李元靈，楊甘生，朱朝發(fā)，2，楊海雨

(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉國(guó)土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;2．武警黃金第四支隊(duì)，遼寧 遼陽111000)

頁巖氣儲(chǔ)量豐富，分布廣泛。最早對(duì)頁巖氣的開采可追溯至19世紀(jì)初，但由于頁巖基質(zhì)滲透率很低，要提高其產(chǎn)氣量并進(jìn)行大規(guī)模開采難度很大，因此頁巖氣一直未受到重視［1］。近20年來，美國(guó)水力壓裂技術(shù)的發(fā)展使得其成功對(duì)頁巖氣進(jìn)行了工業(yè)開采，掀起了一場(chǎng)頁巖氣革命，也使得世界范圍內(nèi)興起了研究頁巖氣的熱潮。美國(guó)頁巖氣產(chǎn)量的快速增加，主要得益于水力壓裂技術(shù)的發(fā)展。而壓裂液可謂是水力壓裂的“血液”，在水力壓裂中占有相當(dāng)重要的地位。然而，現(xiàn)階段我國(guó)的頁巖氣開采技術(shù)尚不成熟，且國(guó)內(nèi)的頁巖氣儲(chǔ)層整體較美國(guó)頁巖氣儲(chǔ)層具有經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、埋藏較深、保存條件差等特性［2］，對(duì)壓裂技術(shù)要求更高，對(duì)壓裂液要求也更為嚴(yán)格。故目前需進(jìn)一步開展壓裂液的研究，以滿足我國(guó)頁巖氣進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化開采的要求。

1 壓裂液技術(shù)發(fā)展歷程

采用流體壓裂儲(chǔ)層最早可追溯至19世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)使用液態(tài)硝化甘油對(duì)深度較淺、地層堅(jiān)硬的油井進(jìn)行壓裂施工，以使儲(chǔ)層產(chǎn)生裂縫，增加產(chǎn)量。1935年，Grebe和Stoesser首次對(duì)水力壓裂進(jìn)行觀察和描述，主要是向碳酸鹽儲(chǔ)層注入酸液來提高產(chǎn)量。而到1952年以前，煉制過的石油和原油因具有粘度低、壓裂壓力損失小等特性在壓裂施工中得到廣泛應(yīng)用。1953年，水因具有廉價(jià)、易得等優(yōu)點(diǎn)，開始替代油作為壓裂液基液并得到迅速發(fā)展。而后，為增加壓裂液的粘度、改善其流變性，大量的交聯(lián)劑被研制出來。而酸性流體能溶蝕碳酸鹽儲(chǔ)層產(chǎn)生裂縫的思想也被保留下來，發(fā)展成酸基壓裂液體系。另外，表面活性劑因能和地層流體降低乳化被添加到壓裂液內(nèi)。之后，加入泡沫劑、酒精等一些新的措施也使得壓裂液體系更為豐富。1981年，美國(guó)第一口頁巖氣井壓裂成功，驗(yàn)證了應(yīng)用水力壓裂技術(shù)開發(fā)頁巖氣的可行性。80年代初期，頁巖氣開采大多采用常規(guī)羥丙基瓜膠壓裂液，也試驗(yàn)過氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)。1995年以前，美國(guó)Barnett頁巖氣開采廣泛使用大型凝膠壓裂，施工費(fèi)用較高，且對(duì)儲(chǔ)層有一定傷害。1997年，Mitchell能源公司首次將清水壓裂應(yīng)用在Barnett頁巖的開發(fā)中。清水壓裂不但使壓裂費(fèi)用較大型水力壓裂減少了65%，而且使頁巖氣最終采收率提高了20%?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外廣泛采用減阻水壓裂結(jié)合水平井分段壓裂技術(shù)來改造頁巖氣儲(chǔ)層，提高頁巖氣產(chǎn)量。

2 壓裂液技術(shù)現(xiàn)狀

壓裂液的作用是破裂地層形成一定幾何尺寸的裂縫，并攜帶支撐劑進(jìn)入預(yù)定的裂縫位置，保證裂縫具有足夠的導(dǎo)流能力。這就要求壓裂液具有懸砂能力強(qiáng)、摩阻低、濾失少、穩(wěn)定性好、配伍性好等性能。為滿足上述要求，在技術(shù)發(fā)展的不同歷史時(shí)期，出現(xiàn)了各種類型的壓裂液。根據(jù)其配制材料及特性可分為水基壓裂液、油基壓裂液、乳化壓裂液、泡沫壓裂液、清潔壓裂液等。而在美國(guó)的頁巖氣開采過程中，主要采用的有泡沫壓裂液、凍膠壓裂液和滑溜水壓裂液。另外值得一提的是，近來出現(xiàn)了幾種新型的無水壓裂技術(shù)，有望能協(xié)調(diào)水力壓裂技術(shù)與環(huán)境之間的矛盾，使得壓裂液得到進(jìn)一步發(fā)展。

2．1 泡沫壓裂液

泡沫壓裂液是在常規(guī)植物膠壓裂液基礎(chǔ)上加入發(fā)泡劑，混拌高壓N2或CO2等形成的低傷害壓裂液。1970年，美國(guó)的Mitchell首次研究了泡沫流體的流變特性;1983年，Hirasaki G J．等人研究了多孔介質(zhì)中泡沫流體的毛細(xì)管滑流粘滯性機(jī)理，Grundmann S R對(duì)泡沫壓裂液的起泡劑進(jìn)行了研究，Watkins E K等研究開發(fā)出了一種新的交聯(lián)泡沫壓裂液體系。泡沫壓裂液在新型添加劑、壓裂液新體系及其作用機(jī)理等方面的研究均取得了進(jìn)步。之后，泡沫壓裂液發(fā)展迅速，其發(fā)展歷程見表1。國(guó)內(nèi)到80年代后期才出現(xiàn)對(duì)泡沫壓裂液的研究和應(yīng)用。

泡沫壓裂液中的氣液比一般為65%～85%，氣液比低于65%泡沫壓裂液的粘度偏低，高于92%則泡沫不穩(wěn)定。泡沫壓裂液的粘度隨泡沫的干度(氣相所占體積百分?jǐn)?shù))增加而增加，而溫度對(duì)其性能影響較小。由于壓裂液中液相比例較小，因此能降低壓裂過程中液相在地層中的濾失量，對(duì)儲(chǔ)層的傷害減小。泡沫壓裂液摩阻較小，比水的摩阻要低40%～66%。另外，我國(guó)西部部分頁巖氣藏的開采面臨著缺水的問題，泡沫壓裂液因其具有耗水相對(duì)少、擁有足夠的造縫能力、低摩阻和易反排等特點(diǎn)，可以考慮作為解決缺水問題的途徑之一，但其有使用深度的局限性［3］(一般小于1524 m)。然而，由于泡沫壓裂液是氣液混合物，井筒內(nèi)的液柱壓力小，壓力過程中需要較高的注入壓力。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于泡沫壓裂液研究分為:非交聯(lián)泡沫壓裂液研究、酸性交聯(lián)CO2泡沫壓裂液研究及應(yīng)用和有機(jī)硼(堿性)交聯(lián)N2泡沫壓裂液研究及應(yīng)用。研究的內(nèi)容主要包括泡沫質(zhì)量、溫度、壓力、剪切速率等因素對(duì)泡沫壓裂液流變性、摩阻、氣泡穩(wěn)定性等的影響［4］。因影響因素較多，作用機(jī)理復(fù)雜，目前對(duì)于泡沫壓裂液的認(rèn)識(shí)還不夠清晰?，F(xiàn)階段，提高泡沫壓裂液耐溫抗剪切性和氣泡的穩(wěn)定性、減小CO2泡沫壓裂液的腐蝕性及降低泡沫壓裂液的成本是將其推廣到實(shí)際應(yīng)用需解決的重要問題。

2．2 凍膠壓裂液

凍膠壓裂液包括線性膠壓裂液和植物膠交聯(lián)壓裂液兩種。凍膠壓裂技術(shù)誕生于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)采用胍膠作為稠化劑來改善壓裂液的粘度及流變性。而后又開發(fā)了硼交聯(lián)壓裂液，但由于存在攜砂性及熱穩(wěn)定性差、管流摩阻高等缺點(diǎn)，其應(yīng)用受到了限制。到80年代，有機(jī)鈦、鋯因具有延遲交聯(lián)及耐高溫等特性，能較好地解決壓裂液熱穩(wěn)定性及管流摩阻問題，得到較為廣泛的應(yīng)用。然而，80年代末期的大量研究表明，有機(jī)金屬交聯(lián)壓裂液經(jīng)剪切降解后粘彈性難以恢復(fù)，且對(duì)支撐裂縫的導(dǎo)流能力損害極大。而硼交聯(lián)壓裂液因在剪切前后粘彈性變化較小，且具有價(jià)廉、清潔、無毒、粘彈性好等優(yōu)點(diǎn)，因此再次受到關(guān)注。到20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了有機(jī)硼延遲交聯(lián)技術(shù)，它能控制交聯(lián)反應(yīng)速度，使壓裂液在射孔層段附近才產(chǎn)生交聯(lián)，很好地解決了高粘度(以提高壓力傳導(dǎo)效率和降低流體濾失)與小摩阻(以減小動(dòng)力消耗)之間的矛盾［5］。至1995年前，美國(guó)頁巖氣開采廣泛使用凍膠壓裂技術(shù)。凍膠壓裂液具有攜砂能力強(qiáng)，液體濾失小，容易造縫等優(yōu)點(diǎn)。但也存在很多問題，如:壓裂液粘度高，施工摩阻較高，動(dòng)力消耗高，泵的負(fù)荷大，不利于形成縫網(wǎng);殘?jiān)?，?duì)儲(chǔ)層傷害大，裂縫導(dǎo)流能力受影響;且凍膠壓裂施工成本較高。目前常見的凍膠壓裂液添加劑見表2。

表2 添加劑分類

2．3 滑溜水壓裂液

滑溜水是一種水基壓裂液，主要由清水及各種添加劑(降阻劑、表面活性劑、殺菌劑、酸等)組成，其中水占總體積的99%。雖然添加劑加量較小，卻直接決定著壓裂液的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)壓裂施工的儲(chǔ)層特性及實(shí)驗(yàn)來確定滑溜水壓裂液的配方。在選擇壓裂液添加劑時(shí)，要考慮泵速及壓力、粘土含量、硅質(zhì)和有機(jī)質(zhì)碎屑的生成潛力、微生物活動(dòng)以及壓裂液返排等因素［6］。迄今為止，國(guó)內(nèi)已開展了滑溜水壓裂液的研究并進(jìn)行了多次滑溜水壓裂施工［7］。在方深1井頁巖氣藏現(xiàn)場(chǎng)壓裂中，先采用少量鹽酸進(jìn)行預(yù)處理，以確保射孔清潔和破裂壓力較低;再根據(jù)儲(chǔ)層特性及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，確定了滑溜水配方，進(jìn)行壓裂施工;最后階段采用線性膠壓裂液攜砂［8］。最終，方深1井獲得了較好的壓裂效果。

滑溜水壓裂主要適用于水敏性小、儲(chǔ)層天然裂縫較發(fā)育、脆性較高的地層。較之于常規(guī)凍膠壓裂它摩阻低，能在高排量下大量泵入，形成更深、更為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，獲得更大的改造儲(chǔ)層體積，壓裂效果更好;殘?jiān)?，?duì)儲(chǔ)層傷害小;易返排，易回收，環(huán)境污染小;成本低，相對(duì)常規(guī)凍膠壓裂可以節(jié)約成本40%～60%。因此，滑溜水壓裂已成為美國(guó)頁巖氣井最主要的增產(chǎn)措施。然而，目前也還存在一些不足亟待解決，如由于粘度較低而導(dǎo)致攜砂能力較差;壓裂時(shí)形成的縫網(wǎng)寬度較窄;要求泵注排量高;效率低、用量大等。

2．4 無水壓裂

常規(guī)水力壓裂技術(shù)所引起的環(huán)境問題日益受到公眾關(guān)注。常規(guī)壓裂液需要消耗大量水資源，只有很少返排到地面被安全地處理，高達(dá)80%的壓裂液留在儲(chǔ)層中，可能造成地下水污染。國(guó)內(nèi)水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用不僅存在環(huán)境問題，而且我國(guó)西部的頁巖氣藏多分布在缺水地區(qū)，這對(duì)目前國(guó)外廣泛運(yùn)用的減阻水壓裂來說是個(gè)難題。為解決上述問題，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了新型的無水壓裂技術(shù)，主要包括LPG交聯(lián)凍膠壓裂、純液態(tài)丙烷壓裂和超臨界CO2流體壓裂技術(shù)。

LPG(Liquefied Petroleum Gas)交聯(lián)凍膠壓裂液最先由加拿大GasFrac公司研制成功，并于2009年將其應(yīng)用在加拿大的McCully氣田。研究表明，采用LPG壓裂技術(shù)后，獲得的有效平均半縫長(zhǎng)是水基壓裂液的2倍，兩周內(nèi)丙烷回收率100%，初始產(chǎn)量是水力壓裂的2倍，預(yù)計(jì)增產(chǎn)效果可以持續(xù)10年［9］。無水LPG凝膠壓裂液相比于水基壓裂液，具有以下優(yōu)勢(shì):(1)密度低、粘度低、表面張力低，能與儲(chǔ)層中的烴類物質(zhì)相融合，不會(huì)形成水封;(2)在壓裂施工后LPG會(huì)因?yàn)楦邷睾透邏憾谛纬傻目p隙中只留下支撐劑，無壓裂液殘留物，使得裂縫長(zhǎng)期具有良好的導(dǎo)流能力;(3)壓裂后可與天然氣一起被抽回地面，其回收率近100%，且進(jìn)行分離后可得到循環(huán)利用;(4)LPG凝膠壓裂基本不需要水，能極大地緩解對(duì)環(huán)境和水資源的壓力，同時(shí)也省去了處理壓裂液廢液的成本。但目前LPG凝膠壓裂技術(shù)也還存在一些問題:一是其成本比常規(guī)的水基壓裂液高，二是目前該技術(shù)尚不夠成熟，且存在一定的安全隱患。

利用純液態(tài)丙烷進(jìn)行壓裂最先由美國(guó)eCORP Stimulation Technologies公司在美國(guó)Eagle Ford頁巖區(qū)塊進(jìn)行試驗(yàn)，于2012年12月底完成，并最終宣布在5950 ft(1813.56 m)的安全壓裂改造中獲得成功。該試驗(yàn)不同于水基壓裂液或LPG凝膠壓裂法，其施工過程中未用到任何種類的添加劑。由于丙烷本身源自石油和天然氣儲(chǔ)層，因此可最大程度減少對(duì)油氣層的破壞，同時(shí)也無需耗費(fèi)水資源，最大程度保護(hù)環(huán)境，且減少?gòu)U液處理這一環(huán)節(jié)可降低施工成本。

超臨界CO2流體進(jìn)行儲(chǔ)層改造由沈忠厚院士于2011年提出，同時(shí)其構(gòu)想了集鉆井、完井、增產(chǎn)、采氣及CO2埋存為一體的頁巖氣開采技術(shù)體系［10］。利用超臨界CO2流體對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造具有諸多優(yōu)點(diǎn):(1)其具有低粘、較大的擴(kuò)散系數(shù)、零表面張力等特性，能使儲(chǔ)層產(chǎn)生更多微小裂縫，且易于進(jìn)入儲(chǔ)層孔隙，頂替出游離的頁巖氣;(2)CO2分子與頁巖的吸附能力較CH4分子更強(qiáng)，能置換出頁巖中吸附態(tài)的CH4分子，使之轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，易于產(chǎn)出;(3)超臨界CO2流體不含水，不會(huì)使頁巖層產(chǎn)生粘土膨脹、水鎖效應(yīng)，對(duì)儲(chǔ)層傷害小;(4)壓裂后的CO2因與頁巖間較強(qiáng)的吸附力被束縛在儲(chǔ)層中，而頁巖氣儲(chǔ)層滲透率極低，被束縛的CO2很難逸出，可實(shí)現(xiàn)溫室氣體CO2的永久埋存。但目前利用超臨界CO2開發(fā)非常規(guī)油氣資源仍處在探索階段，存在的一些難題有待解決。首先，超臨界CO2易于流動(dòng)，在壓裂過程中濾失快，需要較大排量才能壓開儲(chǔ)層。其次，超臨界CO2粘度較低，攜帶支撐劑運(yùn)移較困難。另外，目前CO2運(yùn)輸成本較高，這也是需要解決的問題。

3 返排液處理

在頁巖氣開采的歷史上，處理返排液最初采用的是深孔灌注法，即將未經(jīng)處理的廢棄的壓裂液通過深井直接灌注到地下封存［11］。然而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這是一種不可取的方法，壓裂液可能通過滲透作用或其它偶然因素污染地下水體。近來，有國(guó)外學(xué)者提出利用正向滲透技術(shù)處理廢棄的壓裂液［12］，即通過滲透膜過濾和凈化壓裂廢液，這是一種較為可靠且徹底的處理方法，但成本相對(duì)較高。雖然國(guó)內(nèi)外也已提出了多種無水壓裂，有望較好地解決水資源耗費(fèi)和環(huán)境問題，但目前均還處在實(shí)驗(yàn)研究階段，尚未得到推廣。目前國(guó)內(nèi)外頁巖氣開采絕大多數(shù)仍采用的是水基壓裂液，這其中返排的壓裂液對(duì)環(huán)境是個(gè)很大的威脅。特別是我國(guó)目前還處在頁巖氣勘探開采初期，應(yīng)加強(qiáng)返排壓裂液的處理技術(shù)研究，力求在國(guó)內(nèi)大規(guī)模開采頁巖氣之前研制出整套壓裂液廢液處理或回收技術(shù)，避免只謀求發(fā)展，不顧及環(huán)境。

4 結(jié)語

通過整理國(guó)內(nèi)外水力壓裂技術(shù)中壓裂液的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，分類闡述了頁巖氣開采中常用的幾種壓裂液類型，如泡沫壓裂液、凍膠壓裂液、滑溜水壓裂液等，分析了各自的優(yōu)勢(shì)、適用范圍、目前存在的問題和研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展的方向。同時(shí)介紹了LPG交聯(lián)凍膠、純液態(tài)丙烷壓裂和超臨界CO2流體儲(chǔ)層改造幾種新型的無水壓裂技術(shù)，分析了其作用特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)可采用滑溜水與凍膠相結(jié)合的壓裂液體系，能使其互補(bǔ)不足，得到較為理想的壓裂效果，但對(duì)滑溜水壓裂液的成縫機(jī)理及性能改善需做進(jìn)一步研究。而泡沫壓裂液應(yīng)用在埋深相對(duì)較淺或缺水的頁巖氣井中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，是擴(kuò)大開采頁巖氣范圍的一個(gè)研究和應(yīng)用的方向。無水壓裂(特別是超臨界CO2儲(chǔ)層改造技術(shù))有望解決水基壓裂所存在的水資源耗費(fèi)大及環(huán)境污染等問題，使頁巖氣開采更為環(huán)保、高效。

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