柳志齊 (長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

丁飛，張穎 (荊州市現(xiàn)代菲氏化工科技有限公司，湖北 荊州 434000)

吳軍 (非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

余維初 (非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué))，湖北武漢430100 長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北荊州434023)

頁巖氣是一種非常規(guī)油氣，其儲層具有低孔隙度、低滲透率、富含有機質(zhì)等特點[1，2]。我國頁巖油氣儲量豐富，開采前景巨大，但是由于地層構(gòu)造運動復(fù)雜、埋藏較深、保存條件差等原因開發(fā)難度較大。目前國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)尚處于起步階段，核心技術(shù)不成熟，沒有實現(xiàn)工業(yè)開采，想要提高頁巖氣的產(chǎn)量并進行大規(guī)模開采很困難[3～5]。隨著頁巖氣的勘探開發(fā)技術(shù)的日益精進，特別是水平井與水力壓裂技術(shù)的推廣與發(fā)展，讓頁巖氣的大規(guī)模勘探開發(fā)成為可能。滑溜水壓裂技術(shù)是在清水中添加微量添加劑(如減阻劑、黏土穩(wěn)定劑、表面活性劑等)作為壓裂液進行儲層改造的一種壓裂技術(shù)[6～9]，減阻劑是壓裂液中的關(guān)鍵添加劑，常見的有粉末減阻劑、油基乳液減阻劑、水基乳液減阻劑3類。納米復(fù)合類減阻劑是一種水基乳液減阻劑，性能比普通水基乳液減阻劑更加優(yōu)越。

中國的頁巖氣產(chǎn)區(qū)主要位于水資源匱乏和人口密集地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，對壓裂液的要求更高，不僅需要滿足施工要求，同時要滿足儲層保護和環(huán)境保護的需求。若水資源受到污染，不僅處理難度大、成本高，而且嚴重威脅到當?shù)鼐用竦娜粘Ｉa(chǎn)和生活[10]。如果不采取科學(xué)有效的儲層保護和環(huán)境保護措施，盲目地追求一時的產(chǎn)量，這對頁巖儲層和環(huán)境而言都將是一場災(zāi)難，最終可能造成嚴重的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。目前，國內(nèi)在選用壓裂液時關(guān)注的仍然僅是減阻性能，并未能有機地將其與儲層保護和環(huán)境保護相結(jié)合。因此，筆者針對國內(nèi)常用的粉末類、油基乳液類和納米復(fù)合類減阻劑配制的滑溜水，在評價滑溜水的減阻性能的基礎(chǔ)上，開展了儲層傷害和生物毒性方面的試驗，以探索有效、系統(tǒng)評價滑溜水性能的方法，從而為現(xiàn)場選用壓裂液提供依據(jù)；同時，嘗試探尋可實現(xiàn)高效減阻、儲層保護和環(huán)境保護的滑溜水壓裂液。

1 試驗

1.1 試驗儀器與材料

1)試驗儀器。JHTZ-1高溫高壓動態(tài)減阻評價系統(tǒng)，如圖1所示；電子天平；DXY-3智能化生物毒性測試儀。

2)材料。1#、2#滑溜水壓裂液(由粉末類減阻劑配制)； 3#、4#滑溜水壓裂液(由油基乳液類減阻劑配制)；5#、6#滑溜水壓裂液(由納米復(fù)合類減阻劑配制)；發(fā)光桿菌。

1.模擬管路Ga;2.模擬管路Gb;3.差壓傳感器ΔPa;4.差壓傳感器ΔPb;5.電動閥VDa;6.電動閥VDb;7.電動閥VDc;8.流量計F;9.壓力傳感器P;10.循環(huán)泵;11.加熱罐;12.電動閥VDd;13.加熱管;14.排氣閥;15.電動閥VDe;16.溫度控制系統(tǒng)T;17.配料罐;18.攪拌電機;19.數(shù)據(jù)采集器;20.計算機。圖1 JHJZ-I高溫高壓動態(tài)減阻評價系統(tǒng)

1.2 試驗方法

1.2.1減阻率試驗方法

主要試驗步驟如下：測定30L/min、10mm管徑室溫(25℃)下清水的摩阻；測定同樣條件下滑溜水壓裂液的摩阻；利用計算機軟件系統(tǒng)計算出減阻率。

減阻劑的減阻性能具體表現(xiàn)為減阻劑溶液流速增大和摩阻壓降降低。當輸送壓力不變時，減阻性能表現(xiàn)為溶液流速的增加；當輸送的流速不變時，減阻性能表現(xiàn)為溶液摩阻壓降的降低。因此，可以用增輸率和減阻率這2個指標來評價減阻劑的減阻性能。目前國內(nèi)外大多使用減阻率作為減阻性能的指標。減阻率可通過下式計算：

(1)

式中，F(xiàn)R表示減阻率，%；P0為清水的摩阻，kPa/m；P為添加減阻劑后滑溜水壓裂液的摩阻，kPa/m。減阻率越高，說明滑溜水壓裂液的減阻性能越強。

1.2.2滲透率試驗方法

目前關(guān)于滑溜水壓裂液對頁巖儲層的傷害方面的研究還不夠成熟，特別是評價方法和評價標準方面仍然處于探索階段，尚未形成標準的評價方法[11～14]。因此，筆者嘗試依據(jù)常規(guī)油氣儲層的評價方法進行試驗，即通過測試滑溜水壓裂液污染前后的滲透率進行評價。

此外，天然頁巖巖心的滲透率極低，很難利用常規(guī)油氣儲的評價儀器進行測試。但是頁巖儲層經(jīng)壓裂改造后的滲透率與人造巖心相似，因此可選用人造巖心進行試驗。為了得到滲透率恢復(fù)值，需要測試人造巖心的原始滲透率，然后測試不同滑溜水壓裂液傷害后的滲透率，通過公式計算得到滲透率恢復(fù)值，使用基質(zhì)滲透率恢復(fù)值表征巖心受傷害程度。主要試驗步驟如下：測試巖心長度、直徑、孔隙體積；將巖心放入夾持器中組合好裝置，調(diào)整進口壓力并測氣體流速。通過滲透率公式計算巖心原始氣體滲透率，再測試不同壓裂液傷害后的巖心滲透率，通過公式計算巖心滲透率恢復(fù)值，具體測試方法參見標準SY/T 5336-2006和SY/T 6540-2002[15～17]。

巖心滲透率恢復(fù)值的計算公式如下：

(2)

式中，η為巖心滲透率恢復(fù)值，%；K為滲透率，mD；K1為污染前的巖心滲透率，mD；K2為污染后的巖心滲透率，mD；Q為流動液體的體積流量，cm3/s；μ為流動液體的黏度，mPa·s；L為巖心軸向長度，cm；ΔP為巖心進出口的壓差，MPa；A為巖心橫截面積，cm2。

1.2.3生物毒性試驗方法

水質(zhì)檢測和評價的方法有很多，其中應(yīng)用最廣的是發(fā)光細菌法，該方法具有反應(yīng)快、靈敏度高、成本低等優(yōu)點[18～20]。試驗中選用明亮發(fā)光桿菌為試驗菌種，該菌種的發(fā)光能力源于細胞內(nèi)的發(fā)光要素ATP。當細菌細胞活動性高時，細胞內(nèi)ATP含量高，則細菌發(fā)光強度高；反之，則發(fā)光強度變?nèi)?，如與毒性物質(zhì)接觸。也就是說，發(fā)光細菌的發(fā)光強度與滑溜水壓裂液的毒性呈正相關(guān)關(guān)系。因此，可根據(jù)發(fā)光細菌法評價滑溜水壓裂液的生物毒性。主要試驗步驟如下：將DXY-3智能化生物毒性測試儀校準調(diào)零并預(yù)熱15min，將試管排列好同時加入3% NaCl溶液及樣品溶液，復(fù)蘇發(fā)光菌，檢驗發(fā)光菌是否復(fù)蘇，測試并讀數(shù)，具體測試方法參見標準Q/SY 111-2007[21]。

推算出相對發(fā)光度為50%時樣品的濃度EC50值(發(fā)光細菌發(fā)光能力減弱一半時樣品的濃度)，根據(jù)該值可將樣品的生物毒性進行分級。相對發(fā)光度的計算公式為：

(3)

式中，E為相對發(fā)光度，%；E0，i為空白管的發(fā)光強度，mV；Ei為樣品管的發(fā)光強度，mV。

2 結(jié)果與討論

2.1 減阻性能

依據(jù)所添加減阻劑的類型，將試驗中選用的6種滑溜水壓裂液(1#、2#、3#、4#、5#、6#)進行分類。所添加減阻劑除了國內(nèi)常用的粉末類(1#、2#)和油基乳液類(3#、4#)外，還有新型的納米復(fù)合類減阻劑(5#、6#)。每種類型的減阻劑選取2種樣品進行平行測試(研究中所提及的滑溜水壓裂液為這6種)。測試結(jié)果如表1所示，其中，滑溜水壓裂液配方中減阻劑的作用是減少壓裂液流動時的摩擦系數(shù)，從而減少施工壓力，助排劑降低表面張力，黏土穩(wěn)定劑抑制黏土膨脹，所有配方中所用助排劑和黏土穩(wěn)定劑都相同，減阻劑各不相同。

表1 不同類型滑溜水壓裂液的減阻率

注： 1#、2#配方為0.1%粉末減阻劑+0.1%助排劑+0.2%黏土穩(wěn)定劑；3#、4#配方為0.1%油基乳液減阻劑+0.1%助排劑+0.2%黏土穩(wěn)定劑；5#、6#配方為0.1%納米復(fù)合類減阻劑+0.1%助排劑+0.2%黏土穩(wěn)定劑;下同。

表2 不同類型滑溜水壓裂液的巖心滲透率恢復(fù)值

從表1可以看出，6種滑溜水壓裂液的減阻率都高于70%，都具有良好的減阻效果，但滑溜水壓裂液中的化學(xué)添加劑(如大分子聚合物)有可能造成儲層堵塞和水污染等問題。另一方面，這6種滑溜水壓裂液是否無毒環(huán)保還未可知。因此，3種類型減阻劑配制的滑溜水壓裂液的儲層傷害和環(huán)境污染程度如何還有待進一步的研究。

2.2 儲層傷害評價

采用滲透率恢復(fù)值來表征儲層傷害程度，滲透率測試試驗結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，1#～4#配方的滲透率恢復(fù)值很小，其原因是粉末類減阻劑與油基乳液類減阻劑的分子量大，分子粒徑大，不易通過孔喉直徑較小的裂縫通道，造成孔喉堵塞。另外，這2類減阻劑配制的滑溜水壓裂液配伍性差，產(chǎn)生不溶絮凝物從而造成裂縫的堵塞，導(dǎo)致滲透率恢復(fù)值低，會對儲層造成嚴重的傷害，大幅降低頁巖氣井的開采壽命。5#和6#配方滲透率恢復(fù)值很大，這是因為納米復(fù)合類減阻劑分子粒徑小，是納米級別，能容易通過儲層中裂縫和喉道，同時配伍性好，不會產(chǎn)生不同絮凝物，不會對微裂縫造成堵塞，對儲層造成的傷害非常低，有利于儲層保護。因此，從儲層保護角度出發(fā)，1#～4#配方不適用于頁巖氣的開發(fā)，5#和6#配方可廣泛應(yīng)用于頁巖氣的開發(fā)。

2.3 生物毒性檢測

根據(jù)生物毒性分級及檢測標準Q/SY 111-2007[21](見表3)，不同類型滑溜水壓裂液的生物毒性檢測結(jié)果如表4所示。

表3 生物毒性等級分類

表4 不同類型滑溜水壓裂液的生物毒性分級檢測結(jié)果

由表4可以看出，1#～4#配方都有毒，會造成環(huán)境污染；5#和6#都無毒，EC50值與自來水相當(自來水的EC50值為1×106mg/L)，有利于環(huán)境保護。

3 試驗分析

頁巖儲層是裂縫型儲層，裂縫既是儲集空間又是滲流通道，具有低滲低孔、以納米級孔隙為主等特點，極易受到傷害。此外，研究發(fā)現(xiàn)減阻劑的分子量越高，則減阻效果越好。1#～4#配方之所以會造成嚴重的儲層傷害，可能是由于為了提高其減阻性能而將減阻劑的分子量做得很高，且分子的粒徑較大，因而引發(fā)儲層堵塞等問題；而5#和6#配方減阻效果與1#～4#配方相當，但由于選用了納米復(fù)合材料，分子量較小且粒徑小，所以對儲層幾乎不會造成傷害。

從生物毒性試驗結(jié)果來看，粉末減阻劑和油基乳液減阻劑EC50值很低，這2種壓裂液體系會對環(huán)境造成嚴重的傷害，在3類減阻劑的減阻效果相當?shù)那闆r下，納米復(fù)合類減阻劑的EC50值高，綠色環(huán)保。基于環(huán)境保護的理念，選擇合適的滑溜水壓裂液顯得異常重要，根據(jù)試驗研究結(jié)果，建議優(yōu)先使用納米復(fù)合類減阻劑配置滑溜水壓裂液體系。

4 結(jié)語

通過上述研究結(jié)果可以看出，雖然粉末類和油基乳液類減阻劑配制的滑溜水壓裂液的減阻率較高，但是粉末類減阻劑的滲透率恢復(fù)值僅為5.7%～19.5%，EC50值為1120 ～1180mg/L(微毒、微毒)，油基乳液類減阻劑的滲透率恢復(fù)值僅為1.4%～3.4%，EC50值為71.25 ～2180 mg/L(重毒、微毒)，會造成嚴重的儲層傷害和環(huán)境污染；而由納米復(fù)合材料減阻劑配制的滑溜水壓裂液雖然減阻率與前2種相當，但是滲透率恢復(fù)值高達95%～98.6%，EC50值高達1×106～1.89×106mg/L(無毒)，具有環(huán)境保護和儲層保護的雙重效果。綜合考慮，由納米復(fù)合材料配制的滑溜水壓裂液更適用于頁巖氣的開采，有助于解決我國頁巖氣開發(fā)過程中的水資源污染等環(huán)境問題，同時也會大幅減少儲層傷害引起的產(chǎn)能降低等問題。

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