油頁巖原位裂解注漿帷幕止水漿液的研制

吳景華，劉華南，張 杰，王 巖，范明明，劉明東

(長春工程學院勘查與測繪學院，長春 130021)

0 引言

我國油頁巖資源儲量豐富，現(xiàn)探明的頁巖油儲量有487億t，相當于傳統(tǒng)石油資源的1.5倍，居世界第二位，覆蓋了20個省和自治區(qū)，47個盆地，共80個油頁巖礦區(qū)。油頁巖地面干餾技術(shù)由于高能耗、高污染等問題限制了人們對油頁巖的開采，因此，具有油氣轉(zhuǎn)化率高、開采成本低、污染環(huán)境小和適合深部開采等優(yōu)點的油頁巖原位裂解技術(shù)，將是油頁巖資源大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的一種趨勢。油頁巖原位裂解技術(shù)需要在油頁巖層形成一個相對獨立的封閉空間，使熱源能與目標油頁巖巖層進行充分換熱，并阻隔外部地下水向原位干餾空間滲入。地下水會對油頁巖的原位裂解產(chǎn)生很大影響，水的比熱很大，一旦有外界水進入裂解區(qū)域，很大一部分熱量將被水吸收，大大降低了油頁巖的加熱效果，地下水被加熱后還會隨著油頁巖裂解出的油氣產(chǎn)物一同被釆出，增加了地表廢水處理的負擔，同時還會降低油氣的回收率。另外，如果開采空間與地下水通道相連接，開采過程中的油氣有可能會隨著地下水向含水層運移，造成污染。因此在油頁巖原位開采過程中，止水工作就是負責阻斷開采區(qū)域的地下水流通道，使裂解出的油氣與地下水體隔離開來，從而消除地下水對油頁巖原位裂解的消極影響。因此需研制一種高性能帷幕止水漿液。

1 油頁巖原位開采止水帷幕對止水漿液要求

通過對油頁巖原位裂解技術(shù)相關(guān)要求的了解，結(jié)合油頁巖儲層薄、品味低、埋藏深等特點以及原位開采技術(shù)的現(xiàn)狀，油頁巖原位裂解止水帷幕漿液應(yīng)具有如下性能特點。

1.1 止水漿液滲透系數(shù)要求

滲透系數(shù)亦稱為水力傳導(dǎo)度，是表示巖土體透水性能的指標。油頁巖原位裂解帷幕注漿止水漿液滲透系數(shù)要求小于1×10-6cm/s。

1.2 止水漿液可控性要求

1.2.1 止水漿液的可泵期

止水漿液的可泵期，主要是指在水泥和水攪拌并加入適當水泥外加劑的情況下，其流動性能好，便于用水泵抽送并通過注漿管，泵入地層預(yù)灌注部位。根據(jù)生產(chǎn)實際表明，止水漿液的流動度只有在大于140 mm，泵送才能順利進行?？杀闷趹?yīng)根據(jù)孔深、孔徑、泵送流量等具體條件進行確定。在油頁巖原位裂解野外帷幕注漿工藝設(shè)計中，采用自下而上分段灌漿法，在灌漿段施加最大灌注壓力下，當漿液注入率≤1 L/min，再持續(xù)灌注漿液30 min后便可結(jié)束灌漿。根據(jù)油頁巖礦層深度(孔深)與漿液在管道中的泵送時間，以及打入替漿水沖洗管道的時間，油頁巖原位裂解帷幕注漿止水漿液的可泵期預(yù)設(shè)為40 min。

1.2.2 止水漿液的初凝和終凝時間

止水漿液的初凝時間是指從在止水漿液中加入速凝劑一直到止水漿液流動性減小、開始失去塑性時所需的時間。

止水漿液終凝時間是指從在止水漿液中加入速凝劑一直到止水漿液開始具有結(jié)構(gòu)強度、完全失去塑性時所需的時間。

止水漿液在可泵期內(nèi)灌入鉆孔后要求在一定時間內(nèi)達到初凝，可泵期和初凝間隔時間可適當大些，以使其能與臨近鉆孔中的漿液很好地摻合在一起，形成完整的、具有良好止水性能的帷幕，使熱源能與目標油頁巖巖層進行充分換熱，并阻隔外部地下水向原位干餾空間滲入，保證油氣回收率。

1.3 止水漿液結(jié)石體強度要求

止水漿液在灌入油頁巖地層，達到終凝時間后，漿液結(jié)石體會在油頁巖層形成一個相對獨立的封閉空間，并起著止水防滲的作用。因此止水漿液結(jié)石體必須要具有一定的強度，才足以抵抗地下水的滲透壓力和地層壓力，以免結(jié)石體被壓裂或壓碎，不能很好地起到止水作用。查閱相關(guān)資料，一般要求止水漿液結(jié)石體3 d時的抗壓強度不小于3 MPa。

1.4 止水漿液環(huán)保及成本要求

油頁巖的地面干餾造成環(huán)境的嚴重污染限制了人們對油頁巖資源的開發(fā)和利用，因此，區(qū)別于地面干餾技術(shù)的油頁巖原位裂解技術(shù)將是油頁巖大規(guī)模開發(fā)的一種趨勢，油頁巖的原位裂解技術(shù)具有油氣轉(zhuǎn)化率高、開采成本低、適合深部開采、環(huán)境污染小等優(yōu)點，在油頁巖開采領(lǐng)域已得到廣泛的認可。但是，目前用于油頁巖層制造封閉空間進行原位裂解的方法只有殼牌提出的地下冷凍墻，但其具有耗能大、成本高和施工周期長等不足，不適合商業(yè)化開采。而將止水帷幕應(yīng)用于油頁巖原位裂解技術(shù)中，將會是一種有效的止水方法。止水漿液主要由425#復(fù)合硅酸鹽水泥、一級粉煤灰以及水泥外加劑等構(gòu)成，并不會對地下水構(gòu)成污染，具有環(huán)保且廉價的特點。

1.5 止水漿液析水率

止水漿液析水率是指漿液在靜止狀態(tài)下由于水泥顆粒的沉淀作用而析出水的比率。析水率的大小是漿液穩(wěn)定性的標志，油頁巖原位裂解帷幕注漿止水漿液析水率≤5%。

2 油頁巖地層止水防滲漿液的研制

2.1 正交試驗設(shè)計

正交實驗設(shè)計中采用的是三水平三因素的正交實驗，三因素分別為酒石酸占固體質(zhì)量的百分比、水泥、粉煤灰占固體質(zhì)量的百分比、速凝劑L占固體質(zhì)量的百分比，詳見表1。

表1 因素水平表

根據(jù)上述的因素水平表，進行正交實驗表格設(shè)計，見表2。

表2 正交實驗表格設(shè)計

2.2 正交試驗結(jié)果與分析

初選配方的正交試驗數(shù)據(jù)整理后見表3，并對配方進行包括析水率、抗壓強度等的性能測試。通過對測試數(shù)據(jù)分析總結(jié)，了解各組分對止水漿液性能的影響程度，優(yōu)選出最佳止水防滲漿液配方。以上是根據(jù)3種因素的3種不同水平范圍所做的正交試驗的實驗結(jié)果，并且對漿液的可泵期、析水率、初凝時間和3 d時的抗壓強度分別作了極差分析。

對表3實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，可以看出緩凝劑酒石酸、水泥+粉煤灰、速凝劑L對漿液可泵期的影響極差值分別為21.667、6.000、2.000。從正交試驗各因素對可泵期的極差分析結(jié)果看出酒石酸的極差最大，其次是水泥+粉煤灰，速凝劑L極差最小，因此，對于止水防滲漿液的可泵期來說，緩凝劑酒石酸摻加量為最主要影響因素，其次是水泥+粉煤灰的摻加量，速凝劑L的摻加量對可泵期的影響最小。

對漿液的析水率作極差分析可以得出，表中緩凝劑酒石酸、水泥+粉煤灰、速凝劑L對漿液可泵期的影響極差值分別為0.167、0.133、0.067。從正交試驗各因素對析水率的極差分析結(jié)果看出酒石酸的極差值最大，其次是水泥+粉煤灰，速凝劑L的極差值最小。因此，對于止水防滲漿液的析水率來說，緩凝劑酒石酸摻加量為最主要影響因素，其次是水泥+粉煤灰的摻加量，而速凝劑L摻加量對析水率的影響最小。

同時對漿液的初凝時間作了極差分析。表中緩凝劑酒石酸、水泥+粉煤灰、速凝劑L摻加量對漿液初凝時間的影響極差值分別為17.667、11.000、7.667。從正交試驗各因素對初凝時間的極差分析結(jié)果可以看出酒石酸摻加量的極差最大，其次是水泥+粉煤灰的摻加量，速凝劑L摻加量的極差最小。因此，對于止水防滲漿液的初凝時間來說，緩凝劑酒石酸的摻加量為最主要影響因素，其次是水泥+粉煤灰的摻加量，速凝劑L的摻加量對初凝時間的影響最小。

對漿液的抗壓強度作極差分析可得，緩凝劑酒石酸、水泥+粉煤灰、速凝劑L摻加量對漿液初凝時間的影響極差值分別為0.730、1.013、0.563。從正交試驗各因素對初凝時間的極差分析結(jié)果可以看出水泥+粉煤灰摻加量的極差值最大，其次是緩凝劑酒石酸的摻加量，速凝劑L摻加量的極差最小。因此，對于止水防滲漿液的抗壓強度來說，水泥+粉煤灰的摻加量為最主要影響因素，其次是酒石酸的摻加量，速凝劑L的摻加量對抗壓強度的影響最小。

對于油頁巖原位裂解注漿帷幕來說，止水防滲漿液的可泵期、初凝時間和終凝時間以及抗壓強度是很重要的性能指標。依據(jù)上述的分析可知緩凝劑酒石酸摻加量是對止水防滲漿液性能影響最大的因素。

表3 試驗方案與試驗結(jié)果表

表3(續(xù))

2.3 優(yōu)選配方的確定

對于油頁巖原位裂解帷幕注漿止水防滲漿液的性能來說，在凝結(jié)時間、單軸抗壓強度都滿足要求的條件下，可泵期是最主要的影響因素。按照上述正交試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析，可選取A2B3D1作為優(yōu)選配方，即水灰比為0.6，緩凝劑酒石酸的含量為0.12%，速凝劑L的含量為2.5%，水泥占總固體質(zhì)量的78%，粉煤灰占總固體質(zhì)量的22%。

3 優(yōu)選配方性能測試

3.1 可控性測定

對優(yōu)選配方進行多次驗證試驗，測得可泵期為42 min左右，初凝時間為470 min，終凝時間為485 min，滿足止水防滲可控止水漿液在40 min之內(nèi)保持流動性，可泵送至油頁巖地層。在470 min后開始失去塑性達到初凝，留有足夠的時間與鄰近鉆孔中的漿液進行充分混和。過初凝之后漿液很快便完全失去塑性達到終凝形成結(jié)石體，在油頁巖地層裂隙中形成具有止水防滲作用的帷幕墻。

3.2 析水性測定

在漿液中固體顆粒會緩慢下沉，漿液中的水則向漿液頂端移動，從而漿液中的水被析出。通過該方法測得優(yōu)選配方漿液的析水率為0.5%<5%，因此該可控止水漿液為穩(wěn)定性漿液。

3.3 滲透系數(shù)測定

吉林省農(nóng)安地區(qū)油頁巖的埋深為50～200 m，通過類比上千米級油氣鉆井的地下水對其孔壁的滲透壓力(一般為700 kPa)?？梢灶A(yù)設(shè)油頁巖原位裂解注漿帷幕所受的地下水滲透壓力為300 kPa，因此，試驗中將滲透系數(shù)測定的滲透壓定為300 kPa，對優(yōu)選配方漿液結(jié)石體進行1 d、3 d、7 d、14 d和21 d的滲透系數(shù)測定。

現(xiàn)將上述滲透系數(shù)測試的結(jié)果及相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置匯總，見表4。

表4 滲透系數(shù)測定的相關(guān)參數(shù)

對表4中滲透系數(shù)測定結(jié)果進行總結(jié)分析，做出漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)隨時間的變化情況的曲線，具體如圖1所示。

由圖1折線分析得：1)止水防滲漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)在養(yǎng)護3～7d內(nèi)下降速度快；2)止水防滲漿液結(jié)石體在養(yǎng)護7～14 d內(nèi)滲透系數(shù)下降的速度較3～7 d的明顯放緩；3)止水防滲漿液結(jié)石體在養(yǎng)護14～21 d內(nèi)滲透系數(shù)變化開始趨于平穩(wěn)，但是其總體還是呈下降趨勢。且研制的止水防滲漿液滲透系數(shù)滿足止水帷幕要求。

3.4 結(jié)石體抗壓強度測定

試驗配置的試塊為邊長為70.7 mm的立方體標準試塊，一共測試試塊養(yǎng)護3 d、7 d、14 d、21 d和28 d時的單軸抗壓強度。

圖1 止水防滲漿液結(jié)石體滲透系數(shù)變化曲線圖

將以上優(yōu)選配方漿液結(jié)石體單軸抗壓強度的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并根據(jù)壓力作用面積，計算出結(jié)石體的抗壓強度，具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 止水漿液結(jié)石體最大力和抗壓強度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)表5中單軸抗壓強度實驗數(shù)據(jù)，對其進行分析總結(jié)，做出單軸抗壓強度曲線圖，具體如圖2所示。

圖2 止水漿液結(jié)石體單軸抗壓強度變化曲線圖

由圖2可以看出試塊在養(yǎng)護3～7 d內(nèi)抗壓強度迅速增長，在7～21 d內(nèi)抗壓強度增長速率較快，在養(yǎng)護21～28 d內(nèi)試塊抗壓強度增長變的較為緩慢，且小于3～7 d內(nèi)的增長速率，但總體呈增長趨勢。

4 結(jié)語

1)常溫下可選用的可控水泥漿液配方為：水灰比為0.6，水泥的摻加量占固體質(zhì)量的78%，粉煤灰的摻加量占固體質(zhì)量的22%，緩凝劑酒石酸的含量占固體質(zhì)量的0.12%，速凝劑L的含量占固體質(zhì)量的2.5%。該配方漿液的初凝時間為470 min，終凝時間為485 min，3 d的滲透系數(shù)為3.146×10-7，3 d的單軸抗壓強度為3.652 MPa，3 d的抗折強度0.375 MPa。

2)試驗中各組份對漿液性能的影響也不盡相同。就漿液可泵期來講，當水灰比確定時，緩凝劑酒石酸的影響最大，其次是水泥+粉煤灰的摻加量，然后是速凝劑L摻加量；對單軸抗壓強度來說，當水灰比確定時，水泥+粉煤灰的摻加量對單軸抗壓強度影響最大，其次是緩凝劑酒石酸，速凝劑L的影響最小。

3)試驗中選取的各組分都是環(huán)保型材料，不會對環(huán)境產(chǎn)生影響。其中，緩凝劑酒石酸廣泛存在于水果中，速凝劑L可用作凈水劑助劑，二者來源廣泛，價格低廉，并且通過摻入適量的粉煤灰，減少水泥的用量，可以大大節(jié)約止水漿液的成本。

本文研制的油頁巖原位裂解止水防滲漿液滿足技術(shù)要求，綠色環(huán)保且成本較低。