劉友權(quán) 陳鵬飛 吳文剛 熊 穎 楊 峰 趙萬(wàn)偉 趙 浩

（1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 ）

（2.中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦）

體積壓裂是非常規(guī)儲(chǔ)層增產(chǎn)作業(yè)的主要方式，其施工規(guī)模通常都較大，如美國(guó)Barnett頁(yè)巖氣藏一口水平井約需9 000m3壓裂液；Marcellus頁(yè)巖氣藏約需15 000m3壓裂液；Haynesville頁(yè)巖氣藏約需11 000m3壓裂液；四川長(zhǎng)寧－威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖示范區(qū)直井約需2 000m3壓裂液，水平井約需20 000m3壓裂液。大規(guī)模的體積壓裂作業(yè)需要大量的水源配制液體，由此會(huì)產(chǎn)生大量難處理的返排液［1－5］。

四川非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)區(qū)塊多處于丘陵地帶，水資源短缺，難以滿足大規(guī)模體積壓裂所需的水源需求。同時(shí)，體積壓裂后產(chǎn)生了大量返排液（返排率一般為30%）。返排液中COD值高、色度高、懸浮物含量高，使得無(wú)害化處理難度大、費(fèi)用高。將返排液回收再利用，不僅可以緩解體積壓裂水資源短缺的問(wèn)題，同時(shí)還可以減少?gòu)U液排放，實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣田的環(huán)保、節(jié)能開(kāi)發(fā)。

1 國(guó)外返排液處理技術(shù)

美國(guó)是非常規(guī)油氣商業(yè)開(kāi)發(fā)最成功的國(guó)家，對(duì)于體積壓裂返排液的處理主要有3種方式：回注、重復(fù)利用及外排進(jìn)入市政污水處理廠，具體見(jiàn)表1。

表1 美國(guó)主要頁(yè)巖盆地返排液處理方式Table 1 Disposal ways of flow back fluid in American shale gas basin

返排液處理后重復(fù)利用需通過(guò)物理分離、化學(xué)沉淀、過(guò)濾等方式除去返排液中的懸浮固體、雜質(zhì)，使其水質(zhì)滿足配液水質(zhì)要求；返排液處理后排放除了采用重復(fù)利用處理技術(shù)外，還需采用生物反應(yīng)、膜分離、反滲透、離子交換、蒸餾等技術(shù)，進(jìn)一步除去返排液中的溶解固體、有機(jī)物等，以滿足外排水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［6－9］。

2 返排液再利用處理研究

2.1 返排液分析

返排液處理首先要了解體積壓裂返排液的水質(zhì)以及殘余添加劑濃度等。表2、表3和圖1分別是四川頁(yè)巖氣藏W2井體積壓裂返排液的水質(zhì)情況、殘余添加劑濃度情況和摩阻情況。

表2 W2井體積壓裂返排液水質(zhì)分析Table 2 Water quality analysis of volume fracturing flow－back fluid in well W2

從表2可知，W2井體積壓裂返排液中含有Ca2＋、Mg2＋，Cl－等離子，pH 值呈 中 性。Ca2＋、Mg2＋等高價(jià)金屬離子易降低降阻劑的降阻性能，甚至產(chǎn)生沉淀；Cl－濃度較低時(shí)一般不會(huì)對(duì)體積壓裂液的性能造成影響，但Cl－濃度較高時(shí)仍然會(huì)降低降阻劑的降阻性能，并且對(duì)泵注設(shè)備、管線、井下管柱造成一定腐蝕。

表3 W2井體積壓裂返排液殘余添加劑濃度分析Table 3 Concentration analysis of residual additives in volume fracturing flow－back fluid in well W2

從表3可知，W2井體積壓裂返排液中助排劑濃度和降阻劑濃度均較初始加入時(shí)有了顯著降低。這主要是由于助排劑為表面活性劑，儲(chǔ)層巖石對(duì)其有較強(qiáng)的吸附性，表面活性劑分子在巖石表面定向排列，增大了液體與巖石的接觸角的同時(shí)，也使助排劑被儲(chǔ)層吸附而損失；而降阻劑為高分子物質(zhì)，由于剪切作用及儲(chǔ)層環(huán)境中的溫度降解作用，使得其逐漸降解。

從圖1可以看出，W2井體積壓裂返排液的摩阻較高，接近清水摩阻，進(jìn)一步驗(yàn)證了返排液中殘余降阻劑的濃度很低，不能起到有效地降摩阻作用。

2.2 返排液處理流程

針對(duì)四川盆地非常規(guī)儲(chǔ)層特點(diǎn)，體積壓裂返排液首先采用物理分離方法除去機(jī)械雜質(zhì)、懸浮固體和油等；其次對(duì)返排液水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)（pH值、殘余添加劑濃度等），并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行水質(zhì)調(diào)整（pH值）；再次對(duì)返排液水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)Ca2＋、Mg2＋、Cl－、Fe3＋濃度來(lái)判斷是否滿足體積壓裂用水水質(zhì)要求。滿足水質(zhì)要求的返排液直接用作壓裂用水，不能滿足水質(zhì)要求的返排液與清水混合，通過(guò)稀釋降低返排液中離子濃度，使其滿足體積壓裂用水水質(zhì)要求。

2.3 處理后的返排液性能評(píng)價(jià)

采用處理后的返排液重新配制體積壓裂液，測(cè)定液體的摩阻，見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，處理后的返排液，在線速度為10m／s（由圖3中流量30L／min計(jì)算得出）時(shí)，其降阻性能與新配制的滑溜水降阻性能相當(dāng)，降阻率達(dá)67.3%，可以滿足非常規(guī)儲(chǔ)層體積壓裂施工要求。

表4 返排液處理后的表面張力及返排率Table 4 Surface tension and flow－back rate of treated flow－back fluid

向處理后的返排液中補(bǔ)充一定量的助排劑后，表面張力顯著降低，室內(nèi)返排率提高，與清水配制的滑溜水性能相當(dāng)（表4）。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

體積壓裂返排液回收再利用技術(shù)在四川盆地須家河致密氣儲(chǔ)層及侏羅系致密油儲(chǔ)層中共應(yīng)用3井次，回收利用率均大于95%，取得了良好的施工效果（表5）。

表5 試驗(yàn)井施工效果Table 5 Construction effect of trial well

以G003－H16井為例，該井是侏羅系致密油儲(chǔ)層的一口水平井，采用體積壓裂液施工，設(shè)計(jì)壓裂12段，分兩次壓裂。第一次壓裂前5段，待排液后進(jìn)行第二次壓裂，為了節(jié)能減排，減少?gòu)U水排放，回收使用第一次排出的返排液。第一次壓裂施工后，截止至第二次施工，共回收返排液1 050m3，處理后全部用于第二次壓裂施工。

從圖4和圖5可以看出，清水配制的體積壓裂液的施工壓力為60MPa左右，處理后返排液的施工壓力為59MPa左右。兩施工段為同一井的不同水平層段，儲(chǔ)層情況相同，其施工壓力接近，進(jìn)一步表明返排液處理后的摩阻性能與清水配制的體積壓裂液性能相當(dāng)。

4 結(jié)論

（1）體積壓裂返排液中的殘余添加劑濃度較低，具有一定的礦化度，采用物理分離→水質(zhì)檢測(cè)→水質(zhì)調(diào)整→水質(zhì)檢測(cè)→壓裂配液或稀釋后配液等工藝實(shí)現(xiàn)了返排液的回收處理再利用。

（2）室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均表明，體積壓裂返排液處理后配制的液體性能與清水配制的液體性能相當(dāng)，現(xiàn)場(chǎng)獲得了良好的儲(chǔ)層改造效果。

（3）體積壓裂規(guī)模大，返排液量大，探索適合四川盆地的返排液回收利用方法，不僅可以緩解四川盆地體積壓裂水源缺乏問(wèn)題，同時(shí)還可以減少?gòu)U棄物排放，實(shí)現(xiàn)四川盆地非常規(guī)儲(chǔ)層的環(huán)保開(kāi)發(fā)。

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