胍胶压裂返排液回注处理技术研究与应用_秦金霞.pdf

第 42卷第 02期（2023-02）油气田地面工程 https:/水处理与注水工程胍胶压裂返排液回注处理技术研究与应用秦金霞新疆油田公司工程技术研究院摘要：随着体积压裂的大规模应用，压裂返排液的处理也成为油田亟待解决的问题。压裂返排液成分复杂，添加剂多，其中稠化剂-胍胶的处理成为返排液处理的关键。选取新疆油田压裂返排液样品，通过对水质、SEM 电镜表观、元素及相对分子质量变化进行分析，对比确定了胍胶破胶前后的结构变化情况；通过对胍胶体系压裂返排液的微观分析，得出了胍胶在返排液中的稳定机理及处理方向。基于胍胶的微观分析及特性认识，开展返排液处理室内实验，取得了良好效果，进而在新疆油田开展了中试试验，处理后水质达到注水指标。新疆油田某采油厂应用了返排液回注处理技术后水质含油浓度5 mg/L、悬浮物浓度8 mg/L，实现了返排液的循环利用和回注处理效益最大化。关键词：压裂返排液；胍胶；微观分析；稳定机理；回注Research and Application of the Reinjection Treatment Technology of Guanidine GumFracturing Flowback FluidQIN JinxiaEngineering Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield CompanyAbstract：With the large-scale application of volume fracturing，the treatment of fracturing flowbackfluid has also become an urgent problem for oilfields.The composition of fracturing flowback fluid iscomplex，and there are many additives.The treatment of thickening agent-guanidine gum becomes thecrux of the treatment of fracturing flowback fluid.Samples of fracturing flowback fluid from XinjiangOilfield are selected.Through the analysis of water quality，SEM appearance，element，and relativemolecular weight changes，the structural changes of guanidine gum before and after breaking are com-pared and determined.The stability mechanism and treatment direction of guanidine gum in fracturingflowback fluid are obtained through microscopic analysis of fracturing flowback fluid of guanidine gumsystem.Based on the microcosmic analysis and characteristic understanding of guanidine gum，laborato-ry tests on the treatment of flowback liquid have been carried out，and good results have been achieved.Then a pilot test is carried out in Xinjiang Oilfield，and the water quality after treatment reaches thewater injection indexes.The reinjection treatment technology of flowback fluid is applied in an oil pro-duction plant in Xinjiang Oilfield.After treatment，the oil concentration in the water is not more than5 mg/L，and the suspended matter concentration is not more than 8 mg/L，which realizes the recy-cling of flowback fluid and the maximum benefit of reinjection treatment.Keywords：fracturing flowback fluid；guanidine gum；microscopic analysis；stabilization mechanism；reinjection随着新疆油田玛湖 10108t级大油田的开发，大规模采用“水平井+体积压裂”的非常规开发模式，预测未来 15 年压裂返排液量可达 1108m3。压裂返排液含增稠剂、交联剂、破胶剂、助排剂、黏土稳定剂等多种压裂添加剂，与常规采出水相比，具有高 COD（化学需氧量）、高稳定性、高黏度、高含油量等特点，成分复杂、处理难度大1-5，常规水处理工艺难以达到采出水水质标准要求，压DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2023.02.00949水处理与注水工程秦金霞：胍胶压裂返排液回注处理技术研究与应用油气田地面工程 https:/裂返排液的处置成为制约新疆油田上产的瓶颈。根据国内外经验，压裂返排液复配压裂液是最经济环保的处置方式6。新疆油田优先复配回用返排液，处理后回注油田，返排液的回注处理工艺成为重要的处理手段。为此开展了返排液脱稳机理及回注处理工艺技术研究。1脱稳机理及脱稳技术研究1.1水质分析对玛湖地区 A井区返排液进行水质分析，水质检测数据见表 1。由表 1可知，该井区返排液为氯化钙水型，呈弱酸性，细菌含量高，硬度高，矿化度 10 000 mg/L以上。1.2脱稳机理研究1.2.1微观分析将压裂返排液冷干后，磨成粉末状，用扫描电镜在不同放大倍数下进行表征分析，扫描结果见图1。由 图 1 可 知，在 放 大 30 000 和 60 000 倍 条 件下，胍胶呈现胶黏状态，即在地层高温环境下，胍胶结构被氧化破坏，分解为胶黏状残渣并析出少量晶体。这种状态下的颗粒不易扩散和渗析，扩散层厚度增大，颗粒间不易接近和结合，常规的混凝沉降工艺处理难度大7。1.2.2返排液中胍胶相对分子质量分布胍胶是一种天然的高分子多聚物，在一定的条件下会被分解成小分子8-9，黏度降低，有利于返排图 1不同放大倍数下扫描电镜观测结果Fig.1 SEM observation results at different magnification和降低地层伤害，同时降低水处理系统处理难度10-12。因 此，有 必 要 探 究 胍 胶 在 自 然 条 件（25）下的分解情况，测定相对分子质量随时间的变化，间接反映大分子胍胶的降解情况。选取4 g/L的纯胍胶溶液、b 返排液-未破胶与 c 返排液-已破胶样品用 Agilent LC 1100型高效液相色谱仪测定相对分子质量变化（图 2）。为便于结果分析，以相对 分 子 质 量 1 kDa、110 kDa、10100 kDa、1001 000 kDa、1 000 kDa将有机物分为 5类。对于纯羟丙基胍胶溶液，03 h 内相对分子质量1 000 kDa 的有机物明显减少，也就是部分胍胶被分解成小分子物质；18 h大分子物质增加，推测可能是样品处理过程中过夜放置导致分子聚集。表 1A井区返排液水质检测数据Tab.1 Water quality test data of backflow fluid in Well Block A检测项目1#井返排液2#井返排液3#井返排液pH值7.296.386.42CO32-/(mgL-1)未检出未检出未检出HCO3-/(mgL-1)810.89571.6306.7Ca2+Mg2+/(mgL-1)915.71 324.7933.4Cl-/(mgL-1)6 786.368 842.95 422.3SO42-/(mgL-1)42.7107.8816.6Na+K+/(mgL-1)3 641.84 461.52 915.2矿化度/(mgL-1)12 159.0715 022.710 202.7含油浓度/(mgL-1)36.237.8164.5悬浮物浓度/(mgL-1)1 3001 500360水型氯化钙氯化钙氯化钙腐生菌/mL-170 000110 0001.1106硫酸盐还原菌/mL-170 000110 00070 000铁细菌/mL-16 0002 50025 000图 2不同状态的胍胶相对分子量分布情况Fig.2 Relative molecular weight distribution of guanidine gum in different states50第 42卷第 02期（2023-02）油气田地面工程 https:/水处理与注水工程对于 b 返排液-未破胶和 c 返排液-已破胶，48 h 内均是 110 kDa相对分子质量的物质占最大比例。b返排液-未破胶样品 1848 h胍胶分解明显，而 c返排液-已破胶样品中加入了足够的破胶剂，早已使大分子破碎分解，不存在100 kDa 的大分子物质，48 h 内相对分子质量分布随时间的变化并不明显。其中 70%左右的胍胶分子的相对分子质量均小于 10 kDa，氧化破胶可逐步将大分子有机物氧化为小分子有机物。此时 电位为-1.6 mV，表明体系中胍胶分子由胶态向溶解态转变。1.3脱稳技术研究从大量的压裂返排液处理实验表明，返排液脱稳降解机理是氧化破胶，将大分子有机物降解为小分子有机物。开展了压裂返排液处理室内对比实验，常温条件下，先将压裂返排液采用不同氧化剂处理，再加少量絮凝剂 SJD-1（聚合氯化铝类）及助凝剂 SJD-2（聚丙烯酰胺类）沉降 60 min，对比实验后主要水质指标，结果见表 2。表 2压裂返排液处理室内对比实验结果Tab.2 Laboratory comparison test results of fracturing backflowfluid treatment水样原水1#2#3#4#处理试剂破胶剂 1+SJD-1+SJD-2破胶剂 2+SJD-1+SJD-2臭氧+SJD-1+SJD-2破胶剂 3+SJD-1+SJD-2处理后主要水质指标含油浓度/(mgL-1)42.118.515.617.818.2悬浮物固体浓度/(mgL-1)243.535.642.137.832.3黏度/（mPas）2.771.121.091.081.06由表 2可知，各组对比实验结果相近，处理后含 油 浓 度 为 15.618.5 mg/L，悬 浮 物 固 体 浓 度 为32.342.1 mg/L，黏度均在 1.0 mPas 左右。为了探究返排液破胶前后化学键及化学元素变化，用Thermo VG ESCA LAB 250 X-射线能谱仪对返排液-未破胶样品和返排液-破胶样品进行图谱分析对比，以确定胍胶溶液中有机物结构和性质的变化。XPS分析图谱如图 3所示。由图 3可知，添加氧化剂破胶以后，返排液中C 的 成 键 发 生 了 一 定 的 变 化，C-C 由 38%增 至45%，C=O 由 10%增至 18%，而 C-O 占比大幅度降低，由原来的 52%变为 37%。说明胍胶分子中的羟基自由基和碳氧键被氧化，导致胍胶分子链发生断裂，降低了返排液的黏度