胡君城

中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司, 北京 100101

0 前言

近年來,以頁巖氣為代表的非常規(guī)油氣資源得到了越來越多的關(guān)注。在頁巖氣資源開發(fā)中,水平井壓裂技術(shù)的突破是頁巖氣規(guī)模開采的關(guān)鍵。頁巖氣井壓裂規(guī)模大,單井入井液量達(dá)數(shù)萬立方米,施工后返排回地面的返排液總量也較大。這些返排液中含有大量無機(jī)鹽、有機(jī)物和各種添加劑,如不經(jīng)過處理直接排放,一方面會給井場周圍環(huán)境及地表水造成污染[1],另一方面還會大量消耗水資源,提高作業(yè)成本。在頁巖氣壓裂開發(fā)過程中,壓裂返排液的處理及循環(huán)使用技術(shù)成為當(dāng)前研究及應(yīng)用的主要方向。

頁巖氣壓裂主要使用滑溜水作為主要壓裂液體系。評價滑溜水壓裂液性能的主要指標(biāo)是減阻率和黏度[2],減阻率越高,液體流經(jīng)管路能量損失越小,泵注壓力越低;而黏度適當(dāng)?shù)幕锼畡t具有一定的攜砂性,同時進(jìn)入地層后有助于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)[3],提高油氣產(chǎn)出能力。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

GWFR-1高效減阻劑,由長城鉆探工程公司生產(chǎn),分子量約600×104～800×104,水解度25%;KHCO3、KCl、Ca(HCO3)2和CaCl2均為分析純,購買自北京化學(xué)試劑廠;除特別說明外,所有實驗均使用去離子水[6]。

六速旋轉(zhuǎn)黏度計ZNN-D 6型,由青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司提供;環(huán)路摩阻測試儀HAMZ-IV型,由江蘇華安科研儀器公司提供,實驗管路長3 m、管徑14 mm,最大流速15 m/s。

1.2 實驗內(nèi)容

1.2.1 配制減阻劑水溶液

量取20.0 L清水,倒入機(jī)械攪拌器中,調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速,至液體形成較大漩禍。維持?jǐn)嚢锠顟B(tài),在1 min內(nèi)均勻地加入20.0 g減阻劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%),繼續(xù)攪拌使其完全溶解,從攪拌器底部取樣品,觀察確認(rèn)無未溶解固體,記錄溶解時間后停止攪拌。

1.2.2 減阻劑水溶液黏度測定

將以上用清水配置好的減阻劑水溶液按照SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評價方法》[7]中關(guān)于壓裂液的黏度測定根據(jù)進(jìn)行測定。

1.2.3 減阻劑水溶液減阻率測定

將清水裝入管路摩阻測量儀基液罐中,選擇測試管路、螺桿泵及流量表,啟動螺桿泵,在1 min內(nèi)將流量從 0 L/min 提升到127 L/min(折算流速≥13.5 m/s),待流量穩(wěn)定后,記錄差壓傳感器顯示的清水流經(jīng)管路時進(jìn)出口的壓差值[8]。排空清水,將用清水配置好的減阻劑水溶液注入到配液罐中,按照以上相同流程測量差壓傳感器顯示的減阻劑溶液流經(jīng)管路時進(jìn)出口的壓差值,并每隔1 min記錄一次,至10 min后停止。按式(1)計算減阻劑水溶液在不同時間的減阻率[9]。

(1)

式中:η為與清水同一測量條件下減阻劑水溶液相對清水的減阻率,%;Δp0為清水流經(jīng)管路時的穩(wěn)定壓差,kPa;Δp為與清水在同一測量條件下減阻劑水溶液流經(jīng)管路時的穩(wěn)定壓差,kPa。

1.2.4 鹽對減阻劑溶解性能的影響

表1 清水及鹽水中減阻劑溶解時間對比表

Tab.1 Comparison of dissolving time of drag reduction agent in clean water and saline

序號減阻劑濃度/(mg·L-1)添加無機(jī)鹽種類添加無機(jī)鹽濃度/(mg·L-1)溶解時間/s01 000——2411 000KCl20 0009821 000KHCO320 00011431 000Ca(HCO3)220 00016141 000CaCl220 000168

1.2.5 鹽對減阻劑水溶液黏度的影響

圖1 不同濃度的鹽對減阻劑水溶液黏度影響曲線圖Fig.1 Effect of different salt concentrations on viscosityof drag reduction agent aqueous solution

1.2.6 鹽對減阻劑水溶液減阻率的影響

減阻率是滑溜水壓裂液的核心性能指標(biāo)[12]。頁巖氣水平井體積壓裂施工改造規(guī)模大,液體排量大,入井時間長,液體需要長時間保持較好的減阻性能,以保障施工順利進(jìn)行。在實驗室進(jìn)行評價時,模擬現(xiàn)場施工情況,將流速維持在13.5 m/s以上,并記錄10 min內(nèi)液體的減阻率保持情況[13]，見圖2。使用清水配制的減阻劑溶液,初始減阻率在76%以上,且在測試5 min時間內(nèi)減阻率不發(fā)生變化,至10 min后減阻率降低至74%;而添加了濃度為20 000 mg/L的不同種類的鹽后,減阻率明顯降低。

總體上含有一價陽離子(K+)的無機(jī)鹽對液體的減阻率影響較小,而添加了含有二價陽離子(Ca2+)的無機(jī)鹽后,液體減阻率不僅在測試初期明顯降低,且隨著測試時間的增加迅速下降,尤其是含有CaCl2的液體在測試 10 min 后減阻率只有21%,已不具備實用性能[14]。這是因為減阻劑主要靠降低液體內(nèi)層間作用力來降低摩阻,而添加的離子可能與減阻劑高分子發(fā)生成鍵作用,導(dǎo)致減阻劑分子間作用力增大,性能發(fā)生改變[15]。而高價陽離子體積大,成鍵作用更突出,甚至可以造成減阻劑分子絮凝沉淀等,因此減阻性能降低更為明顯[16]。

圖2 不同種類的鹽對減阻劑水溶液減阻率的影響曲線圖Fig.2 Effect of different kinds of salt on drag reducing efficiencyof drag reduction agent aqueous solution

2 應(yīng)用部分

2.1 返排液處理及循環(huán)使用液體性能

根據(jù)以上結(jié)果,對頁巖氣壓裂返排液進(jìn)行針對性處理,著重降低Ca2+和Cl-等離子的濃度,避免二次配液時對滑溜水性能產(chǎn)生較大影響[17]。針對性處理后的返排液水質(zhì)情況見表2。

表2 針對性處理后返排液水質(zhì)分析表

Tab.2 Water quality analysis of the flow-back liquid after targeted treatment

(mg·L-1)

使用經(jīng)過針對性處理后的返排液重新配制減阻劑溶液,并同使用地表水(總礦化度約230 mg/L)及未處理的返排液配制的液體進(jìn)行性能對比[18],減阻劑添加濃度均為1 000 mg/L,見圖3?？梢钥闯?使用處理后的返排液配制的減阻劑溶液,性能有明顯提升,接近使用地表水配制的液體性能,已具有較好的應(yīng)用能力[19]。

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

自2018年5月起,威H 70頁巖氣開發(fā)平臺施工全部使用經(jīng)過以上技術(shù)處理后的返排液配制滑溜水壓裂液施工。根據(jù)現(xiàn)場施工曲線計算,平均減阻率為78.5%,施工期間液體性能穩(wěn)定,施工成功率高。至本文統(tǒng)計時,已累計施工27段,共使用返排液48 640 m3,節(jié)約返排液處理成本約980萬元，大大降低了污水處理成本和淡水資源的消耗,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 不同水源減阻劑溶液減阻率變化情況曲線圖Fig.3 Drag reducing efficiency changes of drag reduction agentaqueous solution from different water sources

3 結(jié)論

1)壓裂返排液中的離子對滑溜水壓裂液性能有較大影響,降低了液體的黏度、減阻率,延長了液體的配制時間。通過對不同類型的離子進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)Ca2+、Mg2+等高價陽離子對液體性能的影響大于低價陽離子對液體性能的影響,陰離子中Cl-的影響最大,是水處理的主要目標(biāo)離子。

2)實現(xiàn)壓裂返排液的循環(huán)使用,必須有針對性降低部分特定離子的濃度。在處理后,壓裂返排液完全可實現(xiàn)循環(huán)使用,性能穩(wěn)定,滿足壓裂施工需求。