页岩气开采中的液化石油气无水压裂技术

作者:陈晓宇;张志全;燕明慧;袁时雨;张稷瑜 刊名:当代化工 上传者:王镇

【摘要】水资源的大量消耗和压裂导致的相关污染一直以来都是页岩气开采中常用的水力压裂技术始终面临着两大难题。为了实现页岩气能够绿色高效地开发,探索适宜的新型无水压裂技术已经显得十分重要和紧迫了。而目前,外国的石油科研人员正在研发的LPG无水压裂,即使用液化石油气作为压裂液,则可能是打开中国页岩气资源的钥匙。这种技术可以解决我国尚无完善水力压裂作业体系和缺乏水资源的情况,应用前景相当广阔。

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页岩气是一种以吸附和游离状态为主要存在方式,赋存于富含有机质泥页岩及其夹层中的非常规天然气资源,成分以CH4为主。目前,页岩气的开发已经在美国和加拿大等国家取得了比较好的成果。我国页岩气资源潜力大,国家对页岩气的开发相当重视,不断地加大对页岩气的研究和开发力度。现在一口典型页岩气井钻井与压裂需要近25 000m3水。而“万方液千方砂”式的水基压裂与中国的实际情况不太符,并且中国页岩气储备主要集中在四川盆地和塔里木盆地,这两个区域的水资源比较匮乏,开采设备运输也不方便,这都是影响页岩气大规模开发的制约因素[1-3]。国外正在研究的LPG无水压裂液技术,主要是将丙烷混合物作为压裂液来替代水进行压裂作业,把丙烷压缩到凝胶状态,与支撑剂混合一起压入岩石裂缝,这样最终采收率可以提高20%~30%左右并且对地层不会造成任何伤害[4,6]。加拿大的Gas FracEnergy Services公司在2008年发明了LPG压裂技术,至2012年9月Gas Frac公司与Husky,EOG等公司合作,在加拿大和美国完成1 580井次压裂[7]。1 LPG组成LPG在常温和1.4 MPa的压力下呈液态,是一种石油天然气的混合物。LPG的主要成分是HD-5丙烷,与常规油基压裂液比较,最主要的不同点在于LPG是经过分馏的,其纯度达到了90%(图1)[8,9]。2 LPG压裂液技术机理及特点LPG压裂液是以液化丙烷、丁烷或者二者的混合液为基液,油溶性表面活性剂烷基磷酸酯作为稠化剂,Fe3+或者Al3+等多价金属盐作为交联剂而形成的一种油基无水压裂液体系[10]。LPG压裂液密度很低,大概只有水密度的二分之一。水基压裂液静压力梯度是10.2 k Pa/m,而LPG压裂液静压力梯度则是5.1 k Pa/m,在返排的时候压降可多下降至水的静压头的1/2,对在压裂施工后能够快速的彻底的洗井与返排提供帮助。图1 LPG原料气体积组成Fig.1 LPG feed gas volume composition从表1可知,水与LPG的黏度存在着10倍的差距。根据描述储层岩石的渗透性的Darcy定律可知,粘度越小,驱替同等量流体所需要的压力差越小,因此,返排时,从基质进入裂缝的液体出来所遇到的阻力也降变低。压裂液表面张力越低,其在裂缝中也就越容易流动,同时,表面张力在很大程度上会影响储层中的毛细管压力。表1 LPG和水的压裂性能对比Table 1 Performance comparison of LPG and waterfracturing项目水LPG黏度0.66 m Pa·s 0.08 m Pa·s表面张力72×10-5 N/cm 7.6×10-5 N/cm相对密度1.02 0.51是否会产生伤害会与储层粘土/矿物盐类产生反应没有伤害当压裂液流经孔隙喉道或者天然裂缝时,由毛细管压力计算公式可知,压裂液的表面张力越低,流体开始进入岩心中最大喉道的压力,即门限压力也越低,液体就越容易流过狭窄的喉道和天然裂缝。所以,液体堵塞孔喉从而导致的水锁效应因为其较低的表面张力能够得到消除。LPG压裂液对地层不会产生任何伤害。由于储层及储层流体和其压裂基液是完全配伍,遇到泥质成分比较高的储层不会发生聚合物堵塞、水锁反应、粘土膨胀等现象。压裂关井后,在储层中,如果LPG压裂基液与天然气以挥发或汽化的方式混融,就会形成CH4、LPG混合气相返排;如果跟原油混相,原油的粘度就会变低,其残余油饱和度也将减少,综上,原油最终采收率会得到提高。同时由于LPG压裂液的表面张力、相对密度本身就低,破胶以后它的粘度也会

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