趙俊 王景 孫澤寧 祁健 王鵬 湯天磊

1中聯(lián)煤層氣有限責任公司

2中海油能源發(fā)展有限公司

3中國石油華北油田公司第四采油廠

壓裂改造是提高致密氣采收率的主要手段，在壓裂作業(yè)過程中產生大量的壓裂返排液[1]，按照國家《環(huán)境保護法》及地方相關環(huán)保規(guī)定，這種高黏度、高COD 的重污染廢水必須進行有效處置，使其得到資源化利用（回用）或零排放無害化處理[2～3]。綜合考慮現場施工用水資源緊缺、無害化處理成本高等因素，返排液的資源化利用成為優(yōu)先選擇的思路[4]。目前，壓裂返排液在處理后主要用于配制壓裂施工中消耗量不大的前置液，而作為使用量最大的攜砂液的規(guī)?；瘧冒咐苌賉5～6]，存在的主要問題是交聯(lián)液攜砂性能差、支撐劑沉降速度快，以及抗溫、抗剪切性能達不到施工要求。結合山西臨興區(qū)塊的實際工況，在調研壓裂液返排液回用處理技術的基礎上，開展壓裂返排液處理后復配壓裂液的現場應用試驗，返排液處理后復配的壓裂液達到壓裂施工中的攜砂液性能要求，從而最大程度地提高返排液的回用比例，為致密氣開發(fā)過程中的環(huán)境保護、水資源利用提供了很好的技術保障。

1 壓裂返排液處理技術

1.1 壓裂返排液處理工藝流程

以山西致密氣壓裂返排液為原料，按照圖1所示的工藝流程，通過活化脫穩(wěn)、絮凝沉淀、定位除雜質、成分調節(jié)、精細過濾等過程對LX 區(qū)塊致密氣壓裂返排液進行處理，使處理后的出水水質滿足回用配制壓裂液的要求。

圖1 致密氣壓裂返排液處理工藝流程Fig.1 Treatment process flow of fracturing backflow from tight gas reservior

（1）活化脫穩(wěn)。涉及的主體設備為直噴式除油泥一體機。其原理主要是充分利用壓裂返排液中存在的大量表面活性劑，在剪切泵的作用下，空氣被高速剪切后迅速分散到返排液中形成微小的氣泡，返排液中的浮油、膠體雜質及部分懸浮物附著在氣泡表面，隨氣泡一起從返排液中分離出來，最終達到返排液除油、除泥的效果。

采用直噴式除油泥一體機去除返排液中夾帶的大部分懸浮物及浮油、乳化油等。此處理工段去除返排液中的油、砂，確保后續(xù)處理設備的正常運行。經除油、除砂后的壓裂返排液仍處于一個十分穩(wěn)定的膠體體系狀態(tài)，該體系為后續(xù)的深度處理帶來困難，使得人為加入的化學藥劑不能很好地分散，原有的細小懸浮物則不能很好地團聚。因此，瓜爾膠活化脫穩(wěn)這一工序的主要作用就是通過物理化學等手段，打破原來十分穩(wěn)定的膠體體系，實現快速破膠，并將返排液中的油、懸浮物、瓜爾膠破膠產物等雜質進一步地去除。

（2）絮凝沉淀。涉及的主體設備為污泥緩沖罐、污泥處理裝置。返排液經活化脫穩(wěn)后黏度迅速降低，易于絮凝沉淀，加入絮凝劑后快速分層，上清液進入下道工序，底層濃縮液進入污泥緩沖罐，經污泥處理裝置處理后裝袋堆放。

（3）定位除雜質與成分調節(jié)。涉及的主體設備為多功能水質凈化一體機。其原理是充分利用返排液中大量存在的氯離子，通過電磁激發(fā)作用形成游離氯，使返排液中的非穩(wěn)定態(tài)物質在游離氯的存在下發(fā)生氧化還原反應，達到最終去除效果。

經絮凝沉淀后的上清液自流進入多功能水質凈化一體機，對返排液中影響二次配液的非穩(wěn)定態(tài)物質通過氧化還原反應去除，處理過程無需額外投加氧化劑。還需對水質進行調節(jié)，保證各理化指標達到二次配液用水要求，包括對返排液的pH 值及氧化還原電位等進行調節(jié)。

（4）精細過濾。主要采用多介質過濾器，進一步降低返排液中的懸浮物含量，處理出水合格后，泵入清水罐備用。

1.2 處理設備現場布置

返排液處理現場位于山西省呂梁市，屬于中海油中聯(lián)的作業(yè)區(qū)塊，于2019 年7 月開始生產運行。現場設備、設施主要包括：成套返排液橇裝處理裝置（處理能力：30 m3/h，自帶發(fā)電機）、原水罐（1 000 m3，軟體罐）、清水罐（500 m3，軟體罐）、污泥緩沖罐（50 m3，防腐鐵罐）、活動板房等設施?，F場處理設備平面布置如圖2所示。

圖2 現場處理設備平面布置圖Fig.2 Plan layout of on-site processing equipment

1.3 壓裂體系

本文研究的LX 區(qū)塊致密氣壓裂返排液屬于水基胍膠壓裂液體系，主要組成包括增稠劑、黏土穩(wěn)定劑、助排劑、pH 調節(jié)劑、交聯(lián)劑等，其配方如表1所示。

表1 壓裂液體系配方Tab.1 Fracturing fluid system formula

從以上數據可以看出，水基胍膠壓裂液體系添加劑種類較多、成分復雜，返排液處理難度較大。

1.4 進水水質參數

對LX 區(qū)塊多個井場的返排液進行取樣、分析化驗，其水樣的主要水質指標如表2所示。

2 現場處理及應用評價

2.1 處理后水質指標

為了實現返排液的重復再利用，山西LX 區(qū)塊致密氣返排液處理后需達到表3列出的回用復配壓裂液水質指標要求。

對照業(yè)主對返排液出水的水質要求，壓裂返排液采用活化脫穩(wěn)、絮凝沉淀、定位除雜質、精細過濾等工序進行處理后，進水渾濁發(fā)黃，出水水質清澈透明（圖3、圖4）。處理完成后，對處理后的水質進行實驗室評價和送樣檢測。檢測后出水水質指標滿足表3 的水質要求，并可達到SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》[7]的水質要求。

圖3 現場返排液Fig.3 Field flowback fluid

圖4 現場處理出水Fig.4 Field treatment outlet water

2.2 重復配液評價實驗

按照水基胍膠壓裂液體系配方，采用處理后的返排液進行重復配液評價實驗（100%返排液重復配液），對重復配制的基液和壓裂液進行評價，主要包括基液黏度、交聯(lián)時間、流變性能（抗溫、抗剪切性能）、靜態(tài)濾失性、破膠時間及破膠黏度等指標，重復配制壓裂液性能評價結果如表4所示。

返排液出水重復配液時，與配液體系配伍性良好，壓裂液各項性能評價指標合格，無沉淀、異味和雜質，實驗室內進行的壓裂液性能評價指標滿足壓裂需求。

表2 現場進水水質指標Tab.2 Inlet water quality indicators

表3 致密氣返排液回用復配壓裂液水質指標Tab.3 Water quality indicators for re-used compound fracturing fluid from tight gas reservior

表4 復配壓裂液性能評價結果Tab.4 Performance evaluation result of compound fracturing fluid

2.3 壓裂施工現場應用

采用本套橇裝設備及處理工藝在現場處理返排液500 m3，在出水水質指標檢測合格及實驗室內的重復配液評價實驗合格后進行壓裂施工現場的應用評價。結合壓裂施工作業(yè)任務安排，對業(yè)主、壓裂作業(yè)隊伍等多方協(xié)調后，現場應用評價的井選定為LX-160-2D 井。本次壓裂作業(yè)的壓裂液主要包括前置液、攜砂液等，全部采用返排液處理后出水配制，配制總用量350 m3，實際使用量333 m3。壓裂應用現場LX-160-2D 井壓裂施工參數、施工記錄及壓裂施工曲線圖見表5、表6及圖5。

從上述圖表可看出，LX-160-2D 井壓裂施工作業(yè)壓力平穩(wěn)，攜砂順暢，前置液、攜砂液實際注入量與設計偏差不大，采用處理后的返排液重新配制的壓裂液進行的壓裂施工作業(yè)順利完成。對圖表進行分析，可以判斷返排液重新配液后的基液黏度、交聯(lián)時間、流變性能、攜砂性能、破膠性能等壓裂液性能指標均合格。

2.4 經濟效益分析

通過此次現場應用試驗，致密氣壓裂返排液按照圖1 所示的工藝流程進行處理后，可達到100%重復利用率，實現100%配液。壓裂返排液的回收再利用，除解決目前日益嚴峻的環(huán)保壓力外，更重要的意義在于水資源的循環(huán)使用。山西現場壓裂液用清水價格是50 元/m3，將返排液處理后重復配制壓裂液，將大大減少現場清水的使用量。據測算，采用返排液處理后重復配制壓裂液，1 m3壓裂液的配制成本可降低80～150元，1口定向井壓裂單井可節(jié)省5萬元，水平井單井節(jié)省15萬元，400口井可累計節(jié)省資金2 000萬元以上，經濟效益可觀。

表5 LX-160-2D井壓裂施工參數Tab.5 Fracturing construction parameter of LX-160-2D Well

表6 LX-160-2D井壓裂施工記錄Tab.5 Fracturing record of LX-160-2D Well

圖5 LX-160-2D井壓裂施工曲線Fig.5 Fracturing construction curve of LX-160-2D Well

3 結論

本文研究的返排液來自于山西LX 區(qū)塊致密水基胍膠壓裂液體系，成分復雜，處理難度大[8～9]。采用活化脫穩(wěn)、絮凝沉淀、定位除雜質、精細過濾等工序處理后出水水質清澈，各項水質指標符合業(yè)主的要求。

對處理后的出水進行實驗室重復配液評價實驗和壓裂施工作業(yè)現場應用評價，返排液重新配制的壓裂液基液黏度、交聯(lián)時間、流變性能、攜砂性能、破膠性能等主要壓裂液性能指標合格。

山西LX 區(qū)塊致密氣壓裂液返排液回用技術的成功應用，實現了水資源的循環(huán)利用，減少了壓裂作業(yè)所用的清水量，降低了作業(yè)成本，在致密氣開發(fā)過程中創(chuàng)造了良好的環(huán)境效益和經濟效益。