压裂返排液回用影响因素研究

王佳，沈燕宾，路建萍，李俊华

(陕西化工研究院有限公司 陕西省石油精细化学品重点实验室，陕西 西安 710054)

压裂液成分与返排液中的主要无机离子的成分很接近，处理后直接作配液用水成为返排液处理工艺主要研究方向[1]。研究表明，由地层混入返排液中的Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+成垢离子含量较高，可影响瓜胶基液交联和耐温性能；由残胶或残渣腐败引起的SRB、TGB、FB细菌含量增加，可造成稠化剂腐败、降黏；交联剂中的B3+可能影响压裂液的耐温、抗剪切性能。因此压裂后返排残液必须经过特殊处理才能进行二次利用[2-3]。本文主要研究在返排液中含量较高的总铁、Ca2+、Mg2+、B3+等因素对返排液回用的影响分析。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

NaCl、CaCl2、MgCl2·6H2O、FeCl3、Fe2(SO4)3等均为分析纯；瓜胶、硼砂、有机硼等均为工业品；实验用水为蒸馏水。

FA2004电子天平；HH-601超级恒温水浴；ZNN-D6六速旋转黏度计；101-A型干燥箱。

1.2 实验方法

依据行业标准《油气田水分析方法》对压裂返排液的水质进行检测。

2 结果与讨论

2.1 压裂返排液主要成分分析

调研油气田部分压裂返排液水质情况，共分析了6个返排液样品水质特性，结果见表1。

由表1可知，返排液具有以下特征：悬浮物含量在60～800 mg/L之间；钙离子含量在90～4 000 mg/L之间，镁离子含量在20～500 mg/L之间；总铁离子含量较高，在1～70 mg/L之间；细菌含量较高，三种细菌总数在0～106个/mL之间。

表1 压裂返排液成分分析Table 1 Composition analysis of fracturing flowback fluid

2.2 钙镁离子含量对压裂液影响

在瓜胶压裂返排液处理再利用过程中，水体存在的Ca2+、Mg2+等二价金属离子会对水体离子强度带来影响，从而影响瓜胶压裂液基液的性能[4]。本文选取 Ca2+、Mg2+进行研究。

2.2.1 Ca2+含量对压裂液的影响 表2是不同浓度的Ca2+对瓜胶压裂液交联的影响及基液黏度情况。

表2 Ca2+对瓜胶压裂液交联及黏度的影响Table 2 Effect of Ca2+ on crosslinking and viscosity of gua gum fracturing fluid

由表2可知，随着Ca2+浓度的增大，基液黏度降低，会对后续交联造成影响。Ca2+的浓度<500 mg/L时，对压裂液配制的影响小。压裂液基液溶胀4 h后，加入一定比例的交联剂，均可形成可挑挂的冻胶。Ca2+的浓度>1 000 mg/L时，黏度下降迅速。向基液中加入一定交联剂后，均不能形成冻胶。

2.2.2 Mg2+含量对压裂液的影响 表3 是不同浓度Mg2+对交联的影响情况。

表3 Mg2+对瓜胶压裂液交联及黏度的影响Table 3 Effect of Mg2+ on crosslinking and viscosity of gua gum fracturing fluid

由表3可知，随着Mg2+浓度增大，基液黏度降低，Mg2+浓度过高，会对基液黏度及后续交联造成影响。Mg2+浓度<500 mg/L时，黏度变化范围较小。向溶胀后的基液中加入一定比例的交联剂，可形成可挑挂的冻胶。Mg2+的浓度>1 000 mg/L时，压裂液黏度降低。加入交联剂后，形成非均匀的、不可挑挂的冻胶，甚至不能形成冻胶。

2.2.3 Ca2+、Mg2+对压裂液共同影响 Ca2+、Mg2+在水中大量存在，在一定程度上会降低压裂液黏度，从而影响瓜胶压裂液交联成胶。分别改变Ca2+、Mg2+的浓度，研究对压裂返排液共同作用时压裂液成胶状况，结果见表4。

表4 Ca2+、Mg2+浓度对压裂液的影响Table 4 Effect of Ca2+and Mg2+ concentration on fracturing fluid

由表4可知，增加Ca2+、Mg2+离子浓度，会降低压裂液黏度。

2.3 铁含量对压裂液影响

压裂返排液中总铁含量为1～70 mg/L，其中主要为Fe3+。配制不同浓度的含铁水样对压裂液的影响，结果见表5。

表5 总铁交联情况对比Table 5 Comparison of total iron crosslinking

由表5可知，随着总铁含量的增加，压裂基液的黏度逐渐降低。总铁浓度<10 mg/L时，交联好，能用玻璃棒挑挂。总铁浓度为30，50 mg/L时，高于正常交联比，交联时间增加；总铁浓度70 mg/L时，超过交联比，无法形成可挑挂的冻胶。

2.4 硼酸根含量对压裂液影响

压裂返排液通常含有残余的交联剂，重新配制压裂液会使压裂液具有较高的初始黏度。返排液处理中硼元素的去除相对复杂，硼酸根对于瓜胶压裂液的配制具有很大影响[5]。配制不同浓度的硼酸根水样，研究其对压裂液的影响，结果见表6。

表6 硼酸根含量对压裂液黏度的影响Table 6 Effect of borate content on fracturing fluid viscosity

由表6可知，硼酸根含量<10 mg/L，所配制的压裂液黏度基本在40.0 mPa·s；当硼酸根为 10 mg/L 时，黏度有明显的降低。这是因为含有较高硼离子时，会使得基液在溶胀过程中出现提前交联的现象，使得瓜胶在水中提前形成部分冻胶沉积于底部，最终导致冻胶整体性破坏。因此，硼酸根含量<10 mg/L，返排液配制压裂液后胶体性能的不利影响较小。

2.5 多因素对压裂液影响

Ca2+、Mg2+、总铁、硼酸根单独存在变化时，会对压裂返排液回用效果产生一定的影响。比如总铁可降低压裂液黏度，阻止其形成冻胶。而硼酸根在黏度满足一定条件下，使压裂液最终形成冻胶，黏度越低需硼酸根浓度越高[6]。在实际应用过程时，返排液中各因素共同作用，单因素影响研究并不能说明返排液重复利用过程中各因素的影响。因此在单因素研究的基础上，进一步研究多因素交叉。

按照上述单因素确定的推荐限值后，设计3因素3水平的正交实验，进一步优化配液用水水质指标的限值，具体见表7、表8。

表7 因素水平表Table 7 Factor and level table

表8 正交实验表Table 8 Orthogonal experimental table

由表8可知，总硬度、总铁、硼酸根共同存在时，对压裂返排液的影响与单独存在时有差别。其中影响因素为：硼酸根>总硬度>总铁，优化后的指标为A1B3C1，即总硬度<400 mg/L，总铁<10 mg/L，硼酸根<3 mg/L。

3 结论

(1)对压裂返排液的水质进行了检测，压裂返排液悬浮物含量在60～800 mg/L之间；钙离子含量在90～4 000 mg/L之间，镁离子含量在20～500 mg/L之间；总铁离子含量较高，在1～70 mg/L之间；细菌含量较高，三种细菌总数在0～106个/mL之间。

(2)Ca2+、Mg2+、总铁、硼酸根单独存在变化时，会对压裂返排液回用效果产生一定的影响。几种重要元素的技术指标确定为：总硬度<400 mg/L，总铁<10 mg/L，硼酸根<3 mg/L。