陈雁南，王永光，万用波，吴 萌，李 强

（北京矿冶科技集团有限公司，北京 102628）

随着油气开采的进行油气田产出水不断增加，目前大部分油气田已进入高含水期，开采1 t 原油需注入7 t 水，并产生5 t 污水[1]，污染生态环境。产出水处理后主要用于回注、外排、再次配液。由于环保要求的日益严格，污水处理后回注受到限制，外排处理成本过高。因此，产出水处理后再次配液成为新的趋势且具有以下优势：减少产出水的处置费用；解决油田生产中注水、压裂等工艺所用大量淡水[2]。产出水水质复杂，含多种金属离子、氯化物、悬浮物等，矿化度高[3，4]，用于再次配液时会对压裂液的性能产生影响[5]，而高矿化度的油层水不但与地层配伍性好[6]，而且能防止黏土膨胀。因此，通过对产出水成分的分析，并针对各组分分别对压裂液性能的影响程度进行分析，确定影响因素。

1 实验部分

1.1 主要材料与仪器

主要材料：过硫酸铵、羟丙基瓜尔胶，起泡剂，助排剂，氯化钾，杀菌剂，碳酸钠，交联剂，以上材料均为工业级。

仪器：流变仪RS75，六速黏度计ZNN-D6，低速自动平衡离心机LD25-2，电子天平ME204E。

1.2 实验方法

基液的配制：羟丙基瓜尔胶0.42 %，起泡剂0.5 %，助排剂0.2 %，KCl 1.0 %，杀菌剂0.1 %，碳酸钠0.2 %，高速搅拌5 min，静置4 h。

压裂液抗温抗剪切性能评价条件： 基液中加入交联剂0.3 %，剪切速率170 s-1，测试温度90 ℃，剪切时间7 200 s。

2 结果与讨论

2.1 水质分析

根据大牛地气田所提供的产出水样品，对其水质进行分析，分析项目包括Na+、K+、Ca2+、Mg+、Fe2+、Fe3+、SO42-、Cl-等。根据水质分析结果，可以确定考察因素的评价范围。

2.1.1 Na+分析结果 Na+浓度在短时间内稳定，5 月所取样品浓度在5 000 mg/L～7 000 mg/L，12 月所取样品浓度8 000 mg/L～10 000 mg/L。12 月样品浓度较5 月样品明显升高，与该段时间内所开采的地层有密切关系（见图1）。

2.1.2 K+分析结果 K+对二次配液影响较小，但作为对配制压裂液有用的元素，是黏土稳定剂的主要成分。5 月样品中的K+浓度在250 mg/L～300 mg/L，12 月样品中的K+浓度在450 mg/L～500 mg/L，含量相对较低且变化不大（见图2）。

2.1.3 Ca2+分析结果 Ca2+作为主要的成垢元素，对二次配液会有明显的影响。因此对于样品中Ca2+含量的确定，有助于为处理工艺提供临界值。样品中的Ca2+浓度较高，5 月所取样品在4 000 mg/L～6 000 mg/L，12 月所取样品为10 000 mg/L 左右（见图3）。

2.1.4 Mg2+分析结果 Mg2+含量相对较小，5 月样品中的浓度在250 mg/L～400 mg/L，12 月样品中的浓度在700 mg/L～800 mg/L（见图4）。

2.1.5 总Fe 分析结果 总Fe 对二次配液的影响较大，主要在压裂液交联后，减弱冻胶的抗温抗剪切性能。通过对样品进行分析，总Fe 含量在10 mg/L 以下，浓度较低且相对稳定（见图5）。

图1 产出水中Na+变化Fig.1 Na+in produced water

图2 产出水中K+变化Fig.2 K+in produced water

图3 产出水中Ca2+变化Fig.3 Ca2+in produced water

图4 产出水中Mg2+变化Fig.4 Mg2+in produced water

图5 产出水中总Fe 变化Fig.5 Fe in produced water

2.1.6 Cl-分析结果 Cl-对于二次配制压裂液影响较小，但是Cl-存在对于污水处理工程化时设备材料的影响较大，较高的氯离子限制了部分材料的使用。5 月样品中的Cl-浓度在15 000 mg/L～25 000 mg/L，12 月样品中的Cl-浓度在35 000 mg/L～40 000 mg/L，浓度较高（见图6）。

2.1.7 SO42-分析结果 SO42-对配液影响较小，浓度在30 mg/L 以下（见图7）。

通过对气田样品的水质分析，了解到气田产出水样品矿化度高，硬度高含量达5 000 mg/L～6 000 mg/L，氯离子含量高在20 000 mg/L 左右，且含量相对稳定，属于易结垢，腐蚀性强的水质。

2.2 各成分对压裂液性能的影响

图6 产出水中Cl-变化Fig.6 Cl-in produced water

图7 产出水中SO42-变化Fig.7 SO42-in produced water

2.2.1 Na+对压裂液性能的影响 通过对产出水样品的成分分析，Na+其含量约为6 000 mg/L～11 000 mg/L。Na+影响因素的评价是通过在配液用水中加入不同量的NaCl 后，按照水基压裂液的评价方法进行评价，评价结果（见表1），从表1 可以看出Na+存在对基液黏度以及破胶后的残渣影响较小，但含量过高时会对冻胶性能有一定的影响。当Na+含量高于14 000 mg/L 时，冻胶的抗温抗剪切性能受到影响，不能满足大于50 mPa·s的要求。综上，Na+在含量过高时会对压裂液性能产生影响。

2.2.2 Cl-对压裂液性能的影响 由于Cl-与Na+单因素评价均是以NaCl 为外添加物，因此Cl-对压裂液性能的影响与钠离子的影响是成正比关系（见表2）。

2.2.3 Ca2+对压裂液性能的影响 对Ca2+影响因素的评价是通过在配液用水中加入不同量的CaCl2后，按照水基压裂液的评价方法进行评价，评价结果（见表3），从表3 可以看出，Ca2+存在对基液黏度影响较小，但对破胶后残渣以及冻胶的抗温性能均有较大的影响。由于压裂液配方中含有碳酸钠，产出水中的Ca2+会与碳酸钠形成沉淀，造成裂缝堵塞，影响压裂效果。具体限值是当Ca2+的含量超过180 mg/L 时，残渣含量将超过标准要求的600 mg/L，不满足压裂液性能的要求。当Ca2+含量为360 mg/L 时，压裂液的残渣达988 mg/L 已远超出标准SY/T 6376-2008《压裂液通用技术条件》要求的600 mg/L。而产出水中Ca2+的含量高达4 000 mg/L～11 000 mg/L，如不将其去除将严重影响压裂液的性能，根据Ca2+的单因素评价结果，处理后产出水Ca2+含量应小于180 mg/L。

表1 Na+对压裂液性能的影响Tab.1 The influence of Na+on fracturing fluid properties

表2 Cl-对压裂液性能的影响Tab.2 The influence of Cl-on fracturing fluid properties

表3 Ca2+对压裂液性能的影响Tab.3 The influence of Ca2+on fracturing fluid properties

表4 Mg2+对压裂液性能的影响Tab.4 The influence of Mg2+on fracturing fluid properties

2.2.4 Mg2+对压裂液性能的影响 对Mg2+影响因素的评价是通过在配液用水中加入不同量的MgCl2后，按照水基压裂液的评价方法进行评价，评价结果（见表4），从表4 可以看出，Mg2+存在对基液黏度影响较小，但对破胶后残渣以及冻胶的抗温性能均有较大的影响，这与Ca2+的影响趋势相同。从单一的Mg2+影响分析，其含量为250 mg/L 时，仍可满足压裂液性能的要求，但冻胶抗温性能有一定程度的下降且残渣含量已明显升高。由于Mg2+与Ca2+性质相似，对压裂液性能的影响也相似，因此，二者的共存会产生叠加效应。Ca2+对配液性能的影响强于Mg2+的影响，Ca2+的最高限制是180 mg/L，因此，在考察这两种离子的影响时，其限定值应为二者之和，即Ca2+与Mg2+含量的总和不能高于180 mg/L。

2.2.5 SO42-对压裂液性能的影响 对SO42-影响因素的评价是通过在配液用水中加入不同量的Na2SO4后，按照水基压裂液的评价方法进行评价，评价结果（见表5）。由于产出水中SO42-含量相对较少，从表5 可以看出当SO42-存在对基液黏度、残渣、冻胶的抗温抗剪切性能均未产生影响。

2.2.6 总Fe 对压裂液性能的影响 总Fe 对配液性能的影响分为Fe2+与Fe3+。Fe2+对配液性能影响较大，Fe2+与破胶剂过硫酸铵形成氧化还原体系，使过硫酸铵提前引发，造成压裂施工时，压裂液提前破胶，影响压裂施工（见表6），处理后的返排液中不能含有Fe2+。

表5 SO42-对压裂液性能的影响Tab.5 The influence of SO42-on fracturing fluid properties

表6 Fe2+对压裂液性能的影响Tab.6 The influence of Fe2+on fracturing fluid properties

表7 Fe3+对压裂液性能的影响Tab.7 The influence of Fe3+on fracturing fluid properties

Fe3+对配液性能的影响（见表7），当Fe3+含量超过10 mg/L 时水质显淡黄色，长时间放置会有沉淀析出，当浓度达20 mg/L 时，冻胶不能满足施工要求。

3 结论

（1）气田产出水矿化度达40 000 mg/L～50 000 mg/L，硬度高含量高达5 000 mg/L～6 000 mg/L，Cl-含量高达20 000 mg/L，且含量相对稳定，属于易结垢，具有一定腐蚀性。

（2）产出水中的Na+、Cl-、Ca2+含量相对较高，其中Ca2+对压裂液的抗温抗剪切性能、残渣影响最大，当Ca2+的含量超过180 mg/L 时，残渣含量将超过标准要求的600 mg/L，不满足压裂液性能的要求。当Na+含量高于14 000 mg/L 时（相当于Cl-含量27 000 mg/L），冻胶的抗温抗剪切性能受到影响，不能满足大于50 mPa·s的要求。

（3）产出水中Fe、SO42-、K+含量相对较低，其中SO42-，K+在该范围内对压裂液的性能无影响；Fe2+对配液性能影响较大，Fe2+与破胶剂过硫酸铵形成氧化还原体系，使过硫酸铵提前引发，造成压裂施工时，压裂液提前破胶，影响压裂施工；Fe3+对配液性能的影响，当Fe3+含量超过10 mg/L 时水质显淡黄色，长时间放置会有沉淀析出，当浓度达20 mg/L 时，冻胶不能满足施工要求。