随着川西气田须家河组气藏开采力度的增大, 气田废水逐年增加。地层水是气田废水的主要来源之一。目前, 国内外处理地层水的主要方法包括回注地层、处理达标后外排及低温蒸馏法3种[1]。这3种方法总体上来说处理难度较大, 且成本较高, 同时回注水处理不当易造成储层污染及水资源的浪费, 严重制约了气田的勘探与开发。
相比以上3种方法, 使用地层水配制工作液既能缓解废水处理的压力, 又能实现对气田废水的重复利用, 达到节能减排的宗旨。经调研可知, 使用川西地区中浅层地层水配制的特效增溶剂GCY-14性能良好, 进一步证明了川西地区地层水配制工作液的可实施性。目前, 国内外大多数研究停留在地层水配制单一工作液阶段, 不够全面。因此, 本研究从须家河组地层水的水质特征入手, 通过优选处理剂、优化配方、综合性能评价等方法, 分别对须家河组地层水配制胍胶压裂液、减阻水及钻井液3种不同工作液的性能进行研究, 从而确定与须家河组地层水水质特征相匹配的工作液体系。
须家河地层水离子成分复杂, 偏酸性或中性。如表 1、表 2所列。须家河地层水整体矿化度较高, 平均矿化度高达39 917 mg/L, Ca2+、Mg2+、Cl-浓度高, 水型以CaCl2为主[2-3]。相比中浅层地层水, 须家河组地层水超高的矿化度给工作液的配制带来了更大的困难。
采用须家河地层水配制胍胶压裂液, 在加入稠化剂羟丙基胍胶后, 胍胶无法直接溶胀, 基液不起黏[4]。加入Na2CO3或NaOH后, 基液自发弱交联(见表 3)。分析表明, 高氯废水中的Ca2+、Mg2+是影响压裂液基液交联形成冻胶的主要原因。因此, 在配制压裂液过程中, 需要对地层水进行预处理, 优选金属离子络合物[5], 以降低Ca2+、Mg2+的影响。
优化高氯废水预处理流程, 向废水中加入过量的Na2CO3溶液, 产生白色沉淀[6]。取上层清液, 在3 000 r/min的转速下离心30 min, 离心管底部无明显沉淀, 然后取离心后的清液加入1.0%~2.0%(w)特效增溶剂GCY-14配制压裂液基液, 发现仍然存在基液自发弱交联现象, 形成的冻胶起始黏度低(约92 mPa·s), 无法满足施工要求。
在地层水中加入性能较好的金属离子络合剂EDTA和WD-8, 考察其对Ca2+、Mg2+的抑制能力, 实验结果见表 4。由表 4可看出, 优选的络合剂并没有很好地抑制地层水中的Ca2+和Mg2+, 基液自发弱交联现象严重, pH值达到碱性后基液无法交联形成冻胶。
由于碱性条件下无法配制满足施工要求的压裂液, 因此优选pH值调节剂、交联稳定剂和弱酸性交联剂, 在弱酸性条件下调试压裂液配方。但研制的地层水压裂液破胶困难, 效果较差, 残渣质量浓度高达6 225 mg/L(超过行业标准10倍), 无法满足现场施工要求。
综上所述, 3种方案均无法配制出性能优良的须家河组地层水胍胶压裂液体系。
减阻水成分简单, 用量大, 可用于大规模的压裂施工, 利用须家河组地层水配制减阻水可作为缓解气田废水压力的重要手段之一。高矿化度的须家河地层水与降阻剂的配伍性较差, 在降阻水配制过程中会产生大量的白色胶状沉淀。同时, 地层水中大量的无机盐电解质, 会导致降阻剂流状链或长直链少侧链的高分子聚合物呈现卷曲状态, 降低了对流体微元的作用力[7], 降阻率远低于清水配制的减阻水。因此, 减阻水的研制只能通过优选抗盐性能优良的降阻剂来实现。
采用的减阻水配方为:降阻剂+0.1%(w)杀菌剂+0.2%(w)黏稳剂+0.2%(w)增效剂+地层水, 实验降阻剂包括BRD-JZ3、BRD-JZ4、BA1-9B、BA1和威德福5种。分别对不同配方配制的减阻水进行降阻性能实验, 结果见表 5。对比可以看出, 降阻剂BRD-JZ3和BTD-JZ4所配制的降阻水性能较好, 降阻率较高。考虑到BRD-JZ3成本较低, 因此优选BRD-JZ3为最佳的降阻剂。
采用不同加量的BRD-JZ3降阻剂配制减阻水, 并对其性能进行评价, 结果如图 1所示。当降阻剂的加量为0.04%(w)时, 在3 000 s-1的剪切速率下, 降阻率可达53%, 效果较好, 满足施工要求。考虑到降阻剂的配伍性问题[8-9], 在实验过程中同时对杀菌剂及黏土稳定剂进行了优选, 最终确定的减阻水配方为:0.04%(w)降阻剂BRD-JZ3+0.1%(w)杀菌剂WDS-2A+0.1%黏稳剂WD-5L+0.1%(w)增效剂BM-B10+须家河组地层水。
按照上述配方, 使用清水及须家河组地层水分别配制不同体系的减阻水, 并对其进行综合性能评价, 主要包括减阻水的黏度、表面张力、防膨率及破胶性能, 结果见表 6和表 7。由表 6和表 7可以看出, 与清水配制的减阻水相比, 使用须家河地层水所配制的减阻水表面张力略低, 但黏度较大, 防膨率较高, 两者整体的破胶性能相似, 符合行业标准, 完全具备了现场应用的条件。
将使用须家河地层水配制的新型减阻水应用于现场施工过程中, 取得了良好的效果, 降阻率可达到65%~71%, 完全能够满足施工要求。
地层水配制的减阻水在施工之后会产生大量的返排液, 为了节约水资源、保护环境, 需开展减阻水返排液的重复利用技术研究。在已有减阻水配方的基础上, 确定减阻水返排液配制降阻水的配方:0.04%(w)降阻剂BRD-JZ3+0.1%(w)杀菌剂WDS-2A+0.1%(w)黏稳剂WD-5L+0.1%(w)增效剂BM-B10+减阻水返排液。综合性能评价见表 8。由表 8可以看出, 减阻水返排液配制的减阻水性能与清水配方相似, 满足现场施工需求, 实现了地层水配制减阻水的重复利用, 解决了大量返排液所造成的环保问题。
膨润土是钻井液配浆的主要材料, 但无机盐对膨润土的水化分散具有一定的抑制作用。在钻井液配制过程中, 须家河组地层水极高的矿化度严重影响了膨润土的造浆率, 导致钻井液流变性变差、滤失量剧增。室内采用地层水和淡水配制不同体系的基浆, 并对基浆的滤失性能进行测定, 结果见表 9。
采用不同配方配制的钻井液基浆, 膨润土的造浆率会有较大的不同。与淡水相比, 地层水配制的基浆水化分散能力差, 滤失量剧增, 易产生沉降, 造成气穿[10-12]; 当淡水比例增加时, 基浆滤失量虽有所减小, 但改善幅度较小, 仍不能满足施工的要求。在此基础上, 添加处理剂虽可进一步降低滤失量, 但提高了成本。同时, 增加淡水比例势必减少地层水的用量, 不利于缓解废水处理的压力。综合考虑, 不推荐使用须家河组地层水配制钻井液。
(1) 须家河组地层水超高的Ca2+、Mg2+浓度不利于压裂液基液交联形成冻胶, 在配制钻井液时会严重影响膨润土的造浆率, 添加处理剂并不能很好地解决这两个问题。因此, 不推荐使用须家河组地层水配制胍胶压裂液、钻井液。
(2) 通过优选抗盐性能较好的降阻剂BRD-JZ3, 可以实现减阻水的配制, 研制形成的须家河组地层水减阻水体系, 应用于现场施工, 降阻率可达到65%~71%。
(3) 可使用地层水减阻水施工后产生的返排液配制降阻水, 实现了地层水减阻水的重复利用, 有利于环境保护。
(4) 须家河组地层水离子成分复杂, 建议进一步加强地层水工作液体系的研究, 为须家河组地层水的重复利用提供技术上的支撑。