瓜胶压裂返排液配制环保型钻井液的工艺研究

艾浩辰，张 凡，李志军，陈 刚,3

(1.陕西省油气田环境污染控制技术与储层保护重点实验室，西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065；2.西安长庆化工集团有限公司，陕西 西安 710068；3.石油石化污染物控制与处理国家重点实验室，中国石油安全环保技术研究院，北京，102206）

压裂技术已广泛用于油田压裂增产技术中。硼交联羟丙基瓜胶压裂体系因具有良好的携砂、滤失性以及流变可控等优点，已成为水基新型压裂液的首选体系[1]。随着压裂规模和井次的增加，瓜胶压裂返排液也成为了导致油田水体污染的主要污染源之一[2]。瓜胶压裂返排液中除原本含有的数十种添加剂如稠化剂、交联剂、杀菌剂、稳定剂之外，还含有从地层中携带的固悬物、微生物、金属离子等。若压裂返排液未及时进行处理或直接外排，周围的环境及土壤会受到严重伤害，尤其是周围的农作物及淡水环境，会受到不可逆转的污染危害，最终威胁人们的生产生活[3-7]。目前国内外对压裂返排液的处理方法主要有外排、回注地层和回用[8-9]。现有技术很难在处理后达到外排水质量指标，且处理成本较高；处理后进行地层回注也有较高的运行成本，初期投入较大且易受回注地层状况的影响。回用可以充分利用返排液中剩余的各种化学添加剂和水资源，并重新使用压裂液，从而有效缓解环境污染的问题，特别在自然资源缺乏的地方，显得尤为重要。

本文研究了将瓜胶压裂返排液用于配制钻井液的可行性。由于压裂返排液中含有的氯化钾成分对黏土的水化膨胀有强抑制作用，难以直接配制钻井液，因此，用瓜胶压裂返排液制备的渗透液，其稳定性受到护胶剂一定的保护。瓜胶压裂返排液因其成分中含有钾盐和铵盐，用其制备的钻井液具有较好的抑制性能，这对于富含黏土地层所需的钻井液极其重要，不仅解决了需要花费高成本处理压裂返排液的问题以及排放后带来的环境危害问题，还可以重复利用其残余的添加剂成分，从而提高钻井液性能，对油气田开采具有环境和经济的双重效益。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

钙基膨润土、钠基膨润土、改性植物酚、瓜胶、低黏CMC（均为工业级）；无水碳酸钠、过硫酸铵（均为分析纯）。

GJSS-B12K变频搅拌装置，ZNN-D6黏度计，液体密度计，NP-01膨胀测定装置。

1.2 溶液的配置

取一定体积的水加入0.3%瓜胶中，用低速搅拌器搅拌均匀后，密封溶胀4h左右。加入四硼酸钠，用玻璃棒搅拌，充分交联后再加入一定量的过硫酸铵，65℃下破胶至黏度小于5 mPa·s，加入1%的KCl。

1.3 瓜胶压裂返排液配制的钻井液的性能评价

在此次实验中，分别配置浓度为8%、12%、16%、20%和24%的钙基膨润土基浆，向1.2中配制的压裂返排液中加入一定比例的络合剂和改性植物酚，调节其pH值为碱性，将返排液和以上浓度的基浆，分别按1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1的比例混合均匀后，再加入一定比例的低黏CMC，评价各配方的性能并优选出最佳混合配方。

在最佳混合配方下，设计了L9(33)正交实验（表1），考察因素为低黏CMC加量、改性植物酚加量、络合剂加量。为确定反应的主要影响因素和较适宜的反应条件，进行了田口分析和极差分析，评价指标为表观黏度、塑性黏度、动切力和滤失量。按照钻井液的国家标准和行业标准，对此次配置的钻井液的各项性能进行检测和讨论，并给出符合实际的评价结果[10-12]。

表1 L9(33)正交实验设计

1.4 瓜胶压裂返排液配制的钻井液对黏土的抑制性

称取8g膨润土烘干后，利用压片装置在10MPa下持续5min，压成需要的样片，取出，测量样片的厚度，并用NP-01测定仪进行膨胀量的检测，按式(1)进行线性膨胀率的计算[13]。

式中，Kr为线性膨胀率，%；K1为样片的膨胀量，mm；K0为样片的厚度，mm。

接着进行泥球实验。先把膨润土在105℃下烘烤2h，然后按m(钠膨润土)∶m(蒸馏水)=2∶1的比例搅拌均匀后，揉成质量约为10g的泥球，并放入盛有不同液体的烧杯中。每过一段时间，进行观察并拍照记录。

1.5 钻井液的可生化性

钻井废水的可生化性，是指废水中的有机污染物被生物分解的困难程度，是废水的关键特性之一，也称为废水的生物可降解性。目前，BOD5/CODCr比值法是评价废水水质指标可生化性最有用的方法。废水的可生化性评价参考数据见表2[14]。

表2 废水可生化性评价参考数据

水质化学需氧量(CODCr)的测定参照HJ 828-2017《水质化学需氧量的测定 重铬酸盐法》[15]。水质5日生化需氧量(BOD5)的测定依据HJ 505-2009《水质五日生化需氧量(BOD5)的测定 稀释与接种法》[16]。水中溶解性氧质量浓度的测定依据GB/T 7489-1987《水质溶解氧的测定 碘量法》[17]。

2 结果与讨论

2.1 瓜胶压裂返排液与基浆的混合比例

利用瓜胶压裂返排液配制钻井液，为了使所制备的钻井液的各项性能较好，将压裂返排液与多种配比的钻井液基浆混匀后，评价了瓜胶压裂返排液与不同比例的基浆混合后的钻井液性能，以便优选出最恰当的混合配比，具体结果见表3。

表3 5个混合比例配置的钻井液的性能检测结果

从表3的数据可以确定，相较于返排液与20%基浆以4∶1混合的配方，返排液与8%、12%、16%的基浆，分别按4∶1、2∶1、3∶1的比例混合后，钻井液的表观黏度和塑性黏度较大；返排液与24%基浆按5∶1混合后，动切力较小，滤失量较大。若要使钻井液的表观黏度、塑性黏度、动切力和滤失量的效果更好，并能重复利用返排液以发挥其优点，则返排液与20%的基浆按4∶1比例混合后配制的钻井液，效果较好。

2.2 20%钻井液基浆与瓜胶压裂返排液混合后的性能

钻井液基浆与瓜胶压裂返排液混合后，其性能会受到不同因素的影响，包括低黏CMC用量、改性植物酚用量、络合剂用量等。择优筛选反应条件，分析影响钻井液实际性能的因素，利用正交实验，对各个影响因素展开评价，结果见表4。

表4 正交实验结果

2.2.1 AV与低黏CMC、改性植物酚、络合剂的均值响应

采用极差法分析表4的实验数据，以确定最佳的反应条件。AV均值的主效应见图1，各项条件的均值响应结果见表5。

图1 AV均值的主效应图

表5 AV均值响应表

由正交实验和极差分析可知，低黏CMC为最大的影响因素，其次是改性植物酚，络合剂的影响较小。正交实验确定的反应条件为：低黏CMC为1.5%，改性植物酚为0.5%，络合剂为0.01%。固定改性植物酚用量为0.5%，络合剂为0.01%，考察不同的低黏CMC加量对20%钻井液基浆混合压裂返排液的塑性黏度的影响，结果见表6。从表6可以发现，CMC为1%时，钻井液的黏度较合适，因此确定低黏CMC的最适加量为1.0%。为了使20%钻井液基浆混合压裂返排液的表观黏度较适宜，最佳条件为：低黏CMC 用量为1.0%，改性植物酚为0.5%，络合剂为0.01%。

表6 低黏CMC加量对钻井液的表观黏度和塑性黏度的影响

2.2.2 PV与低黏CMC、改性植物酚、络合剂的均值响应

PV与低黏CMC、改性植物酚、络合剂的均值主效应图见图2，各项条件的均值响应结果见表7。从正交实验和极差分析结果可知，低黏CMC为首要影响因素，络合剂次之，改性植物酚的影响最弱。正交实验确定的反应条件为：低黏CMC用量为1.5%，改性植物酚为0.5%，络合剂为0.01%。

表7 PV均值响应表

图2 PV均值主效应图

固定改性植物酚用量为0.5%，络合剂为0.01%，改变CMC加入量，考察不同配比的CMC对20%钻井液基浆混合压裂返排液的塑性黏度的影响，结果见表6。由表6可知，当低黏CMC的加量为0.5%时，20%钻井液基浆混合压裂返排液的塑性黏度较小，因此低黏CMC的最适加量为0.5%。为了使20%钻井液基浆混合压裂返排液的塑性黏度较小，最佳条件为：低黏CMC用量为0.5%，改性植物酚量为0.5%，络合剂量为0.01%。

2.2.3 YP与低黏CMC、改性植物酚、络合剂的均值响应

YP与低黏CMC、改性植物酚、络合剂的均值主效应图见图3，各项条件的均值响应结果见表8。从正交实验结果可知，低黏CMC是影响最为显著的因素，其次是改性植物酚，最后是络合剂。正交实验确定的反应参数为：低黏CMC用量为2.5%，改性植物酚用量为1.5%，络合剂用量为0.01%。通过单因素分析确定最佳的CMC配比含量，结果见表9。

图3 YP均值主效应图

表8 YP均值响应表

由表9数据可知，低黏CMC的加量为2.5%时，20%钻井液基浆混合压裂返排液的动切力较大，为了使20%钻井液基浆混合压裂返排液的动切力较大，最佳条件为：低黏CMC用量为2.5%，改性植物酚为1.5%，络合剂为0.01%。

表9 不同加量的CMC对钻井液性能的影响

2.2.4 FL与低黏CMC、改性植物酚、络合剂的均值响应

FL与低黏CMC、改性植物酚、络合剂的均值主效应图见图4，各项条件的均值响应结果见表10。可以发现，改性植物酚是最为显著的影响因素，其次是低黏CMC，最后是络合剂。确定的反应条件为：低黏CMC用量为2.5%，改性植物酚为1.5%，络合剂为0.02%。利用单因素分析方法确定改性植物酚在钻井液配置中的最佳用量，结果见表11。

表10 FL均值响应表

图4 FL均值主效应图

从表11可知，改性植物酚的用量为1.5%时，钻井液的滤失量达到了最小值，因此最佳条件为：低黏CMC用量为2.5%，改性植物酚为1.5%，络合剂为0.02%。综上所述，瓜胶压裂返排液用于配制钻井液的最佳条件为：低黏CMC用量为1.5%，改性植物酚为1.5%，络合剂为0.01%。

表11 不同用量的改性植物酚对钻井液性能的影响

2.3 温度对压裂返排液配制的钻井液性能的影响

不同温度下钻井液的性能参数变化结果见表12。随着温度升高，配置的钻井液的塑性黏度逐渐变差，动切力先降低再增高又减低，滤失量逐渐升高。温度升至150℃时，钻井液的各项性能较好；温度升至180℃，钻井液的滤失量较大，无法满足钻井液要求。

表12 不同温度条件下钻井液的性能变化

2.4 钻井液的可生化性

表13是钻井液的可生化性评价结果。由表13可知，以低黏CMC作护胶剂，用瓜胶压裂返排液配制的钻井液具有较好的生化降解性，对地层的伤害小，表明所配制的钻井液具有环保性。

表13 钻井液的生化性评价

2.5 瓜胶压裂返排液配制的钻井液在水化抑制方面的性能

2.5.1 线性膨胀率

用瓜胶压裂返排液配制的钻井液对膨润土线性膨胀的抑制作用如图5所示。从图5可知，利用瓜胶压裂返排液配制的钻井液以及钻井液上清液，对黏土的水化膨胀有不错的抑制表现。从数据来看，瓜胶压裂返排液配制的钻井液的表现更优，处理90min时，黏土膨胀率只有9.04%，明显低于用蒸馏水及4%氯化钾溶液配置的钻井液，表明用压裂返排液配制的钻井液，抑制水化膨胀的性能更佳，原因在于用瓜胶压裂返排液配制的钻井液中存在大量的铵离子及其他金属离子，从而降低了水化半径，使得这些离子能进入黏土层的微观空间中，凭借着晶格固定来缓解水化膨胀，这也是该钻井液不同于普通钻井液的重要原因[18]。

图5 不同处理剂对黏土线性膨胀率的影响

2.5.2 泥球实验

如图6所示，分别将黏土泥球在清水、钻井液上清液、钻井液泥浆中浸泡24h，直到渗透水化明显，泥球膨胀变大、塌陷，表层疏松，有明显裂缝。从图6可知，泥球b的体积明显比泥球c大，泥球c没有明显的水化膨胀迹象，从外表看不到明显的裂痕。泥球b存在一定的水化膨胀，同时表面更为光滑。实验结果表明，当压裂返排液与基浆充分搅拌混匀后，对黏土有一定的膨胀抑制作用。泥球实验的结果与前面的线性膨胀率的检测数据是相同的，更加佐证了实验结果的正确性。

图6 用不同处理剂浸泡泥球24h后的外观图

3 结论

1）通过正交实验、极差分析及单因素实验，确定了瓜胶压裂返排液和20%基浆混合配制钻井液的最佳配方：低黏CMC用量为1.5%，改性植物酚为1.5%，络合剂为0.01%。经多次实验，优化调整了各成分的配比，优化后的配方对膨润土有很好的抑制膨胀作用，比4%氯化钾的效果更好。同时，配制的钻井液的滤液具有较好的生物降解性，表明用瓜胶压裂返排液配制的钻井液具有环境友好性。

2）压裂返排液回注运行的成本较高，且易引发各种环境安全事件，而先处理至符合标准再排放，又具有较高的技术难度和较大的处理成本，因此将压裂返排液用于配制钻井液，既能利用压裂返排液中的有效成分，又节约了水资源，对油田开采具有环保和经济的双重效益。