶交联和挑挂性能的影响

从表2可知，Ca2+含量大于5 000 mg/L时，有白色絮状物析出，挑挂性能变差，原因是在调节pH值的过程中形成了溶解度较低的Ca（OH）2，导致瓜胶无法形成均匀的冻胶。从交联性能来看，应将Ca2+控制在5 000 mg/L以下。如图4所示，Ca2+含量对瓜胶交联压裂液耐温耐剪切性能的影响较大，当配制用水中Ca2+含量超过500 mg/L时，交联后的瓜胶压裂液，在120 ℃，170 s-1下剪切120 min后，剩余黏度低于50 mPa·s。

图4　Ca2+含量对瓜胶压裂液耐温耐剪切性能的影响

尽管在评价交联性能时，Ca2+含量可以容许到5 000 mg/L，但在耐温耐剪切性能评价时，对配制用水中Ca2+含量容许度仅到500 mg/L，主要原因是交联过程为常温条件，由pH值调节所形成的Ca（OH）2有一定的溶解度，而当在120 ℃模拟油藏温度下，Ca（OH）2的溶解度非常低，此时，Ca（OH）2的大量析出导致所形成冻胶链的断裂，使其耐温耐剪切性能下降。因此，为满足现场施工要求，应将返排液的钙离子控制在500 mg/L以下。

2.4矿化度的影响

胜利油田低渗透区块地层水的矿化度范围为0～200 000 mg/L，其中NaCl占90%，因此以NaCl配制模拟水，来考察矿化度对瓜胶基液表观黏度的影响，矿化度为0、20 000、50 000、100 000、200 000 mg/L时，基液表观黏度为91.5、87.0、85.5、85.5和87.0 mPa·s。从测试结果来看，随着矿化度的增加，瓜胶基液表观黏度呈现先降低后略有升高的趋势，但总体来看，当矿化度在200 000 mg/L以下时，对瓜胶基液表观黏度影响不大。随后，又考察了矿化度对交联和挑挂性能的影响，结果如表3所示。随着矿化度的增大，交联时间不断延长，挑挂性能逐渐变差，造成这种现象的主要原因是，矿物质的存在影响瓜胶分子的伸展，进而影响其交联和挑挂性能。据统计，胜利油田低渗透区块地层水的矿化度大部分在100 000 mg/L以下，返排液的矿化度受地层水的影响，但都不会超过地层水，因此，从基液黏度和交联及挑挂性能来看，可以用返排液来直接配制压裂液。

随后又进一步考察了矿化度对瓜胶交联压裂液体系耐温耐剪切性能的影响，结果如图5所示。

表3　矿化度对瓜胶压裂液交联和挑挂性能的影响

图5　矿化度对瓜胶交联体系耐温耐剪切性能影响

先按照交联剂用量为0.4%，分别考察了矿化度为10 000和20 000 mg/L条件下瓜胶压裂液的耐温耐剪切性能，结果当矿化度达20 000 mg/L时，在120 ℃、170 s-1下剪切120 min后，剩余黏度低于50 mPa·s。随后又将交联剂的用量由0.4%提高到0.5%，结果在矿化度达100 000 mg/L时，在120 ℃、170 s-1下剪切120 min后，剩余黏度高于50 mPa·s，满足压裂施工要求。因此，总体认为矿化度对压裂液的性能影响较小，在矿化度低于100 000 mg/L条件下，仅通过调整交联剂的用量，便可用返排液进行再次配液。

2.5悬浮物的影响

利用较小粒径（微米级）的硅藻土作悬浮物质，加入到自来水中，配制不同悬浮物含量的瓜胶基液，溶胀4 h后测定基液表观黏度，测得悬浮物含量为0、50、100、200、500、1 000、3 000、5 000 mg/L时，基液的表观黏度分别为94.5、99、97.5、94.5、96、96、97、99 mPa·s。由此可知，在所考察范围内，悬浮物对瓜胶基液表观黏度基本没有影响。

随后又考察了悬浮物含量对耐温耐剪切性能的影响，结果如图6所示。

图6　悬浮物含量对瓜胶交联体系耐温耐剪切性能影响

从图6可知，在悬浮物含量低于5 000 mg/L的情况下，对压裂液的耐温耐剪切性能无明显影响。随后又考察了悬浮物对残渣含量的影响［8］，测得悬浮物含量分别为0、50、100、200、300、400、500、600 mg/L时，瓜胶体系的残渣含量分别为260、312、365、459、572、683、784和872 mg/L。由此可以看出，随着悬浮物含量的增加，残渣含量成线性增加，主要是由于污水中的悬浮物杂质，在残渣含量测定过程中被计入残渣含量。因此，为确保残渣含量达到标准要求（小于600 mg/L），应将悬浮物含量控制在300 mg/L以下。

2.6含油量的影响

取胜利油田低渗透区块30 ℃下流动性较好的原油，用乳化机分别配制不同含油量的模拟水，利用该水配制瓜胶基液，测得含油量为0、50、100、150、200、250、500、1 000 mg/L时，基液表观黏度分别为94.5、 96.0、 94.5、 96.0、 94.5、 94.5、 93.0和96.0 mPa·s。由此可知，在含油量低于1 000 mg/L时，原油的存在不影响瓜胶基液黏度。随后又考察了其在120 ℃、170 s-1下交联体系的耐温耐剪切性能，结果如图7所示。从图7可知，含油量对瓜胶交联体系的耐温耐剪切性能也没有影响，说明原油未与交联剂发生反应。

按照各水质指标对压裂液基液黏度影响程度不超过10%，耐温耐剪切性能达到施工要求，确定了瓜胶压裂返排液需要控制的水质指标：pH值在6.5～7.5，Fe2+含量不超过5.0 mg/L，S2-含量不超过2 mg/L，Ca2+含量不超过500 mg/L，矿化度低于100 000 mg/L，悬浮物含量不超过300 mg/L。

图7　含油量对瓜胶交联体系耐温耐剪切性能的影响

3　结论

1.与常规采油污水不同，瓜胶压裂返排液呈弱碱性，具有黏度，Fe2+含量高、硬度和矿化度高。

2.采用单因素法，确定了瓜胶压裂返排液回用需要控制的pH值、铁离子含量、硫离子含量、钙离子含量、矿化度和悬浮物含量等指标，对压裂返排液的回用提供了一定的依据。

3.悬浮物和原油含量对瓜胶压裂液的基液黏度和耐温耐剪切性能无影响，说明悬浮物和原油与瓜胶和交联剂都不发生反应。因此，在压裂返排液回用过程中，可适当放宽对原油和悬浮物含量的要求。

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Quality Index of Water for Recycling Flowback Fluid of Guar Gum Fracturing Fluid in Shengli Oilfield

YUAN Changzhong1， PAN Yongqiang1， DU Chu'an1， LYU Yongli1， LIANG Xue2， WANG Weidong1
（1. Research Institute of Petroleum Engineering， SINOPEC Shengli Oilfield Company， Dongying， Shandon 257000；2. Hekou Oil Production Plant of SINOPEC Shengli Oilfield Company， Dongying， Shandong 257000）

he quality of water from the backflow fluid of guar gum fracturing fluids is determined through analyses of the backflow fluid from multiple wells. The effects of pH， reducing ions， hardness， salinity， oil contents and contents suspended matters on the performance of the guar gum fracturing fluids were studied based on the aforesaid analyses. To recycle the backflow fluid， the water quality should be controlled as follows: pH between 6.5 and 7.5， Fe2+less than 5 mg/L， S2+less than 2 mg/L， Ca2+less than 500 mg/L，salinity less than 100，000 mg/L， and suspended matter less than 300 mg/L. These data provide a basis for the recycling of the backflow fluids of fracturing fluids.

Flowback fluid of fracturing fluid； Guar gum； Recycle； Water quality

TE357.61

A

1001-5620（2016）05-0109-03

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.023

中石化科技攻关项目“非常规压裂返排液无害化处理回用技术研究”（P14011）。

袁长忠，高级工程师，1976年生，毕业于石油大学（北京）应用化学专业，现在从事油田污水处理与资源化技术研究工作。电话 （0546）8557248；E-mail：yuancz007@163.com。

（2016-5-8；HGF=1603N11；编辑王小娜）