长宁页岩气压裂液返排液重复利用技术

长宁页岩气压裂液返排液重复利用技术

作者：姜桂芹

来源：《当代化工》2019年第07期

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摘 ;;;;;要： 大型体积压裂工艺是高效开发页岩气的重要技术措施，需要大量的地表水配制压裂液，同时压裂后返排会产生大量返排液，增大了地表水拉运用以及返排液处理的费用。因此，返排液处理回收再利用成为了目前页岩气压裂工艺的重要措施。分析了四川威远及长宁区块页岩气压裂液返排液组分，并利用单因素分析方法评价页岩气返排液中组分对压裂液性能的影响，最后利用样品处理实验，确定了采用电絮凝+过滤+除阳离子试剂方法对返排液进行处理，处理后的返排液达到了再次利用的标准，实现了降本增效的目的，保障了页岩气开发的可持续发展。

关 ;键 ;词：页岩气;压裂液;返排液;性能评价

中图分类号：TQ09 ;;;;;;文献标识码： A ;;;;;;文章编号： 1671-0460（2019）07-1611-04

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Abstract： Large volume fracturing technology is an important technical measure for efficient development of shale gas. It needs a large number of surface water to prepare fracturing fluid. At the same time， a large amount of back-flow fluid will be produced after fracturing， which increases the cost of surface water transportation and backflow fluid treatment. Therefore， the recovery and reuse of backflow fluid has become an important measure for shale gas fracturing technology. In this

paper， the composition of backflow fluid from shale gas fracturing fluid in Weiyuan and Changning blocks of Sichuan Province was analyzed. The influence of components in back-flow fluid of shale gas fracturing on the performance of fracturing fluid was evaluated by single factor analysis method. Finally， the method of electroflocculation + filtration + cation removal reagent was adopted to treat the back-flow fluid. The back-flow liquid after treatment reached the standard of reuse， and realized the purpose of reducing cost and increasing efficiency， guaranteeing the sustainable development of shale gas development.

Key words： Shale gas; Fracturing fluid; Back-flow fluid; Performance evaluation

長宁地区位于四川盆地南部，2010年该区第一口页岩气井N1井（龙马溪组为目的层完钻）压裂测试日产气1.72×104 m3，拉开了长宁地区的页岩气开发的序幕。龙马溪组页岩埋深适中，脆性矿物含量高，有利于页岩气保存与开采;含量高，有机质类型好，成熟度适中，具备良好的生气能力;孔渗性能好、密度低，含气量高，具备良好的储气能力，为长宁页岩气区重点开发层系。随着页岩气开发在近十年的不断发展，页岩气开发技术不断完善和进步，其中对页岩气开发经济可行性帮助最大的就是水平井钻井技术和大型水力压裂技术[1]。水平井钻井技术使得我们可以在有限的井场控制最大的生产面积，获得最多的与储层接触的面积;而大型水力压裂技术的进步，特别是滑溜水压裂，使得我们的压裂更具有经济性[2]。

大型水力压裂技术是提高产能的重点，最初的压裂以瓜胶压裂液为主，从上世纪90年代开始利用滑溜水作为压裂液，用以实现长水平段分多段压裂的工艺技术，平均分段5～15段，每段注入液量1 000～1 500 m3，注入支撑剂100～250 t。体积压裂过程需要大量的压裂液，在压裂完毕返排时，同样会产生大量的返排液，这些返排的处理，成为了目前迫切需要解决的问题[3]。大量的返排液给环境保护带来了风险，也增大了处理成本，同时大量的压裂液需求也给周围水资源带来了压力。

因此，对返排液的处理再利用，降低了水资源需求，减少废液处理排放，实现了压裂工艺过程降本增效的目的。 1 ;返排液组分检测分析

对四川不同区块页岩气体积压裂的返排液样品进行了取样，对压裂返排液进行了测试分析，分析结果如下。

1.1 ;四川威远页岩气体积压裂返排液组分检测

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对四川威远体积压裂返排液进行了取样分析，水样如图1所示，返排液颜色成淡黄色，离子组分分析结果见表1。

从表1中可以看出，四川威远页岩气压裂返排液呈中性，返排液中主要的离子组分有Ca2+、Mg2+和Cl-离子，其中Ca2+离子的浓度在137.0-309.0 mg/L;Mg2+离子浓度非常低，主要在9.7～20.3 mg/L;Cl-的离子浓度非常高，最高在9 480 mg/L。Ca2+、Mg2+等高价金属离子易降低降阻剂的降阻性能;Cl-浓度较低时一般不会对体积压裂液的性能造成影响，但Cl-浓度较高时仍然会降低降阻剂的降阻性能，并且对泵注设备、管线、井下管柱造成一定腐蚀[4]。 1.2 ;四川长宁页岩气体积压裂返排液组分检测

对四川长宁H12-1和H12-2井体积压裂返排液进行了取样分析，离子组分分析结果分别见表2和表3。

综合表2和表3返排液检测结果可以看出，页岩气返排液中悬浮物含量比较高，还有微量的凝析油类，溶液呈中性，其电导率比较高，主要原因是返排液中离子含量比较高，阳离子主要有Ca2+、Na+和K+，微量的Fe3+和Ba2+;阴离子主要有Cl-、SO42-及微量的NO3-。返排液中的悬浮物主要是地层中的泥质物质，Ca2+主要来源于地层水及压裂施工过程中加入的酸液溶解的钙盐，K+和Cl-来自于压裂液中的添加剂和酸液。 2 ;返排液中组分对压裂液性能影响

页岩气压裂返排液中组分较为复杂，为此通过单因素法进行页岩气返排液中组分对压裂液性能的影响评价研究，并确定合理的处理方案，达到返排液无害化处理回用目的[5]。 2.1 ;返排液中悬浮物对滑溜水体系影响

目前配制滑溜水压裂液的降阻剂多为反相乳液类降阻剂，其主要为高分子聚丙烯酰胺类，分子量越高，其降阻效果越好，同时聚丙烯酰胺还具有絮凝的作用。当返排液中泥质悬浮物较多时，在高分子聚丙烯酰胺的絮凝作用下，泥质悬浮物产生絮凝沉降，从而消耗了部分降阻剂，导致降阻剂的降阻效果大大打折。以H12-1#井的返排液为研究对象，以PAM作为絮凝剂进行悬浮物絮凝实验，实验结果列于表4中。

根据表4中实验结果可以看出，当絮凝剂加量为100 ppm时，有少量的絮状物出现，说明了在絮凝剂PAM的作用下，微小颗粒的悬浮物开始出现絮凝，当絮凝剂用量增加到200 ppm时，有大量的絮状物出现，溶液颜色虽然仍浑浊，但颜色已经变浅;若继续增加絮凝剂的用量到300 ppm时，没有更加明显的效果。由此可以看出，返排液中悬浮物至少要消耗200 ppm的降阻剂。

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假如滑溜水体系中降阻剂的用量为0.1%，若将返排液重复利用配制滑溜水体系，返排液中悬浮物将消耗至少200 ppm，即0.02%将被悬浮物消耗，由此将降阻剂的用量增加20%，即0.12%的降阻剂才能达到相同的降阻效果。 2.2 ;离子组分对所配线性膠液的性能影响

根据表2和表3中返排液组分检测分析结果可知，返排液中离子浓度含量最高的为Ca2+、Na+和Cl-，由此设计单因素实验评价其对压裂液性能的影响[6]。 （1）NaCl浓度对压裂液性能影响研究

用清水配制一系列不同浓度的NaCl溶液（其浓度分别为10、1 000、3 000、5 000、9 000、1 5000 mg/L），再用NaCl溶液配制浓度为0.3%线性胶液，10 min后用六速旋转黏度计测量这一系列所配基液的黏度，实验结果绘于图2所示。

从图2中可以很清楚的看出，随着NaCl溶液浓度的不断增加，所配基液的黏度呈不断降低的趋势。这主要原因是受溶液中Na+和Cl-存在影响，线性胶分子在水中溶解过程中高分子链伸展受阻，因此在有无机盐条件所配制的基液黏度随盐浓度增加呈降低趋势。在实际现场应用过程中这种影响可以采取稀释的办法得到解决。 （2）钙离子对压裂液性能影响研究

用清水配制一系列不同浓度的CaCl2溶液（其钙离子浓度分别为100、200、350、500、800 mg/L），再用CaCl2溶液配制浓度为0.3%线性胶液，10 min后用六速旋转黏度计测量这一系列所配基液的黏度，实验结果绘于图3所示。

图3中表明，当Ca2+浓度超过350 mg/L时，压裂液基液黏度下降趋势明显增加，一方面溶液中Ca2+的存在可导致线性胶高分子链在伸展过程中受阻，同时Ca2+可以与高分子链的羟基发生交联作用，进一步影响线性胶基液的抗温耐剪切性能。由此可以判断，返排液中Ca2+浓度高于350 mg/L时，应采取适当措施进行去除。 3 ;返排液处理 3.1 ;除菌

对返排液内的细菌一般采用除菌剂和紫外线杀菌两张方法，由于除菌剂在返排液内存留时，对除菌后的残余菌群繁殖具有一定的抑制。因此，本次实验过程采用除菌剂来进行返排液处理，除菌后效果对比见表5，可以看出加入的除菌剂具有良好的杀灭返排液内细菌的效果，反应出假如除菌剂的除菌方式适合于返排液的处理。

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3.2 ;除悬浮物

一般采用絮凝沉降和过滤处理返排液内的悬浮颗粒物，目前絮凝沉降主要采用电絮凝和化学絮凝方法，其中电絮凝在处理过程无需加入化学药剂，具有处理速度快、效率高的优点。利用电絮凝处理长宁区块页岩气压裂液返排液，处理效果见表6，可以看出，悬浮物颗粒浓度降低较大，阳离子由于吸附于悬浮物颗粒上，浓度也产生降低。同时在实际处理悬浮颗粒时，也可以配套采用电絮凝加过滤的双重处理方式，能更加有效的除去悬浮物颗粒。 3.3 ;除金属离子

返排液中阳离子的除去主要采用加入使得对应金属阳离子产生沉淀的化学试剂，例如CO32-、OH-等。取长宁返排液试样，为分析合理的除金属阳离子药剂添加浓度，加入不同浓度金属阳离子除去剂后产生沉淀，等沉淀完全后进行过滤，测试样品内金属阳离子浓度，见图4，处理剂浓度增大能提高处理效果，在浓度为0.1%时增幅效果降低，因此，确定处理剂添加浓度为0.1%。 4 ;结 论

（1）对四川威远和长宁页岩气压裂液返排液取样分析表明，Cl-和悬浮物颗粒含量较高，主要来自于注入地层酸液和储层内泥质。

（2）分析了悬浮物颗粒和离子组分对返排液性能的影响，为返排液的处理结果标准提供参考。

（3）实验分析了除菌剂、电絮凝除悬浮物颗粒和除阳离子试剂的处理效果，为压裂现场工艺的实施，提供更为有效的借鉴。 参考文献：

[1]范明福，肖兵，陈波，等.页岩气压裂返排液再利用技术[J].天然气勘探与开发，2017，40（1）：73-77.

[2]吕雷，王梓民，杨志刚.页岩气压裂返排液处理回用中的问题及对策[J].环境工程学报，2017，11（2）：965-969.

[3]熊颖，刘雨舟，刘友权，等.长宁-威远地区页岩气压裂返排液处理技术与应用[J].石油与天然气化工，2016，45（5）：51-55.

[4] 杨德敏，夏宏，袁建梅，等.页岩气压裂返排废水处理方法探讨[J].环境工程，2013，31（6）：31-36.

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[5]刘文士，廖仕孟，向启贵，等.美国页岩气压裂返排液处理技术现状及启示[J].天然气工业，2013，33（12）：158-162.

[6]杨春鹏，陈惠，雷亨，等.页岩气压裂液及其压裂技术的研究进展[J].工业技术创新，2014，01（4）：492-497.