水基压裂液重复使用技术的现状及发展趋势

王满学 ，刘建伟 ，何静 ，王永炜 ，邹枫

（1.西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065；2.中国石油吐哈油田分公司工程技术研究院，新疆 鄯善 838202；3.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西 西安 710075；4.中国石化中原油田分公司工程技术管理部，河南 濮阳 457001）

0 引言

随着水力压裂技术的不断进步，压裂规模越来越大，用水量从原来的每井次100 m3提高到10 000 m3以上。在压裂作业后，这些压裂液组分、泥砂、油气和地层水等随破胶液一起返排到地面。如果这些废液处理不当，会对井场周围土壤、植被和地表水造成一定程度的影响。随着《安全生产法》和《环境保护法》等相关法规的实施，相关部门要求企业在生产的每个环节零排放，这促使油田采取相应技术措施，对压裂返排的废液进行回收处理和再利用。

水基压裂返排液的重复使用技术（即水基压裂液重复使用技术）是近年来兴起的一项“节能、降耗、绿色、环保”型压裂液技术，该技术利用处理后的返排液配制压裂液，既回收利用返排液中的水资源，同时又尽可能利用其中的有效化学剂，做到了降低压裂综合成本、保护环境和资源的充分利用，是今后水基压裂液技术的一个发展方向。

从目前文献报道来看，水基压裂液重复使用技术存在定义界定不清、技术术语使用混乱、技术水平落后，且没有统一的技术评价标准等问题，因此，有必要对水基压裂液重复使用技术现状进行梳理，对其未来开发研究方向进行思考。

1 技术研究应用现状

1.1 国外

2002年，Halliburton公司研究开发了一种可重复使用的低相对分子质量瓜尔胶压裂液体系［1］。具体方法是：采用特殊的工艺将普通大分子的瓜尔胶切割成20～30段小分子，除去其中纤维素和蛋白质等水不溶物，提高瓜尔胶在水中的溶解性；以改性瓜尔胶为增稠剂，硼酸盐为交联剂，不需要破胶剂，依靠地层矿物来调节压裂液的酸碱性，实现控制压裂液快速交联和破胶。更重要的是，改性的瓜尔胶分子链在破胶过程中没有被破坏，保证了回收处理后的返排液在压裂施工后能继续配制压裂液，并且所制备的压裂液性能与黏弹性表面活性剂压裂液相类似，现场施工效果也优于新配制的压裂液。

2004—2009年， D.V.S.Gupta 等［2-3］采用重力分离、热处理、碱洗和絮凝沉淀等常规的水处理工艺，分别对不同类型的破胶返排液进行回收处理，然后采用清水对处理后的返排液进行稀释，使水质满足配制压裂液要求，实现了压裂返排液的回收和重复利用。

2013年，L.Fontenelle 等［4］提出采用电凝法和化学添加剂联合处理的方式对压裂返排液处理，实现了返排液的重复利用。

2013年，Q.Y.Jiang 等［5］利用陶瓷膜过滤和离子交换法对压裂返排液进行了处理，有效消除了可溶性固形物，提高了排液水的外观，使处理后的压裂返排液水质满足重复配制压裂液的水质要求。

通过对压裂返排液初步处理，实现了对废液中水资源的回收利用，但未对返排废液中大量的有用化学剂进行回收、利用。

1.2 国内

国内也对水基压裂液重复使用技术进行了研究和现场试验。依据该技术在国内研究和应用情况［6-18］分为3个阶段：第1阶段是通过对普通瓜尔胶压裂返排液进行氧化、絮凝等处理，先从返排液中“取水”，然后再配制压裂液的水基压裂液重复使用技术初级阶段，其技术特点是对压裂返排液中的水进行回收，未对其中大量的有效组分进行利用，同时在对压裂返排液进行回收处理过程中又产生二次污染；第2阶段是通过对改性瓜尔胶压裂返排液进行回收处理，利用返排液中部分化学剂组分，减少了二次利用时添加剂的加量，降低了压裂液制备成本；第3阶段是采用新型水基压裂液重复使用技术，充分利用压裂返排液中的有效资源，显著降低压裂液的制备成本和废物对环境的危害，是水基压裂液重复使用技术的最高阶段和终极目标。

以制备水基压裂液重复使用技术的增稠剂为主线，介绍压裂液重复使用技术研究及其应用现状。

1.2.1 瓜尔胶类压裂液

2006年，管保山等［6-8］首先采用一种特殊的制造工艺，降低瓜尔胶相对分子质量，同时在瓜尔胶分子链上引入亲水性基团，重新得到一种易水解和小分子的瓜尔胶CJ2-3。以CJ2-3为稠化剂、硼离子为交联剂，制备了在地层内可自动破胶的能回收利用的一种新型水基冻胶压裂液。0.35%CJ2-3压裂液基液（pH值为8.5）黏度仅12 mPa·s，且压裂液的热剪切性能稳定。在回收处理后的返排液中通过补加各种添加剂，再重新制备可回收压裂液，其性能与原始压裂液一致。该技术在长庆油田进行了3口油井压裂施工，压裂液的返排率高达92.9%。

2006年，庄照锋等［9］从交联与非降解性破胶剂机理及非降解性破胶途径出发，探讨了羟丙基瓜尔胶/硼冻胶压裂液回收再利用的可行性，分析了该体系的压裂液冻胶在无通用破胶剂情况下的非降解性破胶机理。通过讨论使用缓释酸及3种非降解性破胶方法，作者认为非降解性破胶不会影响低相对分子质量压裂液的回收和再利用。通过重新调节回收处理后的破胶返排液pH值，实现破胶液的再利用。该技术对减少环境污染、节约生产成本、提高压裂施工效果，具有重要的现实意义。

2011年，李谦定等［10］针对南泥湾采油厂压裂施工后返排液多、处理费用高等问题，研究了以羟丙基瓜尔胶为稠化剂、硼砂为交联剂、缓释型SS-1为破胶剂，制备可重复利用的压裂液方法。在室内的具体研究方法是：将破胶液与原基液按不同体积比混合制备成新基液，然后向混合液中加入交联剂和破胶剂等，实现对破胶液进行再利用。室内实验结果表明，采用此方法制备的压裂液可以满足现场施工要求（60 s内交联，3 h后破胶）。

2014年，为解决压裂作业水资源缺乏和返排液难处理的问题，熊颖等［11］采用生物降解技术制备相对分子质量为30×104～50×104的低分子瓜尔胶，并采用空气悬浮成膜法制备出了一种胶囊破胶剂；通过利用pH值控制硼酸盐离解，来改变瓜尔胶压裂液的交联状态，实现其在酸性条件下的非降解性破胶。压裂液在破胶后，瓜尔胶分子结构未被破坏，可实现破胶液重复交联使用的目的。同年，蒲祖凤等［12］通过改变传统改性瓜尔胶压裂液体系的交联和破胶思路，实现了改性瓜尔胶压裂液的多次回收和重复利用。

2015年，刘立东等［13］针对东北油气田压裂液返排液量大，净化处理成本高，对环境污染严重的问题，专门设计并研发了移动式污水处理装置，开展对压裂返排液处理和再制备压裂液研究。通过对处理液的水质分析发现：处理液中存在的大量二价金属离子，使得BCG稠化剂不能溶胀起黏，影响压裂液的抗温性；难去除的硼酸根离子，使得配制的HPG基液提前交联形成冻胶，影响压裂施工。通过对不同添加剂的优选和用量优化，BCG-1非交联缔合型压裂液可以较好解决上述技术问题，达到压裂破胶液重复利用的目的。

1.2.2 高分子聚合物类压裂液

李小玲等［14］研究了采用合成的具有表面活性的多效高分子聚合物制备新型可回收压裂液的方法。通过实时调整聚合物主剂的质量浓度，实现了压裂破胶液可回收、降阻水、低黏液及携砂液的功能。截至2014年底，该压裂液已成功应用于苏里格气田工厂化作业78口直井，取得了较好的改造效果。

何明舫等［15］针对以往气田使用的一次性压裂液返排液中稠化剂被深度降解破坏，回收后不能重复利用等问题，研发了一种聚合物和表面活性剂复合型可回收压裂液，初步形成了以EM50/50S生物胶可回收压裂液体系为核心、以“混凝沉淀+过滤杀菌+污泥脱水”为主体的压裂返排液精细回收处理技术，满足苏里格气田大开发对高效、绿色环保型压裂新技术的需求。

李旦等［16］研究了以低分子聚合物FYC-2为增稠剂的压裂液体系，实现了压裂液的低残渣（80 mg/L）、自动破胶且重复利用的目的。在延长油田西区采油厂成功应用3口井。

1.2.3 表面活性剂类压裂液

山树民等［17］针对靖边气田储层孔喉半径较小、排驱压力较低、压裂液易滞留造成储层伤害等问题，开展了可回收压裂液体系研究。该技术选用长碳链高分子、非离子表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚、丙烯酸酯等复合物作稠化剂，采用阴离子表面活性剂作助剂，同时在分子中引入能增加分子链刚性的环状结构物质，制备了一种新型可回收压裂液（0.45%稠化剂+0.5%助排剂+0.35%助剂）。室内评价表明：在120℃条件下，可回收压裂液抗剪切性良好，减阻率57.8%，岩心伤害率小于15%，同时具有低黏高弹性的特点。对靖边57口井压裂效果进行统计，结果表明，压裂返排液的回收再利用率为94.26%。

1.2.4 其他类型的水基压裂液

王改红等［18］利用将蔗糖经微生物发酵得到一种微生物多糖稠化剂XYCQ-1与水混合，依靠分子间相互作用，形成一种可携砂、能回收利用的清洁压裂液。破胶液回收利用的方法是：通过水质调节剂XYTJ-1，络合回收破胶液中超量的Ca2+，Mg2+，使水质达到现场配液的水质要求，然后再重新配制压裂液，实现破胶液的重复利用。

2 目前技术存在的问题

通过对国内外水基压裂液重复使用技术研究与应用文献的分析发现，目前重复使用的水基压裂液技术仍然存在许多亟待解决的技术难题。这些技术难题可归纳为3点：

1）未实现水基压裂液重复使用技术目标。通过对现有水基压裂液重复利用技术现状和现场试验情况的梳理发现，目前现场采用的水基压裂液重复使用技术仍然处在从返排液中“取水”然后再配制压裂液的水基压裂液重复使用技术初级阶段。室内研究明显滞后于现场应用步伐，是制约新技术大规模现场应用的主要原因。

2）返排液处理工艺不合理，影响压液返排液中有效物的回收，增加压裂成本。由于对压裂返排液处理和返排液中有效化学剂再利用缺乏系统研究，致使2种工序彼此相互脱节，现场实施达不到废液处理和再利用设计目标，是造成资源不必要浪费的主要因素。采用传统的絮凝、氧化降解等水处理工艺对压裂返排液进行处理，造成大量的有用组分被当成“废物”除掉，造成了资源的浪费；同时在处理压裂返排液过程中，重新加入大量的化学药剂，不但增加了压裂整体成本，又产生了新污染。

3）压裂液恢复性和抗盐效果差是制约返排液重复使用的最大障碍。开发一种抗盐性好，成胶破胶“可逆”的新型水基压裂液体系，是解决水基压裂液重复使用技术难题的关键。

3 结论

1）水基压裂液重复使用技术影响因素很多，市场化需要解决的技术难题也很多。压裂液成胶破胶“可逆”是实现水基压裂液重复使用技术的关键；水基压裂液重复使用技术室内研究滞后于现场应用，是影响新技术大规模推广应用的主要原因，因此，需要投入大量的人力和物力，完善和推进新技术早日市场化。

2）水基压裂液重复利用技术是由压裂液重复使用技术和返排液高效处理技术组成的一种复合技术，两者相互影响，缺一不可。在新技术研究开发过程中，通盘考虑压裂液技术开发与压裂后返排液的回收和再利用、环境安全和生产成本等因素，有益于提高技术应用效率，降低压裂综合成本。

3）针对水基压裂液重复使用技术名词表述混乱，技术水平参差不齐，且没有统一的技术评价标准可供参考等问题，建议尽快完善技术指标，制定水基压裂液重复使用技术评价标准，以规范和促进新技术快速发展。

4）随着国家对水资源和环境保护力度的日益增强，更加清洁和环保型压裂液技术在我国油气田开发中的作用日趋重要，也必将成为今后油气藏开发技术的热点。

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