減阻劑在頁巖氣壓裂中的研究及應(yīng)用

褚方圓

摘要：近年來，我國的各行各業(yè)建設(shè)的發(fā)展也有了改善。頁巖氣作為目前我國重點(diǎn)開發(fā)的非常規(guī)油氣資源，在開采過程中帶來水資源消耗與壓裂返排液可能帶來的環(huán)境影響不容忽視。隨著當(dāng)前國內(nèi)環(huán)境保護(hù)要求的逐漸提升，為了使水資源得到綜合利用及防治環(huán)境污染，針對(duì)性地選擇壓裂返排液的處置方式及處理工藝是頁巖氣開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：減阻劑;頁巖氣壓裂;研究及應(yīng)用

引言

極細(xì)粒礦物與黏土經(jīng)過堆集、固化成為頁巖，頁巖往往沉積在無擾動(dòng)環(huán)境下的湖泊、海洋等地區(qū)，含大量有機(jī)物，是生油氣母巖。頁巖氣大多以吸附、游離相態(tài)存在這樣孔隙度和滲透率極低的致密泥頁巖中，頁巖氣流動(dòng)阻力比常規(guī)油氣大，裂縫網(wǎng)絡(luò)不發(fā)育的頁巖，很難成為有效儲(chǔ)層，要求具備一定的改造體積，才能滿足頁巖氣高效開發(fā)的要求。

1生物基多糖類減阻劑應(yīng)用

生物基多糖減阻劑以瓜爾膠為主，具有環(huán)境友好和可生物降解的優(yōu)點(diǎn)。瓜爾膠是一種天然的高分子植物膠，主產(chǎn)于印度、巴基斯坦等地瓜豆種子的胚乳中，市場(chǎng)價(jià)格多受自然環(huán)境與世界經(jīng)濟(jì)格局變化所共同決定。其主要成分是半乳甘露聚糖，以β-14苷鍵鏈接的D-甘露糖為主鏈，以α-16苷鍵鏈接的D-半乳糖為支鏈，是具有多分支的長鏈中性非離子型多鄰位順勢(shì)羥基聚糖。相對(duì)分子質(zhì)量與產(chǎn)地相關(guān)，多為100～200萬左右。瓜爾膠聚合物在溶于水后會(huì)水化成線性結(jié)構(gòu)，濃度一般為1.8～3.6kg/m3左右，最大攜砂量可達(dá)240kg/m3。未經(jīng)改性的瓜爾膠水化速率緩慢，黏度不穩(wěn)定，不利于壓裂在線施工作業(yè)，多借助官能團(tuán)衍生、接枝聚合、金屬交聯(lián)等方法對(duì)瓜爾膠原粉進(jìn)行修飾。使用交聯(lián)劑對(duì)瓜爾膠進(jìn)行交聯(lián)處理，處理后黏度可提高至原有黏度的100倍左右，攜砂量明顯高于同量PAM滑溜水。利用有機(jī)分散劑將羥乙基纖維素、羧甲基淀粉與瓜爾膠的混合漿液分散成為穩(wěn)定的乳液型減阻劑，該體系可在10s內(nèi)快速起黏，滿足現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)混配技術(shù)需求。在瓜爾膠主鏈上接枝PAM，有利于提高其降阻能力，生物降解能力可延長10d。PEO可實(shí)現(xiàn)快速水合，且具有優(yōu)異的減阻性能，但其易在水中快速粘接形成難溶性“魚眼”，導(dǎo)致地層二次傷害。因此，將PEO直接用于壓裂施工作業(yè)的案列很少。近年來，一些研究者將PEO與瓜爾膠的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，研發(fā)出一種可快速水合、耐高礦化度和性能穩(wěn)定的減阻劑產(chǎn)品。聚合物粒徑尺寸越小，與水溶液接觸的比表面積越大，溶解速率也越快這一特點(diǎn)，推出了以線性非改性瓜爾膠作為主劑，PEG到8000（PEG，Polyethylene glycol，聚乙二醇）作為分散劑的水包水聚合物產(chǎn)品———xWater。其中PEG8000易溶于水，在水中呈蛇形構(gòu)象，其氧醚基易與含氧的膠粒表面產(chǎn)生同性離子親和作用。這種氫鍵的親和作用使得PEG易于吸附在膠粒表面形成一層高分子保護(hù)膜，包圍了膠體粒子，而其分子間呈蛇形構(gòu)象伸向水溶液中使得整個(gè)包裹體具有一定厚度，故當(dāng)帶同性電荷的膠體質(zhì)點(diǎn)互相接近時(shí)，靜電斥力與高分子的空間位阻效應(yīng)共同作用，發(fā)揮了分散作用。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無相分離現(xiàn)象，可通過設(shè)置注入濃度調(diào)變?cè)诰€監(jiān)控注入?yún)?shù)。高礦化度條件下，水化速度明顯快于粉狀瓜爾膠或者油包水相聚合物，使用破膠劑氧化破膠后無固體殘留，進(jìn)而產(chǎn)生更高的裂縫導(dǎo)流能力。xWater減阻劑在支撐劑填充層損害程度最低的情況下具有與線性膠或交聯(lián)體系相同的攜砂能力。2012年以來，xWater已在北美Bakken頁巖氣區(qū)成功壓裂65段，高礦化度產(chǎn)出水用量2.8×107L，全程無需額外引入添加新鮮水源，降低了總壓裂作業(yè)成本的25%。

2頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)與壓裂改造

頁巖氣開發(fā)以儲(chǔ)層評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，壓裂改造為核心。只有對(duì)儲(chǔ)層特征精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)以及對(duì)壓裂改造有深刻地認(rèn)識(shí)，才能提高產(chǎn)能、降低作業(yè)成本。儲(chǔ)層評(píng)價(jià)主要目的是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層是否能夠通過壓裂改造形成足夠大的有效裂縫體積。儲(chǔ)層的脆性、天然裂縫以及水平應(yīng)力差等對(duì)儲(chǔ)層壓裂的可行性及其效果起著重要作用。脆性大的儲(chǔ)層，易實(shí)現(xiàn)脆性斷裂形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而大幅度提高裂縫體積。泊松比小，楊氏模量大，則說明脆性指數(shù)大，拉伸實(shí)驗(yàn)可獲得巖芯的泊松比及楊氏模量，另外，儲(chǔ)層中碳酸鹽巖礦物、硅質(zhì)礦物含量高，也可說明頁巖儲(chǔ)層的脆性指數(shù)大，巖石礦物分析法可確定儲(chǔ)層的脆性;天然裂縫可增加自由氣的儲(chǔ)集，天然裂縫發(fā)育程度越好，其和人工裂縫形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜。天然裂縫的發(fā)育程度可通過鉆遇裂縫的巖芯和野外露頭分析得到;水平應(yīng)力差越小，對(duì)于縫網(wǎng)的復(fù)雜性越好。地應(yīng)力的獲取在實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)施工可分別采用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法、水壓致裂法。此外，預(yù)測(cè)儲(chǔ)量、孔滲條件、有機(jī)碳含量及成熟度、水敏感性也是頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的指標(biāo)。經(jīng)過精準(zhǔn)的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，具備較好富集規(guī)律的氣層，才能通過壓裂改造實(shí)現(xiàn)人工裂縫體系。壓裂改造主要目的是增加裂縫網(wǎng)絡(luò)，提高裂縫導(dǎo)流能力。頁巖氣從地層流動(dòng)至井底可分為3個(gè)階段：①吸附氣由于壓降發(fā)生解吸附成為自由氣;②自由氣由于濃度差從基質(zhì)系統(tǒng)向裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)擴(kuò)散;③頁巖氣由于流動(dòng)勢(shì)從裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)流至井底。頁巖儲(chǔ)層孔隙度和滲透率極低，流動(dòng)阻力過大，基本無法運(yùn)移到井底。因此，需要大規(guī)模壓裂改造，使人工裂縫和天然裂縫錯(cuò)綜交雜，形成具有一定滲流能力的裂縫網(wǎng)絡(luò)，便于頁巖氣更好地通過裂縫網(wǎng)絡(luò)流向井底，以實(shí)現(xiàn)較高的商業(yè)開發(fā)價(jià)值。

3壓裂返排液處理研究應(yīng)用前景

根據(jù)不同地區(qū)水質(zhì)特征及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件選擇合適的壓裂返排液處理方式和處理工藝組合，并綜合考慮適用性、節(jié)能、使用壽命、環(huán)境因素等。目前頁巖氣開采重慶片區(qū)限制回注，僅四川允許回注。因此一方面應(yīng)從技術(shù)上降低硬度等不利于回用的水質(zhì)因素進(jìn)一步提高返排液回用比例，另一方面可根據(jù)實(shí)際情況采用處理回用與依托現(xiàn)有回注井回注、集中處理外排、拉運(yùn)至第三方污水廠處理等多種方式結(jié)合的處置模式。根據(jù)目前國內(nèi)環(huán)保政策及西南地區(qū)油氣生產(chǎn)開采形勢(shì)，頁巖氣壓裂返排液達(dá)標(biāo)外排處理是一個(gè)重要的發(fā)展方向。西南地區(qū)環(huán)境較為敏感和脆弱，應(yīng)根據(jù)壓裂返排液水質(zhì)特征及處置現(xiàn)狀，探索適應(yīng)頁巖氣開發(fā)的壓裂返排液處理技術(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)頁巖氣壓裂返排液的污染特征尚未完全明確，潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)尚不充分，因此需進(jìn)一步開展頁巖氣返排液水質(zhì)特征研究，逐步完善返排液污染物數(shù)據(jù)庫建設(shè)。在適應(yīng)油氣田動(dòng)態(tài)處理要求基礎(chǔ)上，改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)、研究新興技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)處理技術(shù)模塊化，以滿足不同條件下的處理需求。根據(jù)目前壓裂返排液等廢水處理現(xiàn)狀及存在的問題，結(jié)合生產(chǎn)單位需求和法律法規(guī)要求，一方面綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析，通過運(yùn)用成熟技術(shù)的商業(yè)化工程案例，解決頁巖氣上產(chǎn)廢水治理現(xiàn)狀的問題;另一方面，在現(xiàn)有處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷嘗試和探索不同處理技術(shù)間的組合搭配方式，通過研究轉(zhuǎn)化、集成、改進(jìn)、論證，形成經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、技術(shù)可靠的新型應(yīng)用型廢水處理技術(shù)措施，因地制宜尋求更適合該區(qū)塊鉆井廢水治理的新模式。隨著當(dāng)前我國環(huán)境保護(hù)要求的逐漸提升，為了使水資源得到綜合利用及防治環(huán)境污染，在開發(fā)頁巖氣的同時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況針對(duì)性地選擇壓裂返排液的處置方式及處理工藝。研究開發(fā)低成本、高效采出液深度處理技術(shù)，能夠有效降低頁巖氣壓裂返排液對(duì)環(huán)境帶來的影響，為頁巖氣可持續(xù)開發(fā)提供重要的技術(shù)支撐，這也將成為我國頁巖氣“十四五”發(fā)展規(guī)劃的必然方向。

結(jié)語

壓裂液作為頁巖氣壓裂技術(shù)的“血液”，壓裂液體系的優(yōu)化備受關(guān)注。隨著纖維材料、清潔壓裂液及無水壓裂液的出現(xiàn)，未來壓裂液體系發(fā)展呈低成本、低傷害、清潔環(huán)保、適應(yīng)苛刻環(huán)境的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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