陳新建 ，康定宇 ，石升委 ，杜佳佳 ，屈撐囤 ，2，李 彥 ，魚(yú) 濤 ，2

（1.西安石油大學(xué)陜西省油氣田環(huán)境污染控制與儲(chǔ)層保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065；2.石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

在油田壓裂作業(yè)過(guò)程中會(huì)不斷產(chǎn)生大量的返排廢液[1]，返排液經(jīng)過(guò)高效破膠、絮凝、除硼及脫除部分金屬離子后，重新配制的胍膠壓裂液滿足《壓裂液通用技術(shù)條件》要求[2]，是壓裂廢液再利用的關(guān)鍵。由于壓裂返排液中含有較高濃度的硼，且硼在水環(huán)境中主要以硼酸的形式存在，現(xiàn)階段的處理方法難度較大，且濃度越低處理成本越大[3，4]。因此，針對(duì)壓裂返排液的二次利用降低成本和提高處理效率，分析壓裂返排液硼含量對(duì)二次利用時(shí)的影響關(guān)系具有重要意義。

本文主要通過(guò)研究蒸餾水、自來(lái)水、長(zhǎng)六模擬水和處理后返排液中硼含量對(duì)壓裂液基液黏度、耐溫及抗溫抗剪切性能的影響，以及硼含量在不同礦化度下對(duì)壓裂液特性的影響，得出壓裂液中稠化劑在不同硼濃度及不同礦化度的影響規(guī)律，為處理后返排液回用技術(shù)研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)[5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

羥丙基瓜爾膠（HPG），工業(yè)級(jí)；硼砂、碳酸氫鈉、硫酸鈉、氯化鎂、氯化鈣、氯化鈉、氯化鉀、氫氧化鈉，分析純。

Haake RV30哈克旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（德國(guó)哈克公司）。ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司。復(fù)雜流體流動(dòng)特性測(cè)定儀，美國(guó)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選擇蒸餾水、自來(lái)水、長(zhǎng)六模擬水和處理后返排液的不同礦化度溶液，通過(guò)加入硼砂分別制備不同濃度的蒸餾水、自來(lái)水、長(zhǎng)六模擬水和處理后返排液，向以上溶液中加入濃度0.4%的羥丙基瓜爾膠制備壓裂液基液，并使用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，硼砂作為交聯(lián)劑，且加量為0.8%[6]。

1.3 黏度測(cè)試

取1.2制備好的壓裂液基液350 mL，使用ZNND6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試黏度。

測(cè)試條件及方法：30℃恒溫水浴保存4 h后，使用ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定100 r/min下的黏度[7]。

1.4 耐溫能力測(cè)試

向1.2制備好的基液中加入交聯(lián)劑，形成凍膠，使用復(fù)雜流體流動(dòng)特性測(cè)定儀測(cè)試耐溫性。

測(cè)試條件及方法：剪切速率為170 s-1下升高溫度，溫度變化范圍為30℃到100℃，時(shí)間為90 min，以壓裂液表觀黏度降到50 mPa·s時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為最高耐溫溫度。

1.5 抗溫抗剪切能力測(cè)試

測(cè)定條件及方法：剪切速率為170 s-1，溫度為60℃，剪切時(shí)間60 min，使用Haake RV30哈克旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 自來(lái)水、長(zhǎng)六模擬水及處理后返排液離子含量

自來(lái)水和處理后返排液采樣進(jìn)行部分離子測(cè)定及長(zhǎng)六模擬水中的離子含量（見(jiàn)表1）。

自來(lái)水和處理后返排液離子含量分析按照《油田水分析方法》SY/T 5523-2016規(guī)定測(cè)定。

表1 自來(lái)水、長(zhǎng)六模擬水、壓裂返排液常規(guī)離子分析表

2.2 硼含量在不同溶劑下對(duì)壓裂液特性的影響

2.2.1 硼含量在不同礦化度下對(duì)基液黏度的影響 將硼分別按不同濃度通過(guò)硼砂加入蒸餾水、自來(lái)水、長(zhǎng)六模擬水和處理后返排液中配成溶液，配制羥丙基胍膠基液，分別測(cè)定其基液黏度（見(jiàn)圖1）。

圖1 硼濃度在不同礦化度下對(duì)基液黏度的影響

根據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術(shù)條件》[8]?；吼ざ冉档?0 mPa·s以下，不符合標(biāo)準(zhǔn)。由圖1可知，蒸餾水中硼含量為1 mg/L，自來(lái)水中硼含量為2 mg/L，長(zhǎng)六模擬水中硼含量為12 mg/L，處理后壓裂返排液外加硼含量為20 mg/L，基液黏度在10 mPa·s以上，超過(guò)以上硼濃度限值，基液黏度降到10 mPa·s以下，不符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 蒸餾水中硼對(duì)壓裂液抗性能力的影響

水溶液中含有硼酸根，就會(huì)影響胍膠在水中的溶脹程度，從而影響到基液黏度。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，水溶液中初始硼酸根濃度越大，則基液黏度受到的影響程度也越大，在不同礦化度下，超過(guò)某一值時(shí)，基液黏度大幅度減小，非常明顯；這是因?yàn)殡夷z在水中還來(lái)不及完全溶脹，胍膠分子在水中還沒(méi)有完全伸展延伸，水溶液中加入的硼砂已經(jīng)與胍膠交聯(lián)反應(yīng)，形成相對(duì)分子質(zhì)量和體積都相對(duì)較小的膠狀形態(tài)，導(dǎo)致壓裂液基液黏度變小，甚至出現(xiàn)分層，無(wú)法交聯(lián)[9]。

2.2.2 硼濃度在不同溶劑下對(duì)壓裂液抗溫抗剪切性的影響 按照實(shí)驗(yàn)方法配制壓裂液，在不同溶劑下增加硼濃度，制成溶液，配制不同礦化度下不同硼濃度的壓裂液，按壓裂液的評(píng)價(jià)方法對(duì)配制的壓裂液進(jìn)行抗溫抗剪切評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖2，圖3，圖4，圖5）。

由圖2、圖3、圖4和圖5硼濃度在不同溶劑中分別表現(xiàn)出的抗溫抗剪切性能可以得出，在蒸餾水中硼含量為1 mg/L時(shí)，自來(lái)水中含量為2 mg/L時(shí)，能夠達(dá)到壓裂液性能要求；長(zhǎng)六模擬水和處理后返排液未加硼時(shí)，剪切2 min黏度顯著下降，不符合要求。

長(zhǎng)六模擬水和處理后返排液中礦化度高，用含鹽水配膠時(shí)，無(wú)機(jī)鹽對(duì)水分子的爭(zhēng)奪反應(yīng)將會(huì)加劇，因此配膠時(shí)抗溫抗剪切特性明顯弱于其在淡水配膠時(shí)的抗溫抗剪切能力[10]。

溶劑里面的礦化度不高時(shí)，硼濃度影響很大；當(dāng)里面礦化度較高時(shí)，其他離子之間相互作用影響壓裂液的性質(zhì)。由實(shí)驗(yàn)分析可知，礦化度不斷增加，配制基液的交聯(lián)速度在很大部分上是小于淡水，交聯(lián)速度逐漸下降。因?yàn)榻宦?lián)劑加入之后依賴于硼酸的水合[11]，大量無(wú)機(jī)鹽離子的存在可能造成高分子的鹽析效應(yīng)[12]，致使網(wǎng)絡(luò)型高分子鏈形成比較困難，使得硼交聯(lián)劑生成羥基硼的速度明顯降低，而且因?yàn)镠PG交聯(lián)依賴于羥基硼的存在，所以系統(tǒng)中礦化度增加可致使高分子伸展受阻，致使HPG體系交聯(lián)過(guò)程的遲滯[5]。

圖3 自來(lái)水中硼對(duì)壓裂液抗性能力的影響

圖4 長(zhǎng)六模擬水中硼對(duì)壓裂液抗性能力的影響

圖5 處理后返排液中硼對(duì)壓裂液抗性能力的影響

2.2.3 硼濃度在不同溶劑下對(duì)壓裂液耐溫性的影響壓裂液的耐溫能力決定了其適用的地層深度，因此，有必要對(duì)其耐溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[13]。為了考察不同溶劑含硼配制的壓裂液在耐溫方面的性能，采用不同濃度硼在不同溶劑中配制壓裂液。不同溶劑中硼濃度對(duì)壓裂液耐溫性的影響（見(jiàn)圖6，圖7，圖8，圖9）。

硼在蒸餾水中含量為0 mg/L和1 mg/L時(shí)，對(duì)應(yīng)耐溫溫度分別為81.62℃和78.81℃；在自來(lái)水中含量為0 mg/L、1 mg/L、2 mg/L時(shí)，對(duì)應(yīng)耐溫溫度分別為82.35℃、79.5℃、78.81℃；而長(zhǎng)六模擬水和處理后返排液中無(wú)外加硼時(shí)，耐溫溫度分別為60.35℃、57.65℃。由此可知，以上硼濃度限值在蒸餾水和自來(lái)水中，對(duì)壓裂液耐溫性能無(wú)影響；長(zhǎng)六模擬水和處理后返排液對(duì)壓裂液耐溫性能影響較大，使之耐溫能力在60℃左右，不能達(dá)到壓裂液性能指標(biāo)。

圖6 硼在蒸餾水中對(duì)壓裂液耐溫能力的影響

圖7 硼在自來(lái)水中對(duì)壓裂液耐溫能力的影響

圖8 硼在長(zhǎng)六模擬水中對(duì)壓裂液耐溫能力的影響

圖9 處理后返排液中硼對(duì)壓裂液耐溫能力的影響

長(zhǎng)六模擬水和處理后返排液里含有較高的Ca2+和Mg2+，由于Ca2+和交聯(lián)劑硼砂中四羥基硼發(fā)生反應(yīng)；硼砂與可溶性鈣鹽（氯化鈣）反應(yīng)合成硼酸鈣，屬于多硼酸鹽，主要以六形式存在，反應(yīng)式為：

硼酸鈣，生成不溶于水的硼酸鈣，影響胍膠的交聯(lián)，進(jìn)而減弱壓裂液的耐溫性能；不同種類(lèi)無(wú)機(jī)鹽離子對(duì)壓裂液特性的不利影響，以Ca2+和Mg2+影響最大，對(duì)壓裂液的耐溫性能產(chǎn)生較大影響[5]。

3 結(jié)論

（1）蒸餾水和自來(lái)水中硼含量控制到一定量時(shí)，可以滿足壓裂液性能指標(biāo)；長(zhǎng)六模擬水和處理后返排液配液前無(wú)外加硼時(shí)，均不能符合壓裂液性能指標(biāo)。因此，礦化度較低時(shí)，硼含量對(duì)壓裂液基液黏度、抗溫抗剪切性能及耐溫性能影響顯著，而當(dāng)?shù)V化度高時(shí)，礦化度是影響配液的主要因素。

（2）長(zhǎng)六模擬水和處理后返排液不能直接用于配制壓裂液，需降低里面礦化度，主要為Ca2+和Mg2+，然后再進(jìn)行硼含量的控制，才能作為配制壓裂液用水。

（3）蒸餾水和自來(lái)水中礦化度較低時(shí)，蒸餾水和自來(lái)水中硼含量分別為1 mg/L和2 mg/L時(shí)，才可配制成高性能的壓裂液。

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