红河油田压裂返排液回用技术研究

卜有伟（长江大学研究生院，湖北 荆州434023；中石化华北分公司资产装备处，河南 郑州 450006）

郝以周（中石化华北分公司实验中心，河南 郑州 450006）

吴萌，陈雁南（北京矿冶研究总院，北京 102600）

在石油能源的开发过程中，压裂是油气藏改造增产的重要手段之一，众多的压裂开采方式中以水力压裂为主，其中水基压裂液的配制和使用是核心技术之一。在压裂施工作业结束后，部分压裂液将从地层中返排回地面，成为压裂返排液，通常情况下，压裂返排液的量大约占压裂液用量的50%～70%。“十二五”规划期间，红河油田总共施工水平井564口，产生压裂液返排液113.3967×104m3；整个华北分公司施工水平井2968口，生产压裂返排液达到605.8314×104m3。

压裂返排液成分与压裂液配方和地层水水质密切相关。配方中主要包括稠化剂、黏土稳定剂、破乳剂、破胶剂、交联剂、起泡剂、pH值调节剂、杀菌剂等多种成分。返排液所含的污染物成分复杂，包括植物胶、甲醛、水溶性高分子聚合物、固体悬浮物（包括黏土颗粒、压裂砂、地层微粒、破胶残渣等）、原油、溶解性有机物（泥浆处理剂、破乳剂等）、微生物、无机盐、无机酸等。由于油层所在的地层不同，地层水的水质成分相差较大，因此压裂施工结束后返排回地面上的返排液，不仅含有压裂液中本身添加的多种化学物质，还含有少量石油及地层水和油层中的成分，属于高化学需氧量（COD）、高色度、高悬浮物和高溶解性总固体（TDS）的油田作业废水，如将其直接外排，将严重污染周边生态环境。处理后外排，工艺复杂，成本高，已成为压裂施工企业面临的严重负担［1～3］。笔者研究出将返排液处理后直接用于配液的新技术，既可以缩短返排液的处理流程，降低处理成本，又可以在配液时少加、甚至不加氯化钾类黏土稳定剂，从而实现有价成分资源的循环经济利用。

1 红河油田压裂返排液成分普查

红河油田选取HH37P11井、HH37P22井、HH12P27井、HH31P8井、HH55P22井这5口井，检测压裂返排液的溶解性总固体，固体悬浮物，钙、钾离子的质量浓度，硼交联剂质量浓度，化学需氧量等指标。

1.1 溶解性总固体（TDS）

由图1可以看出，TDS变化随返排时间的增加而逐渐增加。说明返排液前期只是加入的成分（主要指压裂液中的添加剂，如黏土稳定剂氯化钾、pH值调节剂等）返回，随着返排时间的增加，地下组分进入返排液，特别是在抽吸阶段（压裂液返排过程分为放喷阶段和抽吸阶段，其中抽吸阶段是指返排液在无法自然返排后，使用抽油机抽吸返排的过程，时间大约在放喷3～4d后）增加显著。

1.2 固体悬浮物（SS）

由图2可以看出，固体悬浮物的质量浓度随时间的变化范围在200～550mg／L之间，表明返排过程中，每天固体悬浮物质量浓度比较稳定。

图1 溶解性总固体（TDS）随时间的变化

图2 固体悬浮物（SS）随时间的变化

1.3 钙、钾离子质量浓度

Ca2＋作为主要的成垢元素，对二次配液会有明显的影响。因此对于返排液中Ca2＋的确定，有助于量化处理工艺。每天返排液中Ca2＋的质量浓度随时间而增大（图3），这是因为Ca2＋主要来自地层水，返排后期主要以地层水为主，因此返排后期的返排液中Ca2＋质量浓度接近地层水中Ca2＋的质量浓度。

K＋主要有两个来源，一是压裂液中添加的KCl，二是地层水中原有的。由图4可以看出，这5口井K＋的质量浓度变化较大。原因可能是压裂液配方中KCl的质量分数不同，也可能是每口井所处的地层对K＋的吸附能力不同造成的。

图3 钙离子质量浓度随时间的变化

图4 钾离子质量浓度随时间的变化

1.4 硼交联剂质量浓度

返排液中残留的硼交联剂对返排液回用处理影响较大，因此必须进行有效监控。由图5可以看出，返排液中硼的质量浓度随着返排时间的延长而减少。

1.5 化学需氧量（COD）

COD主要反映了返排液中有机物的质量浓度。由图6可以看出，除HH55P22井外，其余4口井的COD变化相对平稳，大多在2000～6000mg／L之间。返排前期有机物较多，因此COD值相对较高，后期随着地层水的增加，有机物质量浓度被稀释，COD值下降。

图5 硼交联剂质量浓度随时间的变化

图6 化学需氧量随时间的变化

2 红河油田返排液处理新技术

2.1 返排液处理工艺

研究选用的工艺流程是首先将返排液进行絮凝、沉淀等复合预处理手段去除浮油、悬浮物等成分，使返排液的COD、色度等大幅降低；再利用返排液中有用组分采取诱导发生化学反应，对影响配液的关键成分进行定点清除，达到自净化目的；然后再清除高价无机离子等成分；最后在出水前设置调节步骤，以保证出水中部分助剂质量分数满足压裂液配液要求，可在再次配液时减少助剂用量［4］。工艺流程见图7。

图7 返排液处理工艺流程

2.2 返排液处理成配液用水水质指标

返排液各主要成分对配液会有一定影响，研究制定了配液用水指标，见表1。

2.3 处理后水样配液验证试验

使用新工艺对2口油井的返排液进行处理后，回用作为配液的压裂液（即样品1、2），与压裂液基液和清水配液按照压裂液配方配制成压裂液的性能进行对比评价。基液的黏度变化规律（见图8）与冻胶的抗温抗剪切性能（见图9）等主要指标均能满足配液的要求。

表1 各成分指标要求

图8 基液的黏度变化规律比较

图9 冻胶的抗温抗剪切性能比较

3 结语

1）研究将返排液处理和压裂液配液影响因素综合考虑，开发出一条 “保留对配液有利，去除对配液不利”的新工艺，该工艺对返排液中主要影响成分去除效果明显，配液验证试验表明压裂返排液定点除杂处理后用于配液技术上可行。

2）新工艺不仅降低了返排液处理成本，还可以减少配液时的助剂添加量而节约配液成本，可谓一举二得，再结合原水的水资源使用费和净化处理费用，综合这几项成本考虑，返排液的处理不仅不是负担，而且还有利可图，真正实现了变废为宝。

3）研究首次系统全面提出将返排液处理和压裂液配液工艺综合考虑，以无害化处理、资源化利用为目的，为压裂返排液的处理提出一个新的思路和压裂施工用水的全面解决方案。思路新颖，技术创新，可靠实用，针对性强，具有较好的推广价值。

［1］马云，何顺安，侯亚龙 .油田废压裂液的危害及其处理技术研究进展 ［J］.石油化工应用，2009，28（8）：1～3.

［2］宁方军，王宝辉，高玺莹 .残余压裂液污染防治技术综述 ［J］.辽宁化工，2009，38（9）：667～669.

［3］钟昇，林孟雄 .油气田压裂液处理技术研究进展 ［J］.安徽化工，2006，32（6）：42～44.

［4］倪双明，周山林，谢朝阳 .一种压裂返排液回收处理工艺 ［P］.CN：101475290A，2009－07－08.