頁(yè)巖氣開(kāi)采中的液化石油氣無(wú)水壓裂技術(shù)

陳曉宇，張志全，燕明慧，袁時(shí)雨， 張稷瑜

（1. 長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430000； 2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249）

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頁(yè)巖氣開(kāi)采中的液化石油氣無(wú)水壓裂技術(shù)

陳曉宇1，張志全1，燕明慧1，袁時(shí)雨1， 張稷瑜2

（1. 長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430000； 2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249）

摘 要：水資源的大量消耗和壓裂導(dǎo)致的相關(guān)污染一直以來(lái)都是頁(yè)巖氣開(kāi)采中常用的水力壓裂技術(shù)始終面臨著兩大難題。為了實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣能夠綠色高效地開(kāi)發(fā)，探索適宜的新型無(wú)水壓裂技術(shù)已經(jīng)顯得十分重要和緊迫了。而目前，外國(guó)的石油科研人員正在研發(fā)的LPG無(wú)水壓裂，即使用液化石油氣作為壓裂液，則可能是打開(kāi)中國(guó)頁(yè)巖氣資源的鑰匙。這種技術(shù)可以解決我國(guó)尚無(wú)完善水力壓裂作業(yè)體系和缺乏水資源的情況，應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。

關(guān) 鍵 詞：頁(yè)巖氣；LPG；綠色環(huán)保

頁(yè)巖氣是一種以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式，賦存于富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖及其夾層中的非常規(guī)天然氣資源，成分以CH4為主。目前，頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)已經(jīng)在美國(guó)和加拿大等國(guó)家取得了比較好的成果。我國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力大，國(guó)家對(duì)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)相當(dāng)重視，不斷地加大對(duì)頁(yè)巖氣的研究和開(kāi)發(fā)力度?，F(xiàn)在一口典型頁(yè)巖氣井鉆井與壓裂需要近25 000 m3水。而“萬(wàn)方液 千方砂”式的水基壓裂與中國(guó)的實(shí)際情況不太符，并且中國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)備主要集中在四川盆地和塔里木盆地，這兩個(gè)區(qū)域的水資源比較匱乏，開(kāi)采設(shè)備運(yùn)輸也不方便，這都是影響頁(yè)巖氣大規(guī)模開(kāi)發(fā)的制約因素［1-3］。

國(guó)外正在研究的LPG無(wú)水壓裂液技術(shù)，主要是將丙烷混合物作為壓裂液來(lái)替代水進(jìn)行壓裂作業(yè)，把丙烷壓縮到凝膠狀態(tài)，與支撐劑混合一起壓入巖石裂縫，這樣最終采收率可以提高20%～30%左右并且對(duì)地層不會(huì)造成任何傷害［4，6］。加拿大的GasFrac Energy Services公司在2008年發(fā)明了LPG壓裂技術(shù)，至2012年9月GasFrac公司與Husky，EOG等公司合作，在加拿大和美國(guó)完成1 580井次壓裂［7］。

1 LPG組成

LPG在常溫和1.4 MPa的壓力下呈液態(tài)，是一種石油天然氣的混合物。LPG的主要成分是HD-5丙烷，與常規(guī)油基壓裂液比較，最主要的不同點(diǎn)在于LPG是經(jīng)過(guò)分餾的，其純度達(dá)到了90%（圖1）［8，9］。

2 LPG壓裂液技術(shù)機(jī)理及特點(diǎn)

LPG壓裂液是以液化丙烷、丁烷或者二者的混合液為基液，油溶性表面活性劑烷基磷酸酯作為稠化劑，F(xiàn)e3+或者Al3+等多價(jià)金屬鹽作為交聯(lián)劑而形成的一種油基無(wú)水壓裂液體系［10］。LPG壓裂液密度很低，大概只有水密度的二分之一。水基壓裂液靜壓力梯度是10.2 kPa/m，而LPG壓裂液靜壓力梯度則是5.1 kPa/m，在返排的時(shí)候壓降可多下降至水的靜壓頭的1/2，對(duì)在壓裂施工后能夠快速的徹底的洗井與返排提供幫助。

圖1 LPG原料氣體積組成Fig.1 LPG feed gas volume composition

從表1可知，水與LPG的黏度存在著10倍的差距。根據(jù)描述儲(chǔ)層巖石的滲透性的Darcy定律可知，粘度越小，驅(qū)替同等量流體所需要的壓力差越小，因此，返排時(shí)，從基質(zhì)進(jìn)入裂縫的液體出來(lái)所遇到的阻力也降變低。壓裂液表面張力越低，其在裂縫中也就越容易流動(dòng)，同時(shí)，表面張力在很大程度上會(huì)影響儲(chǔ)層中的毛細(xì)管壓力。

表1 LPG和水的壓裂性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of LPG and water fracturing

當(dāng)壓裂液流經(jīng)孔隙喉道或者天然裂縫時(shí)，由毛細(xì)管壓力計(jì)算公式可知，壓裂液的表面張力越低，流體開(kāi)始進(jìn)入巖心中最大喉道的壓力，即門限壓力也越低，液體就越容易流過(guò)狹窄的喉道和天然裂縫。所以，液體堵塞孔喉從而導(dǎo)致的水鎖效應(yīng)因?yàn)槠漭^低的表面張力能夠得到消除。

LPG壓裂液對(duì)地層不會(huì)產(chǎn)生任何傷害。由于儲(chǔ)層及儲(chǔ)層流體和其壓裂基液是完全配伍，遇到泥質(zhì)成分比較高的儲(chǔ)層不會(huì)發(fā)生聚合物堵塞、水鎖反應(yīng)、粘土膨脹等現(xiàn)象。壓裂關(guān)井后，在儲(chǔ)層中，如果LPG壓裂基液與天然氣以揮發(fā)或汽化的方式混融，就會(huì)形成CH4、LPG混合氣相返排；如果跟原油混相，原油的粘度就會(huì)變低，其殘余油飽和度也將減少，綜上，原油最終采收率會(huì)得到提高。同時(shí)由于LPG壓裂液的表面張力、相對(duì)密度本身就低，破膠以后它的粘度也會(huì)降低，所以返排阻力很小。依靠自有的能量在施工結(jié)束后1.0～2.0 d內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)徹底返排［11］。

壓裂泵注階段結(jié)束后，在動(dòng)態(tài)裂縫里只殘留支撐劑，其裂縫中鋪砂效果較好，從而在形成的裂縫幾何尺寸中，有效裂縫長(zhǎng)度更長(zhǎng)（見(jiàn)圖2）［12］，前期產(chǎn)能更大（見(jiàn)表2）。

圖2 兩種壓裂方式下產(chǎn)生的有效裂縫長(zhǎng)度對(duì)比圖Fig.2 Effective fracture length comparison after two different ways of fracturing

表2 加拿大McCully氣田Table 2 Canada McCully Gas Filed

3 LPG壓裂液的流變性能

實(shí)驗(yàn)中，LPG壓裂液需加入稠化劑、交聯(lián)劑、活化劑和破膠劑等（見(jiàn)圖3）。稠化劑為6 g pt，活化劑為6 g pt，破膠劑為1 g pt的壓裂液凍膠在加入破膠劑后，90 min內(nèi)，粘度仍大于100 mPa·s，160 min后徹底破膠，粘度可在50 ～1 000 mPa·s之間進(jìn)行調(diào)節(jié)（見(jiàn)圖4）［13］。破膠時(shí)間也可根據(jù)施工要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，破膠液的粘度為0.1～0.2 mPa·s，這遠(yuǎn)低于水基壓裂液。

圖3 LPG壓裂液凍膠Fig.3 LPG fracturing fluid gel

4 LPG壓裂施工及其回收再利用

LPG壓裂實(shí)行的是全自動(dòng)化施工模式，設(shè)備組成主要包括壓裂車、添加劑運(yùn)載和泵送系統(tǒng)、LPG罐車、液氨罐車、砂罐、管匯車、儀表車等，不需要混砂車，支撐劑和液體在低壓管線中混合輸送。

圖4 LPG壓裂液粘溫曲線Fig.4 LPG fracturing fluid viscosity-temperature curve

全套的試井橇將在初試流動(dòng)的時(shí)候所采用，其中包含有除砂器、兩個(gè)管線加熱爐、分離設(shè)備和放噴設(shè)備（圖5）［14］。

圖5 LPG壓裂返排設(shè)備及流程Fig.5 LPG fracturing flowback equipment and processes

液態(tài)丙烷通過(guò)管線加熱爐將得到完全得干燥，其含有的包括已經(jīng)返排出來(lái)的壓裂砂等所有的雜質(zhì)都將得到脫離。從而保證放噴塔或現(xiàn)場(chǎng)液體儲(chǔ)罐無(wú)液態(tài)丙烷進(jìn)入，并且在以后的壓裂作業(yè)中也可以繼續(xù)重復(fù)利用。只需通過(guò)丙烷回收系統(tǒng)將丙烷重新轉(zhuǎn)換為液態(tài)，就能在以后再應(yīng)用，無(wú)須重復(fù)利用的時(shí)候可以引出作業(yè)場(chǎng)，對(duì)其點(diǎn)火燒掉。

5 結(jié)論與建議

（1）綜合LPG壓裂和清水壓裂的施工成本以及施工后期處理的費(fèi)用后，LPG壓裂性價(jià)比更高。

（2）LPG技術(shù)因?yàn)槠涑杀颈人叩脑?，從而?duì)其推廣產(chǎn)生了阻礙。常規(guī)水力壓裂施工設(shè)備不適合LPG壓裂作業(yè)，且在加拿大，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家石油領(lǐng)域內(nèi)，完善的水力壓裂作業(yè)體系已然建立，生產(chǎn)商對(duì)進(jìn)行技術(shù)替換并沒(méi)有表現(xiàn)出很強(qiáng)的積極性。

（3）安全性有待檢驗(yàn)。LPG壓裂用壓裂車一定要確保密封性，現(xiàn)在安全監(jiān)測(cè)格外重要。在任何位置， 液化石油氣泄露都將造成嚴(yán)重的后果。當(dāng)LPG的濃度達(dá)到一定值，在一定溫度下將發(fā)生爆炸，同時(shí)壓裂車的發(fā)動(dòng)機(jī)在施工時(shí)都在工作，更增加了爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。目前在多個(gè)位置放置LPG濃度監(jiān)測(cè)設(shè)備，在LPG壓裂車低壓吸入口安裝壓力傳感器。

（4）中國(guó)的頁(yè)巖氣資源量十分豐富，其開(kāi)發(fā)重點(diǎn)在四川、重慶地區(qū)，這個(gè)地方地處風(fēng)景秀美的山區(qū)，而且位于長(zhǎng)江的源頭，所以環(huán)境的保護(hù)就顯得更外關(guān)鍵。為了在頁(yè)巖氣“井工廠”應(yīng)用中能夠大力推廣，我們應(yīng)該盡快的引進(jìn)和熟練掌握LPG技術(shù)。

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LPG Waterless Fracturing Technology for Exploitation of Shale Gas

CHEN Xiao-yu1， ZHANG Zhi-quan1， YAN Ming-hui1， YUAN Shi-yu1， ZHANG Ji-yu2
（1. School of Petroleum Engineering，Yangtze University， Hubei Wuhan 430000， China；2. China University of Petroleum， Beijing 102249，China）

Abstract:The large amount of water resource consumption and related pollution caused by fracturing are two major problems in the exploitation of shale gas by using the common hydraulic fracturing technology. In order to realize the green and efficient development of shale gas， it is very important and urgent to develop new type of fracturing technology. At present， foreign oil researchers are developing LPG waterless fracturing technology， namely using liquefied petroleum gas as fracturing fluid； it may be the key to open shale gas resources in China. This technology can solve the problems that there is no perfect system of hydraulic fracturing operations and the lack of water resources in China， so its application prospect is very broad.

Key words:Shale gas；LPG；Green

中圖分類號(hào)：TE 357.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）02-0409-03

收稿日期：2015-10-25

作者簡(jiǎn)介：陳曉宇，男，湖北鐘祥人，碩士研究生，研究方向：采油采氣工藝。E-mail：2033916510@qq.com。