王 景

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

隨著我國(guó)油氣勘探開發(fā)逐步從常規(guī)油氣向非常規(guī)油氣勘探開發(fā)轉(zhuǎn)變，煤層氣、頁(yè)巖氣、致密氣等開發(fā)力度不斷加大[1]。致密氣、頁(yè)巖氣的開發(fā)，往往需要通過大規(guī)模壓裂技術(shù)，才能形成工業(yè)產(chǎn)能，因此，對(duì)水資源需求量巨大，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量成分復(fù)雜的壓裂返排液，如處理不當(dāng)，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問題[2，3]。

壓裂返排液中污染物的來(lái)源主要包括兩個(gè)方面：（1）壓裂作業(yè)過程中注入地下的壓裂液組分，包括稠化劑、交聯(lián)劑、破膠劑、助排劑、降阻劑和殺菌劑等；（2）地層中原有污染物，包括石油、放射性物質(zhì)、懸浮物、鹽類、有害氣體以及微生物等。壓裂返排液具有高化學(xué)需氧量、高懸浮物、高礦化度、生物降解難和成分復(fù)雜等特點(diǎn)，環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大，無(wú)害化處理難度大[4-7]。各大油氣田壓裂返排液通常采用回注、回用、達(dá)標(biāo)排放等處理方式，其中回注由于其成本低、流程簡(jiǎn)單，成為主流做法，回用多以處理后復(fù)配壓裂液為主要方式[8，9]。以上兩種方法多應(yīng)用于成熟油氣田開發(fā)階段，而對(duì)于勘探前期區(qū)塊，受井位分散、壓裂施工不連續(xù)、回注井位少等因素的影響，大量壓裂返排液只能在井場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間存放，重復(fù)利用率低，環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)增加。

為了提高資源化再利用的程度，本文通過對(duì)鄂爾多斯盆地東緣“臨興-神府”勘探區(qū)塊壓裂返排液成分分析以及鉆井液配套技術(shù)的研究，形成了一套壓裂返排液處理后復(fù)配鉆井液的技術(shù)方法。豐富壓裂返排液處理手段的同時(shí)，解決了當(dāng)?shù)厮Y源匱乏，自然取水無(wú)法滿足鉆井、壓裂大規(guī)模用水的問題。結(jié)合該區(qū)塊鉆井液體系，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，為低成本下的安全、環(huán)保、高效鉆井提供了可借鑒的方法和經(jīng)驗(yàn)。

1 壓裂返排液特點(diǎn)及處理難點(diǎn)

1.1 壓裂返排液特點(diǎn)

通過調(diào)研和實(shí)地取樣，結(jié)合壓裂返排施工工藝分析，壓裂返排液水質(zhì)波動(dòng)大，返排前、中、后期的水質(zhì)變化十分明顯：

（1）返排前期，主要以壓裂液破膠液為主，摻雜部分地層水，TDS 較低，鈣鎂離子含量低，但返排液中殘余的交聯(lián)劑量較大，占交聯(lián)液中交聯(lián)劑含量的70%～80%。

（2）返排中期，壓裂液破膠液在返排液中的占比逐漸下降，地層水占比逐漸增大，TDS 和鈣鎂離子含量與返排前期相比有一定程度的升高，返排液中殘余交聯(lián)劑因地層水的增多而逐漸降低。

（3）返排后期，返排液的成分以地層水為主，少量破膠液摻雜其中，主要表現(xiàn)是TDS 和鈣鎂離子含量與返排前期相比有很大程度的升高，返排液中殘余交聯(lián)劑含量得到進(jìn)一步降低[10，11]。

現(xiàn)場(chǎng)存放的壓裂返排液多為幾個(gè)階段的混合物，且混合了地層產(chǎn)出水、雨水等多種水質(zhì)，整體表現(xiàn)為TDS 和鈣鎂離子含量較高，懸浮物較多，隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng)，出現(xiàn)不同程度的變質(zhì)。

1.2 壓裂返排液成分分析

本文分別收集了LX-8、LX-160、LX-104 井場(chǎng)存放不同時(shí)間的壓裂返排液樣品（見圖1），進(jìn)行了物化指標(biāo)分析，基本情況（見表1）。1 號(hào)壓裂返排液存放時(shí)間約一周，呈土黃色，無(wú)特殊氣味，懸浮物較多，水質(zhì)混濁；2 號(hào)壓裂返排液存放時(shí)間約兩個(gè)月，呈黑色，明顯變質(zhì)，具有刺激性氣味，有部分絮狀物；3 號(hào)壓裂返排液存放時(shí)間約二十天，稍顯透明，呈黑綠色，無(wú)特殊氣味。由表1 可知，壓裂返排液基本呈中性，低電位，總體含鹽量較高，尤其鈣、鎂等高價(jià)離子含量普遍偏高。

表1 臨興區(qū)塊壓裂返排液樣品主要成分分析表Tab.1 Analysis of main components of fracturing flowback fluid samples in Linxing block

圖1 三種壓裂返排液：（1#）1 號(hào)壓裂返排液（LX-8 井）；（2#）2 號(hào)壓裂返排液（LX-160 井）；（3#）3 號(hào)壓裂返排液（LX-104 井）Fig.1 Three fracturing flowback fluids：（1#）No.1 fracturing flowback fluid（LX-8）；（2#）No.2 fracturing flowback fluid（LX-160）；（3#）No.3 fracturing flowback fluid（LX-104）

1.3 處理難點(diǎn)

（1）壓裂返排液高礦化度會(huì)降低鉆井液處理劑使用效果，如影響膨潤(rùn)土的水化分散及聚合物分子鏈的伸展和溶解，導(dǎo)致鉆井液整體性能變差。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，鉆井液用水總礦化度大于2 000 mg/L，其中Ca2+、Mg2+含量＞300 mg/L 時(shí)，黏度、切力急劇上升，維護(hù)處理困難，性能難以控制。

（2）壓裂返排液中的有機(jī)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌大量繁殖，易造成鉆井液處理劑降解、發(fā)酵，直接影響鉆井液體系的穩(wěn)定性。

（3）大量的硫酸根、碳酸根等離子易導(dǎo)致鉆井液在循環(huán)攪拌過程中起泡[12，13]。

2 壓裂返排液處理

2.1 技術(shù)思路

鉆井液用水一般多采用井場(chǎng)附近的天然地表水，按照GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中功能最低的V 類地表水規(guī)定，COD≤40 mg/L，懸浮物含量≤150 mg/L，SRB 含量≤104個(gè)/毫升。壓裂返排液物化指標(biāo)均遠(yuǎn)大于V 類地表水，結(jié)合對(duì)其特點(diǎn)及處理難點(diǎn)分析，形成工藝路線（見圖2）。

圖2 壓裂返排液處理工藝流程Fig.2 Fracturing flowback fluid treatment process flow

（1）活化脫穩(wěn)：針對(duì)壓裂返排液中殘留的胍膠、懸浮物等，進(jìn)行定向活化，破壞胍膠分子結(jié)構(gòu)，降低黏度，同時(shí)加入多孔微顆粒物質(zhì)，吸附破膠產(chǎn)物形成凝結(jié)核，改善絮凝效果，減少懸浮物含量。

（2）化學(xué)除垢：針對(duì)返排液中大量存在的Ca2+、Mg2+，采用加入碳酸鈉與氫氧化鈉相結(jié)合的方式，將主要高價(jià)離子去除。

（3）定位除雜：主要在電場(chǎng)作用和電磁波輔助作用下，去除返排液中殘余的破膠劑、細(xì)菌及其他非穩(wěn)定態(tài)物質(zhì)，凈化水質(zhì)[8]。

（4）成分調(diào)節(jié)：通過加入弱酸、弱堿，對(duì)水質(zhì)的pH值、氧化還原電位等進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到復(fù)配鉆井液的基本條件。

（5）精細(xì)過濾：采用多介質(zhì)過濾，降低懸浮物含量，達(dá)到合格水質(zhì)后備用[14-16]。

結(jié)合工藝路線，最終技術(shù)指標(biāo)確定為：（1）Ca2+、Mg2+含量≤200 mg/L；（2）細(xì)菌≤100 個(gè)/毫升；（3）pH 值7～8 呈現(xiàn)弱堿性；（4）無(wú)可見懸浮物。

2.2 工藝研究

2.2.1 活化脫穩(wěn) 借鑒印染廢水處理行業(yè)中活化劑對(duì)織物表面天然膠的處理技術(shù)，篩選配制出一種適合活化胍膠高聚物的活化脫穩(wěn)劑，對(duì)高聚物的某些基團(tuán)進(jìn)行定向活化，通過對(duì)聚合物分子鏈活性位置的拉伸、牽引作用，破壞胍膠分子結(jié)構(gòu)，有效分解或降解大分子高聚物至低聚物或小分子，從而黏度大幅下降，加入多孔微顆粒物質(zhì)，將破膠產(chǎn)物吸附在固體微粒上并以此形成凝結(jié)核，改善絮凝效果。

脫穩(wěn)劑加量對(duì)返排液黏度和后續(xù)絮凝沉淀的影響（見表2）。若不使用脫穩(wěn)劑，返排液具有一定黏度，絮凝沉淀效果差，出水水質(zhì)渾濁，沉降速度較慢。隨著脫穩(wěn)劑用量逐漸加大，黏度逐漸降低，絮凝效果也逐漸變好。當(dāng)脫穩(wěn)劑添加量大于800 mg/L 后，黏度降至1 mPa·s 以下，絮凝沉淀效果較好，水質(zhì)清澈，效果（見圖3）。

圖3 脫穩(wěn)工藝對(duì)絮凝效果的影響Fig.3 Influence of destabilization process on flocculation effect

表2 脫穩(wěn)劑加量對(duì)返排液黏度和絮凝效果的影響Tab.2 Effect of dosage of destabilizing agent on viscosity and flocculation effect of flowback liquid

2.2.2 化學(xué)除垢 根據(jù)鈣鎂離子的化學(xué)性質(zhì)，利用鈣鎂離子不同形式沉淀物溶解度的不同，采用碳酸鈉與氫氧化鈉相結(jié)合的方式去除鈣鎂離子，碳酸鈉主要用于去除鈣離子，氫氧化鈉在調(diào)節(jié)溶液pH 值同時(shí)去除鎂離子。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)Na2CO3和Ca2+的摩爾比在1.1:1時(shí)，攪拌5 min，沉淀20 min，pH 在10～10.5 時(shí)，取得了較好的去除效果（見表3）。

表3 化學(xué)除垢實(shí)驗(yàn)效果Tab.3 Experimental effect of chemical descaling

除垢工藝過程是pH 上升的過程，在此過程中對(duì)pH 值敏感的離子也會(huì)被去除，特別是鐵離子。因此，借助除鈣鎂離子的過程，也去除了大部分的鐵離子。

2.2.3 定位除雜 利用電極產(chǎn)生復(fù)合電磁場(chǎng)，將壓裂返排液中殘余的破膠劑、細(xì)菌及其他非穩(wěn)定態(tài)物質(zhì)去除。

在電場(chǎng)作用下，利用返排液的有價(jià)元素，如Na+、Ca2+、Cl-、SO42-等離子發(fā)生的電子得失，產(chǎn)生氧化還原作用。其中Cl-的反應(yīng)原理如下：氯離子激發(fā)產(chǎn)生氯氣，氯氣溶解在水中產(chǎn)生具有氧化性次氯酸根。

水分子能量的自發(fā)下生成高活性羥基自由基：

氯氣在能量的自發(fā)下生成高活性氯自由基：

在微波輻射電磁場(chǎng)的作用下，生物體內(nèi)的非極性分子被極化成偶極子，并隨交變電場(chǎng)方向的變動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，可與周圍離子發(fā)生碰撞、摩擦，溫度加熱升高。同時(shí)細(xì)胞膜較弱的部分發(fā)生穿孔，引起細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)發(fā)生泄漏和細(xì)胞裂解；穿過細(xì)胞膜的電壓足夠使細(xì)胞膜破裂，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡；用電磁場(chǎng)和細(xì)胞內(nèi)重要分子（如蛋白質(zhì)和DNA）在電磁場(chǎng)的作用下破壞，從而導(dǎo)致微生物死亡。

經(jīng)過復(fù)合電磁場(chǎng)處理后，壓裂返排液中產(chǎn)生濁度的膠體物質(zhì)，膠核與周圍的“離子氛”的電特性改變，膠體顆粒產(chǎn)生脫穩(wěn)并凝聚，同時(shí)拉動(dòng)水中其他污染物共同沉淀，起到水質(zhì)凈化的作用。同時(shí)在電磁場(chǎng)的反復(fù)作用下，細(xì)胞的離子通道，生物的立體機(jī)構(gòu)受到扭曲破壞，生物的大分子鍵斷裂或產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的構(gòu)型變化，最終使微生物致死。定位除雜工藝效果（見表4）。

表4 定位除雜效果Tab.4 Positioning and impurity removal effect

2.2.4 成分調(diào)節(jié) 通過測(cè)試處理后的液體pH 值及主要元素含量，如Na+、K+，作為調(diào)節(jié)依據(jù)，確定鉆井液配液過程中各主要組分添加量，pH 值調(diào)整為7.0～8.0 弱堿性，具備復(fù)配鉆井液基本條件。

2.2.5 精細(xì)過濾 利用經(jīng)過特殊處理的野生核桃殼多孔和大表面積的特點(diǎn)，將污水中油滴攔截在過濾層的表面或在過濾層的表面被吸附，通過優(yōu)選，選擇了0.8～1.2 mm 核桃殼顆粒。

選用粒徑為5～8 mm 的無(wú)煙煤濾料和粒徑為0.6～1.2 mm 石英砂兩種濾料，上層使用濾料顆粒最大，密度小的輕質(zhì)的無(wú)煙煤，起粗濾作用，阻力小，水頭損失?。幌聦邮褂脼V料粒徑小，密度大的石英砂，起精濾作用，截污能力強(qiáng)。充分發(fā)揮多介質(zhì)濾床的作用，出水水質(zhì)滿足鉆井液復(fù)配對(duì)油、懸浮物含量的要求。精細(xì)過濾進(jìn)出水指標(biāo)（見表5）。

表5 精細(xì)過濾進(jìn)出水指標(biāo)Tab.5 Inlet and outlet water indexes of fine filtration

2.3 處理效果

按照工藝流程分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的三個(gè)返排液水樣進(jìn)行處理，處理后水質(zhì)無(wú)色透明、無(wú)異味、無(wú)可見懸浮物（見圖4）。水質(zhì)分析（見表6），鈣、鎂、鐵離子以及細(xì)菌大幅減少，滿足配制鉆井液的基本條件。

表6 臨興區(qū)塊壓裂返排液處理前后成分對(duì)照表Tab.6 Comparison of components of fracturing flowback fluid in Linxing block before and after treatment

圖4 處理前后水質(zhì)對(duì)比Fig.4 Comparison of water quality before and after treatment

3 復(fù)配鉆井液工藝

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

鉆井液配方：2%膨潤(rùn)土+0.2%Na2CO3+0.4%增黏提切劑+5%降濾失劑+1.5%雙疏劑+5%抑制劑。實(shí)驗(yàn)中選用的鉆井液配方是臨興-神府區(qū)塊通用型鉆井液體系，具有較強(qiáng)的配伍性。

實(shí)驗(yàn)水樣：臨興區(qū)塊壓裂返排液處理液水樣。

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法：分別用清水（自來(lái)水、地表水）、處理液配制鉆井液，并進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)儀器：高速攪拌器、中壓濾失儀、六速黏度計(jì)、滾子加熱爐。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將壓裂返排液清水與處理液按照體積比（清水:處理液水樣）9:1、8:2、7:3、5:5 混合后，復(fù)配鉆井液，并對(duì)其性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

3.2 復(fù)配鉆井液性能評(píng)價(jià)

首先，采用100%處理液水樣配制鉆井液，同清水配制的鉆井液性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。鉆井液性能對(duì)比（見表7）。與清水配制的鉆井液相比，處理液配制的鉆井液黏度和切力有一定程度的下降，濾失量無(wú)變化。

表7 處理液水樣與清水配制鉆井液性能對(duì)比Tab.7 Performance comparison of drilling fluid prepared from treated fluid water sample and clean water

靜置24 h 后，處理液水樣配制的鉆井液流變性能無(wú)明顯變化，但是出現(xiàn)較為嚴(yán)重的沉降現(xiàn)象。

將清水與處理液水樣按比例混合后，配制鉆井液，測(cè)試其性能變化。測(cè)定結(jié)果（見表8）。相對(duì)于純清水，清水與處理液水樣5:5 混合后，配制的鉆井液黏度下降，濾失量略有上升，隨著清水比例增加，黏度逐漸增大，濾失量基本無(wú)變化。觀察24 h 后沉降情況，5:5 混合后的樣品出現(xiàn)較為明顯的沉降，隨著清水比例的增加，沉降現(xiàn)象逐漸消失。

表8 清水與處理液混合液復(fù)配性能Tab.8 Mixing performance of clean water and treatment solution

由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可知，處理液復(fù)配鉆井液，濾失量變化不大，但黏度、切力均有一定程度的下降，且在靜置24 h后，會(huì)出現(xiàn)較為明顯的沉降現(xiàn)象。清水與處理液水樣混合比例≥5:5 時(shí)，配制的鉆井液與清水配制的鉆井液性能基本相當(dāng)。因此得出如下建議：

對(duì)于常規(guī)地層鉆井工程，可采用清水與處理液混合后復(fù)配鉆井液，混合比例根據(jù)井況確定。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用撬裝化處理設(shè)備在LX-160井進(jìn)行了壓裂返排液處理，處理后水質(zhì)指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)基本相符。pH 值為7.03，ORP 電位為185 mV，TDS 值為13 345 mg/L，鈣鎂離子含量為93 mg/L，鐵離子含量＜5 mg/L。

清水（地表水）與處理液5:5 混合后復(fù)配鉆井液，表觀黏度為18 mPa·s，動(dòng)切力為5.5 Pa，中壓濾失量?jī)H為4.6 mL，靜置24 h 后無(wú)沉降。在LX-158 井入井應(yīng)用，鉆井液密度為1.12～1.15 g/cm3，黏度43～44 s，鉆井液性能穩(wěn)定，未發(fā)生異常情況，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，具體數(shù)據(jù)（見表9）。

表9 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況Tab.9 Field application

5 結(jié)論

（1）壓裂返排液具有成分復(fù)雜、礦化度高、細(xì)菌含量高、易起泡等特點(diǎn)，處理難度大，不能直接復(fù)配鉆井液。

（2）壓裂返排液通過活化脫穩(wěn)、化學(xué)除垢、定位除雜、成分調(diào)節(jié)、精細(xì)過濾一系列處理后，結(jié)合臨興區(qū)塊鉆井液體系，將清水與處理液按照不同比例混合，進(jìn)行鉆井液復(fù)配。結(jié)果表明，當(dāng)清水與處理液混合比例≥5:5時(shí)，復(fù)配鉆井液性能滿足一般鉆井要求，形成了一套處理液復(fù)配鉆井液技術(shù)，并給出了現(xiàn)場(chǎng)施工建議。

（3）在臨興區(qū)塊，采用撬裝化設(shè)備處理LX-160 井壓裂返排液，將清水與處理液按照5:5 混合，復(fù)配鉆井液后應(yīng)用到LX-158 井，鉆井液性能穩(wěn)定，入井試驗(yàn)未發(fā)生異常情況，滿足了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。